專利名稱：制動(dòng)盤用材料的制作方法
制動(dòng)盤用材料本發(fā)明涉及用于摩擦部件、特別是制動(dòng)盤或離合器盤中的材料。包含制動(dòng)鉗和盤的盤式制動(dòng)器已被廣泛采用，特別是用于汽車應(yīng) 用。在制動(dòng)過(guò)程中，盤被擠壓在安裝在制動(dòng)鉗中的摩擦材料的制動(dòng)塊(pad)之間。盤安裝為使其繞與車輪旋轉(zhuǎn)軸平行的軸旋轉(zhuǎn)。在使用中，制動(dòng)盤將需要承受相當(dāng)大的應(yīng)力，特別是剪切、摩擦和 磨削力。超過(guò)一定時(shí)間，制動(dòng)盤將經(jīng)常由于磨削力而磨損。當(dāng)然希望制 造比當(dāng)前可用的那些更耐磨損的盤?？山?jīng)受特別高能量制動(dòng)力的制動(dòng)盤一般包含某些類型的增強(qiáng)物，這 些增強(qiáng)物常常是諸如布、短纖維和紡織纖維等的一些形式的碳絲。這種 細(xì)絲的主要目的在于賦予盤諸如高溫下的強(qiáng)度和剛度的高機(jī)械性能，使 得它們可承受在高性能應(yīng)用中制動(dòng)期間遇到的力。這些應(yīng)用通常但不限 于在汽車和航空工業(yè)中，例如，在高性能跑車和噴氣式飛機(jī)等的制動(dòng)系 統(tǒng)中。制動(dòng)盤可包含碳材料，其可以釆取碳-碳(C/C)復(fù)合材料的形式， 例如含有包含在碳基體內(nèi)的碳布或絲層的制動(dòng)盤。(術(shù)語(yǔ)"碳"以一般意義使用并可指任何類型的碳，包括無(wú)定形碳或結(jié)晶石墨)。另外，已利 用諸如塊狀石墨的塊狀碳層制成制動(dòng)盤，以縮短C/C復(fù)合材料層壓體的 長(zhǎng)制造時(shí)間并降低成本。當(dāng)然，制動(dòng)盤還已經(jīng)使用C/C復(fù)合材料和塊狀 石墨層的組合物。在操作中，制動(dòng)盤可達(dá)到超過(guò)1000。C的溫度。這種高溫導(dǎo)致盤的 氧化(碳氧化的閾值為約1010°C，并且許多用戶設(shè)置800°C的操作上 限)并導(dǎo)致摩擦和非摩擦區(qū)域二者的高磨損速率。各種專利公報(bào)教導(dǎo)涂覆盤的非摩擦區(qū)域以減少這些區(qū)域的氧化和 質(zhì)量損失。例如，在GB 1544994中教導(dǎo)可對(duì)C/C盤的"非磨損"表面涂 覆涂層，以提供氧化限制涂層。專利EP 0 548 196教導(dǎo)對(duì)優(yōu)選為鋁金屬基體復(fù)合材料(MMC )的 金屬基體涂覆陶瓷涂層，其意圖是通過(guò)形成熱屏障來(lái)提高鋁盤的溫度能 力。專利申請(qǐng)PCT/GB03/01783教導(dǎo)對(duì)碳-碳制動(dòng)表面涂覆陶瓷涂層。 美國(guó)專利6455159公開了通過(guò)刷涂、浸涂或其它涂覆技術(shù)，在碳/碳制動(dòng)盤上涂覆的含磷酸鋁組合物(但具體排除含磷酸單鋁的組合物) 涂層。國(guó)際專利公報(bào)WO2004/011392公開了用于涂覆碳/碳制動(dòng)盤的抗 氧化劑涂層組合物。該文件指出不希望用抗氧化劑涂層涂覆制動(dòng)盤的摩 擦表面，這是因?yàn)樗档?制動(dòng)服務(wù)適應(yīng)性"，即，工作(或摩擦)表面 在涂覆有抗氧化涂層時(shí)摩擦性能降低。帶涂層制動(dòng)盤的制動(dòng)效率由于涂層和基體材料在它們的界面上的 離散性而受到限制。已發(fā)現(xiàn)涂層和基體之間的界面是限制這些系統(tǒng)的有 效性的薄弱面。 一般地，已發(fā)現(xiàn)對(duì)摩擦表面涂覆抗氧化劑涂層降低該表 面的摩擦性能。帶涂層制動(dòng)盤的另一缺點(diǎn)在于，涂層在使用過(guò)程中被去 除，從而暴露出制動(dòng)器的下方制動(dòng)材料，這可導(dǎo)致暴露于空氣的摩擦表 面的氧化增加。因此，希望制造的制動(dòng)盤優(yōu)選在盤的整個(gè)工作壽命中都 具有比標(biāo)準(zhǔn)碳/碳盤高的抗氧化性，但不表現(xiàn)出比標(biāo)準(zhǔn)碳/碳盤差的制動(dòng) 性能。一般通過(guò)將碳纖維的集合壓制在一起并將纖維的集合形成為盤狀 體(預(yù)制坯)來(lái)制成碳/碳制動(dòng)盤。在一種制造方法中，在含有有機(jī)氣 體的爐中加熱盤狀體，使得碳沉積在預(yù)制坯塊體中的纖維上(CVD/CVI 工藝)。這樣，形成碳/碳復(fù)合材料。盤狀體必須被加熱的溫度相當(dāng)高， 并且使用大量的能量和氣體來(lái)制造盤，CVD工藝有時(shí)重復(fù)幾次。因此， 在這種制造制動(dòng)盤的方法中包含相當(dāng)多的時(shí)間和成本。因此，希望釆用 消耗更少的能量并花費(fèi)更少的時(shí)間的工藝來(lái)制造制動(dòng)盤。在第一方面中，本發(fā)明提供一種形成制動(dòng)盤用材料的方法，該方 法包括以下步驟(0提供至少一個(gè)多孔體；(ii)將用于形成或沉積陶瓷材料的一種或多種前^^材料引入多孔 體的孔隙中；和(iii )通過(guò)在多孔體的孔隙內(nèi)由前體材料形成或沉積陶資材料來(lái)形 成制動(dòng)盤用材料，其中，前體材料是包含陶瓷粒子和/或酸式磷酸鹽的懸浮體的液體。在第二方面中，本發(fā)明提供一種用于形成制動(dòng)盤的材料，該材料 包括在其孔隙內(nèi)包含陶瓷材料的多孔體，其中，陶瓷材料遍布于基本上 整個(gè)多孔體中。在第三方面中，本發(fā)明提供一種可通過(guò)本發(fā)明的方法形成的制動(dòng) 盤用材料。在第四方面中，本發(fā)明提供一種用于制動(dòng)盤的材料，該材料包括在其孔隙內(nèi)包含選自以下材料中的一種或多種組分的多孔體(i) 化學(xué)鍵合的磷酸鹽陶瓷；(ii) 一種或多種陶資材料，其已從包含一種或多種陶瓷材料的粒 子的一種或多種液體懸浮體沉積在所述孔隙內(nèi)；(iii )可通過(guò)將來(lái)自液體懸浮體的初始陶資材料的粒子沉積在孔隙 內(nèi)并然后使這些粒子與磷酸單鋁反應(yīng)形成的陶瓷材料；和(iv)可通過(guò)使孔隙內(nèi)的磷酸單鋁玻璃化而形成的陶瓷材料。 可以通過(guò)單獨(dú)引入孔隙體內(nèi)的各反應(yīng)物而原位形成化學(xué)鍵合的磷 酸鹽陶資。在第五方面中，本發(fā)明提供一種包含本發(fā)明材料的制動(dòng)盤。在第六方面中，本發(fā)明提供包括一個(gè)或多個(gè)包含本發(fā)明材料的制 動(dòng)盤的多制動(dòng)盤堆疊體。"多制動(dòng)盤堆疊體"是兩個(gè)或更多個(gè)制動(dòng)盤的集 合。在這方面，不需要堆疊體中的所有制動(dòng)盤都具有本發(fā)明的材料。例 如，在本發(fā)明的這一方面，堆疊體中的交替的盤可包含本發(fā)明的材料。在第七方面中，本發(fā)明提供包含兩個(gè)可接合的摩擦部件的摩擦系 統(tǒng)，其中，這些部件中的至少一個(gè)包含本發(fā)明的材料。在以上的方面和以下的說(shuō)明中，"制動(dòng)盤"可由"離合器盤"代替。 制動(dòng)盤和離合器盤由于均提供相對(duì)例如制動(dòng)塊(brake pad)或另一離 合器盤的另一部件必須形成摩擦接合的剛性部件，因此它們?cè)谄嚮蚱?它的車輛中必須表現(xiàn)出類似的性能。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的，離合器是用于傳輸旋轉(zhuǎn)的機(jī)械系統(tǒng)， 其中， 一個(gè)旋轉(zhuǎn)物體可與也可旋轉(zhuǎn)的另一物體接合和脫離；這些物體一 般是離合器盤。如上所述，在第一方面中，本發(fā)明提供一種用于形成制動(dòng)盤用材 料的方法，該方法包括以下步驟(i) 提供至少一個(gè)多孔體；(ii) 將用于形成或沉積陶資材料的前體材料引入多孔體的孔隙 中；和(iii )通過(guò)在多孔體的孔隙內(nèi)由前體材料形成或沉積陶瓷材料來(lái)形 成制動(dòng)盤用材料，其中，前體材料是包含陶瓷粒子和/或酸式磷酸鹽的懸浮體的液體。優(yōu)選地，前體材料被引入在基本上整個(gè)多孔體中。多孔體可在多 孔體的相對(duì)的側(cè)面具有第一和第二表面，并且前體材料可被引入多孔體 的一部分中，使得在該部分中，前體材料遍布于從第一到第二表面的基 本上整個(gè)多孔體中?？赏ㄟ^(guò)在步驟(ii)之前掩蔽多孔體的第一和/或第 二表面的一部分以允許僅將前體材料引入多孔體的一部分中，但允許前 體材料在該部分中從第一表面通往第二表面來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。多孔體可在 多孔體的相對(duì)的側(cè)面具有第一和第二表面，并且前體材料可被引入多孔 體中，使得前體材料遍布于從第 一到第二表面的基本上整個(gè)多孔體中。多孔體可包含選自碳、碳化硅和氧化鋁的一種或多種材料。優(yōu)選地，在引入陶瓷材料之前，多孔體包含50重量％或更多、優(yōu)選卯重量 %或更多的選自碳、碳化硅和氧化鋁的一種或多種材料。多孔體可包含 用于制動(dòng)盤的材料，并可適于用作實(shí)施本發(fā)明的方法之前的制動(dòng)盤。多 孔體優(yōu)選包含碳-碳復(fù)合材料。優(yōu)選地，在步驟(i)中，多孔體中的至少一些孔相互連接。優(yōu)選 地，多孔體內(nèi)部的孔與多孔體的自由表面互連。這種多孔體稱為具有開 放的互連多孔結(jié)構(gòu)的多孔體。在步驟(i)中，多孔體優(yōu)選可滲透氣體和諸如水的液體。在形成 或沉積陶瓷材料后，制動(dòng)盤用材料不需要可在其孔隙內(nèi)滲透氣體和/或 水，但是如果希望的話可滲透氣體和/或水。在步驟(i)中，多孔體可以是剛性體。多孔體可以具有制動(dòng)盤的 形狀。多孔體可具有環(huán)形件的形狀。多孔體可包含用于制動(dòng)盤的材料。 多孔體可包含碳、優(yōu)選碳-碳復(fù)合材料、陶瓷材料或諸如鋁合金或鋼的 金屬。多孔體可包含泡沫陶瓷或泡沫金屬或與常規(guī)結(jié)構(gòu)材料相比具有相 對(duì)較高的孔隙率的那些或它們的組合物。優(yōu)選地，多孔體包含碳-碳復(fù) 合材料?？變?yōu)選具有足夠大的尺寸，以允許前體材料的陶瓷粒子穿過(guò)多孔 體，并且，優(yōu)選地，多孔材料將包含直徑為至少5|im、優(yōu)選至少10nm、 更優(yōu)選至少lOOpm、最優(yōu)選至少300pm的孔。滲透的材料可隨后從自 由表面滲入多孔體的內(nèi)部。在步驟(i)中，多孔體可包含粒子和/或纖維的集合，當(dāng)在將陶瓷材料引入多孔體之前測(cè)量時(shí)，該集合優(yōu)選包含優(yōu)選50重量％或更多的 碳、更優(yōu)選卯重量％或更多的碳。粒子和/或纖維可為粒子和/或纖維的 松散結(jié)合的集合，即，粒子/纖維沒有化學(xué)鍵合在一起。在不進(jìn)一步加 工為制動(dòng)盤用材料的情況下，這種粒子或纖維的集合不適于使用。在本 發(fā)明的一個(gè)方面中，多孔體可以是"生坯體"的壓制體，例如，由壓縮或 結(jié)合在一起的松散結(jié)合的粒子和/或纖維構(gòu)成的多孔體。本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)， 通過(guò)使用本發(fā)明的方法，將粒子/纖維粘接在一起，并形成適于用作制 動(dòng)盤的多孔體，即，它在正常制動(dòng)條件下具有足夠的耐久性以用作制動(dòng) 盤。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，從前體材料形成陶瓷材料所需要的能量的量通常遠(yuǎn)小 于現(xiàn)有技術(shù)中用于形成碳/碳制動(dòng)盤的方法。使用本發(fā)明的方法形成的 多孔體具有易氧化性遠(yuǎn)低于現(xiàn)有技術(shù)制動(dòng)盤的優(yōu)點(diǎn)。使用本發(fā)明的方法 形成的制動(dòng)盤的制動(dòng)性能相當(dāng)好，并且，令人驚奇的是，常常比現(xiàn)有技 術(shù)的碳/碳制動(dòng)盤有所提高。多孔體可包含含有纖維的布，該纖維可包含碳。多孔體可包含布層。纖維優(yōu)選具有3 20pm的平均斷面直徑。"平均直徑"是纖維的直徑 的算術(shù)平均值。纖維優(yōu)選配置為纖維束。纖維可以具有任意長(zhǎng)度或它們 的混合。纖維和/或纖維束可以為織造或非織造的結(jié)構(gòu)。纖維可縫制或 以其它方式配置以制成三維結(jié)構(gòu)。多孔體可包含含有纖維的氈狀材料， 該纖維優(yōu)選包含碳。"氈狀材料"是指包含非織造的壓縮纖維的材料。"纖維束"是連續(xù)纖維的無(wú)捻集合。纖維束可包含許多，例如成百 上千根纖維。纖維束優(yōu)選包含1000根或更多根纖維、更優(yōu)選包含5000 根或更多根纖維。纖維束可組合在一起，優(yōu)選無(wú)捻，并且在這種配置中 被稱為"粗紗"。對(duì)于在多孔體內(nèi)包含的孔隙的體積百分比沒有限制。在步驟(i) 中，多孔體優(yōu)選具有5~40體積％的孔隙率。如果多孔體包含可含有碳的布，那么在步驟(i)中，多孔體的空 氣密度優(yōu)選為50 2500g/m2。空氣密度是每單位面積的材料( 一般為布) 的重量，并且一般表達(dá)為g/m2。優(yōu)選地，陶乾粒子包含選自氧化鋁、氧化鋯、氧化鎂、氧化釔、 碳化硅、二氧化硅、碳化硼、氮化硼、硼化鈦、鐵氧化物和氧化鉻中的 一種或多種的材料。優(yōu)選地，粒子的尺寸為10nm 100pm、更優(yōu)選10nm 10nm，最優(yōu) 選地，陶資粒子的平均尺寸為10nm 100pm、更優(yōu)選10nm 10nm。優(yōu) 選地，陶資粒子的平均尺寸為20nm 200nm。粒子的"尺寸"表示其最大 的斷面直徑。粒子的"平均尺寸"是粒子的算術(shù)平均直徑。優(yōu)選地，前體材料包含陶瓷粒子的溶膠。"溶膠"是固體粒子分散 于液體連續(xù)相中的膠體(Oxford Dictionary of Chemistry, Fourth Edition 2000 )。優(yōu)選地，前體材料具有0.5 7.0的pH值。優(yōu)選地，前體材料具有 1~5的pH值。優(yōu)選地，前體材料包含極性溶劑、更優(yōu)選包含水。前體材料可包含lo~30重量％的陶瓷粒子。優(yōu)選地，前體材料可 包含15-25重量％的陶瓷粒子?？赏ㄟ^(guò)選自真空滲透、將多孔體至少部分浸入前體材料中、用前 體材料涂覆多孔體、和用前體材料噴涂多孔體中的一種或多種技術(shù)將前 體材料引入多孔體的孔隙中?？赏ㄟ^(guò)使用超聲處理攪拌多孔體和前體來(lái) 幫助將前體材料引入多孔體中。優(yōu)選地，施加頻率為20 400KHz、更優(yōu) 選35 80KHz的超聲波。優(yōu)選通過(guò)選自將多孔體充電、冷凍多孔體、引入酸性或堿性材料 和將包含具有與懸浮體中的粒子相反電荷的粒子的材料引入孔隙中的 一種或多種，來(lái)將前體材料的陶瓷粒子沉積到孔隙中。為了實(shí)現(xiàn)陶瓷粒子的沉積，多孔體可被充電到+A3V或更多、優(yōu)選 +/-10-50V或更多。多孔體可被充電1分鐘或更長(zhǎng)時(shí)間、優(yōu)選5分鐘或 更長(zhǎng)時(shí)間、更優(yōu)選10分鐘或更長(zhǎng)時(shí)間、最優(yōu)選10 45分鐘，以允許發(fā) 生陶瓷粒子的沉積。沉積過(guò)程中的電流密度依賴于碳纖維的表面積和懸 浮體的性質(zhì)?？赏ㄟ^(guò)筒單的實(shí)驗(yàn)達(dá)到沉積速率和沉積均勻度之間的折 衷。多孔體的復(fù)合部分，例如多孔材料(如布)的兩個(gè)或更多層，可 在陶瓷材料沉積之前或之后組合?？稍谘趸惖拇嬖谙鲁练e前體材料的粒子。已發(fā)現(xiàn)，溶膠(SOl) 形式的氧化釔有助于某些陶瓷粒子、特別是懸浮體中的具有正電荷的粒 子例如也以溶膠形式懸浮的氧化鋁粒子的沉積。還發(fā)現(xiàn)，特別是當(dāng)通過(guò) 加熱使粒子反應(yīng)、固化或玻璃化時(shí)，氧化釔具有使沉積的陶瓷增韌的優(yōu) 點(diǎn)?？梢栽谇绑w材料例如包含陶瓷粒子的溶膠處于多孔體的孔隙內(nèi)的 同時(shí)，向多孔體施加超聲波，有助于前體材料的粒子沉積到多孔體的孔隙內(nèi)。優(yōu)選地，施加頻率為20 400KHz、更優(yōu)選35 80KHz的超聲波。前體材料的粒子一旦沉積到孔隙中，可發(fā)生反應(yīng)、固化或玻璃化 以形成陶瓷材料。多孔體可在步驟(i)中和/或在步驟(ii)和/或(iii)期間或之后 模制成形為制動(dòng)盤形狀。可在步驟(ii)和/或(m)中施加壓力以使多 孔體保持制動(dòng)盤形狀?？梢酝ㄟ^(guò)在步驟(m)中，任選地在孔隙內(nèi)沉積陶資粒子和/或酸式磷酸鹽之后加熱多孔體，以在多孔體的孔隙內(nèi)形成陶資材料。多孔體可在100~300°C的溫度下加熱第一時(shí)間，優(yōu)選1小時(shí)或更長(zhǎng)時(shí)間；然后， 任選地，在優(yōu)選為350~370。C的更高溫度下加熱第二時(shí)間，優(yōu)選1小時(shí) 或更長(zhǎng)時(shí)間。優(yōu)選地，酸式磷酸鹽包含酸式褲酸鉀(potassium acid phosphate )、 酸式褲酸鉤(calcium acid phosphate )、 酸式褲酸按(ammonium acid phosphate)和酸式褲酸鋁(aluminum acid phosphate)中的一種或多 種。優(yōu)選地，酸式磷酸鹽包含磷酸單鋁。酸式磷酸鹽可在多孔體的孔隙內(nèi)玻璃化以形成陶瓷材料。酸式磷 酸鹽可在沒有任何其它的反應(yīng)劑的情況下固化或玻璃化，即，酸式磷酸 鹽可單獨(dú)地固化或玻璃化。優(yōu)選地，前體材料包含(i)陶瓷粒子和(ii)酸式磷酸鹽和/或磷 酸的懸浮體。在本發(fā)明的方法中，包含陶瓷粒子的懸浮體的第一前體液體和包 含酸式磷酸鹽和/或磷酸的第二前體液體可單獨(dú)引入多孔體的孔隙內(nèi)。 優(yōu)選地，在引入第二前體液體之前，將第一前體液體的粒子沉積到多孔體的孔隙內(nèi)。優(yōu)選地，在孔隙內(nèi)沉積第一前體液體的粒子之后并在引入 第二前體液體之前，干燥多孔體。優(yōu)選地，將多孔體加熱以使沉積的陶資粒子和酸式磷酸鹽反應(yīng)、 固化或玻璃化。典型的固化條件可根據(jù)使用的酸式磷酸鹽而改變，但優(yōu)選在低溫(例如，100 130°C)下加熱多孔體1 2小時(shí)的第一時(shí)間，然 后在高溫(例如，350~370°C)下加熱多孔體第二時(shí)間。酸式磷酸鹽可在金屬氧化物存在下在孔隙內(nèi)反應(yīng)，以形成包含化 學(xué)鍵合的磷酸鹽陶瓷的陶瓷材料。金屬氧化物可以是二價(jià)或三價(jià)金屬氧化物。金屬氧化物優(yōu)選包含氧化鋁、氧化鈣、鐵氧化物、氧化鎂和氧化 鋅中的一種或多種。本發(fā)明提供一種在其孔隙內(nèi)包含化學(xué)鍵合的磷酸鹽陶瓷的多孔體。本發(fā)明還提供一種制造如本文所限定的多孔體的方法，該方法包括在多孔體的孔隙內(nèi)原位形成化學(xué)鍵合的磷酸鹽陶資。"化學(xué)鍵合的磷酸鹽陶瓷(CBPC)"是本領(lǐng)域中的術(shù)語(yǔ)，包括由酸 式磷酸鹽和金屬氧化物之間的反應(yīng)形成的材料。在S. Y. Jeong和A. S. Wagh在2002年6月的Materials Technology中發(fā)表的題目為 Chemically Bonded Phosphate Ceramics的論文中示出化學(xué)鍵合的磷酸 鹽陶瓷以及它們的合成方法。通過(guò)引用，將該論文內(nèi)容特別是其合成磷 酸鎂陶瓷、磷酸鋁陶瓷和磷酸鐵陶瓷的方法并入本文。"酸式磷酸鹽，，是 包含磷酸根離子和至少一個(gè)氫離子例如HPO,的化學(xué)物質(zhì)。酸式磷酸鹽 一般還包含金屬離子。磷酸單鋁的化學(xué)式為A1(H2P04)3。化學(xué)鍵合的磷酸鹽陶瓷可部分或完全填充多孔體的一些或全部孔隙。優(yōu)選地，化學(xué)鍵合的磷酸鹽陶瓷包含化學(xué)鍵合的二價(jià)或三價(jià)金屬 磷酸鹽陶瓷。"化學(xué)鍵合的金屬磷酸鹽陶瓷"是包含所述金屬的化學(xué)鍵合 的磷酸鹽陶瓷，它可由所述金屬的酸式磷酸鹽形成。優(yōu)選地，化學(xué)鍵合 的磷酸鹽陶瓷包含化學(xué)鍵合的磷酸鎂陶資、化學(xué)鍵合的磷酸鋁酸鉤 (calcium aluminate phosphate )陶資、化學(xué)鍵合的磷酸鋅陶資、化學(xué)鍵合的磷酸鋁陶資和化學(xué)鍵合的磷酸鐵陶瓷中的一種或多種。特別優(yōu)選 的是化學(xué)鍵合的磷酸鋁陶瓷，其優(yōu)選由鋁氧化物(氧化鋁)和磷酸氫鋁 之間的反應(yīng)形成。
化學(xué)鍵合的磷酸鹽陶瓷可包含優(yōu)選為陶瓷材料的其它材料，這些 材料可以是粉末的形式。在如本文限定的多孔體的制造方法中，這些其 它材料和化學(xué)鍵合的磷酸鹽陶瓷的前體可單獨(dú)地或以相互組合的方式 引入多孔體內(nèi)。這些其它材料可有助于材料的物理或力學(xué)性能，但它們
不必是形成CBPC時(shí)的反應(yīng)劑，盡管它們可在物理上與CBPC互鎖 (interlock)。這些其它材料優(yōu)選但不限于包含陶瓷，例如氧化鋁、碳 化硅、二氧化硅、氧化鎂、碳化硼、氮化硼、硼化鈦、氧化釔、鐵氧化 物和氧化鉻，或它們的任意組合。
最優(yōu)選地，多孔體包含碳材料、更優(yōu)選碳-碳復(fù)合材料，并且，多 孔體在其孔隙內(nèi)包含化學(xué)鍵合的磷酸鋁陶資。
多孔體優(yōu)選具有5 40體積％的孔隙率，該孔隙率是在將化學(xué)鍵合 的磷酸鹽陶資引入孔隙內(nèi)或在孔隙內(nèi)形成化學(xué)鍵合的磷酸鹽陶瓷之前 測(cè)量的。
本發(fā)明還提供一種包含如本文限定的多孔體的制動(dòng)盤。
如上所述，本發(fā)明提供一種制造如本文限定的在其孔隙內(nèi)包含化 學(xué)鍵合的磷酸鹽陶瓷的多孔體的方法，該方法包括
在多孔體的孔隙內(nèi)原位形成化學(xué)鍵合的磷酸鹽陶瓷。
用于制造化學(xué)鍵合的磷酸鹽陶瓷的反應(yīng)劑和反應(yīng)條件可以如S. Y. Jeong和A. S. Wagh在2002年6月的Materials Technology中發(fā)表的 題目為Chemically Bonded Phosphate Ceramics的論文中所公開的一 樣。在該論文中，描述了難溶的金屬氧化物和酸式磷酸鹽之間的反應(yīng)并 通過(guò)迄今研究的最常見的反應(yīng)的實(shí)例對(duì)其進(jìn)行了描述。
由前體形成化學(xué)鍵合的磷酸鹽陶瓷，這些前體優(yōu)選包含酸式磷酸 鹽和金屬氧化物。前體可以在水中成為溶液或懸浮體。
優(yōu)選地，酸式磷酸鹽包含酸式磷酸鉀、酸式磷酸鈣、酸式磷酸銨 和酸式磷酸鋁中的一種或多種。特別優(yōu)選酸式磷酸鋁(磷酸氫鋁)。
金屬氧化物優(yōu)選是二價(jià)或三價(jià)金屬氧化物，更優(yōu)選是難溶的金屬 氧化物。金屬氧化物優(yōu)選在水中的溶度積pKsp為10~50。金屬氧化物可包含氧化鋁、氧化鉤、鐵氧化物、氧化鎂和氧化鋅中的一種或多種。特 別優(yōu)選氧化鋁。
如本文所說(shuō)明的，金屬氧化物可以在溶液中，并且/或者是液體中 的固體粒子的懸浮體的形式。
如果使用二價(jià)金屬氧化物，例如氧化鎂，那么優(yōu)選在優(yōu)選約1300°C 或更高的溫度下鍛燒二價(jià)金屬氧化物，使得其晶粒結(jié)晶良好并且基本上 去除來(lái)自晶粒的微孔。這樣將二價(jià)金屬氧化物特別是氧化鎂的溶解度降 低到獲得更高產(chǎn)率的化學(xué)鍵合的磷酸鹽陶瓷的水平。
如果4吏用氧化鋁，那么優(yōu)選在升高的溫度下，優(yōu)選在100 200°C、 更優(yōu)選118~170°C、最優(yōu)選約150°C的溫度下實(shí)施用以形成化學(xué)鍵合的 磷酸鹽陶瓷的反應(yīng)。這增加氧化鋁的溶解度，使得化學(xué)鍵合的磷酸鹽陶 瓷的產(chǎn)率增加。
如果使用Fe203作為三價(jià)金屬氧化物，那么優(yōu)選使用少量的單質(zhì) 鐵，因?yàn)檫@將三價(jià)鐵還原為二價(jià)鐵，因此提高鐵在溶液中的總?cè)芙舛龋?并由此提高化學(xué)鍵合的磷酸鹽陶瓷的產(chǎn)率。
化學(xué)鍵合的磷酸鹽陶乾的前體還可包含碳化硅、二氧化硅、碳化 硼、氮化硼和硼化鈦中的一種或多種。前體還可包含反絮凝劑或諸如硼 酸的緩凝劑(retardant)材料。
酸式磷酸鹽可構(gòu)成少于40重量％的化學(xué)鍵合的磷酸鹽陶瓷的前體 的總質(zhì)量。
優(yōu)選地，多孔體具有開放的互連孔隙，并且，在孔隙中形成化學(xué)
鍵合的磷酸鹽陶資之前，將化學(xué)鍵合的磷酸鹽陶瓷的前體引入多孔基體 的至少一些互連孔隙中。
化學(xué)鍵合的磷酸鹽陶瓷的至少兩個(gè)或者可能全部前體可混合在一 起，然后，在形成化學(xué)鍵合的磷酸鹽陶瓷之前，將所得混合物引入多孔 體的孔隙內(nèi)。前體可以是酸式磷酸鹽和金屬氧化物。
化學(xué)鍵合的磷酸鹽陶瓷的至少兩個(gè)或者可能全部前體可單獨(dú)引入 多孔體的孔隙內(nèi)。例如，可單獨(dú)引入酸式磷酸鹽和金屬氧化物。
可以通過(guò)加熱使前體固化以形成或增強(qiáng)化學(xué)鍵合的磷酸鹽陶資。
可通過(guò)以下步驟中的一個(gè)或多個(gè)，將化學(xué)鍵合的磷酸鹽陶資的前體引入多孔體的孔隙中用前體噴涂多孔體；將多孔體浸入前體的混合 物中；用前體涂覆多孔體；使前體真空滲透進(jìn)入多孔體中，和使前體壓 力滲透到多孔體內(nèi)。優(yōu)選地，通過(guò)首先將前體噴涂到多孔體的至少一個(gè) 表面上并然后通過(guò)真空滲透將前體吸入多孔體的內(nèi)部來(lái)引入前體。
本發(fā)明提供一種在其孔隙內(nèi)包含化學(xué)鍵合的磷酸鹽陶資的多孔 體，該多孔體可通過(guò)如本文限定的方法形成。
本發(fā)明還提供如本文限定的多孔體作為摩擦材料的用途，該摩擦 材料例如用作制動(dòng)盤或離合器盤；或者用作例如用作熱屏障的高溫應(yīng)用 的結(jié)構(gòu)部件；發(fā)動(dòng)機(jī)部件；烘箱部件；窯爐部件；加工金屬、玻璃或陶 資的設(shè)備；加熱器部件；或燈配件。
本發(fā)明還提供如本文限定的多孔體在制動(dòng)盤中的用途。
在多孔體的孔隙內(nèi)可存在兩種或更多種不同類型的化學(xué)鍵合的磷 酸鹽陶資(CBPC)的組合。
在其孔隙內(nèi)包含CBPC的多孔體的性能將依賴于孔隙內(nèi)的CPBC 的量以及CPBC的構(gòu)成?？筛鶕?jù)所得多孔體希望的性能來(lái)確定CPBC 的量和含量。
細(xì)懸浮體中具^(guò)足夠的流動(dòng)，性以滲透多孔體(這1取決于滲透的方法)。 如上所述，材料還可包含反絮凝劑、分散劑和如在控制細(xì)粉末的水懸浮 體的領(lǐng)域中的技術(shù)人員所公知的設(shè)計(jì)用來(lái)優(yōu)化流動(dòng)性和穩(wěn)定性的其它 添加劑。分散劑可來(lái)自由CIBA制造的Dispex系列的分散劑。
選擇金屬氧化物的粒級(jí)，以優(yōu)化對(duì)于多孔體的引入和CBPC反應(yīng) 的速度和程度。如果滲透材料由幾種不同的金屬氧化物構(gòu)成，那么各粉 末可以具有不同的粒級(jí)；類似地，如果使用單一金屬氧化物，那么金屬 氧化物可包含兩種或更多種不同的粒級(jí)的粉末。
術(shù)語(yǔ)"碳"在一般的意義上使用并包括無(wú)定形碳或結(jié)晶石墨。
在滲透之后，可通過(guò)使用適于對(duì)在滲透混合物中使用的微粒和粉 末的特定組合使用和優(yōu)化的特定CBPC反應(yīng)或反應(yīng)的組合的加熱循環(huán) 來(lái)使整個(gè)多孔體固化?；蛘?，CPBC可在室溫(例如，20。C)或低于室 溫的溫度下固化，包括水凍處理。
優(yōu)選地，多孔體的表面具有精細(xì)的表面光潔度，并優(yōu)選具有高于5微米R(shí)z的平均表面粗糙度。優(yōu)選地，多孔體的表面具有小于30微米 Rz的表面粗糙度。優(yōu)選地，平均表面粗糙度為5 30微米R(shí)z。可通過(guò) 使用本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的技術(shù)改變表面粗糙度。
為了提高制動(dòng)性能，如本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的，也可通過(guò)諸如對(duì) 盤進(jìn)行開槽、切割或鉆孔的技術(shù)來(lái)對(duì)盤的表面進(jìn)行最后加工?？赏ㄟ^(guò)諸 如掩蔽的工藝在盤的不同部分中控制浸漬程度，并由此可改變盤內(nèi)的熱 能流動(dòng)。
在本發(fā)明的方法中，優(yōu)選步驟(iii)形成制動(dòng)盤。
在第二方面中，本發(fā)明提供一種用于形成制動(dòng)盤的材料，該材料 包含在其孔隙內(nèi)含有陶瓷材料的多孔體，其中，陶瓷材料遍布于基本上 多孔體的至少一部分中。如果多孔體是在盤的平面上具有第一和第二相 對(duì)表面的盤的形式，那么陶瓷材料可在盤的至少一部分中(或者，任選 地，在全部盤中)遍布于從第一到第二表面的基本上整個(gè)盤中。換句話 說(shuō)，當(dāng)通過(guò)多孔體的該部分切取斷面時(shí)，將觀察到陶瓷材料優(yōu)選以基本 上一致的濃度(按占單位體積的多孔體陶瓷材料的質(zhì)量計(jì)，例如，g/cm3) 遍布于從第一到第二表面的整個(gè)該部分中，例如，優(yōu)選從第一表面到第 二表面陶瓷材料的濃度變化不大于20%。優(yōu)選地，在第一和第二表面處 或其正下方存在陶資材料的盤的一部分中，盤的該部分中的多孔體的第 一和第二表面之間的任意點(diǎn)上的給定立方厘米(或者，更優(yōu)選地，125mm 的單位體積)的陶瓷材料的濃度不為零。在這種盤的制備中，盤的不同
部分可在合成過(guò)程中掩蔽，以防止陶瓷材料滲入盤中。
"遍布于基本上整個(gè)多孔體"包括但不限于在包含陶瓷材料的孔隙 之間具有小于3mm、優(yōu)選小于2mm、最優(yōu)選小于lmm的多孔體。
陶瓷材料以相當(dāng)一致的濃度存在于從第一到第二表面的多孔體的 孔隙中的優(yōu)點(diǎn)在于，在使用中，在多孔體的摩擦表面(即，第一或第二 表面)在使用中被磨掉時(shí)，多孔體的磨損和/或性能保持相對(duì)恒定。
在第三方面中，本發(fā)明提供一種用于制動(dòng)盤的材料，該材料可通 過(guò)本發(fā)明的方法形成。
在第四方面中，本發(fā)明提供一種用于制動(dòng)盤的材料，該材料包含 在其孔隙內(nèi)包含選自以下材料的一種或多種組分的多孔體 (i)化學(xué)鍵合的磷酸鹽陶瓷；(ii)從包含一種或多種陶資材料粒子的一種或多種液體懸浮體沉
積到孔隙內(nèi)的陶資材料；
(iii )可通過(guò)將來(lái)自液體懸浮體的初始陶瓷材料的粒子沉積到孔隙 內(nèi)并然后使這些粒子與磷酸單鋁反應(yīng)形成的陶瓷材料；
(iv) 可通過(guò)使孔隙內(nèi)的磷酸單鋁玻璃化形成的陶瓷材料；和
(v) 可通過(guò)單獨(dú)引入多孔體內(nèi)的反應(yīng)物原位形成的化學(xué)鍵合的磷 酸鹽陶瓷材料。
在第五方面中，本發(fā)明提供一種包含本發(fā)明的材料的制動(dòng)盤。
本發(fā)明還提供包含本發(fā)明的材料的離合器盤。離合器盤的僅僅一 部分包含本發(fā)明的材料。與上述制動(dòng)盤類似，離合器盤可在離合器盤的 相對(duì)的側(cè)面具有第一和第二表面，并且，在離合器盤的至少一部分中， 本發(fā)明的材料遍布于離合器盤從第 一到第二表面的基本上整個(gè)部分。
在第六方面中，本發(fā)明提供一種包括一個(gè)或多個(gè)含有本發(fā)明的材 料的制動(dòng)盤的多制動(dòng)盤堆疊體。"多制動(dòng)盤堆疊體"是兩個(gè)或更多個(gè)制動(dòng) 盤的集合。在這一方面中，不是堆疊體中的所有的制動(dòng)盤都需要具有本 發(fā)明的材料。例如，在本發(fā)明的這一方面中，堆疊體中的交替的盤可包 含本發(fā)明的材料。
在第七方面中，本發(fā)明提供一種摩擦系統(tǒng)，該摩擦系統(tǒng)包括兩個(gè) 可接合的摩擦部件，其中，這些部件中的至少一個(gè)包含本發(fā)明的材料。 一個(gè)部件可以是制動(dòng)盤，另一部件可以是制動(dòng)塊，所述制動(dòng)盤包含本發(fā) 明的材料?；蛘?， 一個(gè)或兩個(gè)部件是離合器盤。
可接合的摩擦部件二者均可包含本發(fā)明的材料，或者，僅可接合 的摩擦部件中的一個(gè)可包含本發(fā)明的材料。優(yōu)選地， 一個(gè)或兩個(gè)可接合 的摩擦部件優(yōu)選地在一個(gè)部件與另 一部件接合的表面上具有30微米R(shí)z 或更小的平均表面粗糙度。
制動(dòng)塊可包含不是本發(fā)明材料的材料。制動(dòng)塊可包含常規(guī)的制動(dòng) 塊材料，這些常規(guī)的制動(dòng)塊材料可包括如磨料例如氧化鋁或硅、潤(rùn)滑劑 例如石墨或硫化物、負(fù)載物、彈性體、金屬、聚合物纖維和粘接樹脂。 一個(gè)或多個(gè)制動(dòng)塊可分別以常規(guī)的方式安裝在制動(dòng)鉗中。
如果多孔體是制動(dòng)盤或形成制動(dòng)盤的一部分，那么可通過(guò)控制在 盤上實(shí)施的表面修整操作來(lái)提高盤的各個(gè)方面的性能。特別地，可通過(guò)制成具有良好的表面光潔度(優(yōu)選30微米R(shí)z或更小、更優(yōu)選5~30微 米R(shí)z的平均表面粗糙度)的盤，可同時(shí)提高盤的摩擦系數(shù)、初始握力 (initial bite)和研配性(bedding-in )。優(yōu)選地，至少盤的磨損表面具 有優(yōu)選5 30微米R(shí)z的良好的表面粗糙度。根據(jù)Rz ISO標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量平均 表面粗糙度，該平均表面粗糙度也被稱為"十點(diǎn)平均粗糙度"。通過(guò)使用 未過(guò)濾的剖面，求得測(cè)量長(zhǎng)度上的五個(gè)最高的峰的高度和五個(gè)最低的谷 的深度的平均值，以計(jì)算平均表面粗糙度。
已發(fā)現(xiàn)，根據(jù)本發(fā)明制造的制動(dòng)盤可與由包括有機(jī)、有機(jī)金屬、 碳-金屬、碳-陶資和碳-碳的各種不同的材料制成的制動(dòng)塊以及本領(lǐng)域技 術(shù)人員公知的其它制動(dòng)塊一起使用。適用于未加工盤(未處理盤)上的 碳-碳制動(dòng)塊是優(yōu)選的。很顯然，不同的制動(dòng)塊材料給予可能是或可能 不是所希望的不同的制動(dòng)響應(yīng)。
可通過(guò)使用本發(fā)明的多孔體制成的部件包括制動(dòng)盤和類似的摩 擦產(chǎn)品、熱屏障、發(fā)動(dòng)機(jī)部件、烘箱部件或窯爐部件、加工金屬、玻璃 或陶瓷的設(shè)備、加熱器部件、燈配件和其它的高溫結(jié)構(gòu)部件。
最優(yōu)選地，本發(fā)明是包含如本文限定的多孔體的制動(dòng)盤，其中， 多孔體包含碳-碳復(fù)合材料，并在其孔隙內(nèi)具有化學(xué)鍵合的磷酸鋁陶瓷。
多孔體也可用于形成用于在部件將經(jīng)受高應(yīng)力和/或高溫的環(huán)境 中使用的其它部件。這些部件可以是用于汽車(包括載重車輛)、航空、 鐵路、機(jī)器工具、醫(yī)療或建筑工業(yè)中的部件。
現(xiàn)在將通過(guò)以下的非限制實(shí)施例說(shuō)明本發(fā)明。
實(shí)施例 實(shí)施例1
實(shí)施例1示出在標(biāo)準(zhǔn)碳-碳制動(dòng)盤的孔隙內(nèi)形成化學(xué)鍵合的磷酸 鋁陶瓷。在化學(xué)鍵合的磷酸鹽陶瓷形成之前，將前體滲入盤的孔隙內(nèi)。 與在相同的條件下測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)盤相比，滲入的盤具有優(yōu)越的性能。
該實(shí)施例使用如一級(jí)方程式賽車使用的并由Carbon Industrie制 造的通風(fēng)碳-碳盤。可以使用任何類型的碳-碳制動(dòng)，包含非通風(fēng)盤。
待滲入的混合物由65% (重量)的氧化鋁粉末(F600 )和達(dá)到
200.60 1.0的pH值的磷酸單鋁(A1(H2P04)3)的酸性水溶液構(gòu)成。將這 些成分混合在一起并噴涂到盤的摩擦表面上，使得存在過(guò)量的混合物。 然后用氣密塑料掩蔽盤的剩余部分，使得可通過(guò)盤內(nèi)的通風(fēng)孔(當(dāng)盤在 汽車上操作時(shí)用于冷卻)形成真空。在對(duì)這種結(jié)構(gòu)施加真空(<250托) 時(shí)，混合物從表面被吸入盤體內(nèi)。共施加真空10分鐘。在水中將過(guò)量 的殘留物清洗掉。在滲入和清洗后，通過(guò)使用以下的加熱循環(huán)使整個(gè)部 件固化100。C下保溫l小時(shí)；以每小時(shí)135°C的速度升溫到370。C并 在370°C的溫度下再保溫1小時(shí)。將盤修整到根據(jù)Rz ISO標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量的10微米R(shí)z的平均表面粗糙度。在英國(guó)Hinckley的Brake Testing International Ltd的制動(dòng)測(cè)力計(jì) 上測(cè)試使用上述方法制成的盤。通過(guò)使用16.67Kg.m2的慣量、lOOONm 的施加扭矩和2400~800rpm的減速，對(duì)盤進(jìn)4亍測(cè)試。發(fā)現(xiàn)在總共500 次停止之后，標(biāo)準(zhǔn)碳-碳盤的厚度減小1.62mm,而經(jīng)處理的盤的厚度僅 減小0.62mm。因此，在該試驗(yàn)中，與標(biāo)準(zhǔn)盤相比，經(jīng)處理的盤的磨損 減少超過(guò)60%。經(jīng)處理的盤的摩擦性能與對(duì)照盤相當(dāng)。進(jìn)一步對(duì)使用相同的參數(shù)滲入兩次的類似盤進(jìn)行測(cè)試；根據(jù)Rz ISO標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量的盤的平均表面粗糙度為10 Rz。通過(guò)使用22.54Kg.m2的 更高的慣量，經(jīng)25次停止的縮短的試驗(yàn)周期來(lái)測(cè)量磨損。在碳-碳對(duì)照 物上的磨損測(cè)量為0.21mm,而經(jīng)處理的盤的磨損測(cè)量為0.02mm。這 等同于設(shè)計(jì)的500次停止試驗(yàn)序列的4.2mm和0.4mm。因此，在該試 驗(yàn)中，與標(biāo)準(zhǔn)盤相比，經(jīng)處理的盤的磨損減少超過(guò)90%。應(yīng)注意，可以使用滲入?yún)?shù)的變化，以生產(chǎn)盤磨損和摩擦特性的 期望組合。實(shí)施例2從具有以下規(guī)格的由PRF Composites提供的材料上切取直徑為 50mm的碳纖維圓布。規(guī)格為空氣密度約450g/m2，雙軸織造45度 225 gsm和-45度225 gsm縫制的雙層-6k纖維束尺寸CX009。將這些圓布中的兩個(gè)浸入含有Alumina Sol的浴中。Alumina Sol 是由Nano Technologies Inc.提供的NYACOL AL 20。 Sol包含20重量。/o的懸浮于水中的具有50nm的粒子尺寸的氧化鋁，其具有pH 4和正 電荷。這兩個(gè)圓布與電路連接，使得其中一個(gè)圃充正電(陽(yáng)極)，另一 個(gè)充負(fù)電(陰極)。橫跨兩個(gè)電極施加12V電壓10分鐘，并且觀察到 在陰極上形成均勻的氧化鋁凝膠沉積層。從裝置中取出陰極并用 一片新 的碳布代替它。然后重復(fù)該過(guò)程。整個(gè)過(guò)程重復(fù)五次以產(chǎn)生浸漬有氧化 鋁的五片碳布。然后，將這五片碳布空氣干燥過(guò)夜，這時(shí)觀察到它們是 指觸干燥的。用磷酸單鋁(43.0重量％)和磷酸(6.9重量％)的水溶液噴涂五 片干燥的碳布并達(dá)到飽和。然后將它們相互放在頂部，以形成堆疊體， 并將它們放在50mm直徑的鋁模中。模腔在深度上比堆疊體短，使得可 通過(guò)向模體壓緊固定蓋子的螺栓而向碳布堆疊體施加機(jī)械壓力。模深度完全壓緊為10mm.然后對(duì)鋁模和堆疊體進(jìn)行熱處理100。C下保溫l小時(shí)；200。C下 保溫l小時(shí)；300。C下保溫l小時(shí)；400。C下保溫l小時(shí)，然后爐冷。從鋁模中抽出完成的部件，然后對(duì)其進(jìn)行非標(biāo)準(zhǔn)力學(xué)落錘試驗(yàn)， 從該試驗(yàn)示出與標(biāo)準(zhǔn)C/C相當(dāng)?shù)捻g性。實(shí)施例3通過(guò)使用碳纖維布并單獨(dú)地用氧化鋁SOL和磷酸中的磷酸單鋁溶 液對(duì)其進(jìn)行處理來(lái)制成制動(dòng)盤。在本實(shí)施例中使用的碳布是空氣密度為約9008/1112的平紋織物。纖 維的平均尺寸為6~9nm，每一纖維束中有48000根纖維。碳纖維布由英 國(guó)的Advanced Composites Group供給。纖維由PAN源生產(chǎn)。通過(guò)在 使用前用丙酮處理去除碳纖維的漿層。從碳布上切取

圖1所示的具有340mm外徑和232mm內(nèi)孔的環(huán)。 采取以下方式對(duì)它們進(jìn)行單獨(dú)處理。將碳纖維環(huán)(現(xiàn)在稱為陰極)夾入 由鋁制成的夾具中。在夾具內(nèi)還包含形狀與該環(huán)類似的上下碳纖維環(huán) (稱為陽(yáng)極)。對(duì)于每一個(gè)陰極重復(fù)使用陽(yáng)極。配置夾持狀態(tài)(jigging)， 使得陰極和陽(yáng)極的平面平行并分開15mm。夾具與電路連接，使得陽(yáng)極 被充正電，陰極被充負(fù)電。將夾具浸沉到氧化鋁溶膠(Sol)的表面下。所使用的具體Sol是 由Nano Technologies Inc.供給的NYACOL AL 20。 Sol包含20重量％ 的懸浮于水中的具有50nm的粒子尺寸的氧化鋁，其具有pH4和正電荷。在陰極和陽(yáng)極之間施加3V的電壓共30分鐘。觀察到在陽(yáng)極的表 面上沉積均勻分布的氧化鋁。從Sol中取出陰極并使其在室溫下干燥幾個(gè)小時(shí)，直到指觸干燥。對(duì)于五個(gè)單獨(dú)的陰極重復(fù)上述過(guò)程。用磷酸單鋁(43.0重量％) 和磷酸(6.9重量％)的水溶液對(duì)它們進(jìn)行噴涂并達(dá)到飽和，并輕輕將 它們壓在一起。將這樣形成的預(yù)制坯放在鋁工具中，并以通常用于制造 碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的方式在真空袋組合件中對(duì)其進(jìn)行包封。配置 工具，使得在對(duì)于真空袋抽氣時(shí)，向預(yù)制坯的頂表面和底表面施加均勻 的壓力。然后將組裝的工具和預(yù)制坯放在高壓釜(90psi)中，并以100°C/ 小時(shí)加熱到105。C，并在該溫度下保持l小時(shí)，然后允許空氣冷卻。然后從真空袋中取出組裝的預(yù)制坯和工具，并進(jìn)一步將其以 135。C/小時(shí)加熱到370°C并在370。C下保持4小時(shí)。然后將組件爐冷卻。然后從工具中取出完成的預(yù)制坯并對(duì)其進(jìn)行機(jī)械加工以制造成品 制動(dòng)盤。
權(quán)利要求
1.一種形成制動(dòng)盤用材料的方法，該方法包括以下步驟(i)提供至少一個(gè)多孔體；(ii)將用于形成或沉積陶瓷材料的一種或多種前體材料引入所述多孔體的孔隙中；和(iii)通過(guò)在所述多孔體的孔隙內(nèi)由所述前體材料形成或沉積所述陶瓷材料來(lái)形成所述制動(dòng)盤用材料，其中，所述前體材料是包含陶瓷粒子和/或酸式磷酸鹽的懸浮體的液體。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中將所述前體材料引入基本上整個(gè)所 述多孔體。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的方法，其中所述多孔體包含選自碳、碳化 硅和氧化鋁的一種或多種材料。
4. 如前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的方法，其中所述多孔體包含碳-碳 復(fù)合材料。
5. 如前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的方法，其中，在步驟(i)中，所 述多孔體包含含有碳的纖維的集合。
6. 如權(quán)利要求5所述的方法，其中所述纖維具有3 2(Him的平均直徑。
7. 如權(quán)利要求5或6所述的方法，其中所述纖維配置為纖維束。
8. 如權(quán)利要求5-7中的任一項(xiàng)所述的方法，其中，在步驟(i)中，所 述纖維和/或所述纖維束是織造或非織造結(jié)構(gòu)。
9. 如前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的方法，其中，在步驟(i)中，所 述多孔體包含含有纖維的氈狀材料，所述纖維包含碳。
10. 如前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的方法，其中所述多孔體具有開放 的互連孔隙。
11. 如前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的方法，其中，在步驟(i)中， 所述多孔體具有5~40體積％的孔隙率。
12. 如前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的方法，其中所述多孔體包含碳布， 并且，在步驟(i)中，所述碳布的空氣密度為50 2500g/m2。
13. 如前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的方法，其中所述陶瓷粒子包含選自氧化鋁、氧化鋯、氧化鎂、氧化釔、碳化硅、二氧化硅、碳化硼、氮 化硼、硼化鈦、鐵氧化物和氧化鉻中的一種或多種材料。
14. 如前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的方法，其中所述陶瓷粒子具有 20nm 200nm的平均尺寸。
15. 如前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的方法，其中所述前體材料包含陶 資粒子的溶膠。
16. 如前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的方法，其中所述前體材料具有 0.5~7.0的pH值。
17. 如前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的方法，其中所述前體材料具有1~5 的pH值。
18. 如前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的方法，其中所述前體材料包含水。
19. 如前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的方法，其中所述前體材料包含 10~30重量％的陶瓷粒子。
20. 如前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的方法，其中所述前體材料包含 15~25重量％的陶乾津立子。
21. 如前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的方法，其中通過(guò)選自真空滲透、 將所述多孔體至少部分浸入所述前體材料中、用所述前體材料涂覆所述 多孔體和用所述前體材料噴涂所述多孔體中的一種或多種技術(shù)，將所述 前體材料引入所述多孔體的孔隙中。
22. 如前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的方法，其中通過(guò)選自將所述多孔 體充電、冷凍所述多孔體、引入酸性或堿性材料、和將包含具有與懸浮 體中的粒子相反電荷的粒子的材料引入所述孔隙中的一種或多種手段， 將所述前體材料的陶乾粒子沉積到所述孔隙中。
23. 如前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的方法，其中在氧化釔存在下，沉 積所述前體材料的粒子。
24. 如前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的方法，其中，在步驟(ii)和/或 步驟(iii)中，使所述多孔體和所述前體材料暴露于超聲處理。
25. 如前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的方法，其中所述前體材料的粒子 一旦沉積到所述孔隙中就發(fā)生反應(yīng)、固化或玻璃化以形成所述陶瓷材 料。
26. 如前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的方法，其中所述酸式磷酸鹽包含 酸式磷酸鉀、酸式磷酸釣、酸式磷酸銨和酸式磷酸鋁中的一種或多種。
27. 如前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的方法，其中所述酸式磷酸鹽包含 磷酸單鋁。
28. 如前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的方法，其中所述酸式磷酸鹽在所 述多孔體的孔隙內(nèi)玻璃化以形成所述陶瓷材料。
29. 如前所述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的方法，其中所述前體材料包含 (i)陶瓷粒子的懸浮體和(ii)磷酸和/或酸式磷酸鹽。
30. 如權(quán)利要求1~28中的任一項(xiàng)的方法，其中將包含陶瓷粒子的懸浮 體的第一前體液體和包含酸式磷酸鹽和/或磷酸的第二前體液體單獨(dú)引 入所述多孔體的孔隙內(nèi)。
31. 如權(quán)利要求29或30所述的方法，其中所述陶瓷粒子包含氧化鋁。
32. 如權(quán)利要求30所述的方法，其中在引入所述第二前體液體之前， 將所述第一前體液體的粒子沉積到所述多孔體的孔隙內(nèi)。
33. 如權(quán)利要求31或32所述的方法，其中在所述孔隙內(nèi)沉積所述第一 前體液體的粒子之后并在引入所述第二前體液體之前，干燥所述多孔 體。
34. 如權(quán)利要求32或33所述的方法，其中加熱所述多孔體以使沉積的 所述陶瓷粒子和所述酸式磷酸鹽/磷酸反應(yīng)、固化或玻璃化。
35. 如前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的方法，其中所述酸式磷酸鹽在金 屬氧化物存在下在孔隙內(nèi)反應(yīng)以形成陶瓷材料，所述陶瓷材料包含化學(xué) 鍵合的磷酸鹽陶瓷。
36. 如權(quán)利要求35所述的方法，其中所述金屬氧化物是二價(jià)或三價(jià)金 屬氧化物。
37. 如權(quán)利要求35所述的方法，其中所述金屬氧化物包含氧化鋁、氧 化鈣、鐵氧化物、氧化鎂和氧化鋅中的一種或多種。
38. 如前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的方法，其中，步驟(iii)或隨后 的處理由所述制動(dòng)盤用材料形成制動(dòng)盤。
39. 如權(quán)利要求1~37中的任一項(xiàng)所述的方法，該方法包括在步驟(i)中，提供兩個(gè)或更多個(gè)多孔體并將所述多孔體放在一起，以形成組合的多孔體；和在所述組合的多孔體上實(shí)施步驟(ii)和(iii)，以形成所述制動(dòng) 盤用材料。
40. 如權(quán)利要求1~37中的任一項(xiàng)所述的方法，該方法包括 提供兩個(gè)或更多個(gè)多孔體并將所述多孔體放在一起以形成組合的多孔體，所述組合的多孔體可以是多制動(dòng)盤堆疊體，其中所述多孔體中 的至少一個(gè)在其孔隙內(nèi)包含陶瓷材料。
41. 如權(quán)利要求39所述的方法，其中，在步驟(iii)中，所述組合的 多孔體形成多制動(dòng)盤堆疊體。
42. —種用于形成制動(dòng)盤的材料，包括在其孔隙內(nèi)包含陶瓷材料的多孔 體，其中所述陶瓷材料遍布于基本上整個(gè)所述多孔體中。
43. —種用于制動(dòng)盤的材料，所述材料可由如權(quán)利要求1~39中的任一 項(xiàng)所限定的方法形成。
44. 一種用于制動(dòng)盤的材料，包括在其孔隙內(nèi)包含選自以下材料的一種 或多種組分的多孔體(i) 化學(xué)鍵合的磷酸鹽陶瓷；(ii) 由包含陶瓷材料的粒子的液體懸浮體沉積到孔隙內(nèi)的陶瓷材料；(m)可通過(guò)將來(lái)自液體懸浮體的初始陶瓷材料的粒子沉積到孔隙 內(nèi)并然后使這些粒子與磷酸單鋁反應(yīng)形成的陶瓷材料；和 (iv)可通過(guò)使孔隙內(nèi)的磷酸單鋁玻璃化形成的陶瓷材料。
45. —種制動(dòng)盤，包含如權(quán)利要求42 44中的任一項(xiàng)所限定的材料。
46. 如權(quán)利要求43所述的制動(dòng)盤，其中僅所述制動(dòng)盤的一部分包含如 權(quán)利要求42~44中的任一項(xiàng)所限定的材料。
47. 如權(quán)利要求45或46所述的制動(dòng)盤，在所述盤的相對(duì)的側(cè)面具有第 一和第二表面，并且，在所述盤的至少一部分中，如權(quán)利要求42 44中 的任一項(xiàng)所限定的材料遍布于所述盤從第一到第二表面的基本上整個(gè) 所述部分中。
48. —種多制動(dòng)盤堆疊體，包括如權(quán)利要求45 47中的任一項(xiàng)所限定的 制動(dòng)盤。
49. 如權(quán)利要求45-47中的任一項(xiàng)所述的制動(dòng)盤或如權(quán)利要求48所述的多制動(dòng)盤堆疊體，其中所述制動(dòng)盤或所述堆疊體中的至少 一個(gè)盤的平均表面粗糙度為30微米R(shí)z或更小。
50. —種離合器盤，包含如權(quán)利要求42 44中的任一項(xiàng)所限定的材料。
51. 如權(quán)利要求47所述的離合器盤，其中僅所述離合器盤的一部分包 含如權(quán)利要求42 44中的任一項(xiàng)所限定的材料。
52. 如權(quán)利要求50或51所述的離合器盤，具有在所述離合器盤相對(duì)的 側(cè)面的第一和第二表面，并且，在所述離合器盤的至少一部分中，本發(fā) 明的材料遍布于所述離合器盤從第 一到第二表面的基本上整個(gè)所述部 分中。
53. —種摩擦系統(tǒng)，包括兩個(gè)可接合的摩擦部件，其中所述部件中的至 少一個(gè)包含如權(quán)利要求42~44中的任一項(xiàng)所限定的材料。
54. 如權(quán)利要求53所述的摩擦系統(tǒng)，其中一個(gè)部件是制動(dòng)盤，另一部 件是制動(dòng)塊，所述制動(dòng)盤包含如權(quán)利要求42 44中的任一項(xiàng)所限定的材 料。
55. 如權(quán)利要求53所述的摩擦系統(tǒng)，其中一個(gè)或兩個(gè)部件是離合器盤。
56. 如權(quán)利要求53 55中的任一項(xiàng)所述的摩擦系統(tǒng)，其中兩個(gè)部件均包 含如權(quán)利要求42 44中的任一項(xiàng)所限定的材料。
57. 如權(quán)利要求53 56中的任一項(xiàng)所述的摩擦系統(tǒng)，其中一個(gè)或兩個(gè)部 件具有30微米R(shí)z或更小的平均表面粗糙度。
全文摘要
提供一種形成制動(dòng)盤用材料的方法，該方法包括以下步驟(i)提供至少一個(gè)多孔體；(ii)將用于形成或沉積陶瓷材料的一種或多種前體材料引入多孔體的孔隙中；和(iii)通過(guò)在多孔體的孔隙內(nèi)由前體材料形成或沉積陶瓷材料來(lái)形成制動(dòng)盤用材料，其中前體材料是包含陶瓷粒子和/或酸式磷酸鹽的懸浮體的液體。
文檔編號(hào)C23C30/00GK101248287SQ200680024487
公開日2008年8月20日 申請(qǐng)日期2006年6月2日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月3日
發(fā)明者馬丁·墨菲 申請(qǐng)人:亨特孔顧問有限公司