一种具有双层摩擦层的碳陶刹车盘及其制备方法与流程

本发明涉及刹车盘制造，尤其涉及一种具有双层摩擦层的碳陶刹车盘及其制备方法。

背景技术：

1、刹车盘在汽车运行中主要起降速或者急停的作用，在突发状况下关乎人的生命安全，因此尤为重要。由于刹车会产生短暂的较大冲击摩擦力并生成大量的热能，要求刹车盘的材料应该具有耐热、耐冲击、耐疲劳、高强度等性能。cf/sic复合材料因其高硬度、优越的摩擦性能以及可以大幅降低摩擦制动材料的质量，所以可在航空及高端汽车行业被用作制动件。碳陶刹车盘结合了碳纤维和多晶碳化硅这两者的物理特性。c/sic材料的拉断伸长率从0.1％到0.3％不等，这对于陶瓷材料而言是极高的数值。同时由于较轻的重量、良好的硬度、高压和高温条件下的稳定性、抗热冲击性和同韧性剪切断裂特性等特点不但延长了刹车盘的使用寿命，并且避免了因负载而产生的大部分问题。

2、目前碳陶刹车盘的制备工艺为针刺-碳化-高温处理-化学气相沉积-高温处理-施加摩擦层-加工-渗硅-加工，其中摩擦层的施加是为了提升刹车盘的耐磨能力，稳定摩擦系数。摩擦层和刹车盘的碳化硅含量和纤维含量差异很大，由于摩擦层的耐磨性能要求高，其往往不含碳纤维且碳化硅含量达到80％以上，导致其和基体的热膨胀系数差异大，在冷却过程中摩擦层存在很大的残余应力，导致在使用的过程中摩擦层容易剥落。对此，提出一种具有双层摩擦层的碳陶刹车盘，改善摩擦层和基体层结合问题。

技术实现思路

1、本发明目的在于提供一种双层摩擦层的碳陶刹车盘及其制备方法，通过设置两层摩擦层，对摩擦层厚度进行优化，提高摩擦层与基体的结合力，有效提高了摩擦层和基体层的接合强度和，提高刹车盘的耐磨性。

2、为达此目的，本发明提供一种具有双层摩擦层的碳陶刹车盘，所述碳陶刹车盘包括基体层和摩擦层，所述摩擦层包括第一摩擦层和第二摩擦层，所述第一摩擦层位于所述基体层和所述第二摩擦层之间；所述第一摩擦层的厚度为tfr1，碳化硅含量为vsic1，硅含量为vsi1；所述第二摩擦层的厚度为tfr2，碳化硅含量为vsic2，硅含量为vsi2，则第二摩擦层的厚度tfr2满足如下公式：

3、

4、其中，系数β取值为0.9或5，δt为渗硅温度和室温的差值，δt为1600k。

5、优选的，所述第一摩擦层中碳化硅含量为50-80％，硅含量为20-50％；所述第二摩擦层中碳化硅含量为70-95％，硅含量为5-30％。

6、优选的，所述第一摩擦层包括粒径为40-80微米的粗碳化硅和0.5-30微米的细碳化硅。

7、优选的，所述粗碳化硅和细碳化硅的体积比为1：1-10：1。

8、优选的，所述第二摩擦层包括粒径为80-150微米的第二粗碳化硅和0.5-30微米的第二细碳化硅。

9、优选的，所述第二粗碳化硅和第二细碳化硅的体积比为1：1-10：1。

10、本发明还提出一种具有双层摩擦层的碳陶刹车盘的制备方法，用于制备上述具有双层摩擦层的碳陶刹车盘，包括如下步骤：

11、s1：将碳纤维单向布和碳纤维网胎重复交叠得到碳纤维预制体，每层碳纤维单向布和每层碳纤维网胎叠加后进行针刺处理，针刺密度为50-200针/cm2,每一碳纤维网胎上下相邻两碳纤维单向布之间碳纤维方向呈90°夹角；

12、s2：将所述碳纤维预制体浸渍于40wt％浓度的酚醛树脂酒精溶液，浸渍后干燥处理直到酒精完全挥发得到浸渍体；

13、s3：将所述浸渍体进行碳化处理得到碳化体，碳化温度为900℃，保温6h；

14、s4：将所述碳化体在氮气中进行低温石墨化处理得到石墨化坯体，处理温度为1700℃，保温2h；

15、s5：将碳化硅粉和酚醛粉末混合均匀得到第一摩擦层压制粉末，将所述第一摩擦层压制粉末均匀铺设在所述石墨化坯体，在90℃的温度下压制30min得到第一坯体，压力大于10mpa；

16、s6：将碳化硅粉和酚醛粉末混合均匀得到第二摩擦层压制粉末，将所述第二摩擦层压制粉末均匀铺设在所述第一坯体，在150℃的温度下压制60min使其完全固化得到第二坯体，压力大于10mpa；

17、s7：将所述第二坯体进行机械加工得到刹车盘坯体；

18、s8：将所述刹车盘坯体放入氮化硼坩埚后放入高温真空炉中进行渗硅处理，渗硅处理完毕后进行表面打磨和尺寸加工即可得到所述具有双层摩擦层的碳陶刹车盘，所述氮化硼坩埚中预先放入坯体质量1.1倍的纯硅粉，渗硅处理温度为1600-1700℃，保温时间为2-4h，炉膛压力小于1000pa。

19、优选的，s2和s3步骤至少进行一次，使所述碳化体的密度达到1.25-1.45g/cm3。

20、优选的，所述第一摩擦层压制粉末中碳化硅粒径为40-80微米，碳化硅粉末含量为35-55vol％，酚醛粉末为45-65vol％。

21、优选的，所述第二摩擦层压制粉末中碳化硅粒径为80-150微米，碳化硅粉末含量为45-75vol％，酚醛粉末为25-55vol％。

22、有益效果：本发明提供的具有双层摩擦层的碳陶刹车盘，通过设置两层摩擦层，最外层摩擦层为第二摩擦层，第二摩擦层碳化硅含量高，热膨胀系数大，粒径大，具有良好的耐磨性，内层摩擦层为第一摩擦层，第一摩擦层的碳化硅含量比第二摩擦层的碳化硅含量低，具有较低的热膨胀系数，有效缓解了高碳化硅摩擦层和基体连接所产生的应力集中的问题，从而达到避免工作状态时因应力集中导致摩擦层与基体层分离的现象。进一步的，建立起第一摩擦层、第二摩擦层之间的碳化硅、硅含量以及厚度的关系式，可以得到不同情况下第二摩擦层厚度的优选范围，通过调整摩擦层厚度来提高摩擦层和基体层的结合力度，既提高了刹车盘耐摩擦又可以防止摩擦层脱离，实现双赢。根据该关系式，生产过程中通过检测产品第一摩擦层的碳化硅含量、硅含量、第一摩擦层实际厚度值和第二摩擦层碳化硅含量、硅含量，计算出第二摩擦层的理论厚度范围，将第二摩擦层实际值与摩擦层厚度理论值对比，可辅助技术人员判断刹车盘的合格性，降低检测难度。

23、本发明还提出一种具有双层摩擦层的碳陶刹车盘的制备方法，碳化处理后进行两次压制，每次压制采用不同含量的碳化硅粉和酚醛粉末混合的压制粉末，从而实现了两层摩擦层的制造，外层摩擦层的压制温度更高、压制时间更长，两步压制有利于提高两层摩擦层与基体的连接强度，降低摩擦层与基体层脱离的概率。整个制备工艺制造方法简单，不需要化学气相沉积处理，采用低温石墨转化，工艺简单，工艺难度较低，容易规模化生产。

1.一种具有双层摩擦层的碳陶刹车盘，其特征在于，所述碳陶刹车盘包括基体层和摩擦层，所述摩擦层包括第一摩擦层和第二摩擦层，所述第一摩擦层位于所述基体层和所述第二摩擦层之间；所述第一摩擦层的厚度为tfr1，碳化硅含量为vsic1，硅含量为vsi1；所述第二摩擦层的厚度为tfr2，碳化硅含量为vsic2，硅含量为vsi2，则第二摩擦层的厚度tfr2满足如下公式：

2.如权利要求1所述的具有双层摩擦层的碳陶刹车盘，其特征在于，所述第一摩擦层中碳化硅含量为50-80％，硅含量为20-50％；所述第二摩擦层中碳化硅含量为70-95％，硅含量为5-30％。

3.如权利要求1所述的具有双层摩擦层的碳陶刹车盘，其特征在于，所述第一摩擦层包括粒径为40-80微米的粗碳化硅和0.5-30微米的细碳化硅。

4.如权利要求3所述的具有双层摩擦层的碳陶刹车盘，其特征在于，所述粗碳化硅和细碳化硅的体积比为1：1-10：1。

5.如权利要求1所述的具有双层摩擦层的碳陶刹车盘，其特征在于，所述第二摩擦层包括粒径为80-150微米的第二粗碳化硅和0.5-30微米的第二细碳化硅。

6.如权利要求5所述的具有双层摩擦层的碳陶刹车盘，其特征在于，所述第二粗碳化硅和第二细碳化硅的体积比为1：1-10：1。

7.一种具有双层摩擦层的碳陶刹车盘的制备方法，用于制备如权利要求1-6任一所述具有双层摩擦层的碳陶刹车盘，其特征在于，包括如下步骤：

8.如权利要求7所述的具有双层摩擦层的碳陶刹车盘的制备方法，其特征在于，s2和s3步骤至少进行一次，使所述碳化体的密度达到1.25-1.45g/cm3。

9.如权利要求5所述的具有双层摩擦层的碳陶刹车盘的制备方法，其特征在于，所述第一摩擦层压制粉末中碳化硅粒径为40-80微米，碳化硅粉末含量为35-55vol％，酚醛粉末为45-65vol％。

10.如权利要求5所述的具有双层摩擦层的碳陶刹车盘的制备方法，其特征在于，所述第二摩擦层压制粉末中碳化硅粒径为80-150微米，碳化硅粉末含量为45-75vol％，酚醛粉末为25-55vol％。