一種用于高速列車剎車盤的陶瓷基復合材料及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于陶瓷基復合材料領域，尤其涉及一種用于高速列車剎車盤的陶瓷基復合材料及其制備方法。
技術背景
[0002]剎車盤是機動車輛制動系統(tǒng)的A類關鍵零部件，其性能的好壞直接關系到機動車運行的安全性和可靠性。碳/碳(C/C)復合材料剎車盤具有耐腐蝕、耐磨損、抗氧化、摩擦系數(shù)高等一系列優(yōu)良性能，但是由于C/C復合材料在實際應用中所承受的嚴重熱震，使得C/C復合材料易開裂，且極易損傷C纖維，嚴重影響其力學性能。為了防止C纖維不受損傷，保證復合材料的強度不下降，現(xiàn)有技術中通常在C纖維編織體上制備C/C骨架，這對C纖維起到保護作用。同時在C/C骨架上化學氣相沉積SiC，以緩解因為熱震而帶來的熱應力。然而，用于高速列車剎車盤的C/SiC (碳纖維增強碳化磚)陶瓷基復合材料的綜合性能依然有待進一步提尚。
[0003]研宄發(fā)現(xiàn)，通過摻雜難熔金屬碳化物及硼化物，同時創(chuàng)新制備工藝，可在不破壞C纖維的情況下制備出耐超高溫、耐氧化、抗熱震的高性能陶瓷基復合材料，以滿足高速列車剎車盤的綜合性能要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的旨在克服現(xiàn)有技術的缺陷，提供了一種用于高速列車剎車盤的陶瓷基復合材料及其制備方法。
[0005]為實現(xiàn)本發(fā)明的目的所采用的技術方案是:一種用于高速列車剎車盤的陶瓷基復合材料，由C纖維、C基體、HfC基體和ZrB2基體組成，其特征在于:所述C纖維所占的體積分數(shù)為32?62%，C基體所占的體積分數(shù)為12?22%，HfC基體所占的體積分數(shù)為4?12%，ZrB2S體所占的體積分數(shù)為10?34%。
[0006]進一步的，所述C纖維所占的體積分數(shù)為47?62% ;所述C基體所占的體積分數(shù)為12?16% ;所述HfC基體所占的體積分數(shù)為4?9% ;所述ZrB2S體所占的體積分數(shù)為22 ?28%。
[0007]進一步的，所述C纖維所占的體積分數(shù)為47 % ;所述C基體所占的體積分數(shù)為16 % ;所述HfC基體所占的體積分數(shù)為9 % ;所述ZrB2基體所占的體積分數(shù)為28 %。
[0008]本發(fā)明還提供了一用于高速列車剎車盤的陶瓷基復合材料的制備方法，其特征在于包括下述順序的步驟:
[0009](I)以針刺氈作為纖維預制體，C纖維所占的體積分數(shù)為32?62% ;
[0010](2)采用CVI工藝，以烷烴為先驅體，氮氣為稀釋氣體，制備出C/C復合材料坯體，溫度 1500 ?2500 °C ；
[0011 ] (3)將表面活性劑改性的HfO2微粉分散于酚醛樹脂中，形成懸濁液，將C/C復合材料坯體浸漬于所述懸濁液中，在氫氣氣氛下，加熱至1900?2300°C，反應生成HfC，從而形成C/C-HfC基體；
[0012](5)將無水乙醇、硼酸三正丁脂、乙酸按1: 3: 3的比例混合得到穩(wěn)定的前驅體溶膠，將粉按質量分數(shù)10%加入到前驅體中，充分攪拌使其形成穩(wěn)定的懸浮液，再將其倒入水熱釜中；將所述C/C-HfC基體放入水熱釜中，使其完全浸漬，放入恒溫烘箱中，100-180°C下保溫20-30小時。待保溫結束，自然冷卻至室溫，用乙醇清洗表面，然后置于馬弗爐中350-500°C保溫下2-3小時，將ZrB2引入C/C-HfC基體表面，形成C/C_HfC_ZrB 2復合材料預置體；
[0013](6)在1500?1800°C下對所述C/C_HfC_ZrB2復合材料預置體進行高溫致密化處理，得到C/C-HfC-ZrB2陶瓷基復合材料。
[0014]進一步的，步驟(I)中所述針刺氈采用T700-12K無瑋布及T700-12K網(wǎng)胎制成。
[0015]進一步的，步驟(2)中所述烷烴為聚碳硅烷。
[0016]進一步的，步驟(3)中所述表面活性劑為聚乙烯吡咯烷酮。
[0017]目前，將高溫合金元素引入到C/C復合材料中的方法主要有溶液浸漬法、直接浸滲微粉法、陶瓷漿料涂刷粉末法等。采用溶液浸漬轉化效率很低，并且存在腐蝕設備等缺點；直接浸滲微粉法和漿料涂刷法是較為經(jīng)濟的方法，但是由于合金元素化合物微粉的密度較大，料漿的懸浮性及浸滲均勻性難以保證。
[0018]本發(fā)明綜合利用CVI法、熱解法及溶劑熱法制備C/C-HfC-ZrB2復合材料，具有以下優(yōu)點:
[0019](I)在C/C骨架上化學氣相沉積梯度HfC、ZrB2,能夠有效緩解因為熱震而帶來的熱應力，抗熱震性能得到顯著的增強，同時與C/SiC復合材料相比，抗氧化性能、耐磨耐熱及散熱性能均顯著提高；
[0020](2)利用表面活性劑的解團聚效應，有效分散HfO2微粉，解決了固相粉末分散不均勻問題，使得C/C復合材料中纖維的機械和熱損傷程度較小；同時酚醛樹脂在熱解反應中形成疏松多孔的熱解碳，易于HfC的均勻附著；
[0021](3)由于在C/C骨架上制備了一層HfC基體，能夠為C纖維提供保護，防止后續(xù)反應中金屬Zr對基體的破壞；
[0022](4)有效提高C/C復合材料在低溫段的抗氧化性能。改性后的C/C復合材料表面被B2O3和ZrB 2覆蓋，基體內(nèi)部的缺陷也不同程度地被B 203和ZrB 2填充。隨著反應溫度的升高，進入基體內(nèi)部的B2O3和ZrB 2含量增多，在高溫下，ZrB2氧化生成的B2O3能對基體的缺陷進行有效愈合，進一步有效持續(xù)地防止C/C基體氧化。
【具體實施方式】
[0023]下面結合具體實施例，進一步闡明本發(fā)明，應理解這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領域技術人員對本發(fā)明的各種等價形式的修改均落于本申請所附權利要求所限定。
[0024]對比例1:
[0025]采用T700-12K無瑋布和T700-12K網(wǎng)胎制備針刺氈，其體積密度約為0.50g/cm3。采用CVI工藝，以聚碳硅烷PCS為先驅體，氮氣為稀釋氣體，反應溫度為1800°C，制備C/C復合材料坯體，其體積密度約為0.75g/cm3;在1800°C下對C/C復合材料預置體進行高溫致密化處理，得到C/C陶瓷基復合材料。C/C陶瓷基復合材料中C纖維體積分數(shù)為70%，C基體體積分數(shù)為30 %。
[0026]對比例2:
[0027]采用T700-12K無瑋布和T700-12K網(wǎng)胎制備針刺氈，其體積密度約為0.40g/cm3。采用CVI工藝，以聚碳硅烷PCS為先驅體，氮氣為稀釋氣體，反應溫度為1800°C，制備C/C復合材料坯體，C/C復合材料坯體的體積密度約為0.80g/cm3。將HfOjj粉邊研磨邊加入聚乙烯吡咯烷酮K17(PVPK17)的異丙醇溶液中，形成改性的HfO2微粉，聚乙烯吡咯烷酮K17(PVPK17)的異丙醇溶液與HfOjj粉的質量比為5: I。將改性HfO 2微粉分散于酚醛樹脂中，其中形成懸濁液，改性HfO2微粉與酚醛樹脂質量比為1: 6。將C/C復合材料坯體浸漬于所述懸濁液中，在氫氣氣氛下，加熱至1900°C，反應生成HfC。將無水乙醇、硼酸三正丁月旨、乙酸按1: 3: 3的比例混合得到穩(wěn)定的前驅體溶膠，將粉按質量分數(shù)10%加入到前驅體中，充分攪拌使其形成穩(wěn)定的懸浮液，再將其倒入水熱釜中；將C/C-HfC基體放入水熱釜中，使其完全浸漬，放入恒溫烘箱中，150°C下保溫20小時。待保溫結束，自然冷卻至室溫，用乙醇清洗表面，然后置于馬弗爐中350°C保溫下3小時，將ZrB2引入C/C-HfC基體表面，形成C/C-HfC-ZrB2復合材料預置體。在1500°C下對C/C_HfC_ZrB 2復合材料預置體進行高溫致密化處理，得到CVC-HfC-ZrB2陶瓷基復合材料。
[0028]對比例2所述的C/C-HfC-ZrB2陶瓷基復合材料中C纖維所占的體積分數(shù)為60%、C基體所占的體積分數(shù)為28 %、HfC基體所占的體積分數(shù)為2 %、ZrB2基體所占的體積分數(shù)為 10%。
[0029]實施例1:
[0030]采用T700-12K無瑋布和T700-12K網(wǎng)胎制備針刺氈，其體積密度約為0.50g/cm3。采用CVI工藝，以聚碳硅烷PCS為先驅體，氮氣為稀釋氣體，反應溫度為1500°C，制備C/C復合材料坯體，C/C復合材料坯體的體積密度約為0.65g/cm3。將HfOjj粉邊研磨邊加入聚乙烯吡咯烷酮K17(PVPK17)的異丙醇溶液中，形成改性的HfO2微粉，聚乙烯吡咯烷酮K17(PVPK17)的異丙醇溶液與Hf02微粉的質量比為5: I。將改性HfO2微粉分散于酚醛樹脂中，其中形成懸濁液，改性Hf02微粉與酚醛樹脂質量比為1: 6。將C/C復合材料坯體浸漬于所述懸濁液中，在氫氣氣氛下，加熱至1900°C，反應生成HfC。將無水乙醇、硼酸三正丁月旨、乙酸按1: 3: 3的比例混合得到穩(wěn)定的前驅體溶膠，將粉按質量分數(shù)10%加入到前驅體中，充分攪拌使其形成穩(wěn)定的懸浮液，再將其倒入水熱釜中；將C/C-HfC基體放入水熱釜中，使其完全浸漬，放入恒溫烘箱中，100°C下保溫30小時。待保溫結束，自然冷卻至室溫，用乙醇清洗表面，然后置于馬弗爐中380°C保溫下2小時，將ZrB2引入C/C-HfC基體表面，形成C/C-HfC-ZrB2復合材料預置體。在1600°C下對C/C_HfC_ZrB 2復合材料預置體進行高溫致密化處理，得到CVC-HfC-ZrB2陶瓷基復合材料。
[0031 ] 實施例1所述的C/C-HfC-ZrB2陶瓷基復合材料中C纖維所占的體積分數(shù)為62 %、C基體所占的體積分數(shù)為12 %、HfC基體所占的體積分數(shù)為4 %、ZrB2基體所占的體積分數(shù)為 22%。
[0032]實施例2:
[0033]采用T700-12K無瑋布和T700-12K網(wǎng)胎制備針刺氈，其體積密度約為0.50g/cm3。采用CVI工藝，以聚碳硅烷PCS為先驅體，氮氣為稀釋氣體，反應溫度為1700°C，制備C/C復合材料坯體，C/C復合材料坯體的體積密度約為0.70g/cm3。將HfOjj粉邊研磨邊加入聚乙烯吡咯烷酮K17(PVPK17)的異丙醇溶液中，形成改性的HfO2微粉，聚乙烯吡咯烷酮K17(PVPK17)的異丙醇溶液與HfOjj粉的質量比為5: I。將改性Hf02微粉分散于酚醛樹脂中，其中形成懸濁液，改性HfO2微粉與酚醛樹脂質量比為1: 6。將C/C復合材料坯體浸漬于所述懸濁液中，在氫氣氣氛下，加熱至2000°C，反應生成HfC。將無水乙醇、硼酸三正丁月旨、乙酸按1: 3: 3的比例混合得到穩(wěn)定的前驅體溶膠，將粉按質量分數(shù)10%加入到前驅體中，充分攪拌使其形成穩(wěn)定的懸浮液，再將其倒入水熱釜中；將C/C-HfC基體放入水熱釜中，使其完全浸漬，放入恒溫烘箱中，120°C下保溫25小時。待保溫結束，自然冷卻至室溫，用乙醇清洗表面，然后置于馬弗爐中400°C保溫下2.5小時，將ZrB2引入C/C-HfC基體表面，形成C/C-HfC-ZrB2復合材料預置體。在1700°C下對C/C_