本發(fā)明涉及一種陶瓷復(fù)合材料，更具體是指一種具有高強度、耐高溫和具有良好耐磨性能的陶瓷制動復(fù)合材料。
背景技術(shù)：
：：陶瓷復(fù)合材料是復(fù)合材料中的一種，是目前材料科學(xué)領(lǐng)域非常重視的一種復(fù)合材料。陶瓷復(fù)合材料一般具有熔點高、抗氧化、抗腐蝕、耐高溫和耐磨損等特點，因此得到廣泛的使用，例如用于航空航天領(lǐng)域的耐高溫高強度的陶瓷材料、用于化工領(lǐng)域的耐高溫抗腐蝕和抗氧化的陶瓷材料，還有可用于飛機、高速列車和高速跑車等交通工具的耐高溫、高強度和耐磨的制動材料，當(dāng)然還有其它領(lǐng)域。陶瓷復(fù)合材料的缺點是抗彎強度不高，且斷裂韌性低，并且一般制備工藝復(fù)雜、制備成本高。具體到可作為各種高速運動的交通工具的制動材料，要求具備的性能是：(1)足夠的強度，以承受高速旋轉(zhuǎn)時的離心力以及制動時閘片的壓力；(2)高而穩(wěn)定的摩擦系數(shù)，以獲得良好的制動；(3)較高的耐磨性，以提高使用壽命；(4)密度小，以降低車軸上的重量，還有較好的耐高溫性能、良好的工藝和加工成型性能及較低的制造成本。由于上述的各項要求須同時具備，并且還需考慮到安裝、使用、維護等要求，確實是很困難的事情，特別是隨著高速列車的車速提高和車載噸位的增加，對制動材料的要求亦越來越高，還有就是隨著高速列車線路的不斷拓展，自然環(huán)境的差異性增加，例如一趟列車可從干旱地區(qū)進入梅雨地區(qū)，而目前使用的特種鑄鐵(鋼)、合金鍛鋼、非金屬復(fù)合材料、粉末冶金材料等均存在各自的缺陷和綜合性能不高。因此，如何制備具有高強度、耐高溫、耐磨損和工藝性能的陶瓷復(fù)合材料，不僅解決高速交通工具的制動問題，同時為其它領(lǐng)域的高速運轉(zhuǎn)設(shè)備提供一種高性能的材料具有十分重要的意義。技術(shù)實現(xiàn)要素：：本發(fā)明的發(fā)明目的是公開一種具有高強度、耐高溫和具有良好耐磨損的綜合性能好的陶瓷制動復(fù)合材料及其制備方法。實現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)解決方案是所述的陶瓷制動復(fù)合材料的組成(按重量百分比)是：按上述配方組分經(jīng)高溫?zé)频玫剿龅奶沾芍苿訌?fù)合材料。上述的陶瓷制動復(fù)合材料的組成(按重量百分比)還可優(yōu)選為：混雜纖維15％、石墨粉15％、鋁粉10％、硅粉8％、二氧化鈦粉8％、三氧化二硼粉6％、三氧化二鋁粉7％、二氧化鋯粉6％和20％水玻璃。經(jīng)高溫?zé)频玫剿龅奶沾芍苿訌?fù)合材料。上述的混雜纖維由連續(xù)的聚丙烯腈(PAN)炭纖維和非金屬短纖維構(gòu)成。上述的非金屬短纖維為高硅氧短纖維和硅酸鋁短纖維，構(gòu)成的混雜纖維的組成(重量百分比)是：連續(xù)的聚丙烯腈(PAN)炭纖維50～55％、高硅氧短纖維25～30％、硅酸鋁短纖維15～20％，三者充分混合。上述的非金屬短纖維為高硅氧短纖維、硅酸鋁短纖維和短炭纖維，構(gòu)成的混雜纖維的組成(重量百分比)是：連續(xù)的聚丙烯腈(PAN)炭纖維45～55％、高硅氧短纖維20～30％、硅酸鋁短纖維15～20％、短炭纖維8～12％，充分混合。上述的陶瓷制動復(fù)合材料的制備方法的步驟是：1、將充分分散的纖維混合均勻后與前述的陶瓷復(fù)合材料的原料各組分充分混合；2、將混合好的混合物料置入密閉容器放置24～30小時；3、將混合物料按要求制備為所需形狀和尺寸的模具中制成預(yù)制坯；4、將預(yù)制坯在成型壓力為8～12Mpa下，升溫至140℃～150℃，在200℃條件下，保溫1～1.5小時；5、在真空和氬氣保護氣氣氛下、常壓狀態(tài)燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1800℃～2000℃，然后保溫1～3小時，至常溫后得所述的陶瓷制動復(fù)合材料。在上述的制備方法的步驟4中，對升溫過程的要求是：室溫～120℃為1～6小時，120℃～150℃為50℃/小時，150℃～200℃為100℃/小時。在上述的制備方法的步驟5中，對升溫過程的要求是：室溫～300℃為50℃/小時，300℃～700℃(通入氮氣)為30℃/小時，700℃～1200℃為50℃/小時，1200℃～2000℃(通入氬氣)為100℃/小時，2000℃保溫1～3小時，自然冷卻至室溫。本發(fā)明公開的陶瓷制動復(fù)合材料及其制備方法是申請人經(jīng)過長期、反復(fù)試驗研究后得出的技術(shù)方案，本陶瓷制動復(fù)合材料具有非常優(yōu)越的綜合性能，如密度小，可大幅減小制品的重量，具有優(yōu)良的力學(xué)性能，彎曲強度、壓縮強度和層間剪切強度均達到相當(dāng)高的技術(shù)指標(biāo)，耐熱性能好，特別是作為制動材料時，還具有非常好的耐磨性能，尤為關(guān)鍵的是在潮濕狀態(tài)下，交通工具高速時其耐磨性能保持很高的穩(wěn)定性，這是通常的制動材料不具有的性能。本陶瓷制動復(fù)合材料即具有陶瓷復(fù)合材料的優(yōu)點同時還具有碳基復(fù)合材料和金屬基復(fù)合材料的一些優(yōu)點，其還具有的優(yōu)點是有非常好的各方向性性能，使其具有可加工性能，且制備工藝簡單，可大幅降低制備和加工成本。具體實施方式：下面給出本發(fā)明的具體的實施方式，該實施方式是為便于對本發(fā)明的技術(shù)方案和權(quán)利要求的更好的理解，而不應(yīng)視為是對權(quán)利要求保護范圍的限制。本發(fā)明的實施例所述的所述的陶瓷制動復(fù)合材料的組成(按重量百分比)的構(gòu)成是：混雜纖維15～25％、石墨粉15～25％、鋁粉10～15％、硅粉8～15％、二氧化鈦粉6～14％、三氧化二硼粉5～8％、三氧化二鋁粉5～10％、二氧化鋯粉5～10％和水玻璃15～30％經(jīng)高溫?zé)频玫剿龅奶沾芍苿訌?fù)合材料，其中水玻璃作為粘結(jié)劑；作為優(yōu)選，所述的混雜纖維15％、石墨粉15％、鋁粉10％、硅粉8％、二氧化鈦粉8％、三氧化二硼粉6％、三氧化二鋁粉7％、二氧化鋯粉6％和20％水玻璃，經(jīng)高溫?zé)频玫剿龅奶沾芍苿訌?fù)合材料。上述的混雜纖維作為增強材料，其它組分燒結(jié)后為陶瓷基體材料，上述的混雜纖維由連續(xù)的聚丙烯腈(PAN)炭纖維和非金屬短纖維構(gòu)成，上述的連續(xù)的聚丙烯腈(PAN)炭纖維為完全無序狀態(tài)，與非金屬短纖維充分混合為無序狀的混雜纖維，混雜纖維在陶瓷制動復(fù)合材料中作為增強材料，可以提高陶瓷材料的最終的抗拉伸強度、抗彎曲強度和剪切強度，同時混雜纖維相比于現(xiàn)有技術(shù)中的多層纖維(炭)布疊加結(jié)構(gòu)，具有很好的各向同性性能，使陶瓷材料具有可加工性；上述的非金屬短纖維為高硅氧纖維和硅酸鋁纖維，則構(gòu)成的混雜纖維的組成(按重量百分比)是：連續(xù)的聚丙烯腈(PAN)炭纖維50～55％、高硅氧纖維25～30％、硅酸鋁短纖維15～20％，三者充分混合，連續(xù)的聚丙烯腈(PAN)炭纖維具有較高的模量，可增加陶瓷制動復(fù)合材料的強度，且聚丙烯腈炭纖維的微觀結(jié)構(gòu)中的石墨層為二維六邊形石墨網(wǎng)狀層，因此也使陶瓷材料具有較好的抗壓縮強度；高硅氧短纖維和硅酸鋁短纖維與連續(xù)的聚丙烯腈炭纖維的無序混合，形成了各向均勻的增強體，使未最終高溫?zé)Y(jié)為固體前的混合材料可任意各向塑料變形，使混合材料具有成型性，方便制品的異形形狀的制備和工藝的可實現(xiàn)，這是現(xiàn)有技術(shù)中的多層纖維布(氈)增強結(jié)構(gòu)無法實現(xiàn)的，上述的兩種短纖維還可進一步增加力學(xué)強度性能。為進一步提高本發(fā)明所述的陶瓷制動復(fù)合材料的性能，所述的非金屬短纖維為高硅氧短纖維、硅酸鋁短纖維和短炭纖維，其構(gòu)成的混雜纖維的組成(按重量百分比)是：連續(xù)的聚丙烯腈(PAN)炭纖維45～55％、高硅氧短纖維20～30％、硅酸鋁短纖維15～20％、短炭纖維8～12％，充分混合；短炭纖維與連續(xù)的聚丙烯腈(PAN)炭纖維能夠構(gòu)成一種無序的三維炭纖維增強體的立體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對增加陶瓷復(fù)合材料的強度、熱傳導(dǎo)率的均勻分布和高溫下的性能穩(wěn)定起到良好的作用。前面給出了本發(fā)明的陶瓷制動復(fù)合材料的原料的組成及其配比，下面給出制備所述陶瓷制動復(fù)合材料的制備方法，并結(jié)合制備方法進一步描述陶瓷制動復(fù)合材料。所述的陶瓷制動復(fù)合材料的制備方法的步驟是：1、將充分分散的纖維混合均勻后與前述的陶瓷制動復(fù)合材料的原料各組分充分混合；2、將混合好的混合物料置入密閉容器放置24～30小時；3、將混合物料按要求制備為所需形狀和尺寸的模具中制成預(yù)制坯；4、將預(yù)制坯在成型壓力為8～12Mpa下，升溫至140℃～150℃，在200℃條件下，保溫1～1.5小時；5、在真空和氬氣保護氣氣氛下、常壓狀態(tài)燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1800℃～2000℃，然后保溫1～3小時，至常溫后得所述的陶瓷制動復(fù)合材料。在上述的工藝制備過程中，步驟1的混合應(yīng)充分，最好使用捏合機，捏合過程應(yīng)在60～80分鐘，這可使混雜纖維和各原料組分均勻，并排出混合物料時帶入的氣體；在步驟2中混合好的混合物料在密閉容器中放置24～30小時，以使混合物料中的各組分相互浸潤和塑化，以具有良好的可塑性；步驟4使預(yù)制坯在壓力和一定溫度下初步固化；步驟5因原料組分的特定配方和配比，在有壓固化和常壓下燒結(jié)，則可使陶瓷制動復(fù)合材料中界面無反應(yīng)層占多數(shù)，弱界面較多可使陶瓷復(fù)合材料的韌性提高。由于陶瓷制動復(fù)合材料在固化和高溫?zé)Y(jié)過程中，因原料組分、燒結(jié)過程的壓力、溫度和升溫過程等因素均會影響陶瓷制動復(fù)合材料的性能；由于原料組分中有連續(xù)的聚丙烯腈(PAN)炭纖維和短炭纖維，則石墨粉與其具有很好的相容性，并且石墨粉與聚丙烯腈炭纖維的結(jié)合會彌補其原有的缺陷；金屬氧化物和金屬鋁粉使本發(fā)明的陶瓷制動復(fù)合材料具有一定的金屬基陶瓷強度好的特征，硅粉和三氧化二硼粉的存在會產(chǎn)生炭化硅、氮化硅和硼化硅等，并且所述的特定的高硅氧短纖維和硅酸鋁短纖維的加入，使增強體纖維與陶瓷基體之間的相容性進一步提高，并且經(jīng)反復(fù)試驗和測試，本發(fā)明的陶瓷基體和增強體之間熱膨脹系數(shù)相當(dāng)接近，即陶瓷制動復(fù)合材料的纖維與基體之間界面結(jié)合強度高。為進一步提高本發(fā)明的陶瓷制動復(fù)合材料的綜合性能，進一步優(yōu)選前述本陶瓷材料的性能，在上述的制備方法的步驟4中，對升溫過程的優(yōu)化為：室溫～120℃為1～6小時，120℃～150℃為50℃/小時，150℃～200℃為100℃/小時；步驟5中的升溫過程優(yōu)化為：室溫～300℃為50℃/小時，300℃～700℃(通入氮氣)為30℃/小時，700℃～1200℃為50℃/小時，1200℃～2000℃(通入氬氣)為100℃/小時，2000℃保溫1～3小時，自然冷卻至室溫。經(jīng)上述制備過程的優(yōu)化，經(jīng)測試陶瓷制動復(fù)合材料的綜合性能有進一步的提高，例如將本陶瓷制動復(fù)合材料作為高速交通工具的制動材料得到的物理、力學(xué)性能如表一所示：表一：物理，力學(xué)性能模擬高速列車時速350公里制動條件進行制動試驗：制動壓力：0.6Mpa，轉(zhuǎn)數(shù)：7500rpm，慣量1.5kg/M2，得到陶瓷制動復(fù)合材料的摩擦磨損性能如表二所示：表二：摩擦磨損性能試驗結(jié)果性能干態(tài)濕態(tài)摩擦系數(shù)(μ)0.340.33穩(wěn)定系數(shù)(S)0.620.61制動功率(PS)(W/cm2)230238制動時間(S)5055線性磨損(μm/面.次)0.120.11重量磨損(mg/面次)2.102.0由表一、二所示的數(shù)據(jù)，可看出本發(fā)明公開的陶瓷制動復(fù)合材料具有優(yōu)良的力學(xué)性能，同時密度低，重量輕，并摩擦磨損性能優(yōu)良，較已有技術(shù)的制動材料的綜合性能有大幅度提高，尤為是表二示出的在干、濕不同條件下，性能相當(dāng)穩(wěn)定，這是已有的鑄鋼、C/C復(fù)合材料和粉末冶金材料完全不可比的優(yōu)點，可以滿足時速350公里以上列車制動的要求，能夠適應(yīng)我國列車向高速化和輕量化發(fā)展的需要。本發(fā)明不僅具有上述獨特的優(yōu)點，本發(fā)明公開的連續(xù)炭纖維與多種無機短纖維在特定的配比條件下與特定的陶瓷基體復(fù)合強化，價格便宜，采用熱壓成型高溫處理一次燒成的簡單工藝，無需進行循環(huán)增加密度(為提高強度)的工序，無序炭纖維，生產(chǎn)周期短，可節(jié)約大量的能源，使生產(chǎn)成本可降低30～40％，不僅可作為優(yōu)良的制動材料，且可應(yīng)用于諸多要求耐高溫、耐腐蝕、耐磨的機械運動部件。當(dāng)前第1頁1 2 3