一种碳陶复合材料及其制备方法与应用与流程

本发明属于纤维增强陶瓷复合材料的制备领域，具体涉及一种碳陶复合材料及其制备方法与应用。

背景技术：

1、刹车材料是乘用车制动执行系统的重要组成部分，对行车安全和操控体验至关重要。目前，乘用车主流刹车盘材料为灰铸铁，但灰铸铁材料热衰退较为严重，当摩擦加剧导致更高温度时，制动性能下降，制动距离缩短。相较于灰铸铁，碳纤维增强碳-碳化硅复合材料(简称碳陶复合材料)，具有强度高、密度低、摩擦性能稳定、摩擦量小、环境适应性强、使用寿命长等优点，是新一代高性能制动材料，在高速列车、飞机、赛车、高性能乘用车制动领域具有广泛的应用和前景。

2、中国专利cn201910694425x公开了一种碳陶摩擦材料的制备方法，该方法采用pip和rmi工艺的结合，在rmi过程中同时以硅粉及无定型碳化硅粉作为渗硅原料，无定型碳化硅是通过陶瓷前驱体于低温裂解所得。该方法的优点是通过调节材料中不同碳化硅的粒径和含量，所得碳陶摩擦材料的摩擦系数可调且稳定，磨损量小，刹车过程中无明显振动，摩擦后期湿态无较大衰减，缺点是工艺复杂，成本高，成分分布不均匀，易产生偏磨、开裂等问题。

3、中国专利cn103511525a公开了一种用于高速列车的碳陶制动闸片及其制备方法，该方法通过控制碳陶复合材料的组成，采用低密度的碳纤维毡做为增强体，通过对后续的高温处理、热梯度化学气相沉积渗碳处理、催化石墨化处理、非浸泡式熔融浸渗工艺的制备碳陶制动闸片。该方法具有优异力学和摩擦性能，制动平稳、环境适应性强，缺点是制备工艺复杂，成本高，制造周期长，散热性能不足，易产生开裂等问题。

4、因此，需要提供一种制动能量吸/散热能力弱，不易开裂的碳陶复合材料。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的上述问题，本发明所要解决的第一技术问题在于提供一种碳陶复合材料的制备方法，该方法工艺简单，成本低，易操作，重复性好。本发明所要解决的第二技术问题在于提供一种碳陶复合材料，该碳陶复合材料摩擦系数适中、耐磨性好、制动能量吸/散热能力强，不易开裂。本发明所要解决的第三技术问题在于提供一种碳陶复合材料在乘用车制动中的应用，用于乘用车制动。

2、为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：

3、一种碳陶复合材料的制备方法，先将碳纤维织造成2.5维或3维预制件，将预制件放入溶剂中回流，清洗后烘干，接着将预制件置于化学气相沉积炉中沉积热解碳，再进行石墨化处理，然后浸渍裂解，最终获得碳陶复合材料。

4、进一步的，所述碳纤维为聚丙烯腈基碳纤维和沥青基碳纤维。

5、进一步的，所述碳纤维为聚丙烯腈基碳纤维和沥青基碳纤维的体积比为1～3:1。

6、进一步的，所述预制件的纤维体积分数为25％～35％。

7、进一步的，所述回流溶剂为丙酮。

8、进一步的，所述化学气相沉积炉的炉内气压为2000～4000pa，炉内温度为1000～1200℃，炉内碳源气体和稀释气体的体积比为1:2～6，化学气相沉积的时间为40～80h；所述碳源气体为体积比为1:2～5的乙炔和天然气的混合气，稀释气体为氮气。

9、进一步的，所述浸渍液为聚铝硅氮烷、聚碳硅烷、甲苯和硅粉的混合溶液；所述聚铝硅氮烷、聚碳硅烷、甲苯和硅粉的质量比为1～5:1～5:20～30:1。

10、进一步的，具体步骤如下：

11、1)将聚丙烯腈基碳纤维和沥青基碳纤维通过机织和编织的方法混合织造成预制件，预制件的类型为2.5维或3维形式，纤维体积分数为25％～35％；其中，聚丙烯腈基碳纤维和沥青基碳纤维的体积比为1～3:1；

12、2)将步骤1)制备得到的预制件置于70℃的丙酮溶液中回流处理5～8h，回流完成后，利用去离子水清洗预制件2～4次，再将清洗完成的预制件置于110℃的真空烘箱中烘干处理2～3h；

13、3)将步骤2)烘干后的预制件放入化学气相沉积炉中沉积热解碳，得到密度为1.1～1.3g/cm3的c/c复合材料；其中，化学气相沉积炉的炉内气压为2000～4000pa，炉内温度为1000～1200℃，炉内碳源气体和稀释气体的体积比为1:2～6，化学气相沉积的时间为40～80h；碳源气体为体积比为1:2～5的乙炔和天然气的混合气，稀释气体为氮气；

14、4)将步骤3)制备得到的c/c复合材料置于石墨化炉中热处理，热处理的温度为2500～2800℃，热处理时间为30～90min，炉内保护气氛为氩气；

15、5)将步骤4)经过石墨化处理的c/c复合材料置于浸渍液中进行真空浸渍，浸渍完成后，在保护气氛下进行高温裂解后保温，浸渍裂解保温步骤重复6～10次，得到密度为1.9～2.0g/cm3的碳陶复合材料；其中，浸渍液为质量比为1～5:1～5:20～30:1的聚铝硅氮烷、聚碳硅烷、甲苯和硅粉的混合溶液；聚铝硅氮烷和聚碳硅烷的数均分子量为1500～2000，硅粉的粒径为30～50nm；浸渍真空度为100～500pa，高温裂解温度为900～1300℃，保护气氛为氩气，裂解时的升温速率为3～8℃/min，保温时间为2～3h。

16、所述的碳陶复合材料的制备方法制备获得的碳陶复合材料。

17、所述的碳陶复合材料在乘用车制动中的应用。

18、有益效果：相比于现有技术，本发明的优点为：

19、(1)本发明制备得到的碳陶复合材料密度为1.9～2.0g/cm3，摩擦系数适中、耐磨性好、制动能量吸/散热能力强，不易开裂。

20、(2)本发明的制备方法简单易操作、重复性好且成本低。

技术特征：

1.一种碳陶复合材料的制备方法，其特征在于，先将碳纤维织造成2.5维或3维预制件，将预制件放入溶剂中回流，清洗后烘干，接着将预制件置于化学气相沉积炉中沉积热解碳，再进行石墨化处理，然后浸渍裂解，最终获得碳陶复合材料。

2.根据权利要求1所述的碳陶复合材料的制备方法，其特征在于，所述碳纤维为聚丙烯腈基碳纤维和沥青基碳纤维。

3.根据权利要求2所述的碳陶复合材料的制备方法，其特征在于，所述碳纤维为聚丙烯腈基碳纤维和沥青基碳纤维的体积比为1～3:1。

4.根据权利要求1所述的碳陶复合材料的制备方法，其特征在于，所述预制件的纤维体积分数为25％～35％。

5.根据权利要求1所述的碳陶复合材料的制备方法，其特征在于，所述回流溶剂为丙酮。

6.根据权利要求1所述的碳陶复合材料的制备方法，其特征在于，所述化学气相沉积炉的炉内气压为2000～4000pa，炉内温度为1000～1200℃，炉内碳源气体和稀释气体的体积比为1:2～6，化学气相沉积的时间为40～80h；所述碳源气体为体积比为1:2～5的乙炔和天然气的混合气，稀释气体为氮气。

7.根据权利要求1所述的碳陶复合材料的制备方法，其特征在于，所述浸渍液为聚铝硅氮烷、聚碳硅烷、甲苯和硅粉的混合溶液；所述聚铝硅氮烷、聚碳硅烷、甲苯和硅粉的质量比为1～5:1～5:20～30:1。

8.根据权利要求1所述的碳陶复合材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

9.权利要求1～8任一项所述的碳陶复合材料的制备方法制备获得的碳陶复合材料。

10.权利要求9所述的碳陶复合材料在乘用车制动中的应用。

技术总结本发明公开了一种碳陶复合材料及其制备方法与应用，属于纤维增强陶瓷复合材料的制备领域。该方法先将碳纤维织造成2.5维或3维预制件，将预制件放入溶剂中回流，清洗后烘干，接着将预制件置于化学气相沉积炉中沉积热解碳，再进行石墨化处理，然后浸渍裂解，最终获得碳陶复合材料。本发明制备得到的碳陶复合材料摩擦系数适中、耐磨性好和制动能量吸/散热能力强，不易开裂，用于乘用车制动，且制备方法简单、易操作、重复性好、成本低。技术研发人员：刘勇,陈海力,何丽蓉受保护的技术使用者：苏州东杏表面技术有限公司技术研发日：技术公布日：2024/10/10