CN107100949B - 一种组合式复合材料制动盘及制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种组合式复合材料制动盘及制备方法和应用；属于特种制动盘开发技术领域。所述组合式复合材料制动盘包括摩擦盘(1)和连接支撑盘(2)；所述摩擦盘(1)的材质为碳陶复合材料，连接支撑盘(2)的材质为通过热压复合的梯度铝基复合材料。所述组合式复合材料制动盘包括碳陶复合材料摩擦盘(1)和梯度铝基复合材料连接支撑盘(2)；通过铆接将碳陶复合材料摩擦盘(1)和梯度铝基复合材料连接支撑盘(2)连接成一体。本发明所设计的制动盘应用于高铁时，其使用寿命明显高于现有产品。

Description

一种组合式复合材料制动盘及制备方法和应用
技术领域
本发明涉及一种组合式复合材料制动盘及制备方法和应用；属于特种制动盘开发技术领域。
背景技术
高速列车制动盘是制动装置中最为关键的部件之一。随着列车的提速和制动工况下运行条件的恶劣，巨大的制动热负荷及热冲击会产生很大的温度梯度，导致制动盘内形成极大的热应力。因此，要求制动盘材料不仅具有稳定、均匀的摩擦性能和较高的耐磨性能之外，还必须有较高的热疲劳性能和导热性能，低的弹性模量和热膨胀系数，使得制动热量能迅速逸散，以减少制动盘摩擦表面急冷急热所形成的高热应力。最后，为减轻车辆簧下重量，制动盘材料需具有较低的密度。
目前，我国高速列车使用的制动盘主要采用铸铁及锻钢制动盘，该类材料在常温和高温下的力学性能、抗热变形能力和热稳定性优异，耐磨性和工艺性能较好，常与粉末冶金闸片组成摩擦副使用。但是，由于制动盘各部分的耐热和耐磨性能均一致，反而使得疲劳和磨损量不一致，加快了热裂纹出现机率和扩展速度，大大降低了制动盘的使用寿命。而且，此类材料散热效果不好，高密度限制了列车速度的进一步提升，且导致列车运行能耗增加。因此，研制新型制动盘材料以改善制动盘性能、减轻列车重量、提高列车速度成为主要趋势。
近年来，国内外研究者相继开发了碳/碳复合材料、铝基复合材料、碳陶复合材料、双金属材料等制动盘新材料，但各类材料在使用过程中都存在性能的优势与不足。铝基复合材料的导热性好，能实现盘体快速冷却，加入陶瓷颗粒，形成陶瓷增强铝基复合材料能够减重，但其使用温度低，最高使用温度不高于400℃，超过这一温度表面将出现剧烈磨损，磨损量高于钢盘磨损量。
发明内容
本发明首次尝试了梯度铝基复合材料与碳陶复合材料互配后用做制动盘。
本发明一种组合式复合材料制动盘，所述组合式复合材料制动盘包括摩擦盘(1)和连接支撑盘(2)；所述摩擦盘(1)的材质为碳陶复合材料，所述连接支撑盘(2)的材质为梯度铝基复合材料；所述梯度铝基复合材料中含有SiC，根据SiC含量，将梯度铝基复合材料分成E区域和F区域，所述E区域中任意一部位的SiC含量大于F区域中任意一部位SiC的含量；将摩擦盘(1)和连接支撑盘(2)组装后，得到组合式复合材料制动盘；沿组合式复合材料制动盘厚度的方向，所述E区域到摩擦盘(1)的最小距离小于F区域到摩擦盘(1)的最小距离。
本发明一种组合式复合材料制动盘，所述连接支撑盘(2)由高碳化硅铝基复合材料盘(2-1)和低碳化硅铝基复合材料盘(2-2)构成；所述高碳化硅铝基复合材料盘(2-1)以质量百分比计包括下述原料：
SiC颗粒 20～30wt％；
Al-Mg-Si-Zr-Sc雾化粉 50-60wt％；
余量为Al粉和不可避免杂质；
所述Al-Mg-Si-Zr-Sc雾化粉以质量百分比包括下述组分：
Mg 1-7wt％；
Si 25-30wt％；
Zr 0.3-1.0wt％；
Sc 0.25～1.0wt％；
余量为Al；上述原料即为E区域的原料。
本发明一种组合式复合材料制动盘，所述低碳化硅铝基复合材料盘(2-2)以质量百分比计包括下述组分：
SiC颗粒 5～10wt％；
Zn 7.0-9.6wt％；优选为7.0-9.0wt％；
Mg 1.5-3.5wt％；
Cu 2.0-3.0wt％；
Zr 0.15-0.35wt％；
Sc 0.15-0.4wt％；
余量为Al粉和不可避免杂质。上述组分即为F区域的的组分。
本发明一种组合式复合材料制动盘，连接支撑盘(2)与摩擦盘(1)通过铆接构成一体；铆接后；沿所述组合式复合材料制动盘厚度方向，连接支撑盘(2)上的低碳化硅铝基复合材料盘(2-2)到摩擦盘(1)的最小距离大于连接支撑盘(2)上的高碳化硅铝基复合材料盘(2-1)到摩擦盘(1)的最小距离。
本发明一种组合式复合材料制动盘，所述组合式复合材料制动盘包括碳陶复合材料摩擦盘(1)和梯度铝基复合材料连接支撑盘(2)；所述碳陶复合材料摩擦盘(1)包括B面和A面，所述A面为摩擦面，B面为非摩擦面；所述高碳化硅铝基复合材料盘(2-1)和低碳化硅铝基复合材料盘(2-2)通过热压构成所述连接支撑盘(2)；将摩擦盘(1)和连接支撑盘(2)组装后，沿组合式复合材料制动盘厚度的方向，所述高碳化硅铝基复合材料盘(2-1)到B面的最小距离小于其到A面的最小距离。
本发明一种组合式复合材料制动盘，所述碳陶复合材料摩擦盘(1)包括n个摩擦盘沉孔(3)；
所述连接支撑盘(2)上设有n个位置与摩擦盘沉孔(3)相对应的沉孔(4)，以及m个中孔(5)；所述沉孔(4)中孔(5)均贯穿高碳化硅铝基复合材料盘(2-1)和低碳化硅铝基复合材料盘(2-2)；
用铆钉通过摩擦盘沉孔(3)以及相对应的沉孔(4)将连接支撑盘(2)和摩擦盘(1)冷铆接成一个整体；冷铆接成一个整体后，铆接力为0.7～1MPa；冷铆接后，得到组合式复合材料制动盘，沿组合式复合材料制动盘厚度的方向高碳化硅铝基复合材料盘(2-1)到B面的最小距离为-0.05mm～0.05mm。作为优选，铆接所用铆钉为铜质或钢制铆钉。
本发明一种组合式复合材料制动盘的制备方法：其方案为：
将连接支撑盘(2)与摩擦盘(1)组装起来；得到所述组合式复合材料制动盘；所述摩擦盘(1)的材质为碳陶复合材料；所述连接支撑盘(2)由高碳化硅铝基复合材料盘(2-1)和低碳化硅铝基复合材料盘(2-2)通过复合而成；
所述高碳化硅铝基复合材料盘(2-1)以质量百分比计包括下述原料：
SiC颗粒 20～30wt％；
Al-Mg-Si-Zr-Sc雾化粉 50-60wt％；
余量为Al粉和不可避免杂质；
所述Al-Mg-Si-Zr-Sc雾化粉以质量百分比包括下述组分：
Mg 1-7wt％；
Si 25-30wt％；
Zr 0.3-1.0wt％；
Sc 0.25～1.0wt％；
余量为Al；
所述低碳化硅铝基复合材料盘(2-2)以质量百分比计包括下述组分：
SiC颗粒 5～10wt％；
Zn 7.0-9.6wt％、优选为7.0-9.0wt％；
Mg 1.5-3.5wt％；
Cu 2.0-3.0wt％；
Zr 0.15-0.35wt％；
Sc 0.15-0.4wt％；
余量为Al粉和不可避免杂质。
作为优选方案，本发明一种组合式复合材料制动盘的制备方法，制备连接支撑盘(2)包括下述步骤：
步骤Ⅰ
按高碳化硅铝基复合材料盘(2-1)的设计组分制备出高碳化硅铝基复合材料；对所得高碳化硅铝基复合材料进行粗加工，得到高碳化硅铝基复合材料盘粗坯；
按低碳化硅铝基复合材料盘(2-2)的设计组分制备出低碳化硅铝基复合材料；对所得低碳化硅铝基复合材料进行粗加工，得到低碳化硅铝基复合材料盘粗坯；
步骤Ⅱ
将高碳化硅铝基复合材料盘粗坯与低碳化硅铝基复合材料盘粗坯的待连接面打磨至表面粗糙度Ra 0.5～2.5μm，清洗、烘干；
步骤Ⅲ
将步骤Ⅱ处理后高碳化硅铝基复合材料和低碳化硅铝基复合材料的待连接面贴合并沿贴合面的垂直方向施加20～40MPa的压力，热压，热压温度为520～620℃，保温时间为5～30分钟，之后卸压，空气中自然冷却，得到梯度铝基复合材料连接件坯体；
步骤Ⅳ
将步骤Ⅱ的梯度铝基复合材料连接件坯体机加工成图纸设计的形状和尺寸，以及沉孔(4)和中孔(5)；即得到由高碳化硅铝基复合材料盘(2-1)和低碳化硅铝基复合材料盘(2-2)组成的连接支撑盘(2)。
在工业化应用时，步骤Ⅱ中，将高碳化硅铝基复合材料和低碳化硅铝基复合材料的待连接面用砂纸打磨，使表面粗糙度Ra 0.5～2.5μm，然后用无水乙醇擦洗表面。
在工业化应用时，步骤Ⅲ中，可在空气中进行热压。
作为优选方案，本发明一种组合式复合材料制动盘的制备方法，所述高碳化硅铝基复合材料盘粗坯的制备方法包括下述步骤：
步骤一
按按设计组分配取SiC粉、Al-Mg-Si-Zr-Sc雾化粉、铝粉，其中SiC粉的粒度为10～20μm，Al-Mg-Si-Zr-Sc雾化粉的粒度为50～150μm，铝粉的粒度为50～150μm；
步骤二
将步骤一的原材料投入混料器中，混料2～4小时；
步骤三
将混合料冷压成型，压制压力250～350MPa，压制速度为5～8mm/min，保压40～50秒，得到高碳化硅铝基复合材料压坯；
步骤四
将高碳化硅铝基复合材料压坯在真空炉中进行烧结处理，烧结温度为550～570℃，保温时间为1～2小时，控制炉内压力小于等于0.1Pa，然后随炉冷却至50℃以下出炉，得到高碳化硅铝基复合材料烧结坯；
步骤五
对步骤四所得碳化硅铝基复合材料烧结坯进行热压或热锻造，控制热挤压或热锻造温度为390～440℃，热压比为8～12：1，热锻造控制道次变形量为60-90％，得到变形件；
步骤六
变形件按设计尺寸进行机加工得到高碳化硅铝基复合材料盘粗坯。
作为优选方案，本发明一种组合式复合材料制动盘的制备方法，所述低碳化硅铝基复合材料盘粗坯的制备方法包括下述步骤：
步骤①
按设计组分配取SiC颗粒、Zn源、Mg源、Cu源、Zr源、Sc源、Al，将Al在熔炼炉内熔化，然后将配取的Zr源、Sc源、Cu源、Al、SiC颗粒置于熔融铝中；在780～900℃搅拌均匀；然后降温至650～760℃，加入配取的Mg源和Zn源，搅拌均匀，精炼、静置浇铸；得到铸坯；
步骤②
对步骤①所得铸坯进行均匀化处理，得到均匀化处理后的铸坯；所述均匀化处理的温度为460～465℃、时间为36-48小时；
步骤③
对步骤②所得均匀化处理后的铸坯进行热挤压或热锻造，控制热挤压或热锻造温度为390～440℃，热挤压比为8～12：1，热锻造控制道次变形量为60-90％，得到变形件；
步骤④
将变形件进行固溶处理，固溶温度为480～510℃，固溶时间1～3小时，之后出炉水淬或油淬至淬件的温度为10～40℃；
步骤⑤
固溶处理后，立即进行时效处理，控制时效温度为120～130℃、时效时间为20～24小时；时效处理后，进行粗加工，得到低碳化硅铝基复合材料盘粗坯。
作为优选方案，本发明一种组合式复合材料制动盘的制备方法，摩擦盘(1)的制备方法包括下述步骤：
步骤A
按炭布和炭毡质量比7.5～9：3～1，将0°无纬炭布、炭纤维网胎、90°无纬炭布、炭纤维网胎依次逐层循环叠加后，采用接力式针刺的方法在垂直于铺层方向引入炭纤维束制成密度为0.3～0.6g/cm3的2.5D炭纤维针刺整体毡；
步骤B
将步骤A所得炭纤维针刺整体毡固定后置于高温炉中，在氩气气氛下，于1500～2100℃，进行3～10小时的前高温热处理，压力为微正压，得到前高温热处理后的整体毡；
步骤C
将步骤B所得前高温热处理后的整体毡进行化学气相沉积热解碳处理，得到沉积均匀且密度为1.0～1.5g/cm3的低密度碳碳复合材料，化学气相沉积的碳源气体为甲烷、丙烯、天然气中的至少一种，稀释气体为氮气和/或氢气，碳源气体与稀释气体的体积比为1:1～3，沉积温度为900～1050℃，沉积时间为100～300小时。
步骤D
在惰性保护气氛下，于1800～2300℃，对步骤C所得的低密度碳碳复合材料进行高温石墨化处理，处理时间2～5小时，之后对各面进行机加工成要求的外形及尺寸，厚度方向留出厚度为1mm的加工余量，并加工出与铝基复合材料连接支撑盘连接的沉孔(3)；
步骤E
将步骤D得到的碳碳复合材料坯体放置于铺满硅粉的石墨坩埚中，硅粉粒度为0.01～0.1μm，纯度不低于99％，硅粉的质量为理论需要的硅粉的1.2～2.0倍，将碳碳复合材料坯体平放在硅粉上，再在高温真空炉中于1500～1900℃进行渗硅，处理时间为1～2小时，炉內为负压或是充入惰性气体的微正压，得到密度为1.8～2.5g/cm3的碳陶复合材料；
步骤F
将步骤E制得的碳陶复合材料预成品在磨床上将厚度面加工成产品要求的厚度尺寸，得到碳陶复合材料摩擦盘。
本发明一种组合式复合材料制动盘的应用，包括将所述制动盘应用于高速列车上。
原理和优势：
与现有技术相比，其优点与积极效果在于：
(1)本发明采用在碳碳复合材料内熔渗硅的方法制备的碳陶复合材料，不仅具有较高的力学性能，且抗磨损性能和抗氧化性能均大幅提高，与钢质制动盘相比，以碳陶复合材料作为制动盘，不仅可实现列车的大幅度减重，而且碳陶复合材料制动盘的热稳定性高、无热振动、耐磨损、可大幅延长制动盘的使用寿命。
(2)与钢质制动盘相比，本发明使用碳陶复合材料摩擦盘和梯度铝基复合材料连接支撑盘组合的列车制动盘，不仅实现了列车的进一步减重，碳陶复合材料摩擦盘和梯度结构铝基复合材料连接支撑盘的结合模式使得材料分布更为合理，制动盘的抗冲击强度和蠕变抗力显著提高，整个制动盘体内温度场的分布得以改善，降低制动时产生的热应力约20％～30％，制动时制动盘的损耗显著减小，制动盘的寿命大幅延长，整体质量相比钢盘得以大幅的降低。
本发明的铝基复合材料连接支撑盘采用梯度结构，靠近碳陶摩擦盘一侧选用高碳化硅、不含Cu、高硅的铝基复合材料，在刹车时对碳陶摩擦盘起到热传导和支撑作用。靠近摩擦盘的一端在刹车时所承受的温度，远高于300℃，常规铝合金在该温度下，力学性能显著降低，因此需要对靠近摩擦盘一段的材质进行重新设计。本发明中所设计的高碳化硅铝基复合材料中添加了大量碳化硅和硅，未添加铜元素，经各组分的协同作用，其力学性能和抗高温蠕变性能远高于常规铝合金。远离碳陶摩擦盘的一侧选用低碳化硅的含高Zn、Mg、Cu的超高强度铝基复合材料，对高碳化硅铝基复合材料盘起到了有效的支撑作用。将高碳化硅、高硅的铝基复合材料和低碳化硅的超高强度铝基复合材料通过热压连接，由于两者为同类材料，因此连接界面的剪切强度较高，结合致密。与整体钢盘相比，该类组合式复合材料制动盘在显著减重和高导热的同时，摩擦盘制动时带来的高的热量不会引起材料的显著蠕变。
附图说明
附图1为本发明新型组合式复合材料制动盘的原理示意图；
附图2a为实施例1制备的组合式复合材料制动盘的结构示意图；
附图2b为附图2a的纵向剖视图；
附图3为图2a中碳陶复合材料摩擦盘整盘(1)的结构示意图；
附图4a为图2a中铝基复合材料连接支撑盘(2)的结构示意图
附图4b为图4a的纵向剖视图。
图中，1为摩擦盘、2为连接支撑盘、3为摩擦盘上的摩擦盘沉孔、4为连接支撑盘上与3相对应的沉孔、5为中孔；2-1为高碳化硅铝基复合材料盘；2-2为低碳化硅铝基复合材料盘；A为摩擦盘上的摩擦面、B为摩擦盘上的非摩擦面。
具体实施方式
下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明所记载技术方案中的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
参照图2～4所示，这种组合式复合材料列车制动盘，制动盘体包括一个碳陶复合材料摩擦盘1和一个梯度铝基复合材料连接支撑盘2；碳陶复合材料摩擦盘整盘1上包括了若干个栓孔3；梯度铝基复合材料连接支撑盘2由高碳化硅铝基复合材料盘2-1和低碳化硅铝基复合材料盘2-2；在梯度铝基复合材料连接支撑盘2上还包括若干个位置与碳陶复合材料摩擦盘1的沉孔3对应的沉孔4，以及中孔5；用铜质或钢制铆钉依次将碳陶复合材料摩擦盘1和梯度铝基复合材料连接支撑盘2进行冷铆接连接成一体，铆接力为0.7～1MPa，且碳陶复合材料摩擦盘1的非摩擦面B与高碳化硅铝基复合材料盘2-1的盘面C对应。使用时，本发明通过铝基复合材料连接支撑盘2的中孔6与列车车轮毂相连，碳陶复合材料摩擦盘1的摩擦面A为工作面。当制动盘的碳陶复合材料摩擦盘1经刹车长时间制动导致厚度尺寸变小，按规定需要更换时，拆卸螺栓，更换摩擦盘即可继续使用。
本实施例中，摩擦盘(1)的制备方法包括下述步骤：
步骤A
按炭布和炭毡质量比4：1，将0°无纬炭布、炭纤维网胎、90°无纬炭布、炭纤维网胎依次逐层循环叠加后，采用接力式针刺的方法在垂直于铺层方向引入炭纤维束制成密度为0.5g/cm3的2.5D炭纤维针刺整体毡；
步骤B
将步骤A所得炭纤维针刺整体毡固定后置于高温炉中，在氩气气氛下，于1800℃，进行10小时的前高温热处理，压力为微正压，得到前高温热处理后的整体毡；
步骤C
将步骤B所得前高温热处理后的整体毡进行化学气相沉积热解碳处理，得到沉积均匀且密度为1.2g/cm3的低密度碳碳复合材料，化学气相沉积的碳源气体为甲烷、丙烯、天然气中的至少一种，稀释气体为氮气和/或氢气，碳源气体与稀释气体的体积比为1:2，沉积温度为1050℃，沉积时间为200小时。
步骤D
在惰性保护气氛下，于2100℃，对步骤C所得的低密度碳碳复合材料进行高温石墨化处理，处理时间4小时，之后对各面进行机加工成要求的外形及尺寸，厚度方向留出厚度为1mm的加工余量，并加工出与铝基复合材料连接支撑盘连接的沉孔(3)；
步骤E
将步骤D得到的碳碳复合材料坯体放置于铺满硅粉的石墨坩埚中，硅粉粒度为0.05μm，纯度不低于99％，硅粉的质量为理论需要的硅粉的2倍，将碳碳复合材料坯体平放在硅粉上，再在高温真空炉中于1800℃进行渗硅，处理时间为2小时，炉內为负压或是充入惰性气体的微正压，得到密度为2.5g/cm3的碳陶复合材料；
步骤F
将步骤E制得的碳陶复合材料预成品在磨床上将厚度面加工成产品要求的厚度尺寸，得到碳陶复合材料摩擦盘。
本实施例中，高碳化硅铝基复合材料盘(2-1)所需高碳化硅铝基复合材料的制备方法为：
步骤①
按要求进行配料，SiC颗粒30wt％、Al-Mg-Si-Zr-Sc雾化粉60wt％；
余量为Al粉和不可避免杂质；
其中SiC粉的粒度为20μm，Al-Mg-Si-Zr-Sc雾化粉的粒度为50μm，铝粉的粒度为100μm；
步骤①中所述Al-Mg-Si-Zr-Sc雾化粉以质量百分比包括下述组分：
Mg 7wt％；
Si 30wt％；
Zr 1.0wt％；
Sc 1.0wt％；
余量为Al。
步骤②
将步骤①的原材料投入混料器中，混料3小时。
步骤③
将混合料冷压成型，压制压力300MPa，压制速度为5mm/min，保压40秒，得到高碳化硅铝基复合材料压坯。
步骤④
将高碳化硅铝基复合材料压坯在真空炉中进行烧结处理，烧结温度为560℃，保温时间为1.5小时，控制炉内压力小于等于0.1Pa，然后随炉冷却至50℃以下出炉，得到高碳化硅铝基复合材料烧结坯。
步骤⑤
对步骤④所得碳化硅铝基复合材料烧结坯进行热压，控制热挤压或热锻造温度为440℃，热压比为10：1，得到变形件；
步骤⑥
对所得高碳化硅铝基复合材料变形件按设定尺寸进行粗加工，得到备用高碳化硅铝基复合材料。
本实施例中，低碳化硅铝基复合材料盘(2-2)的材质为低碳化硅铝基复合材料；所述低碳化硅铝基复合材料的制备方法包括下述步骤：
步骤一
按设计组分配取SiC颗粒(粒度为10μm)、Zn源、Mg源、Cu源、Zr源、Sc源、Al、然后将配取的Zr源、Sc源、Cu源、Al、SiC颗粒置于熔炼炉内；在860℃搅拌均匀；然后降温至720℃，加入配取的Mg源和Zn源，搅拌均匀，精炼、静置浇铸；得到铸坯；
步骤二
对步骤一所得铸坯进行均匀化处理，得到均匀化处理后的铸坯；所述均匀化处理的温度为460～465℃；时间为4小时；
步骤三
对步骤二所得均匀化处理后的铸坯进行热挤压，控制热挤压的温度为420℃，热挤压比为9：1，得到变形件；
步骤四
将变形件进行固溶处理，固溶温度为500℃，固溶时间1.5小时，之后出炉水淬或油淬至淬件的温度为25℃；
步骤五
固溶处理后，立即进行时效处理，控制时效温度为120℃、时效时间为20小时，得到所述低碳化硅铝基复合材料。
所得低碳化硅铝基复合材料以质量百分比计包括下述组分：
SiC 8.0wt％；
Zn 9.0wt％；
Mg 2.5wt％；
Cu 2.5wt％；
Zr 0.25wt％；
Sc 0.30wt％；
余量为Al和不可避免杂质。
所用Zr源为Al-Zr中间合金；Sc源为Al-Sc中间合金；Cu源Al-Cu中间合金。所述Zn源为纯Zn锭，所述Mg源为纯Mg锭。
将步骤五和步骤④所得产品，通过下述步骤，得到连接支撑盘(2)：
步骤Ⅰ
将高碳化硅铝基复合材料和低碳化硅铝基复合材料的待连接面用砂纸打磨，使表面粗糙度Ra 1.0μm，然后用无水乙醇擦洗表面；
步骤Ⅱ
将步骤Ⅰ的高碳化硅铝基复合材料和低碳化硅铝基复合材料的待连接面贴合并沿贴合面的垂直方向施加40MPa的压力，在空气中进行热压，热压温度为580℃，保温时间为5分钟，之后卸压，自然冷却，得到梯度铝基复合材料连接件坯体；
步骤Ⅲ
将步骤Ⅱ的梯度铝基复合材料连接件坯体机加工成图纸设计的形状和尺寸，并加工中孔，以及与碳陶复合材料摩擦盘连接的沉孔，在磨床上将各面进行打磨，得到由高碳化硅铝基复合材料盘(2-1)和低碳化硅铝基复合材料盘(2-2)组成的连接支撑盘(2)。
将步骤Ⅲ所得连接支撑盘(2)与碳陶复合材料摩擦盘通过钢质铆钉铆接；得到制动盘；所述制动盘各部分的的性能检测如表1所示。不同制动速度下，本发明制动盘的摩擦磨损性能见表2。实验条件为：干摩擦：制动压力1MPa，滑行速度分别为8m·s-1、16m·s-1、24m·s-1，滑行距离2000转，对偶件为30CrMoSiVA合金钢。
表1 实施例1所开发的组合式复合材料制动盘各部分的性能检测值
表2 实施例1开发的组合式复合材料制动盘在不同制动下的摩擦磨损性能
各部件组合成制动盘后，经实验测试，与传统的钢质制动盘、碳陶制动盘、铝基制动盘、碳陶复合材料摩擦盘和单一高碳化硅铝基复合材料连接支撑盘组合制动盘、碳陶复合材料摩擦盘和单一低碳化硅铝基复合材料连接支撑盘组合制动盘相比，碳陶复合材料摩擦盘和梯度铝基复合材料连接支撑盘组合制动盘在高频率制动工况下，其耐磨性能和力学性能显著提高，热应力大幅降低。纯碳陶复合材料制动盘制动时温度可达400～500℃，借助铝基复合材料高的导热性能，本发明的组合式复合材料制动盘的温度只有180℃～300℃。完全可以适应下一代高铁的设计需求。

Claims (10)

1.一种组合式复合材料制动盘，所述组合式复合材料制动盘包括摩擦盘(1)和连接支撑盘(2)；其特征在于：所述摩擦盘(1)的材质为碳陶复合材料，所述连接支撑盘(2)的材质为梯度铝基复合材料；所述梯度铝基复合材料中含有SiC，根据SiC含量，将梯度铝基复合材料分成E区域和F区域，所述E区域中任意一部位的SiC含量大于F区域中任意一部位SiC的含量；将摩擦盘(1)和连接支撑盘(2)组装后，得到组合式复合材料制动盘；沿组合式复合材料制动盘厚度的方向，所述E区域到摩擦盘(1)的最小距离小于F区域到摩擦盘(1)的最小距离。
2.根据权利要求1所述的一种组合式复合材料制动盘，其特征在于：所述连接支撑盘(2)由高碳化硅铝基复合材料盘(2-1)和低碳化硅铝基复合材料盘(2-2)构成；所述高碳化硅铝基复合材料盘(2-1)以质量百分比计包括下述原料：
SiC颗粒20～30wt％；
Al-Mg-Si-Zr-Sc雾化粉50-60wt％；
余量为Al粉和不可避免杂质；
所述Al-Mg-Si-Zr-Sc雾化粉以质量百分比包括下述组分：
Mg 1-7wt％；
Si 25-30wt％；
Zr 0.3-1.0wt％；
Sc 0.25～1.0wt％；
余量为Al；
所述低碳化硅铝基复合材料盘(2-2)以质量百分比计包括下述组分：
SiC颗粒5～10wt％；
Zn 7.0-9.6wt％；
Mg 1.5-3.5wt％；
Cu 2.0-3.0wt％；
Zr 0.15-0.35wt％；
Sc 0.15-0.4wt％；
余量为Al粉和不可避免杂质。
3.根据权利要求1所述的一种组合式复合材料制动盘，其特征在于：连接支撑盘(2)与摩擦盘(1)通过铆接构成一体；铆接后；沿所述组合式复合材料制动盘厚度方向，连接支撑盘(2)上的低碳化硅铝基复合材料盘(2-2)到摩擦盘(1)的最小距离大于连接支撑盘(2)上的高碳化硅铝基复合材料盘(2-1)到摩擦盘(1)的最小距离。
4.根据权利要求2所述的一种组合式复合材料制动盘，其特征在于：
所述组合式复合材料制动盘包括碳陶复合材料摩擦盘(1)和梯度铝基复合材料连接支撑盘(2)；所述碳陶复合材料摩擦盘(1)包括B面和A面，所述A面为摩擦面，B面为非摩擦面；所述高碳化硅铝基复合材料盘(2-1)和低碳化硅铝基复合材料盘(2-2)通过热压构成所述连接支撑盘(2)；将摩擦盘(1)和连接支撑盘(2)组装后，沿组合式复合材料制动盘厚度的方向，所述高碳化硅铝基复合材料盘(2-1)到B面的最小距离小于其到A面的最小距离。
5.根据权利要求2所述的一种组合式复合材料制动盘，其特征在于：
所述碳陶复合材料摩擦盘(1)包括n个摩擦盘沉孔(3)；
所述连接支撑盘(2)上设有n个位置与摩擦盘沉孔(3)相对应的沉孔(4)，以及m个中孔(5)；所述沉孔(4)和中孔(5)均贯穿高碳化硅铝基复合材料盘(2-1)和低碳化硅铝基复合材料盘(2-2)；
用铆钉通过摩擦盘沉孔(3)以及相对应的沉孔(4)将连接支撑盘(2)和摩擦盘(1)冷铆接成一个整体；冷铆接成一个整体后，铆接力为0.7～1MPa；冷铆接后，得到组合式复合材料制动盘，沿组合式复合材料制动盘厚度的方向高碳化硅铝基复合材料盘(2-1)到B面的最小距离为-0.05mm～0.05mm。
6.一种制备如权利要求1-5任意一项所述的组合式复合材料制动盘的方法，其特征在于：
将连接支撑盘(2)与摩擦盘(1)组装起来；得到所述组合式复合材料制动盘；所述摩擦盘(1)的材质为碳陶复合材料；所述连接支撑盘(2)由高碳化硅铝基复合材料盘(2-1)和低碳化硅铝基复合材料盘(2-2)通过复合而成；
所述高碳化硅铝基复合材料盘(2-1)以质量百分比计包括下述原料：
SiC颗粒20～30wt％；
Al-Mg-Si-Zr-Sc雾化粉50-60wt％；
余量为Al粉和不可避免杂质；
所述Al-Mg-Si-Zr-Sc雾化粉以质量百分比包括下述组分：
Mg 1-7wt％；
Si 25-30wt％；
Zr 0.3-1.0wt％；
Sc 0.25～1.0wt％；
余量为Al；
所述低碳化硅铝基复合材料盘(2-2)以质量百分比计包括下述组分：
SiC颗粒5～10wt％；
Zn 7.0-9.6wt％；
Mg 1.5-3.5wt％；
Cu 2.0-3.0wt％；
Zr 0.15-0.35wt％；
Sc 0.15-0.4wt％；
余量为Al粉和不可避免杂质。
7.根据权利要求6所述的一种组合式复合材料制动盘的制备方法，其特征在于：制备连接支撑盘(2)包括下述步骤：
步骤Ⅰ
按高碳化硅铝基复合材料盘(2-1)的设计组分制备出高碳化硅铝基复合材料；对所得高碳化硅铝基复合材料进行粗加工，得到高碳化硅铝基复合材料盘粗坯；
按低碳化硅铝基复合材料盘(2-2)的设计组分制备出低碳化硅铝基复合材料；对所得低碳化硅铝基复合材料进行粗加工，得到低碳化硅铝基复合材料盘粗坯；
步骤Ⅱ
将高碳化硅铝基复合材料盘粗坯与低碳化硅铝基复合材料盘粗坯的待连接面打磨至表面粗糙度Ra 0.5～2.5μm，清洗、烘干；
步骤Ⅲ
将步骤Ⅱ处理后高碳化硅铝基复合材料和低碳化硅铝基复合材料的待连接面贴合并沿贴合面的垂直方向施加20～40MPa的压力，空气中热压，热压温度为520～620℃，保温时间为5～30分钟，之后卸压，空气中自然冷却，得到梯度铝基复合材料连接件坯体；
步骤Ⅳ
将步骤Ⅲ的梯度铝基复合材料连接件坯体机加工成图纸设计的形状和尺寸，以及沉孔(4)和中孔(5)；即得到由高碳化硅铝基复合材料盘(2-1)和低碳化硅铝基复合材料盘(2-2)组成的连接支撑盘(2)。
8.根据权利要求7所述的一种组合式复合材料制动盘的制备方法，其特征在于；
所述高碳化硅铝基复合材料盘粗坯的制备方法包括下述步骤：
步骤一
按设计组分配取SiC粉、Al-Mg-Si-Zr-Sc雾化粉、铝粉，其中SiC粉的粒度为10～20μm，Al-Mg-Si-Zr-Sc雾化粉的粒度为50～150μm，铝粉的粒度为50～150μm；
步骤二
将步骤一的原材料投入混料器中，混料2～4小时；
步骤三
将混合料冷压成型，压制压力250～350MPa，压制速度为5～8mm/min，保压40～50秒，得到高碳化硅铝基复合材料压坯；
步骤四
将高碳化硅铝基复合材料压坯在真空炉中进行烧结处理，烧结温度为550～570℃，保温时间为1～2小时，控制炉内压力小于等于0.1Pa，然后随炉冷却至50℃以下出炉，得到高碳化硅铝基复合材料烧结坯；
步骤五
对步骤四所得高碳化硅铝基复合材料烧结坯进行热压或热锻造，控制热挤压或热锻造温度为390～440℃，热压比为8～12：1，热锻造控制道次变形量为60-90％，得到变形件；
步骤六
变形件按设计尺寸进行机加工得到高碳化硅铝基复合材料盘粗坯；
所述低碳化硅铝基复合材料盘粗坯的制备方法包括下述步骤：
步骤①
按设计组分配取SiC颗粒、Zn源、Mg源、Cu源、Zr源、Sc源、Al，将Al在熔炼炉内熔化，然后将配取的Zr源、Sc源、Cu源、Al、SiC颗粒置于熔融铝中；在780～900℃搅拌均匀；然后降温至650～760℃，加入配取的Mg源和Zn源，搅拌均匀，精炼、静置浇铸；得到铸坯；
步骤②
对步骤①所得铸坯进行均匀化处理，得到均匀化处理后的铸坯；所述均匀化处理的温度为460～465℃、时间为36-48小时；
步骤③
对步骤②所得均匀化处理后的铸坯进行热挤压或热锻造，控制热挤压或热锻造温度为390～440℃，热挤压比为8～12：1，热锻造控制道次变形量为60-90％，得到变形件；
步骤④
将变形件进行固溶处理，固溶温度为480～510℃，固溶时间1～3小时，之后出炉水淬或油淬至淬件的温度为10～40℃；
步骤⑤
固溶处理后，立即进行时效处理，控制时效温度为120～130℃、时效时间为20～24小时；时效处理后，进行粗加工，得到低碳化硅铝基复合材料盘粗坯。
9.根据权利要求6所述的一种组合式复合材料制动盘的制备方法，其特征在于；摩擦盘(1)的制备方法包括下述步骤：
步骤A
按炭布和炭毡质量比7.5～9：3～1，将0°无纬炭布、炭纤维网胎、90°无纬炭布、炭纤维网胎依次逐层循环叠加后，采用接力式针刺的方法在垂直于铺层方向引入炭纤维束制成密度为0.3～0.6g/cm3的2.5D炭纤维针刺整体毡；
步骤B
将步骤A所得炭纤维针刺整体毡固定后置于高温炉中，在氩气气氛下，于1500～2100℃，进行3～10小时的前高温热处理，压力为微正压，得到前高温热处理后的整体毡；
步骤C
将步骤B所得前高温热处理后的整体毡进行化学气相沉积热解碳处理，得到沉积均匀且密度为1.0～1.5g/cm3的低密度碳碳复合材料，化学气相沉积的碳源气体为甲烷、丙烯、天然气中的至少一种，稀释气体为氮气和/或氢气，碳源气体与稀释气体的体积比为1:1～3，沉积温度为900～1050℃，沉积时间为100～300小时；
步骤D
在惰性保护气氛下，于1800～2300℃，对步骤C所得的低密度碳碳复合材料进行高温石墨化处理，处理时间2～5小时，之后对各面进行机加工成要求的外形及尺寸，厚度方向留出厚度为1mm的加工余量，并加工出与铝基复合材料连接支撑盘连接的沉孔(3)；
步骤E
将步骤D得到的碳碳复合材料坯体放置于铺满硅粉的石墨坩埚中，硅粉粒度为0.01～0.1μm，纯度不低于99％，硅粉的质量为理论需要的硅粉的1.2～2.0倍，将碳碳复合材料坯体平放在硅粉上，再在高温真空炉中于1500～1900℃进行渗硅，处理时间为1～2小时，炉內为负压或是充入惰性气体的微正压，得到密度为1.8～2.5g/cm3的碳陶复合材料；
步骤F
将步骤E制得的碳陶复合材料预成品在磨床上将厚度面加工成产品要求的厚度尺寸，得到碳陶复合材料摩擦盘。
10.一种如权利要求1-5任意一项所述组合式复合材料制动盘的应用，包括将所述制动盘应用于高速列车上。
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