CN103626511B - 一种碳刹车盘预制体的预处理方法 - Google Patents

Abstract

一种碳刹车盘预制体的预处理方法，通过对CVI前的飞机碳刹车盘预制体进行预氧化处理，氧气在碳纤维表面刻蚀出凹坑，增加了碳纤维的比表面积，从而提高碳纤维表面活性、增强碳纤维与热解碳界面的结合强度，达到改善碳刹车盘摩擦磨损性能、延长其使用寿命的目的。本发明在常规碳刹车盘制备工艺的基础上增加了预制体的预氧化处理。有效地提高了其表面活性，使得后期沉积的热解碳与碳纤维的界面结合强度增强，摩擦过程中热解碳不易从碳纤维表面剥落形成磨损，故而延长了碳刹车盘的寿命。试验结果表明，在其他条件不变的情况下，本发明制备的碳刹车盘磨损率较未预氧化处理制备的碳刹车盘磨损率降低30%以上，其延长碳刹车盘使用寿命效果明显。

Description

一种碳刹车盘预制体的预处理方法

技术领域

本发明属于碳/碳复合材料制备技术领域，具体特别涉及一种碳刹车盘预制体的预处理方法。

背景技术

随着航空技术的发展，飞机速度不断提高，装载量不断增加，这就对飞机正常着陆制动和中止起飞制动刹车材料适应高速、重载提出了很高的要求。碳/碳复合材料以其密度小、耐高温、摩擦磨损性能优异、制动吸收能量大等优点而广泛应用于飞机刹车盘。

国外Messier-Bugatti、Honeywell、Goodrich等碳刹车盘生产厂家以碳纤维毡或者预氧丝毡为预制体，国内航天43所、中南大学等单位大多采用针刺碳纤维毡为预制体，然后通过化学气相渗透（CVI）在预制体表面沉积热解碳基体，达到增密的目的，再辅以高温热处理、机械加工等工序得到飞机碳刹车盘。

碳刹车盘的摩擦磨损性能是影响其寿命的最关键因素，而碳刹车盘预制体表面状态及其与热解碳基体的界面结合状态对其摩擦磨损性能有着重要的影响。如何通过改变预制体表面状态、以及其与热解碳基体的结合强度来延长碳刹车盘的寿命，目前国内外除了以下两个专利报道外，很少有人关注此问题。

专利CN103172398A公开了一种碳刹车盘用纤维的表面处理方法，其通过化学气相沉积法对纤维表面进行改性处理，将沉积与热处理相结合，通过分段沉积，得到低磨损率飞机碳刹车盘。专利CN102643103A公开了一种碳刹车盘的制备方法，是将热处理与化学气相沉积纤维表面处理相结合，获得改良的碳刹车盘预制体，该方法增加了纤维表面基体形核点，起到了增强了界面效应、延长低速低能下碳刹车盘的使用寿命的作用。

但是，上述两个发明创造均是从通过热处理和化学气相沉积的方法来增加纤维表面基体的形核点，没有从本质上改变碳纤维表面的物理状态，因此，其对界面效应的增强效果很有限，延长碳刹车盘使用寿命的能力也很有限。

发明内容

为克服现有技术中存在的界面效应强度有限，延长碳刹车盘使用寿命的能力也很有限的不足，本发明提出了一种碳刹车盘预制体的预处理方法。

本发明的具体步骤为：

步骤1，预制体热处理：将预制体装入热处理炉中，采用常规方法进行热处理去胶，热处理温度为2100℃～2600℃，保温时间为1h～4h，炉压≤100Pa后通氩气保护。

步骤2，预制体的预氧化处理：采用压缩空气对去胶后的预制体进行预氧化处理，具体过程为：

第一步，将去胶后的预制体装入沉积炉；

第二步，将沉积炉通电，抽真空以排出炉内空气，炉压≤100Pa时停止抽真空；

第三步，沉积炉升温至450℃～550℃并保温，对沉积炉通压缩空气，同时调节炉压至1kPa～3kPa进行预氧化处理；预氧化处理的时间为0.5h～3h。压缩空气流量为20SLM～50SLM。

第四步，预氧化处理结束后，停止通压缩空气，沉积炉降温至200℃以下，预制体出炉称重，预制体重量减轻0.2%～1%。

步骤3，CVI处理。采用常规方法进行CVI处理，直至预制体的密度达到1.72g/cm³，得到经过CVI处理的碳刹车盘。CVI处理中：天然气工艺的沉积温度为950℃～1050℃，流量为40SLM～65SLM；丙烯气工艺的沉积温度为800℃～950℃，流量为20SLM～50SLM；当CVI处理开始时，调节炉压至1kPa～4kPa。

步骤4，最终热处理。将密度达到1.72g/cm³的碳刹车盘置于热处理炉中，采用常规热处理方法对所述碳刹车盘进行最终热处理。最终热处理中，对热处理炉抽真空至≤100Pa。对热处理炉升温至1400℃时通氩气保护，继续对热处理炉升温至1900℃～2600℃并保温1h～4h，得到碳刹车盘。

本发明在碳刹车盘CVI之前，对其预制体进行预氧化处理，通过对CVI前的飞机碳刹车盘预制体进行预氧化处理，氧气在碳纤维表面刻蚀出凹坑，增加了碳纤维的比表面积，从而提高碳纤维表面活性、增强碳纤维与热解碳界面的结合强度，达到改善碳刹车盘摩擦磨损性能、延长其使用寿命的目的。

本发明在常规碳刹车盘制备工艺的基础上增加了预制体的预氧化处理。预氧化处理过程中，氧气在碳纤维表面刻蚀出凹坑，增加了碳纤维的比表面积，有效地提高了其表面活性，使得后期沉积的热解碳与碳纤维的界面结合强度增强，摩擦过程中热解碳不易从碳纤维表面剥落形成磨损，故而延长了碳刹车盘的寿命。对利用本发明技术制备的碳刹车盘和未预氧化处理制备的碳刹车盘进行刹车性能试验，结果表明在其他条件不变的情况下，本发明技术制备的碳刹车盘磨损率较未预氧化处理制备的碳刹车盘磨损率降低30%以上，其延长碳刹车盘使用寿命效果明显。

具体实施方式

实施例一

本实施例是一种碳刹车盘预制体的预处理方法，其具体过程包括以下步骤：

步骤1，预制体热处理：将预制体装入热处理炉中，采用常规方法进行热处理去胶，热处理温度为2100℃，保温时间为4h，炉压≤100Pa后通氩气保护。

步骤2，预制体的预氧化处理：采用压缩空气对去胶后的预制体进行预氧化处理，具体过程为：

第一步，将去胶后的预制体装入沉积炉；

第二步，将沉积炉通电，抽真空以排出炉内空气，炉压≤100Pa时停止抽真空；

第三步，沉积炉升温至450℃并保温。对沉积炉通压缩空气，同时调节炉压至1kPa～3kPa进行预氧化处理；预氧化处理的时间为3h。压缩空气流量为50SLM。

第四步，预氧化处理结束后，停止通压缩空气，沉积炉降温至200℃以下，预制体出炉并称重。得到经过预氧化处理的预制体，该预制体重量减轻0.2%。

步骤3，CVI处理。采用常规方法进行CVI处理，直至预制体的密度达到1.72g/cm³，得到经过CVI处理的碳刹车盘。CVI处理中：沉积温度为950℃，天然气流量为40SLM；当CVI处理开始时，调节炉压至1kPa～4kPa。

步骤4，最终热处理。将密度达到1.72g/cm³的碳刹车盘置于热处理炉中，采用常规热处理方法对所述碳刹车盘进行最终热处理。最终热处理中，对热处理炉抽真空至≤100Pa。对热处理炉升温至1400℃时通氩气保护，继续对热处理炉升温至1900℃并保温4h，得到碳刹车盘。

实施例二

本实施例是一种碳刹车盘预制体的预处理方法，其具体过程包括以下步骤：

步骤1，预制体热处理：将预制体装入热处理炉中，采用常规方法进行热处理去胶，热处理温度为2300℃，保温时间为2h，炉压≤100Pa后通氩气保护。

步骤2，预制体的预氧化处理：采用压缩空气对去胶后的预制体进行预氧化处理，具体过程为：

第一步，将去胶后的预制体装入沉积炉；

第二步，将沉积炉通电，抽真空以排出炉内空气，炉压≤100Pa时停止抽真空；

第三步，沉积炉升温至510℃并保温，对沉积炉通压缩空气，同时调节炉压至1kPa～3kPa进行预氧化处理；预氧化处理的时间为1h。压缩空气流量为35SLM。

第四步，预氧化处理结束后，停止通压缩空气，沉积炉降温至200℃以下，预制体出炉并称重。得到经过预氧化处理的预制体，该预制体重量减轻0.7%。

步骤3，CVI处理。采用常规方法进行CVI处理，直至预制体的密度达到1.72g/cm³，得到经过CVI处理的碳刹车盘。CVI处理中：沉积温度为1010℃，天然气流量为55SLM；当CVI处理开始时，调节炉压至1kPa～4kPa。

步骤4，最终热处理。将密度达到1.72g/cm³的碳刹车盘置于热处理炉中，采用常规热处理方法对所述碳刹车盘进行最终热处理。最终热处理中，对热处理炉抽真空至≤100Pa。对热处理炉升温至1400℃时通氩气保护，继续对热处理炉升温至2300℃并保温2h，得到碳刹车盘。

实施例三

本实施例是一种碳刹车盘预制体的预处理方法，其具体过程包括以下步骤：

步骤1，预制体热处理：将预制体装入热处理炉中，采用常规方法进行热处理去胶，热处理温度为2600℃，保温时间为1h，炉压≤100Pa后通氩气保护。

步骤2，预制体的预氧化处理：采用压缩空气对去胶后的预制体进行预氧化处理，具体过程为：

第一步，将去胶后的预制体装入沉积炉；

第二步，将沉积炉通电，抽真空以排出炉内空气，炉压≤100Pa时停止抽真空；

第三步，沉积炉升温至550℃并保温，对沉积炉通压缩空气，同时调节炉压至1kPa～3kPa进行预氧化处理；预氧化处理的时间为0.7h。压缩空气流量为20SLM。

第四步，预氧化处理结束后，停止通压缩空气，沉积炉降温至200℃以下，预制体出炉并称重。得到经过预氧化处理的预制体，该预制体重量减轻0.6%。

步骤3，CVI处理。采用常规方法进行CVI处理，直至预制体的密度达到1.72g/cm³，得到经过CVI处理的碳刹车盘。CVI处理中：沉积温度为1050℃，天然气流量为65SLM；当CVI处理开始时，调节炉压至1kPa～4kPa。

步骤4，最终热处理。将密度达到1.72g/cm³的碳刹车盘置于热处理炉中，采用常规热处理方法对所述碳刹车盘进行最终热处理。最终热处理中，对热处理炉抽真空至≤100Pa。对热处理炉升温至1400℃时通氩气保护，继续对热处理炉升温至2600℃并保温1h，得到碳刹车盘。

实施例四

本实施例是一种碳刹车盘预制体的预处理方法，其具体过程包括以下步骤：

步骤1，预制体热处理：将预制体装入热处理炉中，采用常规方法进行热处理去胶，热处理温度为2100℃，保温时间为4h，炉压≤100Pa后通氩气保护。

步骤2，预制体的预氧化处理：采用压缩空气对去胶后的预制体进行预氧化处理，具体过程为：

第一步，将去胶后的预制体装入沉积炉；

第二步，将沉积炉通电，抽真空以排出炉内空气，炉压≤100Pa时停止抽真空；

第三步，沉积炉升温至450℃并保温，对沉积炉通压缩空气，同时调节炉压至1kPa～3kPa进行预氧化处理；预氧化处理的时间为3h。压缩空气流量为45SLM。

第四步，预氧化处理结束后，停止通压缩空气，沉积炉降温至200℃以下，预制体出炉并称重。得到经过预氧化处理的预制体，该预制体重量减轻0.4%。

步骤3，CVI处理。采用常规方法进行CVI处理，直至预制体的密度达到1.72g/cm³，得到经过CVI处理的碳刹车盘。CVI处理中：沉积温度为800℃，丙烯气流量为20SLM；当CVI处理开始时，调节炉压至1kPa～4kPa。

步骤4，最终热处理。将密度达到1.72g/cm³的碳刹车盘置于热处理炉中，采用常规热处理方法对所述碳刹车盘进行最终热处理。最终热处理中，对热处理炉抽真空至≤100Pa。对热处理炉升温至1400℃时通氩气保护，继续对热处理炉升温至1900℃并保温4h，得到碳刹车盘。

实施例五

本实施例是一种碳刹车盘预制体的预处理方法，其具体过程包括以下步骤：

步骤1，预制体热处理：将预制体装入热处理炉中，采用常规方法进行热处理去胶，热处理温度为2300℃，保温时间为2h，炉压≤100Pa后通氩气保护。

步骤2，预制体的预氧化处理：采用压缩空气对去胶后的预制体进行预氧化处理，具体过程为：

第一步，将去胶后的预制体装入沉积炉；

第二步，将沉积炉通电，抽真空以排出炉内空气，炉压≤100Pa时停止抽真空；

第三步，沉积炉升温至520℃并保温，对沉积炉通压缩空气，同时调节炉压至1kPa～3kPa进行预氧化处理；预氧化处理的时间为1h。压缩空气流量为35SLM。

第四步，预氧化处理结束后，停止通压缩空气，沉积炉降温至200℃以下，预制体出炉并称重。得到经过预氧化处理的预制体，该预制体重量减轻0.8%。

步骤3，CVI处理。采用常规方法进行CVI处理，直至预制体的密度达到1.72g/cm³，得到经过CVI处理的碳刹车盘。CVI处理中：沉积温度为890℃，丙烯气流量为35SLM；当CVI处理开始时，调节炉压至1kPa～4kPa。

步骤4，最终热处理。将密度达到1.72g/cm³的碳刹车盘置于热处理炉中，采用常规热处理方法对所述碳刹车盘进行最终热处理。最终热处理中，对热处理炉抽真空至≤100Pa。对热处理炉升温至1400℃时通氩气保护，继续对热处理炉升温至2400℃并保温2h，得到碳刹车盘。

实施例六

本实施例是一种碳刹车盘预制体的预处理方法，其具体过程包括以下步骤：

步骤1，预制体热处理：将预制体装入热处理炉中，采用常规方法进行热处理去胶，热处理温度为2600℃，保温时间为1h，炉压≤100Pa后通氩气保护。

步骤2，预制体的预氧化处理：采用压缩空气对去胶后的预制体进行预氧化处理，具体过程为：

第一步，将去胶后的预制体装入沉积炉；

第二步，将沉积炉通电，抽真空以排出炉内空气，炉压≤100Pa时停止抽真空；

第三步，沉积炉升温至550℃并保温，对沉积炉通压缩空气，同时调节炉压至1kPa～3kPa进行预氧化处理；预氧化处理的时间为0.5h。压缩空气流量为25SLM。

第四步，预氧化处理结束后，停止通压缩空气，沉积炉降温至200℃以下，预制体出炉并称重。得到经过预氧化处理的预制体，该预制体重量减轻1.0%。

步骤3，CVI处理。采用常规方法进行CVI处理，直至预制体的密度达到1.72g/cm³，得到经过CVI处理的碳刹车盘。CVI处理中：沉积温度为950℃，丙烯气流量为50SLM；当CVI处理开始时，调节炉压至1kPa～4kPa。

步骤4，最终热处理。将密度达到1.72g/cm³的碳刹车盘置于热处理炉中，采用常规热处理方法对所述碳刹车盘进行最终热处理。最终热处理中，对热处理炉抽真空至≤100Pa。对热处理炉升温至1400℃时通氩气保护，继续对热处理炉升温至2600℃并保温1h，得到碳刹车盘。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (1)

1.一种碳刹车盘预制体的预处理方法，其特征在于，具体步骤为：

步骤1，预制体热处理：将预制体装入热处理炉中，采用常规方法进行热处理去胶；所述预制体热处理的温度为2100℃～2600℃，保温时间为1h～4h，炉压≤100Pa后通氩气保护；

步骤2，预制体的预氧化处理：采用压缩空气对去胶后的预制体进行预氧化处理，具体过程为：

第一步，将去胶后的预制体装入沉积炉；

第二步，沉积炉抽真空以排出炉内空气，炉压≤100Pa时停止抽真空；

第三步，沉积炉升温至450℃～550℃并保温，对沉积炉通压缩空气，同时调节炉压至1kPa～3kPa进行预氧化处理；预氧化处理的时间为0.5h～3h；压缩空气流量为20SLM～50SLM；

第四步，预氧化处理结束后，停止通压缩空气，沉积炉降温至200℃以下，预制体出炉称重，预制体重量减轻0.2％～1％；

步骤3，CVI处理；采用常规方法进行CVI处理，直至预制体的密度达到1.72g/cm³，得到经过CVI处理的碳刹车盘；CVI处理中：天然气工艺的沉积温度为950℃～1050℃，流量为40SLM～65SLM；丙烯气工艺的沉积温度为800℃～950℃，流量为20SLM～50SLM；当CVI处理开始时，调节炉压至1kPa～4kPa；

步骤4，最终热处理；将密度达到1.72g/cm³的碳刹车盘置于热处理炉中，采用常规热处理方法对所述碳刹车盘进行最终热处理；最终热处理中，对热处理炉抽真空至≤100Pa；对热处理炉升温至1400℃时通氩气保护，继续对热处理炉升温至1900℃～2600℃并保温1h～4h，得到碳刹车盘。