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CN118459225A - 一种高强碳陶刹车盘制备方法及产品 - Google Patents

一种高强碳陶刹车盘制备方法及产品 Download PDF

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CN118459225A
CN118459225A CN202410350532.1A CN202410350532A CN118459225A CN 118459225 A CN118459225 A CN 118459225A CN 202410350532 A CN202410350532 A CN 202410350532A CN 118459225 A CN118459225 A CN 118459225A
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brake disc
ceramic brake
carbon fiber
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carbon
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刘松青
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Shenzhen Baisibei New Materials Technology Co ltd
Original Assignee
Shenzhen Baisibei New Materials Technology Co ltd
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Abstract

本发明提供一种高强碳陶刹车盘制备方法，通过优化工艺流程和参数，在渗硅处理阶后增加了化学沉积工艺，通过SiH2Cl2和NH3作为气源，在700‑800℃沉积氮化硅，碳化硅基体原本存在的裂纹被沉积的氮化硅弥补，提高了基体强度。由于沉积温度低，从沉积温度冷却至室温时和碳纤维之间由于冷却产生的裂纹少，保证了碳陶刹车盘的强度稳定性。

Description

一种高强碳陶刹车盘制备方法及产品
技术领域
本发明涉及刹车盘制造技术领域，尤其涉及一种高强碳陶刹车盘制备方法及其产品。
背景技术
飞机、汽车和髙速列车等现代交通工具的刹车材料经历了从铸铁、合成材料、粉末冶金材料到碳碳复合材料和碳陶复合材料的发展。刹车盘是重要制动部件，起减速或停车的作用，其制动效果取决于材料的性能。不论是碳碳还是碳陶的刹车盘，其实它们的性能都比铸铁刹车盘更强。随着交通运输行业的快速发展，车辆制动性能要求也随之提高，加之摩擦材料面积越来越小，单位面积摩擦材料承担的能量越来越高，对刹车盘的强度和韧性也提出更高的要求。
目前碳陶刹车盘的制备工艺为针刺-碳化-高温处理-化学气相沉积-高温处理-加工-渗硅-加工，在经过液相渗硅后，样品在冷却时，生成的碳化硅和碳纤维基体之间由于热膨胀系数失配，容易在碳化硅基体中出现裂纹，降低样品的强度。对此，提出一种高强碳陶刹车盘制备方法，用以解决渗硅后刹车盘强度降低的问题。
发明内容
本发明目的在于提供一种高强碳陶刹车盘制备方法及其产品，通过在渗硅处理后增加气相沉积工艺，在较低温度下沉积氮化硅至碳化硅的裂纹中，增加碳化硅基体的强度。工艺操作简单，耗能小。
为达此目的，本发明提供一种高强碳陶刹车盘制备方法，所述高强碳陶刹车盘的制备步骤如下：
步骤1：制备预定厚度的碳纤维预制体；
步骤2：将所述碳纤维预制体进行干燥处理得到碳纤维坯体；
步骤3：将所述碳纤维坯体进行热压固化处理，压力为4-8MPa，温度为150℃，保温4h，然后进行碳化处理得到碳化体；
步骤4：将所述碳化体进行机械加工得到刹车盘坯体；
步骤5：将所述刹车盘坯体放入氮化硼坩埚中在高温炉内进行渗硅处理，形成硅化体，所述氮化硼坩埚中预先放入有纯硅粉，渗硅处理温度为1600-1700℃，保温时间为2-4h，炉膛压力小于1000Pa；
步骤6：将所述硅化体进行表面打磨，去除硅化体表面多余的单质硅，然后进行气相沉积处理得到所述高强碳陶刹车盘，将所述硅化体放入化学气相沉积炉中在800℃条件下沉积，沉积时间为200-800h，所述化学气相沉积炉通入SiH2Cl2和NH3。
优选的，所述碳纤维预制体由N层碳纤维方格布堆叠而成，N为大于1的自然数，相邻碳纤维方格布之间刷涂有预定浓度的酚醛树脂。
优选的，所述碳纤维方格布克重为200-300g/m2，酚醛树脂浓度为65-80％。
优选的，步骤3中碳化处理温度为1000℃，保温4h。
优选的，步骤5中氮化硼坩埚中预先放入刹车盘坯体质量1.1倍的纯硅粉。
优选的，所述SiH2Cl2和NH3的摩尔比为3:4。
本发明还提出一种高强碳陶刹车盘，所述高强碳陶刹车盘外表面具有一层氮化硅保护膜，所述高强碳陶刹车盘内部具有一氮化硅富集区，所述高强碳陶刹车盘内部包含40-50％的碳，40-50％的碳化硅，2-6％的硅，0.5-3％的氮化硅。
优选的，所述氮化硅保护膜厚度为0.03-1mm。
优选的，所述氮化硅富集区的尺寸长度为0.1-5mm，宽度为0.03-0.5mm。
有益效果：本发明提供的高强碳陶刹车盘的制备方法，通过优化工艺流程和参数，在渗硅处理阶后增加了化学沉积工艺，通过SiH2Cl2和NH3作为气源，在700-800℃沉积氮化硅，碳化硅基体原本存在的裂纹被沉积的氮化硅弥补，提高了基体强度。由于沉积温度低，从沉积温度冷却至室温时和碳纤维之间由于冷却产生的裂纹少，保证了碳陶刹车盘的强度稳定性。同时气相沉积温度下降可以大大节约耗能，且整个制造工艺操作简单，易产业化大规模生产。本发明还提出一种高强碳陶刹车盘，该刹车盘内分布有氮化硅用于弥补刹车盘坯体的裂纹，表面具有一层氮化硅保护膜，进一步提高了刹车盘整体的强度。
具体实施方式
下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本实施例提供一种高强碳陶刹车盘制备方法，所述高强碳陶刹车盘的制备步骤如下：
步骤1：制备预定厚度的碳纤维预制体；
步骤2：将所述碳纤维预制体进行干燥处理得到碳纤维坯体；
步骤3：将所述碳纤维坯体进行热压固化处理，压力为4-8MPa，温度为150℃，保温4h，然后进行碳化处理得到碳化体；
步骤4：将所述碳化体进行机械加工得到刹车盘坯体；
步骤5：将所述刹车盘坯体放入氮化硼坩埚中在高温炉内进行渗硅处理，形成硅化体，所述氮化硼坩埚中预先放入有纯硅粉，渗硅处理温度为1600-1700℃，保温时间为2-4h，炉膛压力小于1000Pa；
步骤6：将所述硅化体进行表面打磨，去除硅化体表面多余的单质硅，然后进行气相沉积处理得到所述高强碳陶刹车盘，将所述硅化体放入化学气相沉积炉中在800℃条件下沉积，沉积时间为200-800h，所述化学气相沉积炉通入SiH2Cl2和NH3。
其中，所述碳纤维预制体由N层碳纤维方格布堆叠而成，N为大于1的自然数，相邻碳纤维方格布之间刷涂有预定浓度的酚醛树脂。
所述碳纤维方格布克重为200-300g/m2，酚醛树脂浓度为65-80％。
步骤3中碳化处理温度为1000℃，保温4h。
步骤5中氮化硼坩埚中预先放入刹车盘坯体质量1.1倍的纯硅粉。
所述SiH2Cl2和NH3的摩尔比为3:4。
本实施例还提出一种高强碳陶刹车盘，所述高强碳陶刹车盘外表面具有一层氮化硅保护膜，所述高强碳陶刹车盘内部具有一氮化硅富集区，所述高强碳陶刹车盘内部包含40-50％的碳，40-50％的碳化硅，2-6％的硅，0.5-3％的氮化硅。
其中，所述氮化硅保护膜厚度为0.03-1mm。
所述氮化硅富集区的尺寸长度为0.1-5mm，宽度为0.03-0.5mm。
实施例1
本实施例提供一种高强碳陶刹车盘，所述高强碳陶刹车盘的制备步骤如下：
步骤1：在碳纤维方格布上涂刷酚醛树脂，方格布克重为300g/m2，酚醛树脂浓度为65％，涂刷后再铺叠另一层碳纤维方格布，往复以上过程叠加直至所需厚度得到碳纤维预制体；
步骤2：将碳纤维预制体进行干燥处理，直到酒精完全挥发得到碳纤维坯体；
步骤3：将所述碳纤维坯体进行热压固化处理，压力为4MPa，温度为150℃，保温4h，然后进行碳化处理得到碳化体，碳化温度为1000℃，保温4h；
步骤4：将所述碳化体进行机械加工，制备出产品所具有的通风孔道等特征得到刹车盘坯体；
步骤5：将所述刹车盘坯体放入氮化硼坩埚中在高温炉内进行渗硅处理，形成硅化体，所述氮化硼坩埚中预先放入有纯硅粉，渗硅处理温度为1650℃，保温时间为3h，炉膛压力小于1000Pa；
步骤6：将所述硅化体进行表面打磨，去除硅化体表面多余的单质硅，然后进行气相沉积处理得到所述高强碳陶刹车盘，将所述硅化体放入化学气相沉积炉中在800℃条件下沉积，沉积时间为200h，所述化学气相沉积炉通入SiH2Cl2和NH3，SiH2Cl2和NH3的摩尔比为3:4。
实施例2
本实施例提供一种高强碳陶刹车盘，所述高强碳陶刹车盘的制备步骤如下：
步骤1：在碳纤维方格布上涂刷酚醛树脂，方格布克重为300g/m2，酚醛树脂浓度为65％，涂刷后再铺叠另一层碳纤维方格布，往复以上过程叠加直至所需厚度得到碳纤维预制体；
步骤2：将碳纤维预制体进行干燥处理，直到酒精完全挥发得到碳纤维坯体；
步骤3：将所述碳纤维坯体进行热压固化处理，压力为4MPa，温度为150℃，保温4h，然后进行碳化处理得到碳化体，碳化温度为1000℃，保温4h；
步骤4：将所述碳化体进行机械加工，制备出产品所具有的通风孔道等特征得到刹车盘坯体；
步骤5：将所述刹车盘坯体放入氮化硼坩埚中在高温炉内进行渗硅处理，形成硅化体，所述氮化硼坩埚中预先放入有纯硅粉，渗硅处理温度为1650℃，保温时间为3h，炉膛压力小于1000Pa；
步骤6：将所述硅化体进行表面打磨，去除硅化体表面多余的单质硅，然后进行气相沉积处理得到所述高强碳陶刹车盘，将所述硅化体放入化学气相沉积炉中在800℃条件下沉积，沉积时间为400h，所述化学气相沉积炉通入SiH2Cl2和NH3，SiH2Cl2和NH3的摩尔比为3:4。
实施例3
本实施例提供一种高强碳陶刹车盘，所述高强碳陶刹车盘的制备步骤如下：
步骤1：在碳纤维方格布上涂刷酚醛树脂，方格布克重为300g/m2，酚醛树脂浓度为65％，涂刷后再铺叠另一层碳纤维方格布，往复以上过程叠加直至所需厚度得到碳纤维预制体；
步骤2：将碳纤维预制体进行干燥处理，直到酒精完全挥发得到碳纤维坯体；
步骤3：将所述碳纤维坯体进行热压固化处理，压力为4MPa，温度为150℃，保温4h，然后进行碳化处理得到碳化体，碳化温度为1000℃，保温4h；
步骤4：将所述碳化体进行机械加工，制备出产品所具有的通风孔道等特征得到刹车盘坯体；
步骤5：将所述刹车盘坯体放入氮化硼坩埚中在高温炉内进行渗硅处理，形成硅化体，所述氮化硼坩埚中预先放入有纯硅粉，渗硅处理温度为1650℃，保温时间为3h，炉膛压力小于1000Pa；
步骤6：将所述硅化体进行表面打磨，去除硅化体表面多余的单质硅，然后进行气相沉积处理得到所述高强碳陶刹车盘，将所述硅化体放入化学气相沉积炉中在800℃条件下沉积，沉积时间为700h，所述化学气相沉积炉通入SiH2Cl2和NH3，SiH2Cl2和NH3的摩尔比为3:4。
实施例4
本实施例提供一种高强碳陶刹车盘，所述高强碳陶刹车盘的制备步骤如下：
步骤1：在碳纤维方格布上涂刷酚醛树脂，方格布克重为250g/m2，酚醛树脂浓度为70％，涂刷后再铺叠另一层碳纤维方格布，往复以上过程叠加直至所需厚度得到碳纤维预制体；
步骤2：将碳纤维预制体进行干燥处理，直到酒精完全挥发得到碳纤维坯体；
步骤3：将所述碳纤维坯体进行热压固化处理，压力为4MPa，温度为150℃，保温4h，然后进行碳化处理得到碳化体，碳化温度为1000℃，保温4h；
步骤4：将所述碳化体进行机械加工，制备出产品所具有的通风孔道等特征得到刹车盘坯体；
步骤5：将所述刹车盘坯体放入氮化硼坩埚中在高温炉内进行渗硅处理，形成硅化体，所述氮化硼坩埚中预先放入有纯硅粉，渗硅处理温度为1650℃，保温时间为3h，炉膛压力小于1000Pa；
步骤6：将所述硅化体进行表面打磨，去除硅化体表面多余的单质硅，然后进行气相沉积处理得到所述高强碳陶刹车盘，将所述硅化体放入化学气相沉积炉中在800℃条件下沉积，沉积时间为600h，所述化学气相沉积炉通入SiH2Cl2和NH3，SiH2Cl2和NH3的摩尔比为3:4。
实施例5
本实施例提供一种高强碳陶刹车盘，所述高强碳陶刹车盘的制备步骤如下：
步骤1：在碳纤维方格布上涂刷酚醛树脂，方格布克重为300g/m2，酚醛树脂浓度为80％，涂刷后再铺叠另一层碳纤维方格布，往复以上过程叠加直至所需厚度得到碳纤维预制体；
步骤2：将碳纤维预制体进行干燥处理，直到酒精完全挥发得到碳纤维坯体；
步骤3：将所述碳纤维坯体进行热压固化处理，压力为4MPa，温度为150℃，保温4h，然后进行碳化处理得到碳化体，碳化温度为1000℃，保温4h；
步骤4：将所述碳化体进行机械加工，制备出产品所具有的通风孔道等特征得到刹车盘坯体；
步骤5：将所述刹车盘坯体放入氮化硼坩埚中在高温炉内进行渗硅处理，形成硅化体，所述氮化硼坩埚中预先放入有纯硅粉，渗硅处理温度为1650℃，保温时间为3h，炉膛压力小于1000Pa；
步骤6：将所述硅化体进行表面打磨，去除硅化体表面多余的单质硅，然后进行气相沉积处理得到所述高强碳陶刹车盘，将所述硅化体放入化学气相沉积炉中在800℃条件下沉积，沉积时间为800h，所述化学气相沉积炉通入SiH2Cl2和NH3，SiH2Cl2和NH3的摩尔比为3:4。
对比例1
本实施例提供一种碳陶刹车盘，所述碳陶刹车盘的制备步骤如下：
步骤1：在碳纤维方格布上涂刷酚醛树脂，方格布克重为300g/m2，酚醛树脂浓度为65％，涂刷后再铺叠另一层碳纤维方格布，往复以上过程叠加直至所需厚度得到碳纤维预制体；
步骤2：将碳纤维预制体进行干燥处理，直到酒精完全挥发得到碳纤维坯体；
步骤3：将所述碳纤维坯体进行热压固化处理，压力为4MPa，温度为150℃，保温4h，然后进行碳化处理得到碳化体，碳化温度为1000℃，保温4h；
步骤4：将所述碳化体进行机械加工，制备出产品所具有的通风孔道等特征得到刹车盘坯体；
步骤5：将所述刹车盘坯体放入氮化硼坩埚中在高温炉内进行渗硅处理，形成硅化体，所述氮化硼坩埚中预先放入有纯硅粉，渗硅处理温度为1650℃，保温时间为3h，炉膛压力小于1000Pa；
步骤6：将所述硅化体进行表面打磨得到所述碳陶刹车盘。
对上述实施例1-5和对比例1所制备的碳陶刹车盘进行测试，产品的剪切强度和弯曲强度采用GB/T 15089-2001进行测试。
测试数据如下表1。
表1实施例1-5和对比例1的碳陶刹车盘测试数据
由以上实施例和对比例数据可知，通过在渗硅处理后再增加一道气相沉积工艺，可以有效增强碳陶刹车盘的抗弯强度和剪切强度，这是由于碳陶刹车盘坯体内沉积有氮化硅以及刹车盘表层具有一层氮化硅保护膜，坯体内的沉积的氮化硅可以弥补碳化硅基体(即硅化体)原本存在的裂纹。且气相沉积温度较低，沉积后温度冷却至室温产生的裂纹少，相对于对比例1中未经过气相沉积处理的刹车盘，实施例中的刹车盘强度得到了极大地提高。从实施例1到实施例5可以看出，沉积时间越长对刹车盘的性能提升越好，相应的沉积时间过长也会导致耗能增加，因此可以根据实际需求合理调整沉积时间。
以上所揭露的仅为本发明几种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (9)

1.一种高强碳陶刹车盘制备方法，其特征在于，所述高强碳陶刹车盘的制备步骤如下：
步骤1：制备预定厚度的碳纤维预制体；
步骤2：将所述碳纤维预制体进行干燥处理得到碳纤维坯体；
步骤3：将所述碳纤维坯体进行热压固化处理，压力为4-8MPa，温度为150℃，保温4h，然后进行碳化处理得到碳化体；
步骤4：将所述碳化体进行机械加工得到刹车盘坯体；
步骤5：将所述刹车盘坯体放入氮化硼坩埚中在高温炉内进行渗硅处理，形成硅化体，所述氮化硼坩埚中预先放入有纯硅粉，渗硅处理温度为1600-1700℃，保温时间为2-4h，炉膛压力小于1000Pa；
步骤6：将所述硅化体进行表面打磨，去除硅化体表面多余的单质硅，然后进行气相沉积处理得到所述高强碳陶刹车盘，将所述硅化体放入化学气相沉积炉中在800℃条件下沉积，沉积时间为200-800h，所述化学气相沉积炉通入SiH2Cl2和NH3。
2.如权利要求1所述的高强碳陶刹车盘制备方法，其特征在于，所述碳纤维预制体由N层碳纤维方格布堆叠而成，N为大于1的自然数，相邻碳纤维方格布之间刷涂有预定浓度的酚醛树脂。
3.如权利要求2所述的高强碳陶刹车盘制备方法，其特征在于，所述碳纤维方格布克重为200-300g/m2，酚醛树脂浓度为65-80％。
4.如权利要求1所述的高强碳陶刹车盘制备方法，其特征在于，步骤3中碳化处理温度为1000℃，保温4h。
5.如权利要求1所述的高强碳陶刹车盘制备方法，其特征在于，步骤5中氮化硼坩埚中预先放入刹车盘坯体质量1.1倍的纯硅粉。
6.如权利要求1所述的高强碳陶刹车盘制备方法，其特征在于，所述SiH2Cl2和NH3的摩尔比为3:4。
7.一种如权利要求1-6任一高强碳陶刹车盘制备方法制成的高强碳陶刹车盘，其特征在于：所述高强碳陶刹车盘外表面具有一层氮化硅保护膜，所述高强碳陶刹车盘内部具有一氮化硅富集区，所述高强碳陶刹车盘内部包含40-50％的碳，40-50％的碳化硅，2-6％的硅，0.5-3％的氮化硅。
8.如权利要求7所述的碳陶刹车盘，其特征在于，所述氮化硅保护膜厚度为0.03-1mm。
9.如权利要求7所述的碳陶刹车盘，其特征在于，所述氮化硅富集区的尺寸长度为0.1-5mm，宽度为0.03-0.5mm。
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