本發(fā)明涉及一種基于放電等離子燒結(jié)-電場梯度處理耦合技術(shù)的耐磨陶瓷剎車盤的制備方法，屬于剎車盤技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
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，鼓剎在低速冷閘時效果要好于盤剎。盤剎的價格要比鼓剎高，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，導致了剎車盤的材質(zhì)必須滿足剎車盤的使用性能要求。
陶瓷具有較好的熱穩(wěn)定性和較低的熱傳導率，良好的耐磨性。長期使用溫度在1000℃以上，此特性使陶瓷可適合各種高性能制動材料的高性能要求，可滿足剎車盤高速化、安全化、高耐磨等技術(shù)要求。摩擦系數(shù)是任何摩擦材料最重要的性能指標，關(guān)系剎車盤制動能力的好壞。在剎車過程中由于摩擦產(chǎn)生熱量，工作溫度的增高，一般的剎車盤的摩擦材料受溫度的影響，摩擦系數(shù)開始下降。在實際的應(yīng)用中會降低摩擦力，從而降低了制動作用。普通剎車盤摩擦材料不成熟，摩擦系數(shù)太高造成制動過程中方向失控、燒片、刮傷剎車盤等不安全因素。即使剎車盤的溫度高達到650度時，陶瓷剎車盤的摩擦系數(shù)仍在0.45-0.55左右，能保證車輛具有良好的剎車性能。
放電等離子燒結(jié)(spark plasma sintering，SPS)除了具有熱壓燒結(jié)的特點外，還具有可以通過脈沖電流對樣品加熱，使樣品能夠在極短時間內(nèi)快速燒結(jié)致密的特點。目前，SPS技術(shù)已成功應(yīng)用于梯度功能材料、金屬基復(fù)合材料、纖維增強復(fù)合材料、納米材料、多孔材料等的制備。
但是，放電等離子燒結(jié)應(yīng)用于剎車盤的制備時，容易出現(xiàn)的問題是其表面的致密化后與基層的結(jié)合力不好，容易導致耐磨層的脫落，影響了長期使用。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明提出了一種基于基于放電等離子燒結(jié)-電場梯度處理耦合技術(shù)制備剎車盤的方案，該方案主要是利用了放電等離子燒結(jié)技術(shù)使表面形成致密耐磨層，再通過對氧化硅溶膠進行羥基硅油、氨基化復(fù)合改性，使其表面帶有正電荷，進而制備得到帶電顆粒漿料，利用電場梯度處理技術(shù)，使帶電顆粒在表層與坯體之間呈梯度分布，實現(xiàn)了致密層與坯體之間的結(jié)合力提高；該方法制備得到的剎車盤具有重量輕、耐磨性能優(yōu)異、表層結(jié)合強度高的優(yōu)點。
技術(shù)方案是：
一種基于放電等離子燒結(jié)-電場梯度處理耦合技術(shù)的耐磨陶瓷剎車盤的制備方法，包括如下步驟：
第1步，改性氧化硅溶膠的制備：按重量份計，取硅酸鈉30～40份、硫酸鈉10～12份、水350～400份，攪拌均勻并升溫至55～65℃，然后通過加入氨水調(diào)節(jié)pH至9～11，保持反應(yīng)2～3h后，再加入硫酸調(diào)節(jié)pH至5～6，加入羥基硅油12～16份，并在30～40℃繼續(xù)反應(yīng)3～5h，自然冷卻后進行陳化，得到改性氧化硅溶膠；
第2步，溶膠的電荷化：按重量份計，將改性氧化硅溶膠20～25份、帶有氨基的硅烷偶聯(lián)劑3～5份、催化劑0.2～0.4份、水15～18份混合均勻，然后升溫至50～60℃進行表面電荷化反應(yīng)，得到電荷化的溶膠；
第3步，漿料的制備：按重量份計，將電荷化的溶膠45～50份、碳化硅15～18份、粘合劑5～10份混合均勻，得到漿料；
第4步，坯體表面的中間層的涂覆：取具有設(shè)定形狀的鋁合金坯體，把漿料涂覆于鋁合金坯體的表面；
第5步，對中間層的電場梯度化處理：在鋁合金的表面提供正電場，在漿料的表面提供負電場，在電場的作用下漿料中的電荷化的顆粒向負電場方向移動；將處理完的坯體進行烘干、燒結(jié)后，得到帶有涂層的坯體；
第6步，氧化鋁陶瓷顆粒的制備：配制含有8～12wt%聚乙烯醇和10～15wt%硝酸鋁的水溶液，然后用稀氨水調(diào)節(jié)pH至10～12之間，靜置反應(yīng)，然后將生成的沉淀濾出，依次用乙醇和去離子水清洗之后，置于管式爐中在氧化性氣氛下燒結(jié)，得氧化鋁陶瓷顆粒；
第7步，表面涂層的制備：按重量份計，將氧化鋁陶瓷顆粒40～45份、水25～30份、粘合劑15～25份混合均勻，得到表面涂層漿料，將漿料涂于帶有涂層的坯體的表面，然后進行低溫燒結(jié)，再移至放電等離子燒結(jié)爐中進行快速燒結(jié)，制備得到剎車盤。
所述的第1步中，氨水的濃度是20～25wt%。
所述的第2步中，帶有氨基的硅烷偶聯(lián)劑選自N-β(氨乙基)-γ-氨丙基甲基二甲氧硅烷；所述的催化劑選自四甲基氫氧化銨。
所述的第3步和第7步中，粘合劑選自甲基纖維素、羥丙基纖維素或者乙基纖維素中的一種或幾種。
所述的第4步中，涂覆的漿料厚度是0.5～5mm。
所述的第5步中，正負電場之間的電勢差是30～60V，電場作用時間是10～30min。
所述的第6步中，稀氨水的濃度是10～15wt%；管式爐的裂解程序是：在空氣或氧氣氣氛下，以速度5～8℃/min的速率升溫至500～650℃，保溫3～5h，然后自然放冷。
所述的第7步中，低溫燒結(jié)的程序是：按照3～5℃/min的速率升溫至180～240℃后，保溫0.5～1h，然后自然放冷；放電等離子燒結(jié)爐的燒結(jié)程序是：升溫速率100～150℃/min，壓力范圍35～45MPa，到達燒結(jié)溫度1050～1100℃后保溫1～3h，然后自然放冷。
有益效果
本發(fā)明提出了一種基于基于放電等離子燒結(jié)-電場梯度處理耦合技術(shù)制備剎車盤的方案，該方案主要是利用了放電等離子燒結(jié)技術(shù)使表面形成致密耐磨層，再通過對氧化硅溶膠進行羥基硅油、氨基化復(fù)合改性，使其表面帶有正電荷，進而制備得到帶電顆粒漿料，利用電場梯度處理技術(shù)，使帶電顆粒在表層與坯體之間呈梯度分布，實現(xiàn)了致密層與坯體之間的結(jié)合力提高；該方法制備得到的剎車盤具有重量輕、耐磨性能優(yōu)異、表層結(jié)合強度高的優(yōu)點。
具體實施方式
實施例1
第1步，改性氧化硅溶膠的制備：按重量份計，取硅酸鈉30份、硫酸鈉10份、水350份，攪拌均勻并升溫至55℃，然后通過加入20wt%氨水調(diào)節(jié)pH至9，保持反應(yīng)2h后，再加入硫酸調(diào)節(jié)pH至5，加入羥基硅油12份，并在30℃繼續(xù)反應(yīng)3h，自然冷卻后進行陳化，得到改性氧化硅溶膠；
第2步，溶膠的電荷化：按重量份計，將改性氧化硅溶膠20份、N-β(氨乙基)-γ-氨丙基甲基二甲氧硅烷3份、催化劑0.2份、水15份混合均勻，然后升溫至50℃進行表面電荷化反應(yīng)，得到電荷化的溶膠；
第3步，漿料的制備：按重量份計，將電荷化的溶膠45份、碳化硅15份、甲基纖維素5份混合均勻，得到漿料；
第4步，坯體表面的中間層的涂覆：取具有設(shè)定形狀的鋁合金坯體，把漿料涂覆于鋁合金坯體的表面，涂覆的漿料厚度是0.5mm；
第5步，對中間層的電場梯度化處理：在鋁合金的表面提供正電場，在漿料的表面提供負電場，正負電場之間的電勢差是30V，電場作用時間是10min，在電場的作用下漿料中的電荷化的顆粒向負電場方向移動；將處理完的坯體進行烘干、燒結(jié)后，得到帶有涂層的坯體；
第6步，氧化鋁陶瓷顆粒的制備：配制含有8wt%聚乙烯醇和10wt%硝酸鋁的水溶液，然后用10wt%稀氨水調(diào)節(jié)pH至10，靜置反應(yīng)，然后將生成的沉淀濾出，依次用乙醇和去離子水清洗之后，置于管式爐中在氧化性氣氛下燒結(jié)，得氧化鋁陶瓷顆粒；管式爐的裂解程序是：在空氣或氧氣氣氛下，以速度5℃/min的速率升溫至500℃，保溫3h，然后自然放冷；
第7步，表面涂層的制備：按重量份計，將氧化鋁陶瓷顆粒40份、水25份、甲基纖維素15份混合均勻，得到表面涂層漿料，將漿料涂于帶有涂層的坯體的表面，然后進行低溫燒結(jié)，低溫燒結(jié)的程序是：按照3℃/min的速率升溫至180℃后，保溫0.5h，然后自然放冷，再移至放電等離子燒結(jié)爐中進行快速燒結(jié)；放電等離子燒結(jié)爐的燒結(jié)程序是：升溫速率100℃/min，壓力范圍35MPa，到達燒結(jié)溫度1050℃后保溫1h，然后自然放冷，制備得到剎車盤。
實施例2
第1步，改性氧化硅溶膠的制備：按重量份計，取硅酸鈉40份、硫酸鈉12份、水400份，攪拌均勻并升溫至65℃，然后通過加入25wt%氨水調(diào)節(jié)pH至11，保持反應(yīng)3h后，再加入硫酸調(diào)節(jié)pH至6，加入羥基硅油16份，并在40℃繼續(xù)反應(yīng)5h，自然冷卻后進行陳化，得到改性氧化硅溶膠；
第2步，溶膠的電荷化：按重量份計，將改性氧化硅溶膠25份、N-β(氨乙基)-γ-氨丙基甲基二甲氧硅烷5份、催化劑0.4份、水18份混合均勻，然后升溫至60℃進行表面電荷化反應(yīng)，得到電荷化的溶膠；
第3步，漿料的制備：按重量份計，將電荷化的溶膠50份、碳化硅18份、甲基纖維素10份混合均勻，得到漿料；
第4步，坯體表面的中間層的涂覆：取具有設(shè)定形狀的鋁合金坯體，把漿料涂覆于鋁合金坯體的表面，涂覆的漿料厚度是5mm；
第5步，對中間層的電場梯度化處理：在鋁合金的表面提供正電場，在漿料的表面提供負電場，正負電場之間的電勢差是60V，電場作用時間是30min，在電場的作用下漿料中的電荷化的顆粒向負電場方向移動；將處理完的坯體進行烘干、燒結(jié)后，得到帶有涂層的坯體；
第6步，氧化鋁陶瓷顆粒的制備：配制含有12wt%聚乙烯醇和15wt%硝酸鋁的水溶液，然后用15wt%稀氨水調(diào)節(jié)pH至12，靜置反應(yīng)，然后將生成的沉淀濾出，依次用乙醇和去離子水清洗之后，置于管式爐中在氧化性氣氛下燒結(jié)，得氧化鋁陶瓷顆粒；管式爐的裂解程序是：在空氣或氧氣氣氛下，以速度8℃/min的速率升溫至650℃，保溫5h，然后自然放冷；
第7步，表面涂層的制備：按重量份計，將氧化鋁陶瓷顆粒45份、水30份、甲基纖維素25份混合均勻，得到表面涂層漿料，將漿料涂于帶有涂層的坯體的表面，然后進行低溫燒結(jié)，低溫燒結(jié)的程序是：按照5℃/min的速率升溫至240℃后，保溫1h，然后自然放冷，再移至放電等離子燒結(jié)爐中進行快速燒結(jié)；放電等離子燒結(jié)爐的燒結(jié)程序是：升溫速率150℃/min，壓力范圍45MPa，到達燒結(jié)溫度1100℃后保溫3h，然后自然放冷，制備得到剎車盤。
實施例3
第1步，改性氧化硅溶膠的制備：按重量份計，取硅酸鈉35份、硫酸鈉11份、水380份，攪拌均勻并升溫至60℃，然后通過加入22wt%氨水調(diào)節(jié)pH至10，保持反應(yīng)2h后，再加入硫酸調(diào)節(jié)pH至5，加入羥基硅油14份，并在35℃繼續(xù)反應(yīng)4h，自然冷卻后進行陳化，得到改性氧化硅溶膠；
第2步，溶膠的電荷化：按重量份計，將改性氧化硅溶膠23份、N-β(氨乙基)-γ-氨丙基甲基二甲氧硅烷4份、催化劑0.3份、水16份混合均勻，然后升溫至55℃進行表面電荷化反應(yīng)，得到電荷化的溶膠；
第3步，漿料的制備：按重量份計，將電荷化的溶膠47份、碳化硅17份、甲基纖維素7份混合均勻，得到漿料；
第4步，坯體表面的中間層的涂覆：取具有設(shè)定形狀的鋁合金坯體，把漿料涂覆于鋁合金坯體的表面，涂覆的漿料厚度是3mm；
第5步，對中間層的電場梯度化處理：在鋁合金的表面提供正電場，在漿料的表面提供負電場，正負電場之間的電勢差是44V，電場作用時間是16min，在電場的作用下漿料中的電荷化的顆粒向負電場方向移動；將處理完的坯體進行烘干、燒結(jié)后，得到帶有涂層的坯體；
第6步，氧化鋁陶瓷顆粒的制備：配制含有9wt%聚乙烯醇和12wt%硝酸鋁的水溶液，然后用13wt%稀氨水調(diào)節(jié)pH至11，靜置反應(yīng)，然后將生成的沉淀濾出，依次用乙醇和去離子水清洗之后，置于管式爐中在氧化性氣氛下燒結(jié)，得氧化鋁陶瓷顆粒；管式爐的裂解程序是：在空氣或氧氣氣氛下，以速度7℃/min的速率升溫至550℃，保溫4h，然后自然放冷；
第7步，表面涂層的制備：按重量份計，將氧化鋁陶瓷顆粒42份、水28份、甲基纖維素18份混合均勻，得到表面涂層漿料，將漿料涂于帶有涂層的坯體的表面，然后進行低溫燒結(jié)，低溫燒結(jié)的程序是：按照4℃/min的速率升溫至220℃后，保溫0.7h，然后自然放冷，再移至放電等離子燒結(jié)爐中進行快速燒結(jié)；放電等離子燒結(jié)爐的燒結(jié)程序是：升溫速率120℃/min，壓力范圍40MPa，到達燒結(jié)溫度1080℃后保溫2h，然后自然放冷，制備得到剎車盤。
對照例1
與實施例3的區(qū)別在于：未采用第5步中電場梯度化處理。
第1步，改性氧化硅溶膠的制備：按重量份計，取硅酸鈉35份、硫酸鈉11份、水380份，攪拌均勻并升溫至60℃，然后通過加入22wt%氨水調(diào)節(jié)pH至10，保持反應(yīng)2h后，再加入硫酸調(diào)節(jié)pH至5，加入羥基硅油14份，并在35℃繼續(xù)反應(yīng)4h，自然冷卻后進行陳化，得到改性氧化硅溶膠；
第2步，溶膠的電荷化：按重量份計，將改性氧化硅溶膠23份、N-β(氨乙基)-γ-氨丙基甲基二甲氧硅烷4份、催化劑0.3份、水16份混合均勻，然后升溫至55℃進行表面電荷化反應(yīng)，得到電荷化的溶膠；
第3步，漿料的制備：按重量份計，將電荷化的溶膠47份、碳化硅17份、甲基纖維素7份混合均勻，得到漿料；
第4步，坯體表面的中間層的涂覆：取具有設(shè)定形狀的鋁合金坯體，把漿料涂覆于鋁合金坯體的表面，涂覆的漿料厚度是3mm；
第5步，涂層的坯體的制備：將第4步得到的坯體進行烘干、燒結(jié)后，得到帶有涂層的坯體；
第6步，氧化鋁陶瓷顆粒的制備：配制含有9wt%聚乙烯醇和12wt%硝酸鋁的水溶液，然后用13wt%稀氨水調(diào)節(jié)pH至11，靜置反應(yīng)，然后將生成的沉淀濾出，依次用乙醇和去離子水清洗之后，置于管式爐中在氧化性氣氛下燒結(jié)，得氧化鋁陶瓷顆粒；管式爐的裂解程序是：在空氣或氧氣氣氛下，以速度7℃/min的速率升溫至550℃，保溫4h，然后自然放冷；
第7步，表面涂層的制備：按重量份計，將氧化鋁陶瓷顆粒42份、水28份、甲基纖維素18份混合均勻，得到表面涂層漿料，將漿料涂于帶有涂層的坯體的表面，然后進行低溫燒結(jié)，低溫燒結(jié)的程序是：按照4℃/min的速率升溫至220℃后，保溫0.7h，然后自然放冷，再移至放電等離子燒結(jié)爐中進行快速燒結(jié)；放電等離子燒結(jié)爐的燒結(jié)程序是：升溫速率120℃/min，壓力范圍40MPa，到達燒結(jié)溫度1080℃后保溫2h，然后自然放冷，制備得到剎車盤。
對照例2
與實施例3的區(qū)別在于：未對溶膠進行第3步的電荷化處理改性。
第1步，改性氧化硅溶膠的制備：按重量份計，取硅酸鈉35份、硫酸鈉11份、水380份，攪拌均勻并升溫至60℃，然后通過加入22wt%氨水調(diào)節(jié)pH至10，保持反應(yīng)2h后，再加入硫酸調(diào)節(jié)pH至5，加入羥基硅油14份，并在35℃繼續(xù)反應(yīng)4h，自然冷卻后進行陳化，得到改性氧化硅溶膠；
第2步，溶膠的電荷化：按重量份計，將改性氧化硅溶膠23份、催化劑0.3份、水16份混合均勻，然后升溫至55℃進行表面電荷化反應(yīng)，得到溶膠；
第3步，漿料的制備：按重量份計，將第2步得到的溶膠47份、碳化硅17份、甲基纖維素7份混合均勻，得到漿料；
第4步，坯體表面的中間層的涂覆：取具有設(shè)定形狀的鋁合金坯體，把漿料涂覆于鋁合金坯體的表面，涂覆的漿料厚度是3mm；
第5步，對中間層的電場梯度化處理：在鋁合金的表面提供正電場，在漿料的表面提供負電場，正負電場之間的電勢差是44V，電場作用時間是16min，在電場的作用下漿料中的電荷化的顆粒向負電場方向移動；將處理完的坯體進行烘干、燒結(jié)后，得到帶有涂層的坯體；
第6步，氧化鋁陶瓷顆粒的制備：配制含有9wt%聚乙烯醇和12wt%硝酸鋁的水溶液，然后用13wt%稀氨水調(diào)節(jié)pH至11，靜置反應(yīng)，然后將生成的沉淀濾出，依次用乙醇和去離子水清洗之后，置于管式爐中在氧化性氣氛下燒結(jié)，得氧化鋁陶瓷顆粒；管式爐的裂解程序是：在空氣或氧氣氣氛下，以速度7℃/min的速率升溫至550℃，保溫4h，然后自然放冷；
第7步，表面涂層的制備：按重量份計，將氧化鋁陶瓷顆粒42份、水28份、甲基纖維素18份混合均勻，得到表面涂層漿料，將漿料涂于帶有涂層的坯體的表面，然后進行低溫燒結(jié)，低溫燒結(jié)的程序是：按照4℃/min的速率升溫至220℃后，保溫0.7h，然后自然放冷，再移至放電等離子燒結(jié)爐中進行快速燒結(jié)；放電等離子燒結(jié)爐的燒結(jié)程序是：升溫速率120℃/min，壓力范圍40MPa，到達燒結(jié)溫度1080℃后保溫2h，然后自然放冷，制備得到剎車盤。
將實施例1至3及對比例1至2制備得到的到剎車盤材料按照GB228測試其室溫拉伸性能，采用導熱率測試儀測定其導熱率（200℃下），采用MM-1000 摩擦試驗機測試本發(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，測試結(jié)果如下表所示。
從上表中可以看出，本發(fā)明制備得到的剎車盤具有較好的耐磨性能，運行摩擦試驗后線磨損率低，并且循環(huán)測試20次后，表面無明顯脫落出現(xiàn)，說明表層與基層之間的結(jié)合力良好。對照例1中，由于未采用電場化的中間層處理，不能使足夠的氧化硅顆粒在中間層的表面富集，使得表層放電等離子燒結(jié)后，致密層與中間層不能較好地結(jié)合，在長期試驗中容易出現(xiàn)表層脫落的問題；另外，對照例2中由于未對硅溶膠進行氨基化處理，使得在用電場處理時，顆粒不能自由移動，也導致了梯度化處理效果不好，使致密化的表層不能較好地結(jié)合中間層。