[发明专利]一种结构功能一体化C/C-SiC摩擦材料及制备方法

说明书

本发明涉及一种结构功能一体化C/C‑SiC摩擦材料及制备方法，包括力学结构层、应力缓解层、抗磨损层。力学结构层中含大量无维布长纤维，提高材料的结构强度；抗磨损层均布短切碳纤维、SiC、Si、热解碳相，提高材料抗磨损性能及摩擦性能的稳定性；应力缓解层中无维布长纤维沿垂直铺层方向呈梯度分布，缓解材料制备时抗磨损层与力学结构层的热失配问题，保证材料结构完整性。本发明通过化学气相沉积法制备低密度碳/碳复合材料时不会产生结壳现象，能大幅降低化学气相沉积制备低密度碳/碳复合材料的制备周期，从而降低碳陶摩擦材料的制备周期及成本，并提高摩擦性能稳定性。该工艺方法适用于工业化生产。

技术领域

本发明属于碳陶摩擦材料领域，涉及一种结构功能一体化C/C-SiC摩擦材料及制备方法。

背景技术

随着飞机、列车、汽车、风力发电机组等现代交通工具和动力机械向高速、高能载的不断发展，对制动摩擦材料提出了更高的性能要求。例如高的摩擦稳定性，更高的安全性、可靠性，更苛刻的环境适应性，更高的制动效能等。

目前，通过等温化学气相渗透在碳纤维预制体上沉积热解碳制备C/C预制体，然后再将C/C预制体进行液硅渗透是制备C/C-SiC摩擦材料的主要方式之一。三维针刺结构碳纤维预制体的使用最为广泛，其由单层0°无纬布、碳纤维网胎、90°无纬布、碳纤维网胎依次循环叠加铺层至一定厚度后，通过接力式针刺使其成为一体。然而采用三维针刺结构碳纤维预制体主要存在如下问题：1、通过化学气相渗透CVI在三维针刺结构碳纤维预制体上沉积热解碳制备C/C预制体时，由于碳纤维预制体外表面气体浓度大于芯部，导致碳纤维预制体外表面沉积速度大于芯部，因此在沉积热解碳的过程中，碳纤维预制体外表面优先致密化，封闭CVI孔道，产生结壳现象，使碳纤维预制体难以进一步致密化。因此在实际生产中需要将碳纤维预制体的结壳部分机加工除去后再放入炉体中继续沉积致密化。上述过程将导致碳纤维预制体原材料的利用率降低、碳纤维预制体出入沉积炉时炉体的反复升降温能耗剧增，从而制备成本提高；2、三维针刺结构碳纤维预制体在宏观结构上可认为是由一层无维布0°或90°，一层网胎交替组成，网胎含孔隙较多，CVI及液硅浸渗LSI后，硬质陶瓷相Si和SiC主要分布在网胎层，软质相C主要分布在无维布层，因此制备的C/C-SiC摩擦材料物相不均匀，摩擦性能不稳定。

文献“Fan S,Zhang L,Cheng L,et al.Microstructure and frictionalproperties of C/SiC brake materials with sandwich structure[J].CeramicsInternational,2011,37(7):2829-2835”公开了一种三明治结构C/SiC摩擦材料的制备方法。其碳纤维预制体由结构层和功能层组成，结构层采用广泛使用的三维针刺结构碳纤维预制体，功能层采用纯胎网结构短切纤维碳纤维预制体。由于功能层与结构层微结构差异较大，液硅渗透LSI后其结构层与功能层热失配严重，极易导致结构层与抗磨损层出现分层现象，成品率较低。

为了降低C/C-SiC摩擦材料的生产成本、提高摩擦稳定性，避免力学结构层与抗磨损层出现分层现象，需要对碳纤维预制体结构进行创新设计，以解决上述问题。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种结构功能一体化C/C-SiC摩擦材料及制备方法，解决三维针刺结构C/C-SiC摩擦材料存在的摩擦性能不稳定、制备成本偏高及三明治结构C/C-SiC摩擦材料存在的分层现象严重的问题。

技术方案

一种结构功能一体化C/C-SiC摩擦材料，其特征在于包括力学性能层1、两层应力缓解层2和两层抗磨损层3；力学性能层1为中心层，两边依次为应力缓解层2和抗磨损层3；所述抗磨损层3中含有短切碳纤维、热解碳相及硬质陶瓷相且均匀弥散分布，其中陶瓷相含量为60～80％；所述应力缓解层2和力学性能层3为无维布长纤维、SiC、Si和热解碳构成。