一种碳陶刹车盘用炭炭坯料的制备方法

摘要

本发明提供了一种碳陶刹车盘用炭炭坯料的制备方法，包括以下步骤：步骤A，将圆环形的炭纤维预制体装入气相沉积炉内进行预沉积，装炉堆叠时，炭纤维预制体由碳素材料的垫纸隔开，料柱的内、外两侧分别由挡体形成内环空间和外环空间，外环空间和内环空间中任意一者的底部入口被封堵，另一者的顶部出口被封堵；步骤B，将预沉积得到的炭炭坯料从气相沉积炉取出后进行表面车加工；步骤C，将表面车加工得到的炭炭坯料装入气相沉积炉内进行致密化处理，装炉结构与步骤A相同，但外环空间和内环空间的封堵方式根据炭炭坯料的密度在径向上的分布情况而定。本发明提供的制备方法有利于提高炭炭坯料的密度均匀性，从而确保碳陶刹车盘能够更顺利地生产。

说明书

技术领域

本发明涉及飞机刹车盘制造领域，特别是涉及一种碳陶刹车盘用炭炭坯料的制备方法。

背景技术

炭炭复合材料因为其密度低、强度大、高热容性等优点被广泛用于飞机刹车盘上，但其也存在易氧化和湿态性能不好的缺点。碳陶复合材料是继炭炭复合材料后发展起来的轻质高强、耐高温和抗氧化的新型热结构材料，其最显著的特点就是不仅继承了炭炭复合材料的全部优点，同时还具有致密化程度高，环境适应性强，使用寿命长的特点。

制备多孔的炭炭复合材料是碳陶复合材料制备过程中的关键环节，然而目前的制备方法获得的炭炭复合材料常不能满足密度均匀性的要求，这会对碳陶刹车盘的生产效率造成不利影响，因此，如何提供一种制备方法使碳陶刹车盘用炭炭坯料的密度更加均匀，成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种碳陶刹车盘用炭炭坯料的制备方法，该制备方法有利于提高炭炭坯料的密度均匀性，从而确保碳陶刹车盘能够更顺利地生产。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种碳陶刹车盘用炭炭坯料的制备方法，包括以下步骤：

步骤A，将圆环形的炭纤维预制体装入气相沉积炉内进行预沉积，装炉时，所述炭纤维预制体堆叠成圆筒状的料柱，任意相邻两层所述炭纤维预制体由碳素材料的垫纸隔开以形成层间气体通道，在所述料柱的外围罩设外挡体，使所述外挡体与所述料柱的外表面之间形成外环空间，在所述料柱的筒腔内设置内挡体，使所述内挡体与所述料柱的内表面之间形成内环空间，所述外环空间和所述内环空间中任意一者的底部入口被封堵，另一者的顶部出口被封堵；

步骤B，将所述预沉积得到的炭炭坯料从气相沉积炉取出后进行表面车加工；

步骤C，将所述表面车加工得到的炭炭坯料装入气相沉积炉内进行致密化处理，装炉结构与所述步骤A相同，但所述外环空间和所述内环空间的封堵方式根据所述炭炭坯料的密度在径向上的分布情况而定，如果所述炭炭坯料内表面的密度大于外表面的密度，则所述内环空间的底部入口被封堵，而所述外环空间的顶部出口被封堵，如果所述炭炭坯料内表面的密度小于外表面的密度，则所述外环空间的底部入口被封堵，而所述内环空间的顶部出口被封堵。

可选地，在上述制备方法中，还包括步骤D：将所述步骤C得到的炭炭坯料至少重复一次所述步骤C的致密化处理过程。

可选地，在上述制备方法中，在所述步骤A之前，将所述炭纤维预制体装入石墨化炉内进行高温热处理，处理时间为1h～3h，处理温度为1800℃～2500℃。

可选地，在上述制备方法中，在所述步骤C之后，将所述炭炭坯料装入石墨化炉内进行高温热处理，处理时间为1h～3h，处理温度为1800℃～2500℃。

可选地，在上述制备方法中，所述预沉积的工艺参数包括：

沉积气体为丙烯、丙烷和氮气中的任意一种或两种以上与天然气的混合气，天然气在混合气中所占的体积分数为50％～95％；

炉内温度为800℃～1200℃；

炉内气压为1kPa～10kPa；

沉积时间为20h～200h。

可选地，在上述制备方法中，所述致密化处理的工艺参数包括：

沉积气体为丙烯、丙烷和氮气中的任意一种或两种以上与天然气的混合气，天然气在混合气中所占的体积分数为50％～95％；

炉内温度为800℃～1200℃；

炉内气压为1kPa～10kPa；

沉积时间为80h～500h。

可选地，在上述制备方法中，所述表面车加工的加工量为0.5mm～5mm。

可选地，在上述制备方法中，在所述步骤A和所述步骤C中，装炉时在所述料柱顶部放置带透气孔的尾气吸收盒，所述尾气吸收盒内盛装有多孔结构的废气吸附材料。

根据上述技术方案可知，本发明提供的碳陶刹车盘用炭炭坯料的制备方法中，气相沉积炉内装炉结构包括：任意相邻两层炭纤维预制体由碳素材料的垫纸隔开以形成层间气体通道，料柱的内、外两侧分别由挡体形成内环空间和外环空间，而且，在炭炭坯料进行了表面车加工之后利用气相沉积炉进行致密化处理时，根据炭炭坯料的密度在径向上的分布情况对内环空间和外环空间有选择地进行底部入口或顶部出口的封堵，从而采用合适的通气方式让碳源气体由炭炭坯料密度较低的部分向密度较高的部分流动，这样能够获得密度均匀性较好的炭炭坯料，有利于确保碳陶刹车盘的顺利生产。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的碳陶刹车盘用炭炭坯料的制备方法中气相沉积炉的第一种装炉结构示意图(内径通气)；

图2是本发明实施例提供的碳陶刹车盘用炭炭坯料的制备方法中气相沉积炉的第二种装炉结构示意图(外径通气)。

图中标记为：

1、气相沉积炉；2、支撑座；3、通气孔；4、预热工装；5、支撑板；6、垫盘；7、外挡体；8、炭纤维预制体；9、内挡体；10、盲板；11、尾气吸收盒；12、废气吸附材料。

具体实施方式

本发明提供的碳陶刹车盘用炭炭坯料的制备方法包括以下步骤：步骤A，将圆环形的炭纤维预制体装入气相沉积炉内进行预沉积；步骤B，将预沉积得到的炭炭坯料从气相沉积炉取出后进行表面车加工；步骤C，将表面车加工得到的炭炭坯料装入气相沉积炉内进行致密化处理。其中，步骤A和步骤C所采用的装炉结构相同，只不过步骤C需要根据炭炭坯料的密度在径向上的分布情况来设定通气方式。

为了便于理解，下面结合附图对本发明作进一步的描述。图1和图2展示了两种装炉结构，这两种装炉结构除了通气方式不同以外，其余部分是相同的，从通气方式来看，图1展示的是内径通气，图2展示的是外径通气。具体而言，无论是在步骤A中，还是在步骤C中，通气方式以外的部分都按如下方式装炉：炭纤维预制体8堆叠成圆筒状的料柱，任意相邻两层炭纤维预制体8由碳素材料的垫纸(例如石墨纸)隔开以形成层间气体通道，在料柱的外围罩设外挡体7，使外挡体7与料柱的外表面之间形成外环空间，在料柱的筒腔内设置内挡体9，使内挡体9与料柱的内表面之间形成内环空间。

由图1可见，在内径通气这种方式中，外环空间的底部入口被垫盘6封堵，同时，内环空间的顶部出口被盲板10封堵，这样，沉积气体由通气孔3进到气相沉积炉1的底部后，先经过预热工装4，然后由下向上进入内环空间，再然后经过炭纤维预制体8和层间气体通道到达外环空间，最终由外环空间的顶部出口通往气相沉积炉1顶部的尾气管道。

由图2可见，在外径通气这种方式中，内环空间的底部入口被垫盘6封堵，同时，外环空间的顶部出口被盲板10封堵，这样，沉积气体由通气孔3进到气相沉积炉1的底部后，先经过预热工装4，然后由下向上进入外环空间，再然后经过炭纤维预制体8和层间气体通道到达内环空间，最终由内环空间的顶部出口通往气相沉积炉1顶部的尾气管道。需要说明的是，图1中的垫盘6和图2中的垫盘6都是圆环形，但两者的型号不同，由于图1中被封堵底部入口的是外环空间，而图2中被封堵底部入口的是内环空间，所以图1中的垫盘6比图2中的垫盘6尺寸大。同理，图1中的盲板10和图2中的盲板10可以都是圆环形，当然，在图1展示的内径通气方式中，盲板10也可以是圆盘形的。

在步骤A中，既可以采用图1所示的装炉结构，也可以采用图2所示的装炉结构。但是，步骤C采用图1和图2中的哪种装炉结构，应根据步骤C之前炭炭坯料的密度在径向上的分布情况而定，具体来说就是，如果炭炭坯料内表面的密度大于外表面的密度，则采用图2所示的装炉结构，即外径通气，而如果炭炭坯料内表面的密度小于外表面的密度，则采用图1所示的装炉结构，即内径通气。总而言之，本发明提供的制备方法在致密化处理时采用合适的通气方式，让碳源气体由炭炭坯料密度较低的部分向密度较高的部分流动，这样能够获得密度均匀性较好的炭炭坯料，有利于确保碳陶刹车盘的顺利生产。

具体实际应用中，有时通过一次步骤C并不能得到产品最终要求的密度，这时应将步骤C重复几次，需要说明的是，每一次步骤C在选择装炉结构时，都应当根据上一次步骤C得到的炭炭坯料的密度在径向上的分布情况而定。当步骤C得到的炭炭坯料达到最终要求的密度后，往往可以将炭炭坯料装入石墨化炉内进行高温热处理，使其导热性能得到调整。高温热处理的时间一般控制在1h～3h，例如2h或2.5h，处理温度一般控制在1800℃～2500℃，例如2000℃或者2200℃。

在步骤A之前，为了对炭纤维预制体8进行固形，可以将炭纤维预制体8装入石墨化炉内进行高温热处理，处理时间一般控制在1h～3h，例如2h或2.5h，处理温度一般控制在1800℃～2500℃，例如2000℃或者2200℃。

无论是步骤A中的预沉积过程，还是步骤C中的致密化处理过程，沉积气体、炉内温度和炉内气压这些方面的工艺参数可按照以下要求进行设置：沉积气体为丙烯、丙烷和氮气中的任意一种或两种以上与天然气的混合气，天然气在混合气中所占的体积分数为50％～95％；炉内温度为800℃～1200℃；炉内气压为1kPa～10kPa。致密化处理的时间通常要比预沉积的时间更长，预沉积过程一般设定为20h～200h，例如100h，而致密化处理过程一般设定为80h～500h，例如300h。在步骤B中，表面车加工的加工量一般为0.5mm～5mm。

如图1和图2所示，为了降低尾气中的大分子PAHs含量，装炉时可以在料柱顶部放置带透气孔的尾气吸收盒11，尾气吸收盒11内盛装有多孔结构的废气吸附材料12。需要说明的是，图1中的尾气吸收盒11与图2中的尾气吸收盒11可以采用不同的结构，以适应不同的通气方式，具体而言，图1中被封堵顶部出口的是内环空间，因此尾气吸收盒11的内腔可以为圆柱形，图2中被封堵顶部出口的是外环空间，因此尾气吸收盒11的内腔为柱环形。

下面介绍本发明的一个具体实施例，该实施例提供的碳陶刹车盘用炭炭坯料的制备方法包括以下步骤：

步骤一，将经过高温热处理的密度为0.45g/cm

步骤二，启动真空泵(气相沉积炉1的配套设备)抽至极限真空度(即气相沉积炉1允许的最大负压)后关闭真空泵及各阀门测试压升率。压升率测试合格，则通电升温至900～1100℃，从通气孔3通入碳源气体，碳源气体经预热工装4后进入由内挡体9与料柱形成的内环空间，流过炭纤维预制体8表面后进入由外挡体7与料柱形成的外环空间。尾气中的大分子PAHs被尾气吸收盒11中的废气吸附材料12吸附，剩余尾气进入尾气管道被抽出炉外。碳源气体(即沉积气体)由天然气和丙烷混合而成，其中，天然气的体积分数控制在50％～95％。

步骤三，调节碳源气体的流量(一般控制在50～100L/min即可)，炉内压力控制在1～2kPa，进行预沉积。

步骤四，沉积50～150小时后，得到炭炭坯料。停止通电，关闭真空泵，关闭碳源气体进气阀，通入氮气至微正压后关闭氮气进气阀。待炉体自然降温至300℃以下时，再次充氮气至微正压后开炉。

步骤五，对得到的炭炭坯料进行表面车加工，内外径方向上和厚度方向上的加工量均控制在0.5～5mm。

步骤六，加工后的坯料再次放入气相沉积炉1中，根据炭炭坯料密度情况调整通气方式为内径通气或外径通气，重复步骤二至步骤四。

步骤七、当炭炭坯料的密度达到1.45g/cm

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。