專利名稱：：一種銅硅合金改性炭/陶摩擦材料的制備方法
技術領域：
：本發(fā)明公開了一種炭/陶摩擦材料的制備方法，具體地說是一種銅硅合金改性炭/陶摩擦材料及制備方法，屬于新材料
技術領域：
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背景技術：
：炭纖維增強炭基和陶瓷基(簡稱為炭/陶，具體到本發(fā)明即C/C-SiC)摩擦材料是繼粉末冶金和炭/炭復合材料之后，于20世紀90年代中期發(fā)展起來的一種高性能摩擦材料。與傳統(tǒng)金屬和半金屬摩擦材料相比，C/C-SiC摩擦材料具有密度低(約為2.Og/cm3)、耐腐蝕、制動平穩(wěn)、摩擦系數(shù)高、環(huán)境適應性強等優(yōu)點；與炭/炭復合材料相比，由于C/C-SiC材料中引入SiC陶瓷硬質(zhì)相作為基體，不僅有效提高了材料的抗氧化性和摩擦系數(shù)，而且顯著改善了摩擦性能對外界環(huán)境介質(zhì)(潮氣、霉菌和油污等)的穩(wěn)定性，是一種有著廣闊應用前景的摩擦材料，可應用于航空航天、車輛工程、機械工程等領域。隨著科學技術的發(fā)展，人們對工業(yè)機械的速度和能載水平的要求越來越高，即工業(yè)機械的動能在不斷增加。摩擦是將動能通過摩擦材料轉(zhuǎn)化為熱能的過程，一般將摩擦材料所轉(zhuǎn)化的能量稱為能載。動能增大導致摩擦過程中產(chǎn)生的熱量隨之增加，摩擦表面的溫度也就越高。在能載低于某一臨界值時，材料的摩擦系數(shù)能維持在比較穩(wěn)定的狀態(tài)。當能量密度超過臨界值時，摩擦面會出現(xiàn)局部過熱現(xiàn)象并產(chǎn)生過熱點，從而導致摩擦系數(shù)不穩(wěn)定。在材料體系確定的情況下，提高垂直于摩擦面的導熱系數(shù)，是改善摩擦系數(shù)穩(wěn)定性的有效方法之一。針對C/C-SiC摩擦材料，提高其垂直于摩擦面的導熱系數(shù)的主要措施有(1)使用熱導率高的炭纖維(如浙青基炭纖維)；(2)增加纖維與摩擦面之間的夾角；(3)增加C/C-SiC材料中基體的含量；(4)引入高導熱金屬元素或者基體合金化。上述措施中，通過使用高導熱的纖維來提高材料的導熱系數(shù)，會導致材料制造成本大幅度增加。增加纖維與摩擦面之間的夾角，可以通過纖維預制體的設計得以實現(xiàn)，但是其提升的空間有限。增加材料中基體含量會導致纖維體積含量降低，導致材料的強度和斷裂韌性下降。相比之下，在材料中引入高導熱的金屬元素或者基體合金化是一個能通過工藝調(diào)整的方法。因此，在綜合考慮材料制造成本、工藝性、導熱性能、力學性能和摩擦磨損性能之間合理匹配的前提下，在C/C-SiC材料體系中引入銅硅合金。銅具有很高的導電性(室溫下電阻率為1.63Χ10_8Ωπι)、導熱性(室溫下導熱系數(shù)為SSOWnr1Ir1)、耐蝕性和優(yōu)良的工藝性能，作為導電、導熱功能材料廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)。高溫下Cu與炭材料既不潤濕也不發(fā)生反應。從Si-Cu二元相圖可知，Si和Cu在200°C便開始反應，Cu3Si是Cu和Si反應生成的第一相，并且它也是最富含Si的銅硅金屬間化合物。中南大學冉麗萍等發(fā)明的“炭纖維整體織物/炭_銅復合材料及制備方法”(申請?zhí)?00710034992.X)是以炭纖維整體織物增密制備得到，是以多孔炭坯為預制體，通過Ti改善炭和銅的潤濕性，采用包埋法在預制體的孔隙中滲入銅。與本發(fā)明的不同之處主要在于材料體系、技術手段和發(fā)明目的不同，本發(fā)明是炭/炭-碳化硅材料體系(即炭纖維增強炭基體和碳化硅基體，銅硅合金只是一種性能調(diào)節(jié)組元)，采用非浸泡式熔融浸滲的方法制得材料，通過銅硅合金來提高材料的導熱性能。而冉麗萍等的發(fā)明是炭/炭-銅復合材料體系(即炭纖維增強炭基體和銅基體)，采用浸泡式(即包埋法)的工藝制得材料，通過銅來提高材料的導電性能。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種生產(chǎn)工藝簡單易控，制備成本低，制備的材料微觀結(jié)構(gòu)和性能可控、在保持材料優(yōu)異摩擦磨損性能、高強度、耐高溫和耐腐蝕性的同時，導熱性能優(yōu)異的銅硅合金改性炭/陶摩擦材料的制備方法。所制造的銅硅合金改性炭/陶摩擦材料具有較高的導熱性能和良好的摩擦磨損性能。本發(fā)明一種銅硅合金改性炭/陶摩擦材料的制備方法，包括下列步驟第一步炭纖維預制體高溫熱處理將密度為0.10.65g/cm3的針刺炭纖維整體氈為預制體，在15002300°C進行高溫熱處理，緩解炭纖維預制體在編織過程中產(chǎn)生的應力，并去除炭纖維束表面的膠及編織過程中引入的有機纖維絲；第二步炭纖維預制體致密化將第一步熱處理后的炭纖維預制體進行化學氣相滲透和(或)樹脂浸漬/炭化致密化處理，得到基體炭，制得密度為1.01.6g/cm3的低密度炭纖維增強基體炭(C/C)多孔體材料；第三步Cu、Si熔滲粉配制按重量百分比CuSi=(550)(9550)配制Cu、Si熔滲粉；第四步非浸泡式熔融浸滲按重量百分比(Cu、Si熔滲粉)C/C多孔體材料=3(12)，分別取Cu、Si熔滲粉及第二步所得C/C多孔體材料；將Cu、Si熔滲粉置于石墨坩鍋中，將C/C多孔體材料平鋪于石墨坩鍋中的粉末上，于高溫真空爐中進行非浸泡式熔融浸滲，通過Si與C及Si與Cu的反應復合成一體制得密度為1.92.4g/cm3的銅硅合金改性C/C_SiC摩擦材料。本發(fā)明中，第一步熱處理溫度為15002300°C，全程時間310小時，壓力為微正壓，氬氣惰性氣體保護。本發(fā)明中，第二步化學氣相滲透的碳源氣體為甲烷、丙稀、丙烷或者天然氣中的一種，稀釋氣體為氮氣、氫氣中的至少一種，碳源氣體與稀釋氣體之比為1(13)，沉積時間為120300小時，沉積溫度為9001100°C；樹脂浸漬/炭化的原材料為浙青或液態(tài)樹脂，浸漬溫度為50100°C，炭化溫度為800900°C。本發(fā)明中，第三步Si粉純度彡99%，平均粒度為0.010.lmm,Cu粉純度彡99%，平均粒度為0.050.075mm。本發(fā)明中，第四步非浸泡式熔融浸滲溫度為15001900°C，壓力為微正壓，氬氣惰性氣體保護，保溫時間0.52.Oh。發(fā)明由于采用上述技術方案，對炭纖維預制體進行高溫熱處理后采用快速化學氣相滲透法和(或)樹脂浸漬/炭化進行致密化，制得低密度的C/C多孔體材料，然后采用非浸泡式熔融浸滲技術對C/C多孔體材料同時進行滲Si和滲Cu，通過Si與C及Si與Cu的反應復合成一體制得銅硅合金改性C/C-SiC摩擦材料，通過對炭纖維預制體進行高溫熱處理，一方面，緩解炭纖維預制體在編織過程中產(chǎn)生的應力，同時，去除炭纖維束表面的膠及編織過程中引入的有機纖維絲；采用非浸泡式熔融浸滲法，Si粉和Cu粉的用量比包埋法大幅度減少，材料后續(xù)加工較容易。非浸泡式熔融浸滲過程中，使Si粉和Cu粉熔化，因為Cu與炭材料既不潤濕也不發(fā)生反應，而Si與炭材料的潤濕角接近為0，因此Si粉熔化后迅速滲入C/C多孔體材料，并在表面鋪展開來與炭材料反應生成SiC。此時，Cu與炭的界面轉(zhuǎn)化成Cu與硅的界面，Cu與硅的潤濕性較好，因此液Cu能滲入C/C多孔體材料與液硅反應生成銅硅合金，少量未反應的熔融硅殘留在C/C-SiC摩擦材料中，由銅硅合金改性C/C-SiC摩擦材料的金相顯微形貌(見附圖1)可知，炭纖維束之間的孔隙由殘留Si、SiC和銅硅合金填充，同時銅硅合金與殘留硅被SiC基體包圍。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，優(yōu)點積極效果體現(xiàn)在(1)本發(fā)明在國內(nèi)外首次將銅硅合金引入C/C-SiC摩擦材料，其生產(chǎn)工藝簡單易控，制備成本低。(2)通過控制熔滲粉末Si粉和Cu粉的比例，以及非浸泡式熔融浸滲時間，可以控制基體中SiC的含量及Si和Cu反應生成化合物的結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)對材料微觀結(jié)構(gòu)和性能的控制。(3)通過在C/C-SiC摩擦材料中引入銅硅合金，不僅在材料引入了新的導熱組元，而且減少了C/C-SiC摩擦材料開孔率，提高了其導熱性能(與未改性C/C-SiC摩擦材料相比，導熱系數(shù)提高2030%)。(4)本發(fā)明制備的銅硅合金改性C/C-SiC摩擦材料具有優(yōu)良的導熱性能，C/C-SiC摩擦材料優(yōu)異的摩擦磨損性能未受影響，同時還保持了材料改性前的高強度、耐高溫和耐腐蝕等特點，在飛機、高速列車和汽車等軍民領域具有廣闊的應用前景。綜上所述，本發(fā)明生產(chǎn)工藝簡單易控，制備成本低，制備的材料微觀結(jié)構(gòu)和性能可控、在保持材料摩擦磨損性能、高強度、耐高溫和耐腐蝕性的同時，導熱性能優(yōu)異；可實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，在飛機、高速列車和汽車等軍民領域具有廣闊的應用前景。附圖1為本發(fā)明實施例1所得產(chǎn)物的金相照片。附圖2為本發(fā)明實施例1所得產(chǎn)物的XRD照片。具體實施例方式下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步說明。實施例1(1)采用密度為0.56g/cm3的炭纖維整體氈為預制體；在氬氣保護氣氛下將預制體進行2300°C高溫熱處理，保溫時間3小時；(2)采用丙稀為碳源氣，氫氣為稀釋氣，丙稀與氫氣的體積比為12，采用等溫化學氣相滲透法對經(jīng)步驟(ι)處理的預制體在iioo°c下沉積熱解炭，沉積loo小時后制得密度為1.24g/cm3的低密度C/C多孔體材料；(3)將純度彡99%，平均粒度為0.010.Imm的Cu粉和純度彡99%，平均粒度為0.050.075mm的Si粉按質(zhì)量比23進行配比后，取C/C多孔體質(zhì)量的3倍Si粉和Cu粉混合粉末，均勻混合后置于石墨坩鍋中并抹平；(4)將經(jīng)步驟(2)所得低密度C/C多孔體材料平鋪于經(jīng)步驟(3)所得石墨坩鍋中的粉末上，在高溫真空爐中進行非浸泡式熔融浸滲制得編號為A的銅硅合金改性C/C-SiC摩擦材料，浸滲溫度為1650°C，保溫時間為1.5小時。采用Rigaku-3014型X射線衍射儀對銅硅合金改性C/C-SiC摩擦材料進行物相分析，其XRD如附圖2。由圖可知，在此成分配比情況下材料的相組成為C、SiC、Cu3Si和少量殘留Si。實施例2(1)采用密度為0.36g/cm3的炭纖維整體氈為預制體；在氬氣保護氣氛下將預制體進行1600°C高溫熱處理，保溫時間6小時；(2)采用天然氣為碳源氣，氫氣為稀釋氣，丙稀與氫氣的體積比為13，采用熱梯度化學氣相滲透法在1000°c下對經(jīng)步驟(1)處理的預制體沉積熱解炭，沉積60小時后制得密度為0.84g/cm3的低密度C/C多孔體材料，隨后采用呋喃樹脂浸漬，炭化后制得密度為1.35g/cm3的低密度C/C多孔體材料，浸漬溫度為100°C，炭化溫度為850°C；(3)將純度彡99%，平均粒度為0.010.Imm的Cu粉和純度彡99%，平均粒度為0.050.075mm的Si粉按質(zhì)量比11進行配比后，取C/C多孔體質(zhì)量的1.5倍Si粉和Cu粉混合粉末，均勻混合后置于石墨坩鍋中并抹平。(4)將經(jīng)步驟(2)所得低密度C/C多孔體材料平鋪于經(jīng)步驟(3)所得石墨坩鍋粉末上，在高溫真空爐中進行非浸泡式熔融浸滲制得編號為B的銅硅合金改性C/C-SiC摩擦材料，浸滲溫度為1800°C，保溫時間為2.0小時。實施例3(1)采用密度為0.14g/cm3的炭纖維整體氈為預制體，；在氬氣保護氣氛下將預制體進行1500？高溫熱處理，保溫時間10小時；(2)采用呋喃樹脂浸漬，炭化后制得密度為1.20g/cm3的低密度C/C多孔體材料，浸漬溫度為85°C，炭化溫度為900°C；(3)將純度彡99%，平均粒度為0.010.Imm的Cu粉和純度彡99%，平均粒度為0.050.075mm的Si粉按質(zhì)量比119進行配比后，取C/C多孔體質(zhì)量的2倍Si粉和Cu粉混合粉末，均勻混合后置于石墨坩鍋中并抹平。(4)將經(jīng)步驟(2)所得低密度C/C多孔體材料平鋪于經(jīng)步驟3所得石墨坩鍋粉末上，在高溫真空爐中進行非浸泡式熔融浸滲制得編號為C的銅硅合金改性C/C-SiC摩擦材料，浸滲溫度為1900°c，保溫時間為1.0小時。對比例(1)采用密度為0.20g/cm3的炭纖維整體氈為預制體，；在氬氣保護氣氛下將經(jīng)步驟(1)制備的預制體進行1800°C高溫熱處理；(2)采用丙稀為碳源氣，氫氣為稀釋氣，丙稀與氫氣的體積比為12，采用等溫化學氣相滲透法對經(jīng)步驟(ι)處理的預制體在iioo°c下沉積熱解炭，沉積loo小時后制得密度為1.18g/cm3的低密度C/C多孔體材料；(3)取C/C多孔體質(zhì)量的2倍Si粉置于石墨坩鍋中并抹平。(4)將經(jīng)步驟(2)所得低密度C/C多孔體材料平鋪于經(jīng)步驟(3)所得石墨坩鍋中的粉末上，在高溫真空爐中進行非浸泡式熔融浸滲制得C/C-SiC摩擦材料，浸滲溫度為1750°C，保溫時間為1.5小時。采用阿基米德排水法測試銅硅合金改性C/C-SiC摩擦材料的密度和開孔率。利用JR-3型激光導熱儀測量材料垂直于無緯布的鋪層方向(即垂直于摩擦面)的熱擴散率，在德國產(chǎn)NETZSCHLFA427型激光導熱儀上測試材料的導熱系數(shù)。在CSS-44100萬能材料實驗機上按照QC/HSC3309標準測試了材料垂直于摩擦面的彎曲強度。在MM-1000型摩擦磨損實驗機上進行模擬制動實驗，按照GB13826-98進行測試；摩擦試環(huán)的尺寸為外徑75mm，內(nèi)徑53mm，高16mmmm，采用30CrMoSiVA合金鋼作對偶；實驗驗條件為轉(zhuǎn)速7500r/min，轉(zhuǎn)動慣量0.IKgM2,制動壓力IMPa.。表1為實施例13所制得的A、B、C三種銅硅合金改性C/C_SiC摩擦材料與對比樣的主要性能指標。從表1可以看出，相對于對比樣C/C-SiC摩擦材料，本發(fā)明所制得的銅硅合金改性C/C-SiC摩擦材料具有優(yōu)異的熱性能，同時仍具有良好的抗彎性能和摩擦磨損性能。表1銅硅合金改性C/C-SiC摩擦材料及對比樣的主要性能指標<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>權利要求一種銅硅合金改性炭/陶摩擦材料的制備方法，包括下列步驟第一步炭纖維預制體高溫熱處理將密度為0.1～0.65g/cm3的針刺炭纖維整體氈為預制體，在1500～2300℃進行高溫熱處理，緩解炭纖維預制體在編織過程中產(chǎn)生的應力，并去除炭纖維束表面的膠及編織過程中引入的有機纖維絲；第二步炭纖維預制體致密化將第一步熱處理后的炭纖維預制體進行化學氣相滲透和(或)樹脂浸漬/炭化致密化處理，得到基體炭，制得密度為1.0～1.6g/cm3的低密度炭纖維增強基體炭(C/C)多孔體材料；第三步Cu、Si熔滲粉配制按重量百分比Cu∶Si＝(5～50)∶(95～50)配制Cu、Si熔滲粉；第四步非浸泡式熔融浸滲按重量百分比(Cu、Si熔滲粉)∶C/C多孔體材料＝3∶(1～2)，分別取Cu、Si熔滲粉及第二步所得C/C多孔體材料；將Cu、Si熔滲粉置于石墨坩鍋中，將C/C多孔體材料平鋪于石墨坩鍋中的粉末上，于高溫真空爐中進行非浸泡式熔融浸滲，通過Si與C及Si與Cu的反應復合成一體制得密度為1.9～2.4g/cm3的銅硅合金改性C/C-SiC摩擦材料。2.根據(jù)權利要求1所述的一種銅硅合金改性炭/陶摩擦材料的制備方法，其特征在于第一步熱處理保溫時間310小時，壓力為微正壓，氬氣惰性氣體保護。3.根據(jù)權利要求2所述的一種銅硅合金改性炭/陶摩擦材料的制備方法，其特征在于第二步化學氣相滲透的碳源氣體為甲烷、丙稀、丙烷或者天然氣中的一種，稀釋氣體為氮氣、氫氣中的至少一種，碳源氣體與稀釋氣體之比為1(13)，沉積時間為120300小時，沉積溫度為900iioo°c；樹脂浸漬/炭化的原材料為浙青或液態(tài)樹脂，浸漬溫度為50100°C，炭化溫度為800900°C。4.根據(jù)權利要求3所述的一種銅硅合金改性炭/陶摩擦材料的制備方法，其特征在于第三步Si粉純度彡99%，平均粒度為0.010.lmm,Cu粉純度彡99%，平均粒度為0.050.075mm.。5.根據(jù)權利要求4所述的一種銅硅合金改性炭/陶摩擦材料的制備方法，其特征在于第四步非浸泡式熔融浸滲溫度為1500190(TC，壓力為微正壓，氬氣惰性氣體保護，保溫時間0.52.Oho全文摘要一種銅硅合金改性炭/陶摩擦材料的制備方法，包括下列步驟1、將炭纖維預制體進行高溫熱處理；2、將熱處理后的炭纖維預制體進行化學氣相滲透和(或)樹脂浸漬/炭化致密化處理，得到低密度炭纖維增強基體炭(C/C)多孔體材料；3、Cu、Si熔滲粉配制；4、將Cu、Si熔滲粉置于石墨坩鍋中，將C/C多孔體材料平鋪于石墨坩鍋中的粉末上，于高溫真空爐中進行非浸泡式熔融浸滲，通過Si與C及Si與Cu的反應復合成一體制得銅硅合金改性C/C-SiC摩擦材料。本發(fā)明生產(chǎn)工藝簡單易控，制備成本低，制備的材料微觀結(jié)構(gòu)和性能可控、導熱性能優(yōu)異；可實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，在飛機、高速列車和汽車等軍民領域具有廣闊的應用前景。文檔編號C09K3/14GK101818048SQ201010300558公開日2010年9月1日申請日期2010年1月21日優(yōu)先權日2010年1月21日發(fā)明者周偉,李專,李鵬濤,肖鵬申請人:中南大學