本發(fā)明涉及一種輕質(zhì)化的改性碳纖維基剎車盤的制備方法,屬于剎車盤技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù):
剎車盤即一個(gè)圓的盤子,隨著車子的行進(jìn)而轉(zhuǎn)動。目前,剎車盤的種類有盤剎、鼓剎和氣剎。盤剎由于散熱性比鼓剎好,高速制動效果更好;不過,鼓剎在低速冷閘時(shí)效果要好于盤剎。盤剎的價(jià)格要比鼓剎高,目前,大部分普通轎車多采用前盤后鼓,對于相對低速,且需要制動力大的卡車、巴士,仍采用鼓剎,自然地,中高級轎車采用全盤剎。
由于汽車剎車盤在汽車行駛中占據(jù)的重要作用和自身的表面精度和形位公差、以及各種理化性能的特殊要求,導(dǎo)致了剎車盤的材質(zhì)必須滿足剎車盤的使用性能要求。
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(diǎn),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(shí),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(dú)有特征。
CN106122316A中公開了一種一種碳纖維剎車盤的制備方法。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。
但是由于碳纖維本身的耐磨性不好、導(dǎo)熱系數(shù)不高的特性,導(dǎo)致了其在長期使用過程中容易出現(xiàn)散熱效果差、摩擦損耗大的問題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:剎車盤材料存在的重量重、導(dǎo)熱性不好的問題,本發(fā)明利用碳纖維作為基材,減輕了剎車盤的重量;另外,首先制備出具有空心結(jié)構(gòu)的碳纖維微球,再利用溶膠凝膠反應(yīng)在微球內(nèi)部生成氧化鈦,通過還原氣氛下的反應(yīng)生成鈦,使碳微球內(nèi)部形成鈦金屬,再與粘合劑、耐磨增效顆?;旌虾筮M(jìn)行熱壓成型,使碳纖維剎車盤的導(dǎo)熱性和耐磨損性得到了提高。
技術(shù)方案是:
一種輕質(zhì)化的改性碳纖維基剎車盤的制備方法,包括如下步驟:
第1步, 表面交聯(lián)化的聚合物微球的制備:將氯乙?;郾揭蚁?二乙烯基苯微球載體(PS-acyl-Cl)先在四氫呋喃中進(jìn)行溶脹,然后加入甲醇,再加入碳酸氫鈉和乙二胺,升溫反應(yīng),反應(yīng)結(jié)束后,將微球?yàn)V出,用乙醇清洗后真空干燥,得到表面交聯(lián)化的聚合物微球;
第2步,碳纖維的活化:在真空條件下,將碳纖維進(jìn)行鍛燒處理,再將煅燒后的碳纖維在硝酸和硫酸的混合液中浸泡,取出后去離子水清洗后烘干,得到活化后的碳纖維;
第3步,碳纖維的表面交聯(lián)化:將活化后的碳纖維置于硅烷偶聯(lián)劑的醇溶液中浸泡,取出后,用去離子水清洗,得到表面交聯(lián)化的碳纖維;
第4步,包覆碳纖維的聚合物微球的制備:按重量份計(jì),將表面交聯(lián)化的碳纖維5~10份、表面交聯(lián)化的聚合物微球3~5份、丙酮35~70份、擴(kuò)鏈劑0.2~0.4份、有機(jī)錫催化劑0.01~0.05份混合均勻,升溫在70~90℃進(jìn)行反應(yīng)1~4h,將產(chǎn)物濾出后,用乙醇清洗,真空干燥后,得到包覆碳纖維的聚合物微球;
第5步,煅燒去除模板劑:將包覆碳纖維的聚合物微球進(jìn)行煅燒后,得到空心碳纖維微球;
第6步,空心微球中的導(dǎo)熱材料的填充:按重量份計(jì),將空心碳纖維微球4~6份、鈦酸正丁酯0.4~0.8份加入水15~25份中,升溫至50~60℃,邊攪拌邊滴加稀硝酸調(diào)節(jié)pH至4~6,滴加完畢后繼續(xù)攪拌反應(yīng)1~2h,再自然冷卻至室溫下陳化至少12h,將微球?yàn)V出;
第7步,導(dǎo)熱材料的還原:將第6步得到的微球在氫氣氣氛下進(jìn)行燒結(jié),得到內(nèi)部填充鈦的碳纖維微球;
第8步,碳纖維微球的沉積增密處理:將第7步得到的碳微球裝在真空碳管爐中,以天然氣氣體為沉積源,進(jìn)行增密處理,得到增密的碳纖維微球;
第9步,剎車盤的成型:按重量份計(jì),將增密的碳纖維微球20~35份、碳化硅粉體3~5份、酚醛樹脂5~12份混合均勻,置于模具中進(jìn)行熱壓處理,得到碳纖維剎車盤。
所述的第1步中,PS-acyl-Cl、四氫呋喃、甲醇、乙二胺、碳酸氫鈉的重量比是1:3~5:2~3:5~7、0.5~1.2。
所述的第1步中,升溫反應(yīng)是指在75~85℃下反應(yīng)10~20h。
所述的第2步中,碳纖維進(jìn)行煅燒的溫度是2050~2100℃,煅燒時(shí)間1~5h;硫酸的濃度是30~50wt%,硝酸的濃度是20~35wt%;浸泡的溫度是55~65℃,浸泡時(shí)間是1~3h。
所述的第3步中,活化后的碳纖維與硅烷偶聯(lián)劑的醇溶液的重量比1:12~20;醇溶液是指乙醇溶液;硅烷偶聯(lián)劑是指KH550、KH560或者KH570中的任意一種;硅烷偶聯(lián)劑的質(zhì)量濃度是3~5%;浸泡溫度是30~45℃,浸泡時(shí)間是15~30h。
所述的第4步中,所述的擴(kuò)鏈劑為l,4-丁二醇、新戊二醇、乙二醇、一縮二乙二醇、甘油、順丁烯二酸酐、三羥甲基丙烷、乙二胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺或二羥甲基丙酸中的一種或幾種的混合物。
所述的第5步中,煅燒溫度是500~800℃,煅燒時(shí)間3~5h。
所述的第7步中,燒結(jié)溫度是550~600℃,燒結(jié)時(shí)間是2~5h。
所述的第8步中,沉積增密的溫度1150~1250℃,天然氣壓力控制為2.5~3KPa,沉積時(shí)間為20~30h。
所述的第7步中,熱壓處理的溫度是300~350℃,熱壓的壓力是15~20Mpa,熱壓處理時(shí)間是1~5h。
有益效果
本發(fā)明利用碳纖維作為基材,減輕了剎車盤的重量;另外,首先制備出具有空心結(jié)構(gòu)的碳纖維微球,再利用溶膠凝膠反應(yīng)在微球內(nèi)部生成氧化鈦,通過還原氣氛下的反應(yīng)生成鈦,使碳微球內(nèi)部形成鈦金屬,再與粘合劑、耐磨增效顆?;旌虾筮M(jìn)行熱壓成型,使碳纖維剎車盤的導(dǎo)熱性和耐磨損性得到了提高。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1
第1步, 表面交聯(lián)化的聚合物微球的制備:將氯乙酰化聚苯乙烯-二乙烯基苯微球載體(PS-acyl-Cl)先在四氫呋喃中進(jìn)行溶脹,然后加入甲醇,再加入碳酸氫鈉和乙二胺,PS-acyl-Cl、四氫呋喃、甲醇、乙二胺、碳酸氫鈉的重量比是1:3:2:5、0.5,75℃下反應(yīng)10h,反應(yīng)結(jié)束后,將微球?yàn)V出,用乙醇清洗后真空干燥,得到表面交聯(lián)化的聚合物微球。
第2步,碳纖維的活化:在真空條件下,將碳纖維進(jìn)行鍛燒處理,碳纖維進(jìn)行煅燒的溫度是2050℃,煅燒時(shí)間1h,再將煅燒后的碳纖維在硝酸和硫酸的混合液中浸泡;硫酸的濃度是30wt%,硝酸的濃度是20wt%,浸泡的溫度是55℃,浸泡時(shí)間是1h,取出后去離子水清洗后烘干,得到活化后的碳纖維;
第3步,碳纖維的表面交聯(lián)化:將活化后的碳纖維置于硅烷偶聯(lián)劑的醇溶液中浸泡,活化后的碳纖維與硅烷偶聯(lián)劑的醇溶液的重量比1:12;所述的硅烷偶聯(lián)劑的醇溶液是指5%的KH550的乙醇溶液,浸泡溫度是30℃,浸泡時(shí)間是15h,取出后,用去離子水清洗,得到表面交聯(lián)化的碳纖維;
第4步,包覆碳纖維的聚合物微球的制備:按重量份計(jì),將表面交聯(lián)化的碳纖維5份、表面交聯(lián)化的聚合物微球3份、丙酮35份、擴(kuò)鏈劑乙二胺0.2份、有機(jī)錫催化劑0.01份混合均勻,升溫在70℃進(jìn)行反應(yīng)1h,將產(chǎn)物濾出后,用乙醇清洗,真空干燥后,得到包覆碳纖維的聚合物微球;
第5步,煅燒去除模板劑:將包覆碳纖維的聚合物微球進(jìn)行煅燒后,得到空心碳纖維微球,煅燒溫度是500℃,煅燒時(shí)間3h;
第6步,空心微球中的導(dǎo)熱材料的填充:按重量份計(jì),將空心碳纖維微球4份、鈦酸正丁酯0.4份加入水15份中,升溫至50℃,邊攪拌邊滴加稀硝酸調(diào)節(jié)pH至4,滴加完畢后繼續(xù)攪拌反應(yīng)1h,再自然冷卻至室溫下陳化12h,將微球?yàn)V出;
第7步,導(dǎo)熱材料的還原:將第6步得到的微球在氫氣氣氛下進(jìn)行燒結(jié),燒結(jié)溫度是550℃,燒結(jié)時(shí)間是2h,得到內(nèi)部填充鈦的碳纖維微球;
第8步,碳纖維微球的沉積增密處理:將第7步得到的碳微球裝在真空碳管爐中,以天然氣氣體為沉積源,進(jìn)行增密處理,沉積增密的溫度1150℃,天然氣壓力控制為2.5KPa,沉積時(shí)間為20h,得到增密的碳纖維微球;
第9步,剎車盤的成型:按重量份計(jì),將增密的碳纖維微球20份、碳化硅粉體3份、酚醛樹脂5份混合均勻,置于模具中進(jìn)行熱壓處理,熱壓處理的溫度是300℃,熱壓的壓力是15Mpa,熱壓處理時(shí)間是1h,得到碳纖維剎車盤。
實(shí)施例2
第1步, 表面交聯(lián)化的聚合物微球的制備:將氯乙酰化聚苯乙烯-二乙烯基苯微球載體(PS-acyl-Cl)先在四氫呋喃中進(jìn)行溶脹,然后加入甲醇,再加入碳酸氫鈉和乙二胺,PS-acyl-Cl、四氫呋喃、甲醇、乙二胺、碳酸氫鈉的重量比是1: 5: 3: 7、1.2, 85℃下反應(yīng)20h,反應(yīng)結(jié)束后,將微球?yàn)V出,用乙醇清洗后真空干燥,得到表面交聯(lián)化的聚合物微球。
第2步,碳纖維的活化:在真空條件下,將碳纖維進(jìn)行鍛燒處理,碳纖維進(jìn)行煅燒的溫度是2100℃,煅燒時(shí)間5h,再將煅燒后的碳纖維在硝酸和硫酸的混合液中浸泡;硫酸的濃度是50wt%,硝酸的濃度是35wt%,浸泡的溫度是65℃,浸泡時(shí)間是3h,取出后去離子水清洗后烘干,得到活化后的碳纖維;
第3步,碳纖維的表面交聯(lián)化:將活化后的碳纖維置于硅烷偶聯(lián)劑的醇溶液中浸泡,活化后的碳纖維與硅烷偶聯(lián)劑的醇溶液的重量比1: 20;所述的硅烷偶聯(lián)劑的醇溶液是指5%的KH550的乙醇溶液,浸泡溫度是45℃,浸泡時(shí)間是30h,取出后,用去離子水清洗,得到表面交聯(lián)化的碳纖維;
第4步,包覆碳纖維的聚合物微球的制備:按重量份計(jì),將表面交聯(lián)化的碳纖維5~10份、表面交聯(lián)化的聚合物微球5份、丙酮70份、擴(kuò)鏈劑乙二胺0.4份、有機(jī)錫催化劑0.05份混合均勻,升溫在90℃進(jìn)行反應(yīng)4h,將產(chǎn)物濾出后,用乙醇清洗,真空干燥后,得到包覆碳纖維的聚合物微球;
第5步,煅燒去除模板劑:將包覆碳纖維的聚合物微球進(jìn)行煅燒后,得到空心碳纖維微球,煅燒溫度是800℃,煅燒時(shí)間5h;
第6步,空心微球中的導(dǎo)熱材料的填充:按重量份計(jì),將空心碳纖維微球6份、鈦酸正丁酯0.8份加入水25份中,升溫至60℃,邊攪拌邊滴加稀硝酸調(diào)節(jié)pH至6,滴加完畢后繼續(xù)攪拌反應(yīng)2h,再自然冷卻至室溫下陳化12h,將微球?yàn)V出;
第7步,導(dǎo)熱材料的還原:將第6步得到的微球在氫氣氣氛下進(jìn)行燒結(jié),燒結(jié)溫度是600℃,燒結(jié)時(shí)間是5h,得到內(nèi)部填充鈦的碳纖維微球;
第8步,碳纖維微球的沉積增密處理:將第7步得到的碳微球裝在真空碳管爐中,以天然氣氣體為沉積源,進(jìn)行增密處理,沉積增密的溫度1250℃,天然氣壓力控制為3KPa,沉積時(shí)間為30h,得到增密的碳纖維微球;
第9步,剎車盤的成型:按重量份計(jì),將增密的碳纖維微球35份、碳化硅粉體5份、酚醛樹脂12份混合均勻,置于模具中進(jìn)行熱壓處理,熱壓處理的溫度是350℃,熱壓的壓力是20Mpa,熱壓處理時(shí)間是5h,得到碳纖維剎車盤。
實(shí)施例3
第1步, 表面交聯(lián)化的聚合物微球的制備:將氯乙酰化聚苯乙烯-二乙烯基苯微球載體(PS-acyl-Cl)先在四氫呋喃中進(jìn)行溶脹,然后加入甲醇,再加入碳酸氫鈉和乙二胺,PS-acyl-Cl、四氫呋喃、甲醇、乙二胺、碳酸氫鈉的重量比是1:4:2:6、0.8,78℃下反應(yīng)15h,反應(yīng)結(jié)束后,將微球?yàn)V出,用乙醇清洗后真空干燥,得到表面交聯(lián)化的聚合物微球。
第2步,碳纖維的活化:在真空條件下,將碳纖維進(jìn)行鍛燒處理,碳纖維進(jìn)行煅燒的溫度是2090℃,煅燒時(shí)間2h,再將煅燒后的碳纖維在硝酸和硫酸的混合液中浸泡;硫酸的濃度是4wt%,硝酸的濃度是25wt%,浸泡的溫度是58℃,浸泡時(shí)間是2h,取出后去離子水清洗后烘干,得到活化后的碳纖維;
第3步,碳纖維的表面交聯(lián)化:將活化后的碳纖維置于硅烷偶聯(lián)劑的醇溶液中浸泡,活化后的碳纖維與硅烷偶聯(lián)劑的醇溶液的重量比1:18;所述的硅烷偶聯(lián)劑的醇溶液是指5%的KH550的乙醇溶液,浸泡溫度是35℃,浸泡時(shí)間是16h,取出后,用去離子水清洗,得到表面交聯(lián)化的碳纖維;
第4步,包覆碳纖維的聚合物微球的制備:按重量份計(jì),將表面交聯(lián)化的碳纖維6份、表面交聯(lián)化的聚合物微球4份、丙酮50份、擴(kuò)鏈劑乙二胺0.3份、有機(jī)錫催化劑0.03份混合均勻,升溫在75℃進(jìn)行反應(yīng)3h,將產(chǎn)物濾出后,用乙醇清洗,真空干燥后,得到包覆碳纖維的聚合物微球;
第5步,煅燒去除模板劑:將包覆碳纖維的聚合物微球進(jìn)行煅燒后,得到空心碳纖維微球,煅燒溫度是600℃,煅燒時(shí)間4h;
第6步,空心微球中的導(dǎo)熱材料的填充:按重量份計(jì),將空心碳纖維微球5份、鈦酸正丁酯0.5份加入水18份中,升溫至55℃,邊攪拌邊滴加稀硝酸調(diào)節(jié)pH至5,滴加完畢后繼續(xù)攪拌反應(yīng)2h,再自然冷卻至室溫下陳化12h,將微球?yàn)V出;
第7步,導(dǎo)熱材料的還原:將第6步得到的微球在氫氣氣氛下進(jìn)行燒結(jié),燒結(jié)溫度是580℃,燒結(jié)時(shí)間是3h,得到內(nèi)部填充鈦的碳纖維微球;
第8步,碳纖維微球的沉積增密處理:將第7步得到的碳微球裝在真空碳管爐中,以天然氣氣體為沉積源,進(jìn)行增密處理,沉積增密的溫度1180℃,天然氣壓力控制為2.8KPa,沉積時(shí)間為25h,得到增密的碳纖維微球;
第9步,剎車盤的成型:按重量份計(jì),將增密的碳纖維微球25份、碳化硅粉體4份、酚醛樹脂8份混合均勻,置于模具中進(jìn)行熱壓處理,熱壓處理的溫度是320℃,熱壓的壓力是16Mpa,熱壓處理時(shí)間是8h,得到碳纖維剎車盤。
對照例1
與實(shí)施例3的區(qū)別在于:未采用聚合物微球任意模板,而是直接將碳纖維加入至溶膠凝膠反應(yīng)中上,
第1步,碳纖維的導(dǎo)熱材料的填充:按重量份計(jì),將碳纖維5份、鈦酸正丁酯0.5份加入水18份中,升溫至55℃,邊攪拌邊滴加稀硝酸調(diào)節(jié)pH至5,滴加完畢后繼續(xù)攪拌反應(yīng)2h,再自然冷卻至室溫下陳化12h,將固體物濾出;
第2步,導(dǎo)熱材料的還原:將第2步得到的固體物在氫氣氣氛下進(jìn)行燒結(jié),燒結(jié)溫度是580℃,燒結(jié)時(shí)間是3h,得到填充鈦的碳纖維;
第3步,碳纖維微球的沉積增密處理:將第2步得到的填充鈦的碳纖維裝在真空碳管爐中,以天然氣氣體為沉積源,進(jìn)行增密處理,沉積增密的溫度1180℃,天然氣壓力控制為2.8KPa,沉積時(shí)間為25h,得到增密的碳纖維微球;
第4步,剎車盤的成型:按重量份計(jì),將增密的碳纖維微球25份、碳化硅粉體4份、酚醛樹脂8份混合均勻,置于模具中進(jìn)行熱壓處理,熱壓處理的溫度是320℃,熱壓的壓力是16Mpa,熱壓處理時(shí)間是8h,得到碳纖維剎車盤。
對照例2
與實(shí)施例3的區(qū)別在于:未進(jìn)行第7步的還原條件下的燒結(jié)。
第1步, 表面交聯(lián)化的聚合物微球的制備:將氯乙?;郾揭蚁?二乙烯基苯微球載體(PS-acyl-Cl)先在四氫呋喃中進(jìn)行溶脹,然后加入甲醇,再加入碳酸氫鈉和乙二胺,PS-acyl-Cl、四氫呋喃、甲醇、乙二胺、碳酸氫鈉的重量比是1:4:2:6、0.8,78℃下反應(yīng)15h,反應(yīng)結(jié)束后,將微球?yàn)V出,用乙醇清洗后真空干燥,得到表面交聯(lián)化的聚合物微球。
第2步,碳纖維的活化:在真空條件下,將碳纖維進(jìn)行鍛燒處理,碳纖維進(jìn)行煅燒的溫度是2090℃,煅燒時(shí)間2h,再將煅燒后的碳纖維在硝酸和硫酸的混合液中浸泡;硫酸的濃度是4wt%,硝酸的濃度是25wt%,浸泡的溫度是58℃,浸泡時(shí)間是2h,取出后去離子水清洗后烘干,得到活化后的碳纖維;
第3步,碳纖維的表面交聯(lián)化:將活化后的碳纖維置于硅烷偶聯(lián)劑的醇溶液中浸泡,活化后的碳纖維與硅烷偶聯(lián)劑的醇溶液的重量比1:18;所述的硅烷偶聯(lián)劑的醇溶液是指5%的KH550的乙醇溶液,浸泡溫度是35℃,浸泡時(shí)間是16h,取出后,用去離子水清洗,得到表面交聯(lián)化的碳纖維;
第4步,包覆碳纖維的聚合物微球的制備:按重量份計(jì),將表面交聯(lián)化的碳纖維6份、表面交聯(lián)化的聚合物微球4份、丙酮50份、擴(kuò)鏈劑乙二胺0.3份、有機(jī)錫催化劑0.03份混合均勻,升溫在75℃進(jìn)行反應(yīng)3h,將產(chǎn)物濾出后,用乙醇清洗,真空干燥后,得到包覆碳纖維的聚合物微球;
第5步,煅燒去除模板劑:將包覆碳纖維的聚合物微球進(jìn)行煅燒后,得到空心碳纖維微球,煅燒溫度是600℃,煅燒時(shí)間4h;
第6步,空心微球中的導(dǎo)熱材料的填充:按重量份計(jì),將空心碳纖維微球5份、鈦酸正丁酯0.5份加入水18份中,升溫至55℃,邊攪拌邊滴加稀硝酸調(diào)節(jié)pH至5,滴加完畢后繼續(xù)攪拌反應(yīng)2h,再自然冷卻至室溫下陳化12h,將微球?yàn)V出;
第7步,碳纖維微球的沉積增密處理:將第6步得到的微球裝在真空碳管爐中,以天然氣氣體為沉積源,進(jìn)行增密處理,沉積增密的溫度1180℃,天然氣壓力控制為2.8KPa,沉積時(shí)間為25h,得到增密的碳纖維微球;
第8步,剎車盤的成型:按重量份計(jì),將增密的碳纖維微球25份、碳化硅粉體4份、酚醛樹脂8份混合均勻,置于模具中進(jìn)行熱壓處理,熱壓處理的溫度是320℃,熱壓的壓力是16Mpa,熱壓處理時(shí)間是8h,得到碳纖維剎車盤。
將剎車材料按照GB228測試其室溫拉伸性能,采用導(dǎo)熱率測試儀測定其導(dǎo)熱率(200℃下)。采用MM-1000 摩擦試驗(yàn)機(jī)測試本發(fā)明的摩擦制動材料的剎車性能,測試條件為:慣量3.8kgf·cm·s2,比壓100N/cm2,線速度25m/s。
從上表中可以看出,本發(fā)明提供的碳纖維剎車盤具有較好的剎車性能,特別同時(shí)具有較好的硬度和耐沖擊性能,主要是由于通過將碳纖維形成微球后在其中填充有金屬鈦,通過實(shí)施例3和對照例1可以看出,通過將碳纖維預(yù)先通過模板法形成微球之后,可以使金屬鈦在其中較好的填充,由于鈦金屬具有較好的傳熱性能,可以較好地將產(chǎn)生的熱量釋放,保持了剎車盤在較低的溫度下工作,摩損率??;另外,實(shí)施例3相對對照例2可以看出,通過還原條件下的反應(yīng),使氧化鈦成微球內(nèi)部萬籟金屬鈦,具有較好的韌性,使剎車盤的抗沖擊強(qiáng)度得到了提高。