專利名稱：一種炭纖維增強(qiáng)炭和六方氮化硼雙基體摩擦材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明公開了一種炭纖維增強(qiáng)炭和六方氮化硼雙基體摩擦材料的制備方法，屬于 新材料技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
、氮化硼(BN)具有良好導(dǎo)熱性、電絕緣性，高溫時(shí)也具有良好的潤滑性，是一種優(yōu) 良的高溫固體潤滑劑。近年來，BN系材料作為摩擦材料引起人們的廣泛關(guān)注。BN與C之間 具有許多相似性，包括密度、導(dǎo)熱系數(shù)、熱容和晶體結(jié)構(gòu)。同時(shí)，BN又具有陶瓷耐高溫、氧化 溫度高等特點(diǎn)，其抗氧化性遠(yuǎn)優(yōu)于炭/炭復(fù)合材料，炭材料在450 ？便開始氧化，而BN在空 氣中的明顯氧化溫度在800 ？左右。BN有三種結(jié)晶構(gòu)造六方氮化硼(h-BN)、密排六方氮化硼和立方氮化硼(c-BN)。 h-BN有類似于石墨的層狀結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)異的自潤滑性能且其自潤滑特性受溫度、氣、液介質(zhì) 影響小，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，對(duì)幾乎所有的熔融金屬都呈化學(xué)惰性。本發(fā)明采用h-BN粉部分取代炭/炭復(fù)合材料中的炭基體，獲得抗氧化性能和摩擦 性能更好的炭纖維增強(qiáng)炭基體和六方氮化硼基體(C/C-BN)摩擦材料。C/C-BN摩擦材料的 摩擦系數(shù)和磨損率對(duì)能載變化不敏感，與金屬剎車盤對(duì)偶時(shí)，摩擦系數(shù)高，不損傷金屬剎車 盤。BN氧化形成的B203薄膜可以提高材料的抗氧化性能，且對(duì)材料摩擦磨損性能影響較小。制備BN基體的工藝主要有先驅(qū)體浸漬裂解法(Precursor Infiltration andPyrolysis, PIP)和化學(xué)氣相滲透法(Chemical Vapor Infiltration, CVI)。文 獻(xiàn)"Carbon/carbon 打 oron nitride composites with improved wear resistance comparedto carbon/carbon.Steven Seghi, Brian Fabio, James Economy.Carbon, 42(2004)3043 3048〃公開了一種利用浸漬裂解法制備的C/C BN摩擦材料。這種C/C BN 摩擦材料與C/C復(fù)合材料相比，其磨損率僅為后者的50%甚至更低。他們認(rèn)為，BN的引入 提高了材料在不同能載下摩擦膜的穩(wěn)定性，降低了氧化磨損率和顆粒狀磨屑的產(chǎn)生，從而 降低了磨損，并減少了能載和溫度的影響。文獻(xiàn)〃 V Cholet,L. Vandenbulcke, J. P. Rouan. Journal of materials science, 1994,29(7) =1417 1435〃采用化學(xué)氣相滲透、以C13+NH3+H2為氣源，在炭纖維、石墨表面沉 積h BN,發(fā)現(xiàn)N/B氣源體積比在0 30之間、溫度在400 900 ？、爐壓在0. 13 13. 3kPa 的范圍內(nèi)可形成BXN類化合物。在低溫下制備的BXN膜尺寸均勻，但產(chǎn)物成分復(fù)雜、不穩(wěn)定、 后續(xù)熱處理效果差。從國內(nèi)外的文獻(xiàn)和報(bào)道來看，C/C-BN摩擦材料的研究相對(duì)較少。采用先驅(qū)體浸漬 裂解法制備的BN，其層面間距d(002)比較大，且先驅(qū)體在高溫裂解過程中易產(chǎn)生裂紋、孔 洞。而用化學(xué)氣相滲透法制備的BN多為無定形的BXN化合物，成分復(fù)雜多變、穩(wěn)定性差，化 學(xué)氣相沉積的工藝控制因素多且復(fù)雜，對(duì)BN成分和形態(tài)難以精確控制。

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、組織均勻、強(qiáng)度高、耐高溫、耐腐蝕、摩擦磨損性能優(yōu)異的炭纖維增強(qiáng)炭和六 方氮化硼雙基體摩擦材料的制備方法。本發(fā)明不僅大大縮短了 C/C-BN摩擦材料的制備周 期，而且所制備的復(fù)合材料具有均勻的組織結(jié)構(gòu)、較高的力學(xué)性能和優(yōu)異的摩擦磨損性能。本發(fā)明一種炭纖維增強(qiáng)炭和六方氮化硼雙基體摩擦材料的制備方法包括以下步 驟(1)層鋪法撒粉選取面密度為40g/m2 80g/m2的單層炭纖維網(wǎng)胎，在所述單層炭纖維網(wǎng)胎雙面均 勻粘附占網(wǎng)胎質(zhì)量5% 20%的六方BN粉；(2)疊層針刺復(fù)合將步驟(1)所得的網(wǎng)胎層層疊加后對(duì)疊加的網(wǎng)胎進(jìn)行針刺，制得密度為0. 20 0. 55g/cm3的含BN粉炭纖維預(yù)制體材料；(3)化學(xué)氣相滲透將步驟(2)所得的含六方BN粉炭纖維預(yù)制體材料置于化學(xué)氣相滲透爐中，采用化 學(xué)氣相滲透法在含六方BN粉炭纖維預(yù)制體材料的炭纖維表面沉積包裹六方BN粉的熱解炭 基體，制得炭纖維增強(qiáng)炭和氮化硼雙基體(C/C-BN)復(fù)合材料，控制所述炭纖維增強(qiáng)炭和氮 化硼雙基體(C/C-BN)摩擦材料密度在1. 5 1. 8g/cm3。(4)石墨化處理把經(jīng)步驟(3)所得的C/C-BN復(fù)合材料置于石墨化爐中進(jìn)行石墨化處理，提高材料 的石墨化度，并盡量消除材料制備過程中形成的內(nèi)應(yīng)力，制得所需要的C/C-BN摩擦材料。本發(fā)明在步驟(1)中，所用六方BN粉的純度> 98.5%，粉末顆粒的平均粒徑 D50 ^ 1 μ m0本發(fā)明在步驟(3)中，化學(xué)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?dú)?、氫氣中的至少一種，碳源氣體與稀釋氣體之比為1 1 3，沉積 時(shí)間為80 150小時(shí)，沉積溫度為800 1100°C。本發(fā)明在步驟(4)中，所述石墨化工藝制度為加熱溫度1800 2300°C，升溫及 保溫時(shí)間8 15小時(shí)，壓力常壓，惰性氣體保護(hù)。本發(fā)明由于采用上述技術(shù)方案，采用一定密度的網(wǎng)胎，利用層鋪法撒粉使網(wǎng)胎炭 纖維表面粘附一定量的六方氮化硼粉末，然后采用針刺的方法將撒粉后的網(wǎng)胎復(fù)合成含氮 化硼粉的炭纖維預(yù)制體材料，隨后利用化學(xué)氣相滲透法制備熱解炭基體并同時(shí)固定和包裹 BN粉末，最后進(jìn)行石墨化處理制得C/C-BN摩擦材料，與現(xiàn)有技術(shù)相比，其優(yōu)點(diǎn)和積極效果 體現(xiàn)在(1)本發(fā)明在國內(nèi)外首次利用撒BN粉與化學(xué)氣相滲透相結(jié)合的工藝制備C/C-BN 摩擦材料，材料組織均勻，生產(chǎn)工藝簡單易控，制備成本低。(2)通過控制BN粉的加入量以及化學(xué)氣相滲透的反應(yīng)時(shí)間，可以控制材料中BN基 體及熱解炭的含量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)材料微觀結(jié)構(gòu)和性能的控制。(3)與未添加BN粉的炭纖維多孔體材料相比，添加BN粉后其化學(xué)氣相滲透過程效 率升高，制備周期縮短。這是因?yàn)锽N粉不僅起到了材料基體的作用，同時(shí)對(duì)熱解炭的形成起到了 “誘導(dǎo)”作用，縮短了材料的制備周期。一方面，由于炭纖維表面上粘附的BN粉，在 炭纖維表面以凸點(diǎn)的形式存在，有效的增大了炭纖維與基體炭之間的接觸界面，使得沉積 速率增大；另一方面BN粉起到了基體炭生長的晶核的作用，同樣使得生長速率增大。(4)本發(fā)明制備的C/C-BN摩擦材料具有優(yōu)良的摩擦磨損性能，摩擦系數(shù)高且穩(wěn) 定，在0 100Km/h的速度范圍內(nèi)維持在0. 6 0. 4之間，較C/C復(fù)合材料提高約30%左 右，耐磨損；同時(shí)還具有高強(qiáng)度、耐高溫、耐腐蝕等一系列優(yōu)點(diǎn)。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、組織均勻、強(qiáng)度高、耐高溫、耐腐蝕、摩擦磨損性能優(yōu)異；可實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。實(shí)施例1(1)取面密度為70 80g/m2的單層網(wǎng)胎，將網(wǎng)胎鋪在水平工作臺(tái)面上，并將六方 BN粉倒入標(biāo)準(zhǔn)篩上，然后輕輕震動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)篩使BN粉均勻撒在網(wǎng)胎上。然后把網(wǎng)胎薄層倒置并 輕輕抖動(dòng)，將未粘附的六方BN粉抖落下來，而粘附的六方BN粉末則通過機(jī)械結(jié)合力均勻粘 附在網(wǎng)胎的炭纖維上。重復(fù)上述操作，使網(wǎng)胎薄層的另一面也粘附近似相同量的氮化硼粉。通過對(duì)比單 層網(wǎng)胎撒粉前后的重量變化，計(jì)算單層網(wǎng)胎撒粉量，使BN粉占單層網(wǎng)胎質(zhì)量的5%左右。(2)把經(jīng)步驟(1)所得的網(wǎng)胎層層疊加，然后采用帶下倒鉤刺的針對(duì)疊加的網(wǎng)胎 進(jìn)行針刺，如此重復(fù)制成密度為0. 24g/cm3的含BN粉的炭纖維預(yù)制體材料。(3)采用甲烷為碳源氣，氫氣、氮?dú)饣旌蠚鉃橄♂寶?，甲烷與氫氣、氮?dú)饣旌蠚獾捏w 積比為1 3，采用化學(xué)氣相滲透法對(duì)經(jīng)步驟(2)處理的預(yù)制體材料在800°C下沉積熱解 炭，沉積150小時(shí)后制得密度為1. 63g/cm3的C/C-BN復(fù)合材料；(4)把經(jīng)步驟(3)所得的C/C-BN復(fù)合材料置于石墨化爐進(jìn)行石墨化處理，制得編 號(hào)為A的C/C-BN摩擦材料。石墨化溫度為2000°C，升溫及保溫時(shí)間為8小時(shí)，常壓，氬氣保 護(hù)。實(shí)施例2 操作方法與實(shí)施例1相同，具體工藝參數(shù)為(1)網(wǎng)胎面密度為40 50g/m2，粘附的六方BN粉占網(wǎng)胎質(zhì)量20%左右；(2)針刺制得含六方BN粉炭纖維預(yù)制體材料密度為0. 52g/cm3。(3)采用丙稀為碳源氣，氮?dú)鉃橄♂寶猓∨c氮?dú)獾捏w積比為1 2，熱解炭沉積 溫度1100°c，沉積時(shí)間80小時(shí)，制得密度為1. 77g/cm3的C/C-BN摩擦材料；(4)石墨化溫度為2300°C，升溫及保溫時(shí)間15小時(shí)，常壓，氬氣保護(hù)，制得編號(hào)為 B的C/C-BN摩擦材料。。實(shí)施例3 操作方法與實(shí)施例1相同，具體工藝參數(shù)為(1)網(wǎng)胎面密度為50 60g/m2，粘附的六方BN粉占網(wǎng)胎質(zhì)量10%左右；(2)針刺制得含六方BN粉炭纖維預(yù)制體材料密度為0. 35g/cm3。(3)采用天然氣為碳源氣，氫氣為稀釋氣，天然氣與氫氣的體積比為1 1，熱解炭沉積溫度950°C，沉積時(shí)間100小時(shí)，制得密度為1. 55g/cm3的C/C-BN摩擦材料；(4)石墨化溫度為1800°C，升溫及保溫時(shí)間15小時(shí)，常壓，氬氣保護(hù)，制得編號(hào)為 C的C/C-BN摩擦材料。。對(duì)比例(1)采用面密度為7(T80g/m2的網(wǎng)胎，(2)把步驟(1)所述的網(wǎng)胎層層疊加，然后采用帶下倒鉤刺的針對(duì)疊加的網(wǎng)胎進(jìn) 行針刺，如此重復(fù)制成密度為0. 55g/cm3的炭纖維預(yù)制體材料。(3)采用丙稀為碳源氣，氫氣為稀釋氣，丙稀與氫氣的體積比為1 3，采用化學(xué)氣 相滲透法對(duì)經(jīng)步驟(2)制得的炭纖維預(yù)制體材料在1000°C下沉積熱解炭，沉積400小時(shí)后 制得密度為1. 61g/cm3的C/C復(fù)合材料；(4)把經(jīng)步驟(3)所得的C/C復(fù)合材料置于石墨化爐進(jìn)行石墨化處理，石墨化溫度 為2300°C，升溫及保溫時(shí)間為15小時(shí)，常壓，氬氣保護(hù)制得對(duì)比樣。采用阿基米德排水法測(cè)試實(shí)施例1 3所制得的A、B、C三種C/C-BN摩擦材料和對(duì) 比樣C/C復(fù)合材料的密度和開孔率；在CSS-44100萬能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)上分別按照QC/HSC3309 和GB8489-87標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試了材料垂直于摩擦面的彎曲強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度；在QDM150型可調(diào)速調(diào) 壓干摩擦試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行摩擦磨損性能測(cè)試，試樣尺寸為25 mmX25mmX10mm，對(duì)偶件采用硬度值 為HRC50、(j5 300mm的30CrMoSiVA合金鋼圓環(huán)，實(shí)驗(yàn)條件為干摩擦；制動(dòng)壓力為1. OMPa ；滑 行速度分別為24ms—1 ；滑行距離為2000轉(zhuǎn)(即1884m)；環(huán)境溫度28°C ；環(huán)境濕度22%。表1為實(shí)施例1 3所制得的A、B、C三種C/C-BN摩擦材料與對(duì)比樣的主要性能 指標(biāo)。從表1可以看出，相對(duì)于對(duì)比樣C/C復(fù)合材料，本發(fā)明在大大縮短化學(xué)氣相滲透時(shí)間 的條件下，C/C-BN摩擦材料的性能并沒有下降，其彎曲強(qiáng)度和壓縮性能略有增大，這是因?yàn)?BN顆粒在材料中以硬質(zhì)點(diǎn)的形式存在，起到了增強(qiáng)的作用。同時(shí)C/C-BN摩擦材料的摩擦系 數(shù)較C/C復(fù)合材料提高了 30%以上，磨損率相當(dāng)。表1 C/C-BN摩擦材料及對(duì)比樣的主要性能指標(biāo)
編號(hào)密度 / -3 /gem開孔率彎曲強(qiáng)度 /MPa壓縮強(qiáng)度/ MPa摩擦系數(shù)磨損率(lO^cm^V1 )A1. 6312. 882. 5182. 30. 460. 22B1. 777. 2107. 6206. 80. 490. 24C1. 5518. 457. 8146. 50. 420. 36對(duì)比樣1. 6111. 575. 4153. 20. 320. 32
權(quán)利要求
一種炭纖維增強(qiáng)炭和六方氮化硼雙基體摩擦材料的制備方法，包括以下步驟第一步層鋪法撒粉選取面密度為40g/m2～80g/m2的單層炭纖維網(wǎng)胎，在所述單層炭纖維網(wǎng)胎雙面均勻粘附占網(wǎng)胎質(zhì)量5％～20％的六方BN粉；第二步疊層針刺復(fù)合將步驟(1)所得的網(wǎng)胎層層疊加后對(duì)疊加的網(wǎng)胎進(jìn)行針刺，制得密度為0.20～0.55g/cm3的含六方BN粉炭纖維預(yù)制體材料；第三步化學(xué)氣相滲透將步驟(2)所得的含BN粉炭纖維預(yù)制體材料置于化學(xué)氣相滲透爐中，采用化學(xué)氣相滲透法在含六方BN粉炭纖維預(yù)制體材料的炭纖維表面沉積包裹六方BN粉的熱解炭基體，制得炭纖維增強(qiáng)炭和氮化硼雙基體(C/C-BN)復(fù)合材料，控制所述炭纖維增強(qiáng)炭和氮化硼雙基體摩擦材料密度在1.5～1.8g/cm3；第四步石墨化處理把經(jīng)步驟(3)所得的C/C-BN復(fù)合材料置于石墨化爐中進(jìn)行石墨化處理，制得所需要的C/C-BN摩擦材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種炭纖維增強(qiáng)炭和六方氮化硼雙基體摩擦材料的制備 方法，其特征在于步驟(1)中，所用六方BN粉的純度>98.5%，粉末顆粒的平均粒徑 D50 彡 liim。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種炭纖維增強(qiáng)炭和六方氮化硼雙基體摩擦材料的制備方 法，其特征在于步驟(3)中，化學(xué)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?dú)?、氫氣中的至少一種，碳源氣體與稀釋氣體之比為1 1 3，沉積時(shí) 間為80 150小時(shí)，沉積溫度為800 1100°C。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種炭纖維增強(qiáng)炭和六方氮化硼雙基體摩擦材料的制備方 法，其特征在于步驟(4)中，所述石墨化工藝制度為加熱溫度1800 2300°C，升溫及保 溫時(shí)間8 15小時(shí)，壓力常壓，惰性氣體保護(hù)。
全文摘要
一種炭纖維增強(qiáng)炭和六方氮化硼雙基體摩擦材料的制備方法，包括以下步驟1、層鋪法撒粉，在單層炭纖維網(wǎng)胎雙面均勻粘附BN粉；2、疊層針刺復(fù)合，將步驟(1)所得的網(wǎng)胎層層疊加后對(duì)疊加的網(wǎng)胎進(jìn)行針刺，制得含BN粉炭纖維預(yù)制體材料；3、化學(xué)氣相滲透，將步驟(2)所得的含BN粉炭纖維預(yù)制體材料采用化學(xué)氣相滲透法沉積熱解炭基體，制得炭纖維增強(qiáng)炭和氮化硼雙基體(C/C-BN)摩擦材料；4、石墨化處理，把經(jīng)步驟(3)所得的C/C-BN復(fù)合材料進(jìn)行石墨化處理，制得所需要的C/C-BN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、組織均勻、強(qiáng)度高、耐高溫、耐腐蝕、摩擦磨損性能優(yōu)異；可實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。
文檔編號(hào)C04B35/5833GK101875562SQ20101030054
公開日2010年11月3日 申請(qǐng)日期2010年1月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月21日
發(fā)明者張本固, 李專, 李鵬濤, 肖鵬 申請(qǐng)人:中南大學(xué)