[发明专利]一种碳刹车盘用纤维的表面处理方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种飞机碳刹车盘的制造方法，特别是一种通过化学气相沉积方法对碳纤维预制体进行改性，提高复合处理界面效应的飞机刹车盘的制造方法。

背景技术

碳/碳复合材料比重小、比热大、高温力学性能好、摩擦性能优异，特别适用于飞机刹车材料，即指碳/碳复合材料刹车盘，简称碳盘。法国Messier公司与美国goodrich公司以Novoltex 3D细编制坯体为纤维预制体，直接进行化学气相沉积形成热解碳，英国Dunlop公司多采用预氧丝为预制体沉积热解碳，目前国内几乎所有碳刹车盘生产厂家以准三维整体针刺毡为预制体。基体包括热解碳、树脂碳、沥青碳或它们的混合型基体。而对于制备碳/碳刹车材料的预制体纤维的表面改性与界面效应却极少关注，而已有的改性技术存在效率低、不适应生产等缺点，并且未凸显界面效应。通常纤维表面状况不仅决定界面的优异程度，同时对基体的形成模式、织构排布起到决定性作用。特别是碳刹车盘，摩擦面形成摩擦膜的难以程度、摩擦膜的耐磨程度、次摩擦面的厚度、次摩擦面与复合材料的结合形式等也与此紧密相连。

在复合材料中，可以通过气相氧化法、液相氧化法、阳极氧化法、等离子体氧化法等改善纤维表面状况，提高表面效应，以获得性能优异的复合材料。然而以上方法存在以下缺点：(1)对纤维的改性与复合材料材料制备过程分离，增加制备周期，且成本较高；(2)对于碳刹车盘而言，以上方法适用性差；(3)对界面的形成影响较小，而对基体组织的形成影响更小。因此，针对碳/碳复合材料或碳刹车盘提出的纤维有效改性方法极少。

发明内容

为克服现有技术对纤维表面改性适用性差，难以形成碳/碳复合材料有效界面的缺点，从而导致正常使用条件下碳盘使用寿命低的结果，本发明提出了一种碳刹车盘用纤维的表面处理方法。

本发明的具体过程是：

步骤1，对纤维表面改性；将30～50层碳纤维预制体装入等温气相沉积炉中，并在各层碳纤维预制体之间加装石墨垫环，使各层碳纤维预制体之间形成沉积气体的通道；所述碳纤维预制体中纤维的体积含量为20％～35％；沉积气源为丙烯气或天然气；当沉积气源为丙烯气时，所述丙烯气的流量为1.8m³/h～3.6m³/h，丙烯气的沉积温度为800℃～940℃，当沉积气源为天然气时，所述天然气的流量为2.5m³/h～4.0m³/h，天然气的沉积温度为900℃～960℃；沉积时间为0.5h～10h。沉积中调节气氛压力小于12kPa。

步骤2，沉积改性后的碳纤维预制体；沉积的总时间为450～600h，沉积的过程是：

第一步，初步沉积碳纤维预制体；对碳纤维预制体进行200h～300h的第一阶段CVD；沉积气源与纤维表面处理气源一致；沉积气源为丙烯气或天然气；当沉积气源为丙烯气时，所述丙烯气的流量为2.4m³/h～3.6m³/h，丙烯气的沉积温度为910℃～940℃；当沉积气源为天然气时，所述天然气的流量为3.0m³/h～4.0m³/h，天然气的沉积温度为950℃～1050℃；沉积中调节气氛压力小于4kPa；将经过第一阶段CVD的改性碳纤维预制体置于热处理炉中进行热处理，得到经过初步沉积的碳纤维预制体；热处理的温度为1600～1900℃，热处理的时间1h～4h，抽真空至≤100Pa后通入氩气保护；

第二步，对得到的经过初步沉积的碳纤维预制体进行机械加工，以去除碳纤维预制体表面淤积的热解碳；

第三步，最终沉积碳纤维预制体；对碳纤维预制体进行200h～300h的第二阶段CVD；第二阶段CVD与第一阶段CVD气源一致；沉积气源为丙烯气或天然气；当沉积气源为丙烯气时，所述丙烯气的流量为2.4m³/h～3.6m³/h，丙烯气的沉积温度为910℃～940℃；当沉积气源为天然气时，所述天然气的流量为3.0m³/h～4.0m³/h，天然气的沉积温度为950℃～1050℃；沉积中调节气氛压力小于4kPa；对经过初步沉积的碳纤维预制体进行沉积，即可获得密度超过1.72g/cm³的沉积态刹车盘；

步骤3，石墨化处理；将热处理炉升温至2100℃～2600℃并保温1h～4h，对得到的沉积态刹车盘进行石墨化处理，得到经化学气相沉积法改性后的低磨损率飞机炭刹车盘；石墨化处理中对热处理炉抽真空至≤100Pa后通入氩气保护。