專利名稱：磁浮列車滑橇用碳纖復(fù)合材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種碳/碳纖復(fù)合材料，具體地說是一種磁浮列車滑橇用碳纖復(fù)合材料。
背景技術(shù)：
磁浮交通在世界范圍尚屬一項(xiàng)新的技術(shù)，用於磁浮高速列車的主要承載部件---滑橇，它的關(guān)鍵零件是耐高溫的高速耐磨碳纖維復(fù)合材料板.它要求同時(shí)具有若干項(xiàng)優(yōu)異的性能。因此對(duì)於它的制造方法和材料性能，目前尚未見到文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)和專利介紹。
磁浮高速列車是新型的交通工具，運(yùn)行速度高達(dá)500公里/小時(shí)，(即139米/秒)，磁浮高速列車沒有車輪，取而代之的是若干對(duì)滑橇，滑橇的主要零件是碳纖復(fù)合材料板，滑橇的主要功能是(1)，支撐列車(包括乘客和行李)的重量；(2)，當(dāng)列車在運(yùn)行途中緊急剎車時(shí)，或因車輛故障需牽引拖至修理場(chǎng)地時(shí)，要保證列車安全地在軌道上滑行，并不磨損軌道。
由於列車速度高，因此對(duì)碳纖復(fù)合材料板的性能要求也很高，要求它同時(shí)具備以下性能；(1)，高的抗壓強(qiáng)度，以承載列車重量和列車沉浮過程中的壓縮沖擊和壓縮疲；(2)，高的層間剪切強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度，以滿足安全地承受高速滑行時(shí)與軌道摩擦形成的沖擊和剪切；(3)，低的摩擦系數(shù)，同時(shí)在高速高溫摩擦條件下具有低的磨耗；(4)，高速條件下摩擦常伴隨升溫，因此要有良好的導(dǎo)熱性能和低的熱膨脹系數(shù)，以減小熱變形，保持零件幾何尺寸的穩(wěn)定；(5)，良好的高溫強(qiáng)度，不因摩擦發(fā)熱升溫而導(dǎo)致機(jī)械性能的下降。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種磁浮列車滑橇用碳纖復(fù)合材料。
本發(fā)明的目的還是提供一種磁浮列車滑橇用碳纖復(fù)合材料的制造方法，確保能制造出具備上述機(jī)械性能和物理性能的碳纖復(fù)合材料板，實(shí)現(xiàn)在商業(yè)運(yùn)行的列車上正常安全地應(yīng)用。
本發(fā)明的另一目的是提供一種磁浮列車滑橇用碳纖復(fù)合材料的用途。本發(fā)明的磁浮列車滑橇用碳纖復(fù)合材料，其組織結(jié)構(gòu)芯部是均一碳/碳纖兩相復(fù)合結(jié)構(gòu)，表層則是碳/碳纖/碳化硅三相梯度復(fù)合材料。
本發(fā)明的磁浮列車滑橇用碳纖復(fù)合材料的生產(chǎn)工藝分三個(gè)部份先驅(qū)體的制作；碳化與增密；機(jī)加工與表面涂層。
先驅(qū)體的制作工藝如下碳纖布----表面處理----浸漬樹脂----成型固化-----一定尺寸形狀的先驅(qū)體。
碳化與增密工藝如下先驅(qū)體----碳化----浸漬樹脂----碳化(反復(fù)多次，直至達(dá)到所要求的密度)-----石墨化處理-----高壓浸漬樹脂再碳化。
機(jī)械加工與表面涂層工藝如下；用銑，鉆等加工方法加工到圖紙尺寸(工作面和安裝面留磨削余量)-----表面涂層處理----磨光----檢驗(yàn)。
本發(fā)明的碳纖維采用高強(qiáng)丙烯腈碳纖維，可用6k或12K的束絲織成碳纖維布，其織物結(jié)構(gòu)可以是平紋布，也可以是鈄紋布。
碳纖維布的表面處理目的是清除纖維表面膠質(zhì)，提高表面活性，增加同膠粘劑的粘合力。其方法采用在300-550℃氧化爐中間隙式氧化法。氧化時(shí)間0.5-3小時(shí)。
浸漬樹脂可以采用浸漬碳得率高的酚醛樹脂；(即加熱到1000℃碳得率在50-60％的硼酸改性酚醛樹脂)，為提高對(duì)碳纖布的浸漬能力，用溶劑稀釋到樹脂膠液相對(duì)密度在1.00-1.10，烘干溫度115-130℃，控制樹脂的浸漬量在5-40％。
浸漬樹脂后的碳纖維布按照先驅(qū)體的大小裁剪成若干張，按先驅(qū)體的厚度將碳纖維布疊層鋪沒在壓機(jī)的模板上，用加熱加壓的方法固化成型，固化工藝；溫度160-200℃，壓力8-16Mpa，最后制成一定尺寸和厚度的先驅(qū)體。然后將先驅(qū)體在220-250℃烘箱中作后固化處理8小時(shí)。
先驅(qū)體在真空碳化爐中碳化，制成密度較低(1.4以下)的碳/碳纖復(fù)合材料，碳化工藝主要參數(shù)是；在450-650℃區(qū)間升溫速度不超過30℃/小時(shí)；前階段真空保護(hù)；后階段氮?dú)獗Ｗo(hù)；最高碳化溫度1100℃。
增密處理的目的是增加碳/碳纖復(fù)合材料的密度，從而提高它的性能，它是通過浸漬樹脂和碳化兩道工藝反復(fù)進(jìn)行的，碳化后的復(fù)合材料存在許多孔隙，將它置於樹脂浸漬罐中，在真空條件下加入煤瀝青，并將溫度控制在200-250℃使瀝青流動(dòng)性最好，以利於浸漬，然后通入氮?dú)?，施以一定壓力，讓瀝青填滿孔隙，然后再在碳化爐中將瀝青轉(zhuǎn)化成碳，工藝同前述碳化工藝，隨著次數(shù)增加，孔隙愈來愈小，浸漬壓力愈來愈高。本產(chǎn)品浸瀝青的壓力在10-60Mpa。
石墨化處理的目的是讓部份碳轉(zhuǎn)化成石墨，從而提高復(fù)合材料的性能，還能將表層沉漬碳開孔，以利於進(jìn)一步增密?；蛲繉犹幚?，石墨化處理溫度為2200℃，升溫速度30-50℃/小時(shí)。
表面涂層的目的有二，一是防止高速摩擦條件下產(chǎn)生的高溫使復(fù)合材料氧化，從而降低機(jī)械性能和物理性能。二是增加表層的硬度和密度，使表層形成梯度復(fù)合材料，從而提高板的耐磨性和使用壽命。本發(fā)明采用了SiC涂層的復(fù)合工藝。其工藝為CVR(化學(xué)氣相反應(yīng)法)經(jīng)處理后表層形成C-C-SiC三元復(fù)合組織的堅(jiān)硬耐磨層。
滑橇用碳纖復(fù)合材料板的尺寸形狀分大小兩種，如圖1，圖2所示。工作面和安裝面最后都要經(jīng)磨光工藝加工。
經(jīng)過上述工藝，可以制得密度在1.65-1.72的碳纖復(fù)合材料板，其抗壓強(qiáng)度不低於140Mpa，層間剪切強(qiáng)度不低於10Mpa，其它各項(xiàng)性能均能滿足磁浮高速列車運(yùn)行的要求。與本發(fā)明相近的碳/碳復(fù)合材料多用作宇航裝備，其功能多作為高溫?zé)g材料之用，本發(fā)明為碳/碳復(fù)合材料開拓了高速耐磨高性能器件的用途，它不僅用於磁浮高速列車滑橇，也能作為耐磨材料用於其它高速耐磨器件---如剎車片。


圖1是本發(fā)明的滑橇用小尺寸碳纖復(fù)合材料板；圖2是本發(fā)明的滑橇用大尺寸碳纖復(fù)合材料板其中圖2-1為正視圖，圖2-2為俯視3是本發(fā)明的碳纖復(fù)合材料的表面組織結(jié)構(gòu)中SiC分布電鏡照片；圖4是本發(fā)明的碳纖復(fù)合材料的芯部組織結(jié)構(gòu)電鏡照片；其中圖1-1為正視圖，圖1-2為俯視圖，圖2-1為正視圖，圖2-1為俯視圖。
符號(hào)說明1-磁浮列車滑橇用碳纖復(fù)合材料板，11-裝配面，12-摩擦面，13-裝配孔，△碳纖維，□碳化硅，◇瀝青轉(zhuǎn)化成的碳，○孔隙。
具體實(shí)施例方式
通過下述實(shí)施例將有助于理解本發(fā)明，但并不限制本發(fā)明的內(nèi)容。
實(shí)施例11，用6k碳纖維織成二上二下鈄紋布，經(jīng)緯紗密度為5.5-6.5根/厘米，經(jīng)350℃高溫脫脂表面氧化處理后，浸漬高碳得率硼酚醛樹脂，樹脂浸漬量為40％。
2，將浸過酚醛樹脂的碳纖維布72層相疊，在170-190℃和8-10Mpa壓力下固化交聯(lián)制成厚30mm的先驅(qū)體。然后將先驅(qū)體在250℃高溫爐中后固化處理8小時(shí)。
3，將先驅(qū)體置入常規(guī)真空碳化爐中碳化，碳化工藝主要參數(shù)是在450-650℃區(qū)間升溫速度不超過30℃/小時(shí)；前階段真空保護(hù)；后階段氮?dú)獗Ｗo(hù)；最高碳化溫度1100℃；其它同常規(guī)碳化工藝。
4，將第一次碳化后的先驅(qū)體置於高壓浸漬罐中，在250-300℃溫度下浸漬瀝青，然后重復(fù)3碳化工藝進(jìn)行碳化。
5，第3第4項(xiàng)工藝重復(fù)三次，先驅(qū)體密度增加到1.65-1.70以后進(jìn)行石墨化處理。
6.石墨化處理在常規(guī)石墨化爐中進(jìn)行，石墨化溫度為2200-2300℃。
7，用機(jī)械切削加工工藝，按圖1和圖2的要求，加工碳/碳纖復(fù)合板至所需尺寸(厚度留0.5mm磨削余量)。
8，在專用的真空感應(yīng)爐中對(duì)碳/碳纖復(fù)合板進(jìn)行CVR(化學(xué)氣相反應(yīng)法)表層滲Si處理，處理溫度；1700-2100℃；處理之后，在復(fù)合材料板表層形成SiC/C/CF三元復(fù)合組織，層深1.5-2.5mm，其性能堅(jiān)硬耐磨，.而芯部仍是CF/C二元復(fù)合結(jié)構(gòu)，保持了C/C復(fù)合材料的許多優(yōu)異性能。圖3為碳纖復(fù)合材料板表層組織結(jié)構(gòu)SiC分布電鏡照片，圖4為碳纖復(fù)合材料板芯部組織的掃描電鏡照片。
9，用金剛砂輪在平面磨床上將復(fù)合材料板工作面和安裝面磨光，直到所要求的厚度尺寸及表面光潔度。
經(jīng)過上述工藝所制得的磁浮列車滑橇用碳纖復(fù)合材料板。其性能如下；


本發(fā)明確立了一種新型高速耐磨材料的生產(chǎn)制造工藝流程，與常規(guī)C/C復(fù)合材料制造方法相比，創(chuàng)新之處在於(1)，常規(guī)C/C復(fù)合材料制造方法所得制品的組織結(jié)構(gòu)是碳/碳纖兩相均質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)，提高制品性能完全靠增加密度的方法，因此成本較高，而本發(fā)明所得制品的組織結(jié)構(gòu)心部是均一碳/碳纖兩相復(fù)合結(jié)構(gòu)，表層則是碳/碳纖/碳化硅三相梯度復(fù)合材料，因此具有較好的耐磨性，并有較高的性價(jià)比，能降低C/C復(fù)合材料的生產(chǎn)成本，更易為民品市場(chǎng)所接受。(2)，本發(fā)明在制品性能與相關(guān)生產(chǎn)工藝之間建立起相匹配的聯(lián)系，提供滿足磁浮交通的高性能復(fù)合材料板。
權(quán)利要求
1.一種磁浮列車滑橇用碳纖復(fù)合材料，其特征是該碳纖復(fù)合材料的組織結(jié)構(gòu)芯部是均一碳/碳纖兩相復(fù)合結(jié)構(gòu)，表層則是碳/碳纖/碳化硅三相梯度復(fù)合材料。
2.如權(quán)利要求1所述的一種磁浮列車滑橇用碳纖復(fù)合材料，其特征是該碳纖復(fù)合材料密度為1.65-1.72，其抗壓強(qiáng)度154～171Mpa，層間剪切強(qiáng)度為11.5～13.2Mpa。
3.如權(quán)利要求1所述的一種磁浮列車滑橇用碳纖復(fù)合材料的制備方法，其特征是采用高強(qiáng)丙烯腈碳纖維通過下述三步制得先驅(qū)體的制作；碳化與增密；機(jī)加工與表面涂層；所述的先驅(qū)體的制作工藝如下將上述碳纖布表面處理、浸漬樹脂、成型固化得到一定尺寸形狀的先驅(qū)體；碳化與增密工藝如下將上述先驅(qū)體碳化、浸漬樹脂、反復(fù)多次碳化和浸漬樹脂直至達(dá)到1.65-1.72密度、再石墨化處理；機(jī)械加工與表面涂層工藝如下 用銑、鉆等加工方法加工到圖紙尺寸、表面SiC涂層處理、磨光、檢驗(yàn)。
4.如權(quán)利要求3所述的一種磁浮列車滑橇用碳纖復(fù)合材料的制備方法，其特征是所述的高強(qiáng)丙烯腈碳纖維是6k或12K的高強(qiáng)丙烯腈碳纖維。
5.如權(quán)利要求3所述的一種磁浮列車滑橇用碳纖復(fù)合材料的制備方法，其特征是所述的高強(qiáng)丙烯腈碳纖維是束絲織成碳纖維平紋或鈄紋布。
6.如權(quán)利要求3所述的一種磁浮列車滑橇用碳纖復(fù)合材料的制備方法，其特征是所述的碳纖維布的表面處理是在300-550℃氧化爐中間隙式氧化法，氧化時(shí)間0.5-3小時(shí)；浸漬樹脂采用浸漬碳得率高的酚醛樹脂，即加熱到1000℃碳得率在50-60％的硼酸改性酚醛樹脂，用溶劑乙醇稀釋到樹脂膠液相對(duì)密度在1.00-1.10，烘干，烘干溫度15--130℃，控制樹脂的浸漬量在25-40％；浸漬樹脂后的碳纖維布按照先驅(qū)體的大小裁剪，按先驅(qū)體的厚度將碳纖維布疊層鋪沒在壓機(jī)的模板上，用加熱加壓的方法固化成型，溫度170-190℃，壓力8-10Mpa；然后在250℃烘箱中后固化8小時(shí)制得先驅(qū)體；先驅(qū)體在真空碳化爐中碳化，制成密度較低1.1～1.4的碳/碳纖復(fù)合材料板；碳化工藝在450--650℃區(qū)間，升溫速度不超過30℃/小時(shí)；前階段真空保護(hù)；后階段氮?dú)獗Ｗo(hù)；最高碳化溫度1100℃；增密處理是通過浸漬樹脂和碳化兩道工藝反復(fù)進(jìn)行的，將它置於樹脂浸漬罐中，在真空和200--250℃條件下加入煤瀝青，然后通入氮?dú)猓?0-60Mpa壓力下浸漬瀝青，在碳化爐中將瀝青轉(zhuǎn)化成碳，工藝同上；石墨化處理溫度為2200℃，表面涂層是采用化學(xué)氣相反應(yīng)法的復(fù)合工藝對(duì)表層滲Si，經(jīng)處理后表層形成C-C-SiC三元復(fù)合組織堅(jiān)硬耐磨層。
7.如權(quán)利要求1所述的一種磁浮列車滑橇用碳纖復(fù)合材料的用途，其特征是所述的碳纖復(fù)合材料板用于制備高速耐磨高性能器件。
8.如權(quán)利要求7所述的一種磁浮列車滑橇用碳纖復(fù)合材料的用途，其特征是所述的碳纖復(fù)合材料用于制備磁浮列車滑橇用碳纖復(fù)合材料板和剎車片。
全文摘要
本發(fā)明是一種磁浮列車滑橇用碳纖復(fù)合材料、制造方法和應(yīng)用。該碳纖復(fù)合材料板的組織結(jié)構(gòu)芯部是均一碳/碳纖兩相復(fù)合結(jié)構(gòu)，表層則是碳/碳纖/碳化硅三相梯度復(fù)合材料，碳纖復(fù)合材料板密度為1.65－1.72，其抗壓強(qiáng)度154～171MPa，層間剪切強(qiáng)度為11.5～13.2MPa?？捎糜谥苽浯鸥×熊嚮劣锰祭w復(fù)合材料板和剎車片。
文檔編號(hào)C04B35/532GK1631845SQ20041008432
公開日2005年6月29日 申請(qǐng)日期2004年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月18日
發(fā)明者李靈忻, 王曙中, 蘇紅, 李崇俊, 袁象愷, 張宏君 申請(qǐng)人:上海磁浮交通工程技術(shù)研究中心