Композитний матеріал на основі вуглець- вуглець для фрикційних елементів

Композитний матеріал на основі вуглецьвуглець для фрикційних елементів, який містить основу з волокон вуглецю, укладених у декілька шарів, і матрицю, яка містить фазу на основі піровуглецю, одержану ущільненням вуглецевих волокон піровуглецем, і фазу карбіду кремнію, який відрізняється тим що додатково містить фазу, утворену введенням між шарами вуглецевих волокон порошку аморфного бору з субмікронним розміром часток до процесу ущільнення піровуглецем, та містить по об'єму 10-40 % волокон вуглецю, 10-50 % фази на основі піровуглецю, 10-50 % фази, утвореної введенням між шарами вуглецевих волокон порошку аморфного бору з субмікронним розміром часток до процесу ущільнення піровуглецем, 10-35 % фази карбіду кремнію. Винахід відноситься до фрикційних композитних матеріалів для фрикційних елементів на основі вуглець-вуглець (С/С), які застосовуються у гальмових пристроях, тобто до матеріалів з основою з волокон вуглецю. Відомо композитний матеріал на основі вуглець-вуглець [див. патент RU-2201542-C2, 2003г.], обраний за прототип, який має основу з волокон вуглецю, укладених у декілька шарів і матрицю, яка містить фазу з піровутлецю, що обгортає волокна основи, і отриману хімічним осадженням з газової фази, жаростійку фазу з вуглецю або кераміки, отриману піролізом попередника у рідкому стані, і фазу карбіду кремнію, отриману сіліціюванням. Композитний матеріал містить волокна вуглецю 15-35% укладених у декілька шарів, фазу з піровуглецю 10-55%, фазу жаростійкого матеріалу 2-30% з вуглецю або кераміки та карбіду кремнію 10-35% отриману сіліціиюванням. Недоліком відомого композитного матеріалу, в разі застосування його як фрикційного елемента, є недостатня стабільність та величина коефіцієнта тертя в залежності від температури тертьових поверхонь, швидкості відносного ковзання, та питомого тиску між поверхнями тертя, висока абразивність та низька зносостійкість. В основу винаходу поставлено задачу удосконалення композитного матеріалу на основі вуглець-вуглець для фрикційних елементів шляхом того, що до композитного матеріалу введено фазу аморфного бор/ до процесу ущільнення піровуглецем, що приведе до застосування цих матеріалів у гальмових системах спортивних автомобілів, гальмах залізничного транспорту, у легкових і вантажних автомобілях, які серійно випускаються, і на промисловому транспорті. При цьому композитний матеріал, в разі застосування його як фрикційного елемента, повинен мати стабільну і відтворювану ефективність гальмування незалежно від інтенсивності гальмування, високу зносостійкість, можливість роботи фрикційних елементів в контакті з різними матеріалами. Поставлена задача досягається тим, що композитний матеріал на основі вутлець-вуглець для фрикційних елементів, який містить основу з волокон вуглецю, укладених у декілька шарів, і (19) UA (11) 82267 (13) C2 (21) a200604890 (22) 03.05.2006 (24) 25.03.2008 (46) 25.03.2008, Бюл.№ 6, 2008 рік (72) СТАРЧЕНКО ВАЛЕРІЙ МИКОЛАЙОВИЧ, UA, ПОЛУПАН ЄВГЕН ВІКТОРОВИЧ, UA, ШЕВЧЕНКО СЕРГІЙ ІВАНОВИЧ, UA (73) СХІДНОУКРАЇНСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ ВОЛОДИМИРА ДАЛЯ, UA (56) UA 54452, C2, 17.03.2003 SU 569642, 25.08.1977 SU 567708, 05.08.1977 RU 2201542, C2, 27.03.2003 US 4668579, 26.05.1987 US 5326732, A, 05.07.1994 US 3897582, 29.07.1975 3 матрицю, яка містить фазу на основі піровуглецю, одержану ущільненням вуглецевих волокон піровуглецем, і фазу карбіду кремнію, згідно винаходу додатково містить фазу, утворену введенням між шарами вуглецевих волокон порошку аморфного бору з субмікронним розміром часток до процесу ущільнення піровуглецем, та містить по об'єму 10-40% волокон вуглецю, 10-50 % фази на основі піровуглецю, 10-50% фази, утвореної введенням між шарами вуглецевих волокон порошку аморфного бору з субмікронним розміром часток до процесу ущільнення піровуглецем, 10-35 % фази карбіду кремнію. Ocнова виготовляється з матеріалу структури повсті або матеріалу з волокнами, такими як тканина, пряжа, трикотаж, одно-направлено розташованими нитками, стренг або плетенням, подібно жилам кабелю, а також у вигляді складних матеріалів, утворених безліччю шарів з різним напрямом взаємно перекриваючих волокон вуглецю, між собою ці шари скріпляються полегшеною прошивкою. При виготовленні подібних матеріалів для заготівок використовується ряд накладених друг на друга і скріплених між собою шарів вуглецевої тканини типу повсті і/або матеріалу з вуглецевими волокнами для отримання заготівки необхідної товщини. Під фазою на основі піровуглецю треба розуміти фазу вуглецю, отриману у результаті піролізу при хімічному осаджені з газової фази з використанням одного або цілого ряду джерел вуглецю, узятих у газовій фазі. Під фазою, утвореним введенням між шарами вуглецевих волокон порошку аморфного бору з субмікронним розміром часток до процесу ущільнення піровуглецем, треба розуміти включення і карбіду бору у вуглецевій матриці, отримані внаслідок хімічної реакції при ущільнені основи з волокон вуглецю, яка виникає між піровуглецем та доданим порошком аморфного бору. Під фазою карбіду кремнію треба розуміти включення у вуглецевій матриці, отримані при зануренні матеріалу у розплав рідкого кремнію, що приводить до хімічної реакції з π ровутлецем матриці з появою карбіду кремнію. Модифікація основи вуглецевих волокон аморфним бором сприяє підвищенню зносостійкості і забезпечує композитному матеріалу підвищену жорсткість, що дозволяє використовувати фрикційні елементи у сполученні з різними матеріалами. Окрім того, присутність карбіду бор або аморфного бор- дозволяє підвищити ефективність роботи фрикційного матеріалу, особливо при малих температурах гальмування, і підвищує коефіцієнт тертя у середньому до значення 0,45. Фрикційні елементи, виготовлені з композитного матеріалу, який заявляється, можуть являти собою гальмовий диск або, по меншій мірі, накладку у конструкції гальмових пристроїв авіаційної техніки та гоночних автомобілів, а також в конструкції гальм залізничного рухомого складу, 82267 4 легкових і вантажних автомобілів, і на промисловому транспорті. Композитний матеріал одержують наступним чином: - виготовлення заготовки основи з вуглецевого волокна та рівномірно розподіленого по всьому об'єму аморфного бору; етап ущільнення заготовки фазою піровуглецю, отриманого хімічним осадженням з газової фази, при якій також з'являється фаза карбіду бору завдяки хімічної реакції між бором аморфним та осадженим піровуглецем у процесі ущільнення піровуглецем; - етап утворення фази матриці з карбіду кремнію. Заготовка композитного матеріалу для ущільнення піровуглецем виготовляться з декількох шарів вуглецевої тканини відповідним розміром. Кількість шарів зумовлена отриманням необхідної товщини кінцевої заготовки. Всі шари заготовки попередньо витримані у воді з додаванням 5% клею ПВА в продовж однієї доби. На перший шар викладеної у форму тканини масою 6,2 г наноситься 10 г змоченого порошку бору аморфного, який ретельно та рівномірно розподіляють по поверхні та об'єму вуглецевої тканини, після додається наступний шар вуглецевої тканини на яку наноситься наступний шар порошку бору аморфного. Ця операція повторюється декілька раз., поки не досягається потрібна товщина заготовки. Отримана кінцева заготовка прошивається у поперек вуглецевими нитками з шагом 15x15 мм та поміститься під прес для витримки протягом 24 годин. За цей час надлишкова вода виходить із заготовки. Таким чином отримана заготовка з 12 шарами вуглецевої тканини та 11 шарами бору аморфной) яка має 3D структуру армування та масу 185гр. Для ущільнення заготовки піровуглецем використовується графітова оправка-нагрівач відповідного розміру. Заготовка щільно притискаються до поверхні оправки-нагрівача та обмотуються двома шарами азбестової тканини. Процес ущільнення здійснюється методом радіально рухомої зони піролізу. Температура у зоні піролізу дорівнює 1000 °С, зону піролізу рухають зі швидкістю V=0,1...0,25мм/г. Для запобігання можливим процесам окислення в об'ємі матеріалу які виникають в процесі роботи композиту необхідно закрити доступ кисню до внутрішнього об'єму матеріалу, що досягається заповненням пор„ які залишилися після процесу ущільнення піровуглецем, карбідом кремнію, отриманого зануренням матеріалу у розплав рідкого кремнію, що приводить до хімічної реакції з піровуглецем матриці з появою карбіду кремнію. Одержаний таким чином кінцевий матеріал обробляють алмазними дисками до отримання фрикційної накладки гальмового пристрою необхідних розмірів. Виготовлені таким чином фрикційні накладки для гальмового пристрою були випробувані на стенді для іспиту гальмових пристроїв.