一种榫卯连接分体式碳陶制动盘及其制备方法

技术领域

本发明涉及碳陶制动盘技术领域，具体涉及一种榫卯连接分体式碳陶制动盘及其制备方法。

背景技术

连续碳纤维增韧陶瓷基复合材料(Continuous Fiber Reinforced CeramicMatrix Composites,CFCC)继承了陶瓷本身的低密度、高强度、抗氧化等优异特性，又克服了陶瓷脆性大和可靠性差的弱点，表现出类似于金属的断裂行为，且对裂纹不敏感、不易发生灾难性断裂，在摩擦制动领域具有巨大的应用潜力。C/SiC复合材料具有比强高、比模量高、硬度高、密度低、摩擦系数热、湿态衰退小等一系列优异性能，是目前极具潜力的摩擦材料之一。

C/SiC复合材料的制备工艺可以分为：气相途径，也称为化学气相渗透(CVI)；液相途径，包括聚合物浸渍热解(PIP)和液硅渗透(LSI)或反应熔体渗透工艺(RMI)。无论采用哪种CVI工艺，复合材料内部都会残留一定的的开气孔，从而导致较低的热导率。尽管如此，CVI工艺是制备SiC基复合材料的成熟工艺，具有以下突出优点：实用性强，制备温度较低；有效实现复合材料在微观尺寸上的成分设计；适于制备高纤维体积分数、形状复杂、净尺寸、尺寸范围宽的制品；制备过程对纤维损伤小。

RMI工艺是一种通过化学反应，原位生成基体的致密化工艺，反应产物通常为碳化物和硼化物。与CVI工艺相比，RMI工艺制备成本低，生产周期短，可以实现复杂形状构件的制备。制备的材料残余孔隙率低，致密性好。但是，RMI工艺也存在一些缺点：浸渗反应过程中，如果不加保护，碳纤维与浸渗的金属相会发生反应，腐蚀损伤纤维，影响材料的力学性能。此外，残留在材料内部的未反应金属在高温下会加速蠕变，破坏相稳定，降低材料性能。

传统整体式碳陶盘周向会排布多个通风槽用以减重和散热，但是由于制动盘坯体密度较低时无法进行通风槽的加工，只有当制动盘坯体具有一定强度和加工性时才可以进行通风槽加工，而且通风槽的加工耗时较多，去除的材料均为边角料，造成大量人力、物料和时间的浪费。

与此同时，由于整体式碳陶制动盘厚度较厚，且碳陶制动盘厚度方向存在不同结构，如安装孔台阶、通风槽等，造成熔体渗透过程复杂，难以控制，导致碳陶制动盘坯体RMI改性后会出现密度不均的问题，这将直接导致碳陶制动盘剩余不平衡量超差，产品报废。

针对上述整体式碳陶制动盘工艺缺点，现有的分体式碳陶制动盘，分体式碳陶制动盘通过厚度方向分半的方式，将通风槽周向加工改为单侧制动盘平面内铣削加工，大大缩短加工用时，降低加工难度，随后采用铆钉、螺钉等机械连接形式将两半制动盘铆接为一个整体，在制动盘时使用过程中，铆钉是承载的主要单元，铆钉的抗剪强度直接决定了制动盘的力学性能，但是由于铆接区域有限，铆钉直径大小、个数及排布方式均受到限制，在使用过程中，一旦一颗铆钉发生破坏，制动盘整体性能将大大降低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种榫卯连接分体式碳陶制动盘及其制备方法，以解决现有的分体式制动盘采用铆钉连接，存在整体性能差的问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种榫卯连接分体式碳陶制动盘，其包括制动盘本体和嵌入体，制动盘本体包括层叠设置的法兰盘体和底盘体；法兰盘体包括第一安装端面和第一连接端面，底盘体包括第二安装端面和与第一连接端面连接的第二连接端面，第一连接端面和第二连接端面分别设置有多个间隔设置的安装槽，相对的安装槽之间形成嵌入空腔，每一个嵌入空腔中分别设有嵌入体，相邻的安装槽之间设置有第一通风槽，相对的第一通风槽之间形成第一通风空腔。

采用上述技术方案的有益效果为：法兰盘体与底盘体连接后，相对的安装槽相互闭合形成嵌入空腔，将嵌入体放入到嵌入空腔中，从而实现了法兰盘体和底盘体之间榫卯连接；此外，法兰盘体的第一通风槽和底盘体的第一通风槽相互闭合形成第一通风空腔。本技术方案通过设置嵌入体改变了法兰盘体和底盘体的受力形式，将传统铆钉受剪力转变为法兰盘体和底盘体对嵌入体的压力，而且在满足了连接强度需求的同时，还形成了第一通风空腔，充分发挥了陶瓷相抗压的优势，提高了分体式制动盘的连接可靠性，也即解决了现有的分体式制动盘采用铆钉连接，存在整体性能差的问题。

其次，本技术方案将传统的厚度较厚的整体式碳陶制动盘拆解为多个零件，既提高了预制体平板的材料利用率，且各个零件可以分开大批量制备，又降低了制备过程由于预制体厚度引起的基体碳密度不均、高温改性后陶瓷相密度不均等工艺难度，节约了制备周期，提高了产品的一次合格率。

进一步地，安装槽的两端分别延伸至制动盘本体的内外两侧，安装槽包括相互连通的安装段和散热段，安装段靠近制动盘本体的内侧并与嵌入体相配合。

进一步地，散热段设置有多个第一散热通孔，第一通风槽间隔设置有多个第二散热通孔，第一散热通孔和第二散热通孔延伸至制动盘本体的端面。

采用上述技术方案的有益效果为：安装段用于安装嵌入体，散热段不仅可以减轻盘体的整体重量还可以有利于散热。

进一步地，第一通风槽包括收口端和扩大端，收口端延伸至制动盘本体的内侧，扩大端延伸至制动盘本体的外侧。

进一步地，嵌入体的顶侧设置有延伸至嵌入体两端的第二通风槽，嵌入体的两侧分别设置有楔形槽。

采用上述技术方案的有益效果为：本技术方案的第二通风槽与第一通风槽相配合使用，当嵌入体嵌设在嵌入空腔中后，第二通风槽起到散热的作用，提升了通风效果。

进一步地，第一安装端面设置有用于连接轮毂的环形凹槽，制动盘本体设有贯穿法兰盘体、嵌入体和底盘体的安装通孔，安装通孔位于环形凹槽内。

一种制造上述榫卯连接分体式碳陶制动盘的制备方法，其包括以下步骤：

S1：制备三维针刺预制体平板；

S2：对三维针刺预制体平板的表面采用化学气相渗透工艺制备热解碳界面层；

S3：再对步骤S2所得的三维针刺预制体平板采用聚合物浸渍热解工艺向其内部引入碳；

S4：对步骤S3所得三维针刺预制体平板进行机械加工，得到法兰盘体、底盘体和嵌入体；

S5：将法兰盘体和底盘体相互扣合后，然后将多个嵌入体依次插入到各个嵌入空腔中，最后通过紧固件将法兰本体、底盘体和嵌入体连接，得到制动盘整体；

S6：对制动盘整体进行致密处理；

S7：对致密处理后的制动盘整体进行尺寸精整，完成产品制备。

进一步地，在步骤S2中，化学气相渗透工艺为：真空度≤200Pa，温度为700～900℃，通入丙烯、氢气和氩气，保温100～200h。

进一步地，在步骤S3中，聚合物浸渍热解工艺为：将三维针刺预制体平板置于浸渍罐中，在气压达到-0.5～-0.1MPa时，保压30min，然后向浸渍罐加入树脂浆料，继续加压至气压达到1.0～3.0MPa，保压30min后恢复常压并取出三维针刺预制体平板；将固化后的三维针刺预制体平板放入真空感应炉中，真空度≤200Pa，700～900℃，保温2～4h。

进一步地，在步骤S6中，采用反应熔体渗透工艺对制动盘整体进行致密处理。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明通过设置嵌入体改变了法兰盘体和底盘体的受力形式，将传统铆钉受剪力转变为法兰盘体和底盘体对嵌入体的压力，而且在满足了连接强度需求的同时，还形成了第一通风空腔，充分发挥了陶瓷相抗压的优势，提高了分体式制动盘的连接可靠性，也即解决了现有的分体式制动盘采用铆钉连接，存在整体性能差的问题。

(2)本发明将传统的厚度较厚的整体式碳陶制动盘拆解为多个零件，既提高了预制体平板的材料利用率，且各个零件可以分开大批量制备，又降低了制备过程由于预制体厚度引起的基体碳密度不均、高温改性后陶瓷相密度不均等工艺难度，节约了制备周期，提高了产品的一次合格率。

(3)本发明的第二通风槽与第一通风槽相配合使用，当嵌入体嵌设在嵌入空腔中后，第二通风槽起到散热的作用，提升了通风效果。

附图说明

图1为本发明榫卯连接分体式碳陶制动盘的结构示意图；

图2为本发明榫卯连接分体式碳陶制动盘的爆炸图；

图3为本发明的嵌入体的结构示意图；

图4为本发明的楔形槽的结构示意图；

图5为本发明的安装槽的结构示意图；

图6为本发明的环形凹槽的结构示意图。

图中：1-制动盘本体；2-嵌入体；201-第二通风槽；202-楔形槽；11-法兰盘体；12-底盘体；111-第一安装端面；112-第一连接端面；113-环形凹槽；114-安装通孔；121-第二安装端面；122-第二连接端面；3-安装槽；301-安装段；302-散热段；5-第一通风槽；501-收口端；502-扩大端；601-第一散热通孔；602-第二散热通孔。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

请参照图1和图2，一种榫卯连接分体式碳陶制动盘，其包括制动盘本体1和多个嵌入体2，多个嵌入体2沿制动盘本体1的内环圆周方向间隔设置。

制动盘本体1包体包括层叠设置的法兰盘体11和底盘体12，法兰盘体11包括第一安装端面111和第一连接端面112，底盘体12包括第二安装端面121和与第一连接端面112连接的第二连接端面122，第一连接端面112和第二连接端面122分别设置有多个间隔设置的安装槽3，相对的安装槽3之间形成嵌入空腔，每一个嵌入空腔中设有嵌入体2，相邻的安装槽3之间设置有第一通风槽5，相对的第一通风槽之间形成第一通风空腔。法兰盘体11与底盘体12连接后，相对的安装槽3相互闭合形成嵌入空腔，将嵌入体2放入到嵌入空腔中，从而实现了法兰盘体11和底盘体12之间榫卯连接；此外，法兰盘体11的第一通风槽5和底盘体12的第一通风槽5相互闭合形成第一通风空腔。

本发明通过设置嵌入体2改变了法兰盘体11和底盘体12的受力形式，将传统铆钉受剪力转变为法兰盘体11和底盘体12对嵌入体2的压力，而且在满足了连接强度需求的同时，还形成了第一通风空腔，充分发挥了陶瓷相抗压的优势，提高了分体式制动盘的连接可靠性，也即解决了现有的分体式制动盘采用铆钉连接，存在整体性能差的问题。其次，本发明将传统的厚度较厚的整体式碳陶制动盘拆解为多个零件，既提高了预制体平板的材料利用率，且各个零件可以分开大批量制备，又降低了制备过程由于预制体厚度引起的基体碳密度不均、高温改性后陶瓷相密度不均等工艺难度，节约了制备周期，提高了产品的一次合格率。

请参照图3和图4，嵌入体2的两侧分别设置有楔形槽202，楔形槽202的夹角范围60～88°，设置楔形槽202可以避免嵌入体2从嵌入空腔中滑出。在本实施例中，设置有10个嵌入体2，在其他实施例中，可以设置多于或少于10个的嵌入体2。

嵌入体2的顶侧设置有延伸至嵌入体2两端的第二通风槽201，在本实施例中，第二通风槽201与第一通风槽5相配合使用，当嵌入体2嵌设在嵌入空腔中后，第二通风槽201起到分流的作用，提升了通风效果，在其他实施例中，在不影响影响装配和承载性能的前提下，在嵌入体2上开设不同宽度和深度第二通风槽201。

本发明在制动盘本体1的圆周方向设置多个嵌入体2，可在碳陶制动盘动平衡测试中，发挥平衡调节块的作用，通过一个或多个嵌入体2的去重，调整整个碳陶制动盘的剩余不平衡量，为碳陶制动盘的调平留下较大的调整空间。

请参照图5，安装槽3的两端分别延伸至制动盘本体1的内外两侧，安装槽3包括相互连通的安装段301和散热段302，安装段301与嵌入体2相配合，安装段301延伸至制动盘本体1的内侧，散热段302延伸至制动盘本体1的外侧。散热段302间隔设置有多个第一散热通孔601，第一通风槽5间隔设置有多个第二散热通孔602，第一散热通孔601和第二散热通孔602延伸至制动盘本体1的端面。

第一通风槽5包括收口端501和扩大端502，收口端501延伸至制动盘本体1的内侧，扩大端502延伸至与制动盘本体1的外侧。

请参照图6，第一安装端面111设置有用于连接轮毂的环形凹槽113，环形凹槽113、嵌入体2和第二安装端面121的周向间隔设置有多个安装通孔114，安装通孔114用于螺栓穿过，从而将制动盘整体同轮毂连接起来。

一种制造上述榫卯连接分体式碳陶制动盘的制备方法，其包括以下步骤：

S1：采用碳纤维无纬布、碳纤维网胎，通过针刺工艺，制备一定体积密度的针刺预制体平板作为上述榫卯连接分体式碳陶制动盘结构中，法兰盘体11、底盘体12和嵌入体2的主材料；

在本实施例中，用作法兰盘体11、底盘体12和嵌入体2主材料的碳纤维针刺预制体平板的体积密度范围为0.5～0.55g/cm

S2：对三维针刺预制体平板的表面采用化学气相渗透工艺制备热解碳界面层，其具体制备过程为：将三维针刺预制体平板置于真空感应炉底盘上，用升降平台把平板送入炉膛内；启动真空泵抽真空，真空度≤200Pa时，启动电源，开始升温，以3～5℃/min速率从室温升至900℃，通入纯度99.9％的丙烯、氢气和氩气，气体流量比例为：1：3：3，保温80h，保温结束后关闭电源，随炉降温至室温；

S3：再对步骤S2所得的三维针刺预制体平板采用聚合物浸渍热解工艺向其内部引入碳，制备过程为：将三维针刺预制体平板置于浸渍罐的底部托盘中，关上罐门，启动真空泵抽真空，罐内气压达到-0.1MPa时，保压30min，保压结束后，利用罐内负压，向罐内吸入事先配置好的树脂浆料，树脂浆料采用2123酚醛树脂及其固化剂(六甲基四胺)，溶剂采用乙醇，树脂质量分数12％～15％；待树脂浆料淹没三维针刺预制体平板后，加压至罐内气压达到1.0MPa，保压30min，随后恢复常压，将三维针刺预制体平板自树脂浆料中取出，放入80℃烘箱进行固化，随后将固化后的三维针刺预制体平板置于真空感应炉底盘上，用升降平台把平板送入炉膛内，启动真空泵抽真空，真空度≤200Pa时，启动电源，开始升温，以3～5℃/min速率从室温升至950℃，保温2h，保温结束后关闭电源，随炉降温至室温，取出三维针刺预制体平板。

值得说明的是，上述步骤S3完成后测三维针刺预制体平板密度，密度达到1.0g/cm

S4：对步骤S3所得三维针刺预制体平板进行机械加工，加工法兰盘体11、底盘体12和嵌入体2的轮廓、厚度及其上的安装槽3、安装通孔114、第一散热通孔601和第二散热通孔602；

S5：将法兰盘体11和底盘体12相互扣合后，然后将多个嵌入体2依次插入到各个嵌入空腔中，最后通过紧固件将法兰盘体11、底盘体12和嵌入体2连接，紧固件为螺栓，得到制动盘整体；

S6：对制动盘整体采用反应熔体渗透工艺进行致密处理，制备过程具体为：将装配完成的制动盘整体预制体装入石墨坩埚中，向坩埚中加入硅粉，然后装有制动盘整体预制体的坩埚置于真空感应炉底盘上，用升降平台把预制体与坩埚送入炉膛内；启动真空泵抽真空，真空度≤200Pa时，启动电源，开始升温，以3～5℃/min速率从室温升至1400±50℃，1400℃保温1h，再以2～3℃/min的速率从1400℃升至1500℃，1500℃保温1h，再以2～3℃/min的速率从1500℃升至1600℃，1600℃保温0.5h，之后降温至室温；

S7：对致密处理后的制动盘整体进行尺寸精整，完成产品制备。

采用化学气相渗透工艺制备具有一定密度的多孔三维针刺预制体平板，随后采用聚合物浸渍热解工艺将树脂引入多孔的三维针刺预制体平板内裂解生成多余碳，再进行反应熔体渗透工艺将熔融硅合金熔体引入三维针刺预制体平板内部，得到致密度较高的三维针刺预制体平板。预先沉积PyC(热解炭)界面层可以使得碳纤维被PyC(热解炭)有效保护，反应熔体渗透工艺过程中碳纤维不会被Si熔体腐蚀，可以更好地发挥碳纤维的承载能力。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。