本發(fā)明涉及一種碳纖維剎車盤的制備方法。
背景技術(shù)：
目前，用于飛機(jī)上的剎車盤主要有C/C材料和粉末冶金材料兩類。粉末冶金剎車材料存在著如下缺點：高溫下易粘接，重量大，熱衰退明顯，高溫強(qiáng)度下降，抗熱震能力差，壽命短等。
碳/碳復(fù)合材料具有比強(qiáng)度、比模量大，高溫機(jī)械性能好，摩擦磨損性能穩(wěn)定等優(yōu)點廣泛用于制造高能制動裝置剎車盤。七十年代以來，碳/碳復(fù)合材料剎車盤已被國內(nèi)外眾多飛機(jī)大量使用。
碳纖維增強(qiáng)碳基體復(fù)合材料，簡稱碳/碳(碳纖維)復(fù)合材料，碳纖維復(fù)合材料是將高強(qiáng)度的碳纖維嵌入基體碳復(fù)合而成，而增強(qiáng)體與基體同為一種元素的特點，使得二者各自的性能得以保持。碳纖維復(fù)合材料比重輕，密度僅為陶瓷材料的1/2，鎳基合金的1/4；力學(xué)性能具有比強(qiáng)度高、比模量大、斷裂韌性好，特別是在高溫時，其強(qiáng)度不僅不下降反而隨著溫度上升而升高，這是其他材料無法比擬的獨有特征；碳纖維復(fù)合材料熱物理性能則具有熱膨脹系數(shù)低，耐燒蝕、熱震穩(wěn)定性好等特點。
現(xiàn)有技術(shù)中，化學(xué)氣相滲透工藝是制備炭炭復(fù)合材料的主要方法，等溫化學(xué)氣相滲透工藝設(shè)備簡單、操作方便，對復(fù)雜形狀制品可處理性強(qiáng)，具有一爐多制品同時滲透的特點，在炭炭復(fù)合材料制備領(lǐng)域占據(jù)極其重要的地位。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明提供一種碳纖維剎車盤的制備方法，使用該方法制備的剎車盤，耐高溫性能強(qiáng)，機(jī)械性能優(yōu)異。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種碳纖維剎車盤的制備方法，該方法包括如下步驟：
（1）制備碳纖維復(fù)合材料
在真空條件下，將碳纖維放入2150℃-2225℃環(huán)境中鍛燒2-3h，將鍛燒后的碳纖維基體用硝酸和硫酸的混合溶液在50-70℃浸泡50-80min，接著用去離子水沖洗至中性，最后烘干待用；
取10-12mL復(fù)合催化劑，加入濃度為2mol/L的氨水90-120mL，再加入30-50mL無水乙醇，攪拌使其混合均勻；
將的混合溶液轉(zhuǎn)移到高壓反應(yīng)釜中，將所得的碳纖維預(yù)制體放入釜中浸漬8-10h；
將反應(yīng)釜浸入120-140℃的油浴中反應(yīng)2-3h；
用冷水對反應(yīng)釜急冷，使其溫度降至室溫，取出碳纖維預(yù)制體，在不斷翻動的情況下陰干；
將所得的試樣轉(zhuǎn)入真空碳管爐中鍛燒、還原，得加載有金屬催化劑Ni顆粒的碳纖維預(yù)制體；
將所得碳纖維預(yù)制體裝載在真空碳管爐中，進(jìn)行沉積增密。其中，主要工藝參數(shù)為：溫度1200-1300℃，管道天然氣氣體流量范圍為5-7L，氣氛壓力控制為1.5-2KPa，沉積時間為50-60h；
將所得沉積增密后的樣品在2200-2250℃溫度下高溫石墨化處理2h-3h，自然冷卻后，磨碎，得到長度為10-30mm的碳纖維絲占比為50％-90％，長度為1-5mm的碳纖維絲占比為10％-50％的復(fù)合碳纖維材料；
（2）加工剎車盤預(yù)成型體
按照設(shè)計圖紙加工剎車盤預(yù)成型體，所述剎車盤預(yù)成型體有兩塊，將加工好的剎車盤預(yù)成型體放入CVI爐進(jìn)行常規(guī)的沉積。沉積參數(shù)為：CVI爐爐溫為1150-1250℃、CVI爐內(nèi)壓力≤10KPa、沉積時間75-100h，天然氣流量為4000-4500L/h、丙烷氣流量為600-750L/h，得到經(jīng)過表面結(jié)殼處理的剎車盤預(yù)成型體；
（3）裝填復(fù)合碳纖維材料
將復(fù)合碳纖維材料分別裝填到所述經(jīng)過表面結(jié)殼處理的兩塊剎車盤預(yù)成型體上的相變儲能裝填槽中，裝填的體積為儲能槽體積的85％-90％；
（4）覆蓋石墨紙
裁剪石墨紙，該石墨紙的外形尺寸與儲能槽的外形尺寸相當(dāng)，將裁剪好的石墨紙置于所述裝填槽內(nèi)，并使該石墨紙覆蓋復(fù)合碳纖維材料表面；
（5）涂刷粘接劑
將粘接劑分別涂刷在剎車盤預(yù)成型體非摩擦面、碳鉚釘表面和鉚釘孔內(nèi)，每平方厘米的涂刷量為1-1.5g；所述粘接劑的適于溫度為850-900℃；
（6）對合、烘干和熱處理
將所述涂刷有粘接劑的兩塊剎車盤預(yù)成型體的非摩擦面對合；將碳鉚釘鉚入鉚釘孔；將一石墨配重放置在對合后的兩塊剎車盤預(yù)成型體表面，通過該石墨配重的重量使兩塊剎車盤預(yù)成型體之間無間隙接觸；
將所述對合后的剎車盤預(yù)成型體及配重物一起放入烘箱烘干。烘箱溫度170-200℃，烘干時間為3-4h；
將烘干后的剎車盤預(yù)成型體及配重物放入高溫爐中，采用常規(guī)方法進(jìn)行熱處理；熱處理參數(shù)：抽真空至≤1000Pa，對熱處理爐升溫至800-850℃， 保溫1-2h進(jìn)行熱處理；保溫結(jié)束后，隨爐冷卻至室溫，得到剎車盤。
本發(fā)明制備的剎車盤，采用復(fù)合碳纖維材料，提升了剎車盤的耐高溫性能和機(jī)械性能，制備過程中對剎車盤進(jìn)行表面結(jié)殼處理，并通過控制合適的CVI工藝參數(shù)，使剎車盤表面形成了致密的熱解碳，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，延長了產(chǎn)品的使用壽命。
具體實施方式
實施例一
在真空條件下，將碳纖維放入2150℃環(huán)境中鍛燒2h，將鍛燒后的碳纖維基體用硝酸和硫酸的混合溶液在50℃浸泡50min，接著用去離子水沖洗至中性，最后烘干待用。
取10mL復(fù)合催化劑，加入濃度為2mol/L的氨水90mL，再加入30mL無水乙醇，攪拌使其混合均勻。將的混合溶液轉(zhuǎn)移到高壓反應(yīng)釜中，將所得的碳纖維預(yù)制體放入釜中浸漬8h。將反應(yīng)釜浸入120℃的油浴中反應(yīng)2h。用冷水對反應(yīng)釜急冷，使其溫度降至室溫，取出碳纖維預(yù)制體，在不斷翻動的情況下陰干。將所得的試樣轉(zhuǎn)入真空碳管爐中鍛燒、還原，得加載有金屬催化劑Ni顆粒的碳纖維預(yù)制體。復(fù)合催化劑中Ni、La、Al的摩爾比為：Ni：La：Al＝10:1:4。
將所得碳纖維預(yù)制體裝載在真空碳管爐中，進(jìn)行沉積增密。其中，主要工藝參數(shù)為：溫度1200℃，管道天然氣氣體流量范圍為5L，氣氛壓力控制為1.5KPa，沉積時間為50h。
將所得沉積增密后的樣品在2200℃溫度下高溫石墨化處理2h，自然冷卻后，磨碎，得到長度為10-30mm的碳纖維絲占比為50％，長度為1-5mm的碳纖維絲占比為10％的復(fù)合碳纖維材料。
按照設(shè)計圖紙加工剎車盤預(yù)成型體，所述剎車盤預(yù)成型體有兩塊，將加工好的剎車盤預(yù)成型體放入CVI爐進(jìn)行常規(guī)的沉積。沉積參數(shù)為：CVI爐爐溫為1150℃、CVI爐內(nèi)壓力≤10KPa、沉積時間75h，天然氣流量為4000L/h、丙烷氣流量為600L/h，得到經(jīng)過表面結(jié)殼處理的剎車盤預(yù)成型體。
將復(fù)合碳纖維材料分別裝填到所述經(jīng)過表面結(jié)殼處理的兩塊剎車盤預(yù)成型體上的相變儲能裝填槽中，裝填的體積為儲能槽體積的85％-90％。
裁剪石墨紙，該石墨紙的外形尺寸與儲能槽的外形尺寸相當(dāng)，將裁剪好的石墨紙置于所述裝填槽內(nèi)，并使該石墨紙覆蓋復(fù)合碳纖維材料表面。
將粘接劑分別涂刷在剎車盤預(yù)成型體非摩擦面、碳鉚釘表面和鉚釘孔內(nèi)，每平方厘米的涂刷量為1g；所述粘接劑的適于溫度為850℃。
將所述涂刷有粘接劑的兩塊剎車盤預(yù)成型體的非摩擦面對合；將碳鉚釘鉚入鉚釘孔；將一石墨配重放置在對合后的兩塊剎車盤預(yù)成型體表面，通過該石墨配重的重量使兩塊剎車盤預(yù)成型體之間無間隙接觸。
將所述對合后的剎車盤預(yù)成型體及配重物一起放入烘箱烘干。烘箱溫度170℃，烘干時間為3h。
將烘干后的剎車盤預(yù)成型體及配重物放入高溫爐中，采用常規(guī)方法進(jìn)行熱處理；熱處理參數(shù)：抽真空至≤1000Pa，對熱處理爐升溫至800℃， 保溫1h進(jìn)行熱處理；保溫結(jié)束后，隨爐冷卻至室溫，得到剎車盤。
實施例二
在真空條件下，將碳纖維放入2225℃環(huán)境中鍛燒3h，將鍛燒后的碳纖維基體用硝酸和硫酸的混合溶液在70℃浸泡80min，接著用去離子水沖洗至中性，最后烘干待用。
取12mL復(fù)合催化劑，加入濃度為2mol/L的氨水120mL，再加入50mL無水乙醇，攪拌使其混合均勻。將的混合溶液轉(zhuǎn)移到高壓反應(yīng)釜中，將所得的碳纖維預(yù)制體放入釜中浸漬10h。將反應(yīng)釜浸入140℃的油浴中反應(yīng)3h。用冷水對反應(yīng)釜急冷，使其溫度降至室溫，取出碳纖維預(yù)制體，在不斷翻動的情況下陰干。將所得的試樣轉(zhuǎn)入真空碳管爐中鍛燒、還原，得加載有金屬催化劑Ni顆粒的碳纖維預(yù)制體。復(fù)合催化劑中Ni、La、Al的摩爾比為：Ni：La：Al＝10:1:4。
將所得碳纖維預(yù)制體裝載在真空碳管爐中，進(jìn)行沉積增密。其中，主要工藝參數(shù)為：溫度1300℃，管道天然氣氣體流量范圍為7L，氣氛壓力控制為2KPa，沉積時間為60h。
將所得沉積增密后的樣品在2250℃溫度下高溫石墨化處理3h，自然冷卻后，磨碎，得到長度為10-30mm的碳纖維絲占比為50％，長度為1-5mm的碳纖維絲占比為50％的復(fù)合碳纖維材料。
按照設(shè)計圖紙加工剎車盤預(yù)成型體，所述剎車盤預(yù)成型體有兩塊，將加工好的剎車盤預(yù)成型體放入CVI爐進(jìn)行常規(guī)的沉積。沉積參數(shù)為：CVI爐爐溫為1250℃、CVI爐內(nèi)壓力≤10KPa、沉積時間100h，天然氣流量為4500L/h、丙烷氣流量為750L/h，得到經(jīng)過表面結(jié)殼處理的剎車盤預(yù)成型體。
將復(fù)合碳纖維材料分別裝填到所述經(jīng)過表面結(jié)殼處理的兩塊剎車盤預(yù)成型體上的相變儲能裝填槽中，裝填的體積為儲能槽體積的90％。
裁剪石墨紙，該石墨紙的外形尺寸與儲能槽的外形尺寸相當(dāng)，將裁剪好的石墨紙置于所述裝填槽內(nèi)，并使該石墨紙覆蓋復(fù)合碳纖維材料表面。
將粘接劑分別涂刷在剎車盤預(yù)成型體非摩擦面、碳鉚釘表面和鉚釘孔內(nèi)，每平方厘米的涂刷量為1.5g；所述粘接劑的適于溫度為900℃。
將所述涂刷有粘接劑的兩塊剎車盤預(yù)成型體的非摩擦面對合；將碳鉚釘鉚入鉚釘孔；將一石墨配重放置在對合后的兩塊剎車盤預(yù)成型體表面，通過該石墨配重的重量使兩塊剎車盤預(yù)成型體之間無間隙接觸。
將所述對合后的剎車盤預(yù)成型體及配重物一起放入烘箱烘干。烘箱溫度200℃，烘干時間為4h；
將烘干后的剎車盤預(yù)成型體及配重物放入高溫爐中，采用常規(guī)方法進(jìn)行熱處理；熱處理參數(shù)：抽真空至≤1000Pa，對熱處理爐升溫至850℃， 保溫2h進(jìn)行熱處理；保溫結(jié)束后，隨爐冷卻至室溫，得到剎車盤。