1.本发明涉及一种适用于模压工艺制备炭/陶刹车盘的改性炭纤维制备方法，属于炭/陶刹车盘技术领域。
背景技术：
2.随着汽车工业的发展，安全环保的高性能刹车材料成为当今汽车摩擦材料领域研究的重点。制备工艺及理论研究已进入更深入的研究，材料的制备技术也在不断的提升，炭/陶刹车材料的低成本化和高性能化成为未来的发展趋势。
3.炭/陶复合材料是炭纤维增强炭和碳化硅陶瓷基体复合材料，最早在20世纪80年代作为热结构材料出现，由于其作为制动材料具有抗磨损、耐高温、密度小、热容量大、湿态摩擦性能稳定、高温摩擦系数不衰减等优势，将成为新一代汽车、高铁、飞机、坦克等首选制动材料。
4.目前，国内外制造汽车刹车盘主要有长纤维预制体致密方式和短纤维模压坯体压制，两种方式制备的坯体再经过高温陶瓷化分别制备出长纤盘和短纤盘。长纤盘在制备工艺中首先是将连续碳纤维用针刺法做成炭纤维预制体，然后通过化学气相沉积和液相沉积致密，再经过陶瓷化过程形成长纤维炭/陶盘，该方法所制备出的长纤盘综合性能较好，但是制备周期长，整个工艺下来长达两个月，成本较高。而短纤盘的制备工艺主要是分为混料、模压成型、碳化、陶瓷化、去重装配，该制备方法生产周期比较短，仅需要一个月，而且原材料利用率非常高，综合成本比较低，但是炭纤维容易在陶瓷化过程中被硅溶液侵蚀破坏起性能，从而降低炭/陶刹车盘的力学性能。
5.专利号为201510946901.4《一种汽车刹车片及其制备方法》公开了一种汽车用刹车片的制备方法，该方法采用短纤维配料模压方式制备树脂基复合材料刹车片，所用模压方法制备周期短、摩擦性能稳定，但是其磨损率大、力学性能低。专利号为cn 110395999 b《一种碳陶摩擦材料的制备方法和应用》公开了一种适用于飞机、汽车、重卡、高速列车等运载系统制动所需刹车盘，所用方法为纤维预制体沉碳制备坯体，再进行浸渍裂解和反应渗硅制备刹车盘，该方法所得摩擦材料的摩擦系数可调且稳定，磨损量小，力学性能高，但该方法较短纤维模压方法相比制备周期长，生产成本高。
技术实现要素：
6.针对目前基于模压工艺制备短纤维炭/陶盘存在的问题，本发明提供一种适用于模压工艺制备炭/陶刹车盘的改性炭纤维制备方法，通过在短炭纤维表面制备一层保护层对其改性，能够有效防止炭纤维在陶瓷化过程中被硅液侵蚀，保留了炭纤维本身优异的性能，从而能够提高基于模压工艺制备的短纤维炭/陶刹车盘的力学性能，而且改性炭纤维的制备周期短、生产成本低、适于大批量的工业化生产，在炭/陶刹车盘领域具有良好的应用前景。
7.本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
8.适用于模压工艺制备炭/陶刹车盘的改性炭纤维制备方法，具体包括以下步骤：
9.将不定长炭纤维浸泡在改性溶液使其润湿，之后从改性溶液中取出并过滤掉炭纤维表面过多的改性溶液，再转移至100～200℃的烘箱中固化1～2h，则在炭纤维表面形成一层保护层，即得到改性炭纤维；
10.其中，以改性溶液的总质量为100％，则改性溶液是由质量分数为5～15％且残炭率≥70％的高残炭硼改性酚醛树脂、质量分数为35～60％的有机溶剂、质量分数为10～20％的碳材料以及质量分数为20～30％的水组成的。
11.进一步地，不定长炭纤维的纤维长度有两种及以上，平均长度不超过30mm，且长度最接近的两种炭纤维的长度差为5～25mm。
12.进一步地，不定长炭纤维是由密度为1.78～1.82g/cm3、拉伸强度≥4900mpa的大丝束聚丙烯腈炭纤维剪切而成的。
13.进一步地，碳材料采用石油焦、碳粉或石墨粉。
14.进一步地，有机溶剂采用乙醇、丙酮、甲苯或二甲苯。
15.在实际应用中，根据所需改性的短切炭纤维的质量，配置改性溶液的质量，使得短切炭纤维充分与改性溶液接触，有利于提高在短切炭纤维的表面制备一层均匀的保护涂层，同时可以有效的避免改性溶液的浪费。不定长度炭纤维质量与改性溶液质量比优选为1:5～1:15。
16.有益效果：
17.(1)本发明将不同长度的短切炭纤维润湿改性溶液，之后通过固化使改性溶液在短切炭纤维表面物理、化学重组形成一层保护涂层，该涂层在碳坯体陶瓷化过程中有效阻隔了硅溶液与炭纤维的反应，从而能防止炭纤维的力学强度被破坏，进而能够提高基于模压工艺制备的短纤维炭/陶刹车盘的力学性能。
18.(2)本发明所采用的改性溶液成本低，配制过程操作简单，与炭纤维结合性能好，有利于在炭纤维表面形成一层完整覆盖且均匀的保护层，而且后期固化时间短，固化条件要求低，改性炭纤维的周期短。
19.(3)本发明所涉及的浸泡、过滤过程对设备要求较低，容易操作，而且短切炭纤维能够均匀地与改性溶液均匀地接触，提高了炭纤维改性的均匀性，从而提高了模压工艺制备的炭/陶刹车盘的质量一致性。
20.(4)本发明采用不定长炭纤维可以起到不同维度的长度耦合作用，在三维方向利于力学性能的增强，进而提高炭/陶刹车盘的抗弯、抗拉、抗压强度。
21.(5)本发明所述改性炭纤维的制备方法操作简单，周期短，生产效率高，成本低，适用于大批量的工业化生产；而且基于该改性短切炭纤维制备炭/陶刹车盘，能够解决硅溶液对模压炭/陶刹车盘坯体中炭纤维的侵蚀问题，从而使制备的炭/陶刹车盘具有力学性能优异、散热性能好、抗冲击韧性好、使用寿命长等优点。
具体实施方式
22.下面结合具体实施方式对本发明作进一步阐述，其中，所述方法如无特别说明均为常规方法，所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径获得。
23.实施例1
24.(1)将密度为1.80g/cm3的24k国产大丝束聚丙烯腈炭纤维在数控剪料机中剪切成长度为5mm、10mm以及15mm三种规格的短切炭纤维，且三种不同长度短切炭纤维的质量比为1：1：1；
25.将高残炭硼改性酚醛树脂(残碳率为70％的fb树脂，购买于山东摩尔化工有限公司)、乙醇、石油焦以及水按照10：45：15：30的质量比混合并搅拌均匀，得到改性溶液；
26.(2)将步骤(1)剪切好的短切炭纤维浸泡在步骤(1)配制好的改性溶液中，浸泡20min使短切炭纤维润湿，之后从改性溶液中捞出短切炭纤维并过滤掉表面多余的改性溶液，其中过滤时间为5min，再将短切炭纤维转移至150℃的烘箱中固化1h，则在炭纤维表面形成一层保护层，即完成改性炭纤维的制备。
27.实施例2
28.(1)将密度为1.80g/cm3的24k国产大丝束聚丙烯腈炭纤维在数控剪料机中剪切成长度为5mm、10mm以及15mm三种规格的短切炭纤维，且三种不同长度短切炭纤维的质量比为1：1：1；
29.将高残炭硼改性酚醛树脂(残碳率为70％的fb树脂，购买于山东摩尔化工有限公司)、乙醇、石油焦以及水按照15：55：10：20的质量比混合并搅拌均匀，得到改性溶液；
30.(2)将步骤(1)剪切好的短切炭纤维浸泡在步骤(1)配制好的改性溶液中，浸泡20min使短切炭纤维润湿，之后从改性溶液中捞出短切炭纤维并过滤掉表面多余的改性溶液，其中过滤时间为5min，再将短切炭纤维转移至150℃的烘箱中固化1h，则在炭纤维表面形成一层保护层，即完成改性炭纤维的制备。
31.对比例1
32.将密度为1.80g/cm3的24k国产大丝束聚丙烯腈炭纤维在数控剪料机中剪切成长度为5mm、10mm以及15mm三种规格的短切炭纤维，且三种不同长度短切炭纤维的质量比为1：1：1，即为未改性炭纤维。
33.分别采用实施例1～2制备的改性炭纤维以及对比例1中未改性炭纤维基于模压工艺在相同的条件下制备成模压坯体，其中模压成型过程中以5℃/min的升温速率将模具升温至200℃并加压至30mpa，保温保压45min；再将三个模压坯体分别放入陶瓷化炉中，在1700℃下陶瓷化反应5h，之后真空状态下降温至900℃后，充炉常压降温；出炉后再经机械加工，得到所需形状及尺寸的炭/陶刹车盘。
34.对所制备的三个炭/陶刹车盘分别进行力学性能测试，具体测试结果详见表1。根据表1的测试结果可知，本发明通过对炭纤维进行改性，明显提升了炭/陶刹车盘的力学性能(包括压缩强度、弯曲强度以及拉伸强度)。
35.表1
36.[0037][0038]
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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。