CN106499741A - 泡沫陶瓷增强轻金属复合材料摩擦离合片、制动盘 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种泡沫陶瓷增强轻金属复合材料摩擦离合片、制动盘，其包括金属基体，所述金属基体设有一个或两个摩擦面层，所述摩擦面层为泡沫陶瓷增强轻金属复合材料摩擦面层。本发明充分发挥工业陶瓷高硬度、高耐磨、耐高温，及轻金属质轻、减重、强度高、韧性好的特点，通过适当工艺，将工业陶瓷制备成具有拓扑几何结构的泡沫陶瓷，然后与轻金属复合，制备成兼具两者特性的新型摩擦离合片、制动盘。本发明可满足于包含但不局限于飞机、轨道交通车辆、公路交通车辆、船舶等运动机械设备的摩擦离合、制动需求。

Description

泡沫陶瓷增强轻金属复合材料摩擦离合片、制动盘

技术领域

本发明涉及一种泡沫陶瓷增强轻金属复合材料摩擦离合片、制动盘，属于摩擦离合片、制动领域。

背景技术

随着现代航天航空、高速铁路、公路交通及风力发电等领域的快速发展，对摩擦离合片及制动***的重量、安全、振动和噪声问题越来越关注。特别是在高速重载工况下，在不影响摩擦离合片及制动性能的前提下，对摩擦离合片及制动***减重、减震、降噪、安全、舒适、耐磨的要求越来越高。一些功能与结构一体化的新型材料，因其显著的减震、降噪，、质轻及卓越的摩擦、磨损性能吸引了国内外学者的关注。

传统的钢铁材料制动盘、碳/碳复合材料制动盘、碳/陶复合材料制动盘、陶瓷颗粒增强铝合金复合材料制动盘及在金属表面涂覆耐磨层以提高耐磨性的制动盘，虽各有其优缺点，但寻求一种整体性能良好的制动盘仍然成为业内研究的热点。

利用泡沫陶瓷特殊的拓扑几何结构所具有的各向同性及阻尼特性，与导热性、散热性、机械强度良好的铝合金复合制作摩擦离合片、制动盘，是本发明人的一项发明。

本发明人2014年4月22日所报《一种用于轨道交通车辆的Al/SiC和Cu/SiC复合材料摩擦副及其制备方法》专利，更多涉及的的摩擦对偶及制备，而且只涉及了单摩擦面层结构制动盘，而没有涉及双摩擦面层通风盘结构摩擦离合片、制动盘及双摩擦面层通体盘结构摩擦离合片、制动盘，摩擦面层中碳化硅泡沫陶瓷的厚度缺少5mm以下部分，并且只涉及铝合金材料而缺少其它轻金属材料，制作方法也只有低压铸造一次成型，而缺少其它成型方式。

本发明人2014年5月9日所报《一种公路车辆用碳化硅泡沫陶瓷/铝合金复合材料制动盘及制备方法》专利中，只涉及双摩擦面层通风盘结构制动盘，而没有单摩擦面层结构摩擦离合片、制动盘及双摩擦面层通体盘结构摩擦离合片、制动盘，摩擦面层中碳化硅泡沫陶瓷的厚度缺少5mm以下部分，并且只涉及铝合金材料而缺少其它轻金属材料，制作方法只有低压铸造一次成型，而缺少其它的成型方式。

因此，尽快完善摩擦面层中碳化硅泡沫陶瓷的厚度缺失；完善制动盘不同摩擦面层的结构形式；完善制动盘金属基体所用材料；完善不同的成型方法；及完善制动盘金属基体强度的增强方法，成为了本发明人的首要工作。

发明内容

本发明的目的在于提供一种泡沫陶瓷增强轻金属复合材料摩擦离合片、制动盘，可满足于包含但不局限于飞机、轨道交通车辆、公路交通车辆、船舶等运动机械设备的摩擦离合、制动需求。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种泡沫陶瓷增强轻金属复合材料摩擦离合片、制动盘，其关键技术点在于，其包括金属基体，所述金属基体设有一个或两个摩擦面层，所述摩擦面层为泡沫陶瓷增强轻金属复合材料摩擦面层。

作为本发明进一步的改进，选自任一如下结构：

A．所述金属基体设有一个摩擦面层，所述金属基体包括金属盘以及设置于所述金属盘一侧的各种板状、块状、柱状散热筋，所述摩擦面层和所述散热筋分别设置在所述金属盘两侧；

B．所述金属基体设有两个摩擦面层，所述金属基体包括金属盘，所述两个摩擦面层分别设置在所述金属盘两侧，即俗称的通体盘结构制动盘；

C．所述金属基体设有两个摩擦面层，所述金属基体包括两个金属盘以及连接所述两个金属盘的连接体，所述两个摩擦面层分别设置在所述金属盘的外侧，所述连接体为各种板状、块状、柱状散热筋，即俗称的通风盘结构制动盘。

作为本发明进一步的改进，摩擦面层开设有通风槽和/或通风孔，所述通风槽沿摩擦面层的径向方向开设，所述通风槽在径向方向为直线或是曲线形状，所述通风孔沿摩擦面层的轴向方向开设，所述通风孔为通孔和/或非通孔。

作为本发明进一步的改进，所述摩擦面层包括一块或多块平面布设的厚度为2~9mm的泡沫陶瓷增强轻金属复合材料。

作为本发明进一步的改进，所述泡沫陶瓷增强轻金属复合材料包括泡沫陶瓷和填充于所述泡沫陶瓷内的轻金属。

所述泡沫陶瓷是采用前驱体法、模板法、发泡法、3D打印等方法制备的在三维方向上即无规则又互联互通的陶瓷骨架空腔单元特殊的拓扑几何结构形式的排列组合。所述陶瓷骨架空腔单元在二维xy、xz、yz方向上的面积为1~16 mm²，z方向的高度为2~9 mm。陶瓷骨架的筋的截面，依制备方法不同，有空心的及实心的之分。

作为本发明进一步的改进，所述泡沫陶瓷占复合材料摩擦面层面积的5~60％，轻金属占制动盘复合材料摩擦面层面积的95~40％。

作为本发明进一步的改进，所述泡沫陶瓷由选自碳化物陶瓷、氮化物陶瓷、氧化物陶瓷和金属陶瓷任一种或两种以上的复相陶瓷、塞隆（Sialon）陶瓷制成。所述碳化物陶瓷、氮化物陶瓷、氧化物陶瓷，除使用液相烧结方法制备的陶瓷外，其他的都是单项陶瓷含量在95%以上的高纯工业陶瓷。

作为本发明进一步的改进，所述泡沫陶瓷增强轻金属复合材料中的轻金属包括钛、镁、铝及其合金，以及添加其它材料增强的轻金属及其合金。所述的添加其他材料增强的轻金属选自添加石墨、纳米碳管或各种陶瓷颗粒增强的轻金属。

作为本发明进一步的改进，所述金属基体的材质可以是各种黑色金属、轻金属钛、镁、铝及其合金，以及添加其它材料增强的轻金属及其合金。所述的添加其他材料增强的轻金属选自添加石墨、纳米碳管或各种陶瓷颗粒增强的轻金属。

作为本发明进一步的改进，通过以下任一种方法制备：

方法一：将泡沫陶瓷放入模具，添加加热后的轻金属，经挤压、模锻、铸造等工艺中之一种或多种一次成型完成；

方法二：将泡沫陶瓷和增强金属基体强度用的金属网格放入模具，添加加热后的轻金属，经挤压、模锻、铸造等工艺中之一种或多种一次成型完成；

方法三：

a．先将泡沫陶瓷放入模具，添加加热后的轻金属，经挤压、模锻、铸造等工艺中之一种或多种制备成复合材料摩擦面层；

b．然后将加热后的金属基体材质物料，放入模具中，经挤压、模锻、铸造等工艺中之一种或多种制备成金属基体；

c．最后将复合材料摩擦面层和金属基体通过镶嵌、焊接、复合铸造、铆接等工艺中之一种或多种二次成型完成。

方法四：

a．先将泡沫陶瓷放入模具，添加加热后的轻金属，经挤压、模锻、铸造等工艺中之一种或多种制备成复合材料摩擦面层；

b．将增强金属基体强度用的金属网格放入模具中，加入加热后的金属基体材质物料，经挤压、模锻、铸造等工艺中之一种或多种制备成金属基体，

c．最后将复合材料摩擦面层和金属基体通过镶嵌、焊接、复合铸造、铆接等工艺中之一种或多种二次成型完成。

所述的增强金属基体强度用的金属网格选自边框厚度0.5~3 mm、高度2~30 mm，每平方厘米有1~30个网格的网格状金属。

与现有技术相比，本发明所取得的有益效果如下：

1．本发明充分发挥工业陶瓷高硬度、高耐磨、耐高温，及轻金属质轻、减重、强度高、韧性好的特点，通过适当工艺，将工业陶瓷制备成具有泡沫陶瓷，然后与轻金属复合，制备成兼具两者特性的新型制动盘。

2．本发明制动盘的摩擦面层是由前述泡沫陶瓷骨架与填充于其间的轻金属或其合金复合而成。泡沫陶瓷在三维方向即无规则又互联互通，通过适宜的挤压、铸造、模锻工艺，就可将轻金属与泡沫陶瓷复合在一起，使得填充于其间的轻金属或其合金与泡沫陶瓷也处于互联互通互锁状态。泡沫陶瓷将复合材料中的轻金属限制在了狭小范围内，抑制了轻金属在制动时的高温软化和粘接、撕扯脱落，提高了复合材料摩擦面层的耐高温能力。

3．本发明涉及的复合材料制动盘可将金属的优良塑性、导热性、强度等，与泡沫陶瓷增强体在三维方向上的各向同性、阻尼特性以及承受冷、热载荷、动、静载荷、抗摩擦磨损的能力结合起来，使其具有良好的减振，抗热衰退性和摩擦性能，能够长期承受很大的冷、热载荷、动、静载荷和无序载荷，在航空航天、轨道及公路交通运输、机械等领域的摩擦离合片、制动具有很好的应用前景。

4．本发明提供的制动盘，与现有在用的合成闸片、粉末冶金闸片及其它如碳碳闸片、碳陶闸片等做成对偶进行摩擦制动时，摩擦系数稳定在0.2~0.5之间，可完全满足飞机、轨道交通车辆、公路交通车辆、各种运动机械等的使用要求。

附图说明

附图1-1为本发明实施例1的结构示意图；

附图1-2为本发明实施例1的侧视图；

附图2-1为本发明实施例2的结构示意图；

附图2-2为本发明实施例2的剖视图；

附图3-1为本发明实施例3的结构示意图；

附图3-2为本发明实施例3的侧视图；

附图4为本发明摩擦面层包括多块复合材料层块的结构示意图；

附图5-1为本发明摩擦面层开设直线形通风槽的结构示意图；

附图5-2为本发明摩擦面层开设曲线形通风槽的结构示意图；

附图6-1为本发明摩擦面层开设非通孔通风孔的结构示意图；

附图6-2为6-1中A-A剖视图；

附图6-3为本发明摩擦面层开设通孔通风孔的结构示意图；

附图6-4为6-3剖视图；

附图7为本发明泡沫陶瓷的结构示意图；

在附图中：

1金属基体、2摩擦面层、3散热筋、4通风槽、5通风孔。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明进行进一步详细的叙述。

以下实施例所用的泡沫陶瓷增强轻金属复合材料包括泡沫陶瓷和填充于所述泡沫陶瓷内的轻金属，如附图7所示。所述泡沫陶瓷是采用前驱体法、模板法、发泡法、3D打印等方法制备的在三维方向上即无规则又互联互通的陶瓷骨架空腔单元特殊的拓扑几何结构形式的排列组合。所述陶瓷骨架空腔单元二维xy、xz、yz方向上的面积为1~16 mm²，z方向的高度为2~9 mm。所述泡沫陶瓷占复合材料摩擦面层面积的5~60％，轻金属占制动盘复合材料摩擦面层面积的95~40％。

以下实施例中可以根据需要，在摩擦面层上开设通风槽4，如附图5-1所示，通风槽4在径向方向为直线形状，如附图5-2所示，通风槽4在径向方向为曲线形状。

以下实施例中可以根据需要，在摩擦面层2上开设通风孔5，如附图6-1和6-2所示，通风孔5为非通孔形式，如附图6-3和6-4所示，通风孔5为通孔形式。

实施例1 不同轻金属二次成型的单摩擦面结构制动盘

参见附图1-1和1-2所示，本实施例提供的一种泡沫陶瓷增强轻金属复合材料制动盘，其包括金属基体1，所述金属基体1设有一个摩擦面层2，所述金属基体1包括金属盘以及设置于所述金属盘一侧的散热筋3，所述摩擦面层2和所述散热筋3分别设置在所述金属盘的两侧，即在金属盘的一侧设置有摩擦面层2，所述金属盘与摩擦面层2相对的背面一侧有散热筋3。所述的摩擦面层2为泡沫陶瓷增强轻金属复合材料摩擦面层，摩擦面层2由平面布设的两块泡沫陶瓷增强轻金属复合材料组成，两块复合材料摩擦面层2由两个径向方向形状为直线的通风槽4隔离开。

本实施例中泡沫陶瓷为95氧化铝陶瓷骨架，本实施例中填充于所述泡沫陶瓷内的轻金属为2024铝合金，本实施例中的金属基体为内置黑色金属网格的A350镁合金，具体通过以下方法制成：

第一步：按设计要求，将购于宜兴市超盛陶瓷有限公司的95氧化铝泡沫陶瓷骨架，按制动盘图纸制备出相应的形状，根据需要也可对陶瓷表面进行相应的表面处理；

第二步：将切割好的相应形状的95氧化铝泡沫陶瓷骨架放入预热至250±10℃的压力铸造模具中；

第三步：将加热至690±10℃的2024铝合金，通过施加5~70MPa的压力，与放入压力铸造模具中的95氧化铝泡沫陶瓷骨架结合在一起，形成95氧化铝泡沫陶瓷骨架增强2024铝合金摩擦面层块。该摩擦面层块可以是整圆的，也可以是根据设计要求的各种其他形状。根据需要，可在摩擦面层块上一体铸出各种形状的通风孔、铆接孔，热处理、机加工后备用；

第四步：将用于增强轻金属强度的黑色金属网格放入锻造模具中，将已预热的A350镁合金，通过模锻的方法，与黑色金属网格一体制成背面有各种设定形状散热筋的制动盘金属基体。制动盘金属基体也可以根据设计要求，一体锻出各种形状的通风孔、铆接孔，热处理、机加工后备用；

第五步：通过镶嵌、摩擦焊或是铆接中之一种或多种工艺，将制备好的摩擦面层块与制动盘金属基体结合在一起，精细加工后制成成品。

本实施例制备的单摩擦面层结构制动盘，相比传统的钢铁材料制动盘减重60%左右，相比其他材料制动盘，制作工艺更加简单、加工余量更少、成本更低、产业化生产更加容易，并能很好地满足相应的摩擦、制动工况要求。在当今节能减排、轻量化大背景下，无疑是传统的钢铁材料制动盘的良好替代品。

实施例2 由相同金属一次成型的双摩擦面层通体盘结构制动盘

参见附图2-1和2-2所示，本实施例提供的一种泡沫陶瓷增强轻金属复合材料制动盘，其包括金属基体1，所述金属基体1设有两个摩擦面层2，所述金属基体1包括金属盘，所述两个摩擦面层2分别设置在所述金属盘两侧，即两摩擦面层由之间的金属盘将其连接在一起。摩擦面层2由一整块泡沫陶瓷增强轻金属复合材料组成。

本实施例泡沫陶瓷为氮化硅泡沫陶瓷骨架，填充于所述泡沫陶瓷内的轻金属和金属基体为7075铝合金，具体制备方法如下：

第一步：按设计要求，将购于石家庄惠含密封材料厂的氮化硅泡沫陶瓷骨架，按要求制备成相应的制动盘所需形状，根据需要也可对陶瓷表面进行相应的表面处理；

第二步：根据制动盘的形状 ，设计出低压铸造双摩擦面层通体盘结构制动盘的模具。该模具包含有放置氮化硅泡沫陶瓷骨架的型腔，将相应形状的氮化硅泡沫陶瓷骨架，放入压力铸造机模具的型腔中；

第三步：将熔融的7075铝合金，按低压铸造工艺进行制备。其具体工艺如下：在制动盘模具温度200~500℃，铝合金熔液温度650~750℃时，将氮化硅泡沫陶瓷骨架放入低压铸造机模具的型腔中开始低压铸造。升液阶段，加压时间1~12秒，充型阶段，金属液面上升速度1~10 mm/s，充型的铝合金熔液重量为1~10 kg/s，充型时间2~20秒，充型增压速度为0.004~0.030 MPa/s；增压阶段，在充型增压值基础上再增压0.010~0.035 MPa，保压时间5~60秒；保压凝固阶段，时间为20~500秒。冷却后，得到两摩擦面层是由之间的金属将其连接在一起的双摩擦面层通体盘结构制动盘；

第四部：将制备好的双摩擦面层通体盘结构制动盘直接放入为此而设计的模锻模具的型腔中，施加5~100 MPa的压力，以提高双摩擦面层通体盘结构制动盘密实度；

第五步：将通过低力铸造工艺和模锻工艺得到的氮化硅泡沫陶瓷增强7075铝合金双摩擦面层通体盘结构制动盘，按7075铝合金相应热处理工艺进行热处理；

第六步：将按相应工艺进行热处理后的氮化硅泡沫陶瓷增强7075铝合金双摩擦面层通体盘结构制动盘，精细加工后得到成品；

使用本方法制备的双摩擦面层通体盘结构制动盘，相比传统的钢铁材料制动盘减重60%左右，相比其他材料制动盘，制作工艺更加简单、加工余量更少、成本更低、产业化生产更加容易，并能很好地满足相应的摩擦、制动工况要求。在当今节能减排、轻量化大背景下，无疑是传统的钢铁材料制动盘的良好替代品。

实施例 3 由相同金属一次成型的双摩擦面层通风盘结构制动盘

参见附图3-1和3-2所示，本实施例提供的一种泡沫陶瓷增强轻金属复合材料制动盘，其包括金属基体1，所述金属基体1设有两个摩擦面层2，所述金属基体1包括两个金属盘以及连接所述两个金属盘的散热筋3，所述两个摩擦面层2分别设置在所述金属盘的外侧。摩擦面层2由一整块泡沫陶瓷增强轻金属复合材料组成。

本实施例的泡沫陶瓷为碳化硅含量在97%以上的碳化硅泡沫陶瓷骨架，填充于所述泡沫陶瓷内的轻金属和金属基体为ZL111铝合金。本实施例以整体一次低压铸造而成，具体如下：

第一步：按设计要求，将购于石家庄东大汇通新材料有限公司的碳化硅泡沫陶瓷骨架，按要求制备成相应的制动盘所需形状，根据需要也可对陶瓷表面进行相应的表面处理；

第二步：根据制动盘的形状 ，设计出可低压铸造双摩擦面层通风盘结构制动盘的模具。该模具包含有放置碳化硅泡沫陶瓷骨架及制备双摩擦面层通风盘结构制动盘所用砂芯的型腔；

第三步：将相应形状的碳化硅泡沫陶瓷骨架和砂芯按顺序及要求依次放入低压铸造机模具的型腔中；

第四部：根据设定工艺，将熔融的ZL111铝合金，低压铸入放有碳化硅泡沫陶瓷骨架和砂芯的型腔中。其具体工艺如下：在制动盘模具温度200~500℃，铝合金熔液温度650~750℃时，将碳化硅泡沫陶瓷骨架和砂芯按顺序及要求依次放入低压铸造机模具的型腔中开始低压铸造。升液阶段，加压时间1~12秒，充型阶段，金属液面上升速度1~10 mm/s，充型的铝合金熔液重量为1~10 kg/s，充型时间2~20秒，充型增压速度为0.004~0.030 MPa/s；增压阶段，在充型增压值基础上再增压0.010~0.035 MPa，保压时间5~60秒；保压凝固阶段，时间为20~500秒。冷却后，得到两摩擦面层是由之间的金属及散热筋将其连接在一起的双摩擦面层通风盘结构制动盘；

第五步：将按低压铸造工艺得到的碳化硅泡沫陶瓷骨架增强ZL111铝合金双摩擦面层通风盘结构制动盘，按ZL111铝合金相应工艺进行热处理；

第六步：将按相应工艺进行热处理后的碳化硅泡沫陶瓷骨架增强ZL111铝合金双摩擦面层通风盘结构制动盘，精细加工后得到成品。

使用本方法制备的双摩擦面层通风盘结构制动盘，相比传统的钢铁材料制动盘减重60%左右，相比其他材料制动盘，制作工艺更加简单、加工余量更少、成本更低、产业化生产更加容易，并能很好地满足相应的摩擦、制动工况要求。在当今节能减排、轻量化大背景下，无疑是传统的钢铁材料制动盘的良好替代品。

实施例4 由不同金属二次成型的双摩擦面层通风盘结构制动盘

本实施例提供的一种泡沫陶瓷增强轻金属复合材料制动盘，其包括金属基体1，所述金属基体1设有两个摩擦面层2，所述金属基体1包括两个金属盘以及连接所述两个金属盘的散热筋3，所述两个摩擦面层2分别设置在所述金属盘的外侧。摩擦面层2由9块泡沫陶瓷增强轻金属复合材料摩擦层块组成。

本实施例的泡沫陶瓷骨架为碳化硅含量在97%以上的碳化硅泡沫陶瓷，填充于所述泡沫陶瓷内的轻金属为ZL117,金属基体为ZL116铝合金。本实施例以复合铸造而成，具体如下：

第一步：按设计要求，将制动盘摩擦面层分成9等份，并制备出相应形状的碳化硅泡沫陶瓷骨架，根据需要也可对陶瓷表面进行相应的表面处理；

第二步：按9等份后的制动盘摩擦面层块的尺寸设计压力铸造模具；

第三步：将制备好的相应尺寸、形状的碳化硅泡沫陶瓷骨架，放入压力铸造模具中。然后按设定工艺，将熔融的ZL117铝合金，压入放有碳化硅泡沫陶瓷骨架的型腔中。冷却后，得到相应尺寸的摩擦面层块，取出备用；

第四步：根据制动盘的尺寸、形状 ，设计出可重力铸造双摩擦面层通风盘结构制动盘的砂模。该砂模中包含有放置碳化硅泡沫陶瓷骨架增强ZL117铝合金摩擦面层块及制备双摩擦面层通风盘结构制动盘所用砂芯的型腔；

第五步：将碳化硅泡沫陶瓷骨架增强ZL117铝合金摩擦面层块及制备双摩擦面层通风盘结构制动盘的砂芯放入重力铸造制动盘砂模的型腔中，浇入熔融的ZL116铝合金，冷却后，得到由复合铸造工艺制得的、双摩擦面层是碳化硅泡沫陶瓷骨架增强ZL117铝合金复合材料，金属基体是ZL116形成的双摩擦面层通风盘结构制动盘；

第六步：将按复合铸造工艺得到的双摩擦面层是碳化硅泡沫陶瓷骨架增强ZL117铝合金复合材料，金属基体是ZL116形成的双摩擦面层通风盘结构制动盘，按ZL116相应的T5工艺进行热处理；

第七步：将按相应工艺进行热处理后的双摩擦面层是碳化硅泡沫陶瓷骨架增强ZL117铝合金复合材料，金属基体是ZL116的双摩擦面层通风盘结构制动盘，精细加工后得到成品。

使用本方法制备的双摩擦面层通风盘结构制动盘，相比传统的钢铁材料制动盘减重60%左右，相比其他材料制动盘，摩擦面层更加耐磨，基体强度更高，制作工艺简单、加工余量更少、成本更低、产业化生产更加容易，并能很好地满足相应的摩擦、制动工况要求。在当今节能减排、轻量化大背景下，无疑是传统的钢铁材料制动盘的良好替代品。

实施例5 一次成型的单摩擦面结构制动盘

本实施例提供的一种泡沫陶瓷增强轻金属复合材料制动盘，其包括金属基体1，所述金属基体1设有一个摩擦面层2，所述金属基体1包括金属盘以及设置于所述金属盘一侧的散热筋3，所述金属基体1和所述散热筋3分别设置在所述金属盘两侧，即在金属盘的一侧设置有摩擦面层2，所述金属盘与摩擦面层2相对的背面一侧有散热筋3。所述的摩擦面层2为泡沫陶瓷增强轻金属复合材料摩擦面层。

本实施例的泡沫陶瓷骨架为碳化硅含量在97%以上的碳化硅陶瓷，填充于所述泡沫陶瓷内的轻金属和金属基体为Ti-6Al-4V钛合金。具体方法如下:

第一步：按设计要求，制备出相应形状的碳化硅泡沫陶瓷骨架，根据需要对陶瓷表面进行相应的表面处理

第二步：依据钛合金铸造特性及方法，设计、制备出可一体铸出各种形状的通风孔、铆接孔，背面又有各种设定形状散热筋的铸造模具，该铸造模具可形成1000Pa以内的负压

第三步：将碳化硅泡沫陶瓷骨架放入铸造模具中

第四步：将铸造模具抽成1000Pa真空，然后将熔融的Ti-6Al-4V钛合金，铸入放有碳化硅泡沫陶瓷骨架的铸造模具中，将碳化硅泡沫陶瓷骨架与Ti-6Al-4V钛合金结合在一起，形成具有碳化硅泡沫陶瓷骨架增强Ti-6Al-4V钛合金摩擦面层的单摩擦面层结构制动盘。该摩擦面层可以是整圆，也可以是根据设计要求的各种其他形状。

第五步：将一次铸造成型完成的碳化硅泡沫陶瓷骨架增强Ti-6Al-4V钛合金单摩擦面层结构制动盘，按Ti-6Al-4V钛合金的热处理工艺进行热处理

第六步：将按Ti-6Al-4V钛合金的热处理工艺进行热处理后的碳化硅泡沫陶瓷骨架增强Ti-6Al-4V钛合金单摩擦面层结构制动盘，精细加工后制成成品

使用本方法制备的单摩擦面层结构制动盘，相比传统的钢铁材料制动盘不但减重50%左右，而且强度更高，耐用温度更高，完全能够满足高铁列车制动要求。相比其他材料，比如碳/碳、碳/陶制动盘，制作工艺更加简单、加工余量更少、成本更低、产业化生产更加容易。相比其他轻金属复合材料制动盘，比如铝合金、镁合金复合材料制动盘，能耐受更复杂工况、更高温度条件下的摩擦、制动要求。在当今节能减排、轻量化大背景下，无疑是传统的钢铁材料制动盘的良好替代品。

实施例6 一次成型金属网格增强轻金属基体的单摩擦面层结构制动盘

本实施例提供的一种泡沫陶瓷增强轻金属复合材料制动盘，其包括金属基体1，所述金属基体1设有一个摩擦面层2，所述金属基体1包括金属盘以及设置于所述金属盘一侧的散热筋3，所述金属基体1和所述散热筋3分别设置在所述金属盘两侧，即在金属盘的一侧设置有摩擦面层2，所述金属盘与摩擦面层2相对的背面一侧有加散热筋3。所述的摩擦面层2为泡沫陶瓷增强轻金属复合材料摩擦面层。

本实施例的泡沫陶瓷为95氧化铝泡沫陶瓷骨架，填充于所述泡沫陶瓷内的轻金属和金属基体为YL117铝合金。具体方法如下:

第一步：按设计要求，制备出相应形状的95氧化铝泡沫陶瓷骨架，根据需要也可对陶瓷表面进行相应的表面处理。

第二步：根据制动盘的形状 ，设计出可一体压铸的模具。该压铸模具包含有放置95氧化铝泡沫陶瓷骨架及黑色金属网格的型腔、以及预制好通风孔、通风槽的模块，模具的上模制备成可一体压铸各种设定形状的散热筋和通风孔的形状。

第三步：将95氧化铝泡沫陶瓷骨架及用于增强YL117铝合金的黑色金属网格依次放入压铸模具中，施加5~100 MPa的压力，将熔融的YL117，压入放有95氧化铝泡沫陶瓷骨架及黑色金属网格的模具型腔中，将YL117铝合金与95氧化铝泡沫陶瓷骨架及黑色金属网格结合在一起，形成既有95氧化铝泡沫陶瓷骨架增强YL117铝合金摩擦面层，又有黑色金属网格增强YL117铝合金金属基体及各种形状的散热筋、通风孔的整体式单摩擦面层结构制动盘。

第四步：将通过压铸工艺得到的YL117铝合金整体式单摩擦面层结构制动盘，按YL117铝合金有关工艺进行热处理。

第五步：将按有关工艺进行热处理后的YL117铝合金整体式单摩擦面层结构制动盘，精细加工后制成成品。

使用本方法制备的单摩擦面层结构制动盘，相比传统的钢铁材料制动盘减重55%左右，相比其他材料制动盘，制作工艺更加简单、加工余量更少、成本更低、产业化生产更加容易，并能很好地满足相应的摩擦、制动工况要求。在当今节能减排、轻量化大背景下，无疑是传统的钢铁材料制动盘的良好替代品。

本领域技术人员应当理解附图7仅为示意性的，并不能用来限定本申请的范围，陶瓷骨架空腔单元在三维方向的任意拓扑几何结构形式，均可适用于本发明的技术方案，并实现本发明的目的。

以上所述实施方式仅为本发明的优选实施例，而并非本发明可行实施的穷举。对于本领域一般技术人员而言，在不背离本发明原理和精神的前提下对其所作出的任何显而易见的改动，都应当被认为包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种泡沫陶瓷增强轻金属复合材料摩擦离合片、制动盘，其特征在于，其包括金属基体(1)，所述金属基体(1)设有一个或两个摩擦面层(2)，所述摩擦面层(2)为泡沫陶瓷增强轻金属复合材料摩擦面层。

2.根据权利要求1所述的一种泡沫陶瓷增强轻金属复合材料摩擦离合片、制动盘，其特征在于，选自任一如下结构：

A．所述金属基体(1)设有一个摩擦面层(2)，所述金属基体(1)包括金属盘以及设置于所述金属盘一侧的散热筋(3)，所述摩擦面层(2)和所述散热筋(3)分别设置在所述金属盘两侧；

B．所述金属基体(1)设有两个摩擦面层(2)，所述金属基体(1)包括金属盘，所述两个摩擦面层(2)分别设置在所述金属盘两侧；

C．所述金属基体(1)设有两个摩擦面层(2)，所述金属基体(1)包括两个金属盘以及连接所述两个金属盘的连接体，两个所述摩擦面层(2)分别设置在所述金属盘的外侧，所述连接体为散热筋(3)。

3.根据权利要求1所述的一种泡沫陶瓷增强轻金属复合材料摩擦离合片、制动盘，其特征在于，摩擦面层（2）开设有通风槽(4)和/或通风孔(5)，所述通风槽(4)沿摩擦面层(2)的径向方向开设，所述通风槽(4)在径向方向为直线或是曲线形状，所述通风孔(5)沿摩擦面层(2)的轴向方向开设，所述通风孔(5)为通孔和/或非通孔。

4.根据权利要求1所述的一种泡沫陶瓷增强轻金属复合材料摩擦离合片、制动盘，其特征在于，所述摩擦面层(2)包括平面布设的一块或多块厚度为2~9mm的泡沫陶瓷增强轻金属复合材料。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种泡沫陶瓷增强轻金属复合材料摩擦离合片、制动盘，其特征在于，所述泡沫陶瓷增强轻金属复合材料包括泡沫陶瓷和填充于所述泡沫陶瓷内的轻金属，所述泡沫陶瓷是由三维方向上既无规则又互联互通的陶瓷骨架空腔单元拓扑几何结构形式的排列组合而成。

6.根据权利要求5所述的一种泡沫陶瓷增强轻金属复合材料制动盘，其特征在于，所述泡沫陶瓷占摩擦面层(2)面积的5~60％，所述轻金属占摩擦面层(2)面积的95~40％。

7.根据权利要求5所述的一种泡沫陶瓷增强轻金属复合材料摩擦离合片、制动盘，其特征在于，所述泡沫陶瓷由选自碳化物陶瓷、氮化物陶瓷、氧化物陶瓷和金属陶瓷任一种或两种以上的复相陶瓷、塞隆陶瓷制成。

8.根据权利要求5所述的一种泡沫陶瓷增强轻金属复合材料摩擦离合片、制动盘，其特征在于，所述泡沫陶瓷增强轻金属复合材料中的轻金属包括钛、镁、铝及其合金，以及添加其它材料增强的轻金属及其合金。

9.根据权利要求1所述的一种泡沫陶瓷增强轻金属复合材料摩擦离合片、制动盘，其特征在于，所述金属基体(1)的材质可以是各种黑色金属、轻金属钛、镁、铝及其合金，以及添加其它材料增强的轻金属及其合金。

10.根据权利要求1所述的一种泡沫陶瓷增强轻金属复合材料摩擦离合片、制动盘，其特征在于，通过以下任意一种方法制备：

方法一：将泡沫陶瓷放入模具，添加加热后的轻金属，经挤压、模锻、铸造等工艺中之一种或多种一次成型完成；

方法二：将泡沫陶瓷和用于增强轻金属强度的金属网格放入模具，添加加热后的轻金属，经挤压、模锻、铸造等工艺中之一种或多种一次成型完成；

方法三：

a．先将泡沫陶瓷放入模具，添加加热后的轻金属，经挤压、模锻、铸造等工艺中之一种或多种制备成复合材料摩擦面层；

b．然后将加热后的金属基体材质物料，放入模具中，经挤压、模锻、铸造等工艺中之一种或多种制备成金属基体；

c．最后将复合材料摩擦面层和金属基体通过镶嵌、焊接、复合铸造、铆接等工艺中之一种或多种二次成型完成；

方法四：

a．先将泡沫陶瓷放入模具，添加加热后的轻金属，经挤压、模锻、铸造等工艺中之一种或多种制备成复合材料摩擦面层；

b．将用于增强金属基体强度的金属网格放入模具中，添加加热后的金属基体材质物料，经挤压、模锻、铸造等工艺中之一种或多种制备成带有金属网格增强强度的金属基体，

c．最后将复合材料摩擦面层和金属基体通过镶嵌、焊接、复合铸造、铆接等工艺中之一种或多种二次成型完成。