Тормозное устройство из композиционного материала и способ изготовления его элементов силицированием углеродсодержащего материала

Изобретение относится к композиционным материалам C/C-SiC для элементов тормозов, таких как тормозные диски. Тормозное устройство состоит из нескольких контактирующих между собой элементов с двумя рабочими поверхностями трения, выполненных из композиционного материала, содержащего каркас объемной структуры из углеродных волокон и матрицу, включающую в себя первую фазу, прилегающую к армирующим волокнам и содержащую пироуглерод, вторую жаропрочную фазу, полученную, по крайней мере, частично за счет пиролиза материала-предшественника в жидком состоянии, и фазу карбида кремния, полученную в процессе силицирования. Фаза карбида кремния с большим его содержанием расположена на ограниченной глубине, начиная от рабочей поверхности трения. Контактирующие между собой элементы установлены с чередованием в них отличающихся содержанием карбида кремния композиционных материалов; при этом содержание углеродных волокон в материалах со стороны поверхностей трения существенно меньше, чем в материале сердцевины. Композиционный материал, имеющий со стороны контактных поверхностей меньшее содержание карбида кремния, может дополнительно содержать нитрид бора гексагональной структуры. Способ изготовления элементов тормозного устройства включает формирование из углеродных волокон каркаса объемной структуры и уплотнение его углерод-карбидокремниевой матрицей. Каркас формируют с большим содержанием углеродных волокон в сердцевине. Для получения углеродной матрицы формируют межфиламентную пироуглеродную фазу и/или пироуглеродное покрытие на углеродных волокнах, затем каркас пропитывают суспензией частиц термопластичного полимера, не дающего при пиролизе коксового остатка, размером не более преобладающего размера пор в каркасе рабочих слоев и более преобладающего размера пор в каркасе сердцевины изделия, после чего каркас пропитывают коксообразующим связующим, формуют углепластиковую заготовку, производят ее карбонизацию и насыщение пироуглеродом в среде метана термоградиентным методом с передвижением зоны пиролиза с температурой в зоне 980±20°С с переменной скоростью по толщине заготовки элемента в зависимости от требуемой плотности материала сердцевины, материалов со стороны его рабочих поверхностей и на границе между ними. Перед силицированием заготовки в порах материала формируют кокс или наноуглерод, а силицирование проводят паро-жидкофазным методом при первоначальном массопереносе кремния в поры материала по механизму капиллярной конденсации его паров в интервале температур 1300-1600°С с последующим нагревом и выдержкой при 1700-1850°С. Техническим результатом изобретения является повышение комфортности торможения при одновременном снижении затрат и длительности цикла изготовления тормозных элементов. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл., 8 пр.

 

Изобретение относится к композиционным материалам C/C-SiC для элементов тормозов, таких как тормозные диски.

Известен элемент тормозного устройства из УУКМ на основе каркаса объемной структуры [пат. США №4790052].

Недостатком устройства является то, что эффективность торможения существенным образом меняется в зависимости от интенсивности торможения, и она оказывается весьма низкой в условиях повышенной влажности, кроме того, имеет место значительный износ тормозных устройств, что определяет их слишком короткий срок службы.

Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому эффекту является элемент тормозного устройства с двумя рабочими поверхностями трения, изготавливаемый из композиционного материала, содержащего каркас объемной структуры из углеродных волокон и матрицу, включающую в себя первую фазу, прилегающую к армирующим волокнам и содержащую пироуглерод, вторую, жаропрочную, фазу, полученную, по крайней мере, частично за счет пиролиза материала-предшественника в жидком состоянии, и фазу карбида кремния; причем фаза карбида кремния с большим его содержанием расположена на ограниченной глубине, начиная от рабочей поверхности трения, а сердцевина содержит малое количество карбида кремния [WO 98/16484 от 23.04.98.; заявка переведена на национальную фазу 14.05.99; пат. RU 2201542, 2003].

В соответствии с ним рабочие поверхности (поверхности трения) элементов выполнены из одинакового по составу и структуре материала.

Элемент тормозного устройства обладает стабильной и воспроизводимой эффективностью торможения (вне зависимости от интенсивности торможения и от степени влажности окружающей среды) на длительном участке торможения. Кроме того, он обладает сравнительно высокой износостойкостью.

Недостатком его является то, что на начальном и финишном участке торможения резко возрастает эффективность торможения, следствием чего является снижение комфортности торможения.

Известен способ изготовления элемента тормозного устройства, включающий формирование каркаса объемной структуры, уплотнение его пироуглеродом вакуумным изотермическим методом из газовой фазы и силицирование жидкофазным методом путем пропитки расплавом кремния [пат. ЕР-А-0300756].

Недостатком способа являются сравнительно большие затраты на изготовление изделий, так как процесс химического осаждения пироуглерода из газовой фазы вакуумным изотермическим методом остается достаточно длительным и дорогостоящим.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемому является способ изготовления элемента тормозного устройства, включающий формирование из углеродных волокон каркаса объемной структуры, уплотнение его углерод-карбидокремниевой матрицей с первоначальным формированием первой, прилегающей к волокнам, пироуглеродной фазы газофазным методом и использованием при формировании карбидокремниевой матрицы процесса силицирования [WO 98/16484, 1998 г., пат. RU 2201542, 2003].

Способ в какой-то степени позволяет снизить затраты на изготовление за счет частичной замены уплотнения пироуглеродом вакуумным изотермическим методом на процесс силицирования. Кроме того, способ позволяет изготовить элементы тормозного устройства, обеспечивающие стабильную и воспроизводимую эффективность, торможения.

Недостатком способа является то, что изготавливаемый в соответствии с ним элемент тормозного устройства не обеспечивает комфортность торможения, причиной чего является резкое возрастание эффективности усилия торможения на начальном и финишном его участке.

Еще одним недостатком способа являются сравнительно высокие затраты и длительный цикл изготовления изделий.

Задачей изобретения является повышение комфортности торможения при одновременном снижении затрат и цикла изготовления тормозных элементов.

Заявленные изобретения настолько взаимосвязаны, что образуют единый изобретательский замысел, а именно: изобретено новое устройство для торможения и новый способ его изготовления. Применение их обеспечивает получение требуемого технического результата, а именно: повышение комфортности торможения при одновременном снижении затрат и длительности цикла изготовления тормозных элементов. Это свидетельствует о соблюдении единства изобретения.

Поставленная задача решается за счет того, что в тормозном устройстве, состоящем из нескольких контактирующих между собой элементов с двумя рабочими поверхностями трения, выполненных из композиционного материала, содержащего каркас объемной структуры из углеродных волокон и матрицу, включающую в себя первую фазу, прилегающую к армирующим волокнам и содержащую пироуглерод, вторую, жаропрочную, фазу, полученную, по крайней мере, частично за счет пиролиза материала-предшественника в жидком состоянии, и фазу карбида кремния, полученную в процессе силицирования, причем фаза карбида кремния с большим его содержанием расположена на ограниченной глубине, начиная от рабочей поверхности трения, в соответствии с заявляемым техническим решением в нем (тормозном устройстве) контактирующие между собой элементы установлены с чередованием в них отличающихся содержанием карбида кремния композиционных материалов; при этом содержание углеродных волокон в материалах со стороны поверхностей трения существенно меньше, чем в материале сердцевины. Решению поставленной задачи способствует то, что композиционный материал, имеющий со стороны контактных поверхностей меньшее содержание карбида кремния, дополнительно содержит нитрид бора гексагональной структуры.

То, что в тормозном устройстве, состоящем из нескольких контактирующих между собой элементов с двумя рабочими поверхностями трения (выполненных из композиционного материала, содержащего каркас объемной структуры из углеродных волокон и матрицу, включающую в себя первую фазу, прилегающую к армирующим волокнам и содержащую пироуглерод, вторую, жаропрочную, фазу, полученную, по крайней мере, частично за счет пиролиза материала-предшественника в жидком состоянии, и фазу карбида кремния, полученную в процессе силицирования, причем фаза карбида кремния с большим его содержанием расположена на ограниченной глубине, начиная от рабочей поверхности трения), контактирующие между собой элементы установлены с чередованием в них отличающихся содержанием карбида кремния композиционных материалов, обеспечивает возможность постоянного образования в зоне контакта твердой смазки на основе КМ, имеющего меньшее содержание карбида кремния, благодаря его меньшей твердости, а значит, способности истираться более твердым материалом. То, что в предпочтительном варианте выполнения устройства композиционный материал, имеющий со стороны контактных поверхностей меньшее содержание карбида кремния, дополнительно содержит нитрид бора гексагональной структуры, способствует более легкому образованию твердой смазки, так как сам по себе нитрид бора указанной структуры является твердой смазкой. Образование в зоне контакта трущихся поверхностей твердой смазки, количество которой тем больше, чем больше усилие торможения, позволяет исключить чрезмерное схватывание элементов дисков тормозного устройства между собой.

То, что содержание углеродных волокон в материалах со стороны поверхностей трения существенно меньше, чем в материале сердцевины, позволяет, с одной стороны, увеличить содержание карбида кремния со стороны трущихся поверхностей, с другой стороны, сохранить при этом высокую прочность элемента тормозного устройства в целом за счет придания материалу сердцевины высокой прочности. Кроме того, благодаря такой структуре композиционного материала элементов тормозного устройства создаются предпосылки для получения его за более короткое время и с меньшими затратами за счет применения более рациональных технологий. Более подробно это будет освещено при рассмотрении способа изготовления элементов тормозного устройства.

В новой совокупности существенных признаков у объекта изобретения возникает новое свойство: способность выровнять по величине тормозное усилие на всем пути торможения, в том числе не допустить его существенного увеличения в начале и в конце торможения, и сохранить при этом его высокие эксплуатационные показатели, определяемые износостойкостью и прочностью композиционных материалов элемента тормозного устройства, а также создаются предпосылки для получения его за более короткое время и с меньшими затратами.

Благодаря новому свойству решается поставленная задача повышения комфортности торможения и создаются предпосылки для снижения затрат и уменьшения цикла изготовления элементов тормозного устройства.

Поставленная задача решается также за счет того, что в способе изготовления элементов тормозного устройства, включающем формирование из углеродных волокон каркаса объемной структуры, уплотнение его углерод-карбидокремниевой матрицей с первоначальным формированием первой, прилегающей к волокнам, пироуглеродной фазы газофазным методом и использованием при формировании карбидокремниевой матрицы процесса силицирования, в соответствии с заявляемым техническим решением каркас формируют с содержанием углеродных волокон в сердцевине, формирование углеродной матрицы производят в следующей последовательности: формируют межфиламентную пироуглеродную фазу и/или пироуглеродное покрытие на углеродных волокнах вакуумным изотермическим методом, затем каркас пропитывают суспензией частиц термопластичного полимера, не дающего при пиролизе коксового остатка, размером не более преобладающего размера пор в каркасе рабочих слоев и более преобладающего размера пор в каркасе сердцевины изделия, после чего каркас пропитывают коксообразующим связующим, формуют углепластиковую заготовку, производят ее карбонизацию и насыщение пироуглеродом термоградиентным методом с передвижением зоны пиролиза с температурой в зоне 980±20°С с переменной скоростью по толщине заготовки элемента в зависимости от требуемой плотности материала сердцевины, материалов со стороны его рабочих поверхностей и на границе между ними, изменяемой, например, в пределах 0,125-0,5 мм/ч. по толщине сердцевины, от не менее 2,0 мм/час (вплоть до проскока зоны пиролиза) по толщине материалов со стороны его рабочих поверхностей и в пределах от 1,0 мм/ч. до 0,5 мм/ч. на границе между ними; при формировании карбидокремниевой матрицы перед силицированием заготовки в порах материала формируют кокс путем пропитки коксообразующим связующим с последующей карбонизацией и/или наноуглерод путем выращивания его в порах материала каталитическим газофазным методом или путем пропитки суспензией наноразмерных частиц углерода, а силицирование проводят паро-жидкофазным методом при первоначальном массопереносе кремния в поры материала по механизму капиллярной конденсации его паров в интервале температур 1300-1600°С с последующим нагревом и выдержкой при 1700-1850°С. Решению поставленной задачи способствует то, что а) после пропитки каркаса суспензией частиц термопластичного полимера производят нагрев до температуры размягчения полимера с приложением к каркасу давления прессования; б) при проведении пропитки заготовки суспензией частиц наноуглерода в ее состав дополнительно вводят ультрадисперсный порошок антифрикционного материала, например, нитрида бора гексагональной структуры.

Формирование каркаса заготовки элемента тормозного устройства с большим содержанием углеродных волокон в сердцевине позволяет сохранить высокую прочность элемента в целом за счет высокой прочности материала сердцевины, а также создать предпосылки для повышения износостойкости элемента за счет повышения содержания карбида кремния в материале трущихся поверхностей.

Формирование углеродной матрицы в соответствии с указанной в п. 3 формулы изобретения последовательностью придает заготовке из УУКМ градиентные по толщине свойства, в частности, по плотности, открытой пористости и характеру заполнения пор каркаса пироуглеродом. Обеспечивается это следующим. Формирование межфиламентной пироуглеродной фазы и/или пироуглеродного покрытия на углеродных волокнах вакуумным изотермическим методом работает на защиту их от карбидизации в процессе силицирования, а в совокупности с указанной выше структурой каркаса позволяет придать еще более значительную разницу в плотности и размерах пор материала рабочих слоев и сердцевины. При этом сохраняется практически неизменным объем пор материала рабочих слоев. Тем самым создаются предпосылки для заполнения его большим количеством карбидокремниевой матрицы. Пропитка каркаса (после формирования в волокнах межфиламентной фазы и/или пироуглеродного покрытия) суспензией частиц термопластичного полимера, не дающего при пиролизе коксового остатка, размером не более предпочтительного размера пор в каркасе рабочих слоев и более предпочтительного размера пор в каркасе сердцевины изделия, а также фильтрации частиц по мере прохождения суспензии по толщине каркаса, позволяет существенно уменьшить содержание коксообразующего связующего, а затем и кокса, в материале рабочих слоев после проведения операций пропитки каркаса коксообразующим связующим, формования углепластиковой заготовки и ее карбонизации.

Осуществление (в предпочтительном варианте выполнения способа) нагрева, производимого после пропитки каркаса суспензией частиц термопластичного полимера, до температуры размягчения (плавления) полимера с приложением к каркасу давления позволяет уменьшить в нем содержание коксообразующей полимерной матрицы и тем самым уменьшить величину увеличения плотности материала рабочих слоев перед операцией насыщения его пироуглеродом термоградиентным методом. Пропитка (после предыдущей операции) каркаса коксообразующим связующим в совокупности с более высоким содержанием углеродных волокон в сердцевине каркаса и формированием в них и/или на них пироуглерода позволяет после ее карбонизации придать материалу сердцевины еще более высокую плотность и тем самым увеличить разницу в плотности, открытой пористости и размерах пор в материалах сердцевины и рабочих слоев. Насыщение затем заготовки (полученной после предыдущей операции) пироуглеродом термоградиентным методом с передвижением зоны пиролиза с температурой в зоне 980±20°С с переменной скоростью по ее толщине в зависимости от требуемой плотности материала сердцевины, материалов со стороны его рабочих поверхностей и на границе между ними, например, в пределах 0,125-0,25 мм/ч. по толщине сердцевины, не менее 2,0 мм/час (вплоть до проскока зоны пиролиза) по толщине материалов со стороны его рабочих поверхностей и в пределах от 1,0 до 0,5 мм/ч. на границе между ними, позволяет придать материалу сердцевины еще более высокую плотность и в то же время не допустить существенного увеличения плотности, снижения открытой пористости и уменьшения объема пор материала рабочих слоев. При этом обеспечивается возможность придания материалам со стороны рабочих поверхностей тормозного элемента как одинаковой плотности и открытой пористости, так и различной. Тем самым создаются предпосылки для увеличения содержания карбида кремния в материале рабочих слоев и практически полного его отсутствия (или незначительного содержания) в материале сердцевины изделия.

Формирование в порах полученного материала карбидокремниевой матрицы в соответствии с п. 3 формулы изобретения позволяет реализовать предпосылки, созданные рассмотренными выше признаками, а именно: обеспечить возможность получения материала рабочих слоев со сравнительно высоким содержанием в нем карбида кремния; причем регулируемым содержанием, зависящим от структуры углеродной основы для силицирования. Обеспечивается это следующим.

Формирование в порах материала (углеродной основы для силицирования) при формировании карбидокремниевой матрицы кокса путем пропитки коксообразующим связующим с последующей карбонизацией и/или наноуглерода путем выращивания его в порах материала каталитическим газофазным методом или путем пропитки суспензией наноразмерных частиц углерода позволяет перевести крупные поры в достаточно мелкие без существенного снижения открытой пористости материала и тем самым создать предпосылки для заполнения их карбидом кремния, а не свободным кремнием. Введение (в предпочтительном варианте выполнения способа) при проведении пропитки заготовки суспензией частиц наноуглерода в ее состав порошка антифрикционного материала, например, нитрида бора гексагональной структуры, позволяет получить материал рабочих слоев, содержащий в своем составе твердую смазку. Проведение силицирования паро-жидкофазным методом при первоначальном массопереносе кремния в поры материала по механизму капиллярной конденсации его паров в интервале температур 1300-1600°С позволяет ввести его в сколь угодно мелкие поры, а последующий нагрев и выдержка заготовки при 1700-1850°С позволяет перевести его в карбид кремния.

К вышеизложенному следует добавить то, что применение при изготовлении тормозных элементов на стадии формирования углеродной матрицы термоградиентного метода, являющегося более производительным, чем вакуумный изотермический, позволяет уменьшить длительность этой операции.

В новой совокупности существенных признаков у объекта изобретения возникает новое свойство: способность придать материалу рабочих слоев тормозного элемента высокую, но различную для его торцов стойкость к истиранию, в результате чего в зону трения поступает то или иное количество твердой смазки, зависящее от усилия торможения; одновременно придать материалу сердцевины элемента высокую прочность при уменьшении длительности процесса формирования углеродной матрицы.

Благодаря новому свойству решается поставленная задача повышения комфортности торможения при одновременном снижении затрат и уменьшении цикла изготовления элементов тормозного устройства.

Изобретения поясняются чертежами и примерами конкретного выполнения.

На фиг. 1 приведена схема контакта между собой элементов тормозного устройства в форме дисков, в соответствии с которой элементы из материала с высоким содержанием SiC чередуются с элементами из материала с менее высоким его содержанием. Например, элемент из материала (со стороны его торцов, то есть рабочих поверхностей) с содержанием SiC 40%вес. чередуется с элементом из материала, содержание SiC в котором 30% вес. На фиг. 2 приведена схема контакта между собой элементов тормозного устройства в форме дисков, в соответствии с которой элементы выполнены конструктивно одинаково, но в них материал с одного из торцов (с одной из рабочих поверхностей) содержит SiC в количестве, большем, чем с другого, например, 40 и 30% вес. (то есть контактируют между собой материалы с содержанием SiC 40 и 30% вес.).

Тормозное устройство состоит из нескольких контактирующих между собой элементов 1 с двумя рабочими поверхностями трения 1а, 1б. Элементы 1 выполнены из композиционного материала, содержащего каркас объемной структуры из углеродных волокон и матрицу. Матрица включает в себя первую фазу, прилегающую к армирующим волокнам и содержащую пироуглерод, вторую, жаропрочную, фазу, полученную, по крайней мере, частично за счет пиролиза материала-предшественника в жидком состоянии, и фазу карбида кремния, полученную в процессе силицирования. Причем фаза карбида кремния с большим его содержанием расположена на ограниченной глубине, начиная от рабочей поверхности трения. В тормозном устройстве контактирующие между собой элементы 1 установлены с чередованием в них отличающихся содержанием карбида кремния композиционных материалов. Другими словами, чередуются между собой элементы 1 из материала с высоким и одновременно одинаковым содержанием SiC со стороны рабочих поверхностей 1а и 1б с элементами 1 из материала с менее высоким и одновременно одинаковым содержанием SiC со стороны указанных поверхностей (см. фиг. 1). Или элементы 1 выполнены конструктивно одинаково, но в них материал со стороны рабочей поверхности 1а имеет более высокое содержание SiC, чем со стороны поверхности 16. При этом содержание углеродных волокон в материалах элементов 1 со стороны рабочих поверхностей трения 1а и 1б существенно меньше, чем в материале сердцевины 1в.

Способ изготовления элементов тормозного устройства включает следующие операции.

Вначале из углеродных волокон формируют каркас объемной структуры. Причем формируют его с бóльшим содержанием углеродных волокон в сердцевине. Затем каркас уплотняют углерод-карбидокремниевой матрицей с первоначальным формированием первой, прилегающей к волокнам, пироуглеродной фазы газофазным методом и использованием при формировании карбидокремниевой матрицы процесса силицирования. При этом формирование углеродной матрицы производят в следующей последовательности. Вначале формируют межфиламентную пироуглеродную фазу и/или пироуглеродное покрытие на углеродных волокнах вакуумным изотермическим методом, затем каркас пропитывают суспензией частиц термопластичного полимера, не дающего при пиролизе коксового остатка. При этом в суспензии используют частицы размером не более предпочтительного размера пор в каркасе рабочих слоев и более предпочтительного размера пор в каркасе сердцевины изделия. В предпочтительном варианте выполнения способа после пропитки каркаса суспензией частиц термопластичного полимера производят нагрев до температуры размягчения (плавления) полимера с приложением к каркасу давления прессования. Затем каркас пропитывают коксообразующим связующим и формуют углепластиковую заготовку. После этого производят ее карбонизацию и насыщение пироуглеродом. Насыщение пироуглеродом производят термоградиентным методом с передвижением зоны пиролиза с температурой в ней 980±20°С с переменной скоростью по толщине заготовки элемента в зависимости от требуемой плотности материала сердцевины, материалов со стороны его рабочих поверхностей и на границе между ними. При этом скорость передвижения зоны пиролиза может изменяться, например, в пределах 0,125-0,25 мм/ч. по толщине сердцевины, не менее 2,0 мм/час (вплоть до проскока зоны пиролиза) по толщине материалов со стороны его рабочих поверхностей и в пределах от 1,0 до 0,5 мм/ч. на границе между ними. Затем производят формирование в порах материала полученной заготовки карбидокремниевой матрицы. При ее формировании перед силицированием заготовки в порах материала формируют кокс путем пропитки коксообразующим связующим с последующей карбонизацией и/или наноуглерод путем выращивания его в порах материала каталитическим газофазным методом или путем пропитки суспензией наноразмерных частиц углерода. В предпочтительном варианте выполнения способа при проведении пропитки заготовки суспензией частиц наноуглерода в ее состав дополнительно вводят ультрадисперсный порошок антифрикционного материала, например, нитрида бора гексагональной структуры. Затем проводят силицирование заготовки паро-жидкофазным методом при первоначальном массопереносе кремния в поры материала по механизму капиллярной конденсации его паров в интервале температур 1300-1600°С с последующим нагревом и выдержкой при 1700-1850°С.

Ниже приведены примеры конкретного выполнения способа.

Изготовляемые заявляемым способом элементы тормозного устройства представляли собой кольца ∅_н. × ∅_вн. × δ = 78 × 43 × 16 мм.

Примеры 1 и 1a

Каркас объемной структуры в виде пластины сформировали со стороны рабочих слоев изделия из иглопробивного мата, наработанного из высокомодульных углеродных волокон марки УКН-2500, а в сердцевине - из ткани марки А-160, наработанной из волокон того же типа. Маты и пакет слоев ткани А-160 соединили между собой иглопробивным способом. При этом каркас со стороны рабочих слоев имел плотность 0,21 г/см³, а в сердцевине - 0,8 г/см³. Затем в углеродных волокнах каркаса сформировали межфиламентную фазу, а на волокнах - покрытие из пироуглерода. Для этого каркас частично уплотнили пироуглеродом вакуумным изотермическим методом по режиму: температура - 900°С, рабочий газ - метан, давление в реакторе - 27 мм рт. ст., время уплотнения - 24 часа (для формирования межфиламентной фазы) с последующим нагревом и выдержкой при 970°С в течение 70 часов (для формирования пироуглеродного покрытия на волокнах). После этого каркас пропитали суспензией частиц термопластичного полимера, не дающего при пиролизе коксового остатка. Для этого использовали частицы капрона размером не более 50 мкм, то есть размером не более преобладающего размера пор каркаса рабочих слоев и более преобладающего размера пор сердцевины. Пропитку произвели под давлением 3 ати. Причем вначале пропитку произвели со стороны одной из поверхностей каркаса пластины, а затем - с другой. Благодаря разнице в размерах пор каркаса со стороны рабочих слоев и сердцевины, а также фильтрации частиц по мере прохождения по толщине каркаса, заполненными ими оказались поры рабочих слоев.

Затем в соответствии с Примером 1 произвели пропитку каркаса коксообразующим связующим, в качестве которого использовали раствор жидкого бакелита марки БЖ-3 в изопропиловом спирте условной вязкостью ≈ 60 с. В соответствии же с Примером 1а указанную пропитку осуществили после того, как после пропитки каркаса суспензией частиц термопластичного полимера произвели нагрев до температуры размягчения (плавления) полимера, а именно: до температуры ≈ 205°С, с приложением к каркасу давления прессования. Затем произвели формование углепластиковой заготовки при конечной температуре 160°С и давлении прессования 12 кгс/см². Затем углепластиковую заготовку карбонизовали в среде азота при конечной температуре 1000°С. При этом рабочие слои вернулись к исходному состоянию, которое они имели до пропитки суспензией частиц термопластичного полимера.

После этого произвели насыщение заготовки пироуглеродом термоградиентным методом.

Перед насыщением пироуглеродом заготовка имела толщину 20 мм, из которых 8 мм приходились на материал сердцевины. Насыщение заготовки пироуглеродом провели по режиму: температура в зоне пиролиза - 980+20°С, давление в реакторе - 0,025-0,03 атм., скорость передвижения зоны пиролиза по толщине заготовки: на расстоянии от 0 до 6 мм - с «проскоком» зоны пиролиза, от 6 до 8 мм - 1,0 мм/ч., от 8 до 14 мм - 0,5 мм/ч., от 14 до 16 мм/ч.-1,0 мм/ч., от 16 до 20 мм - с «проскоком» зоны пиролиза (то есть с завершением процесса насыщения пироуглеродом по достижении зоны пиролиза 16 мм). Затем заготовку пропитали коксообразующим связующим, в качестве которого использовали жидкий бакелит марки БЖ-3, с последующим его отверждением. После этого из заготовки в виде пластины изготовили мехобработкой кольца ∅_н. 78×∅_вн. 43×h 18 мм. Затем заготовки (в форме колец) карбонизовали. После этого в порах материала заготовок сформировали наноуглерод путем выращивания его в порах каталитическим газофазным методом. После этого произвели силицирование заготовок паро-жидкофазным методом при первоначальном массопереносе кремния в поры материала по механизму капиллярной конденсации его паров в интервале температур 1300-1600°С с последующим нагревом и выдержкой при 1700-1750°С в течение 2 часов. После силицирования заготовок произвели их шлифовку по торцам. В конечном итоге получены изделия высотой 16 мм, из которых 8 мм занимает материал сердцевины.

Основные свойства материалов сердцевины и рабочих слоев изделия, в том числе на переделах изготовления, приведены в таблице. Определение свойств производилось на образцах, вырезаемых из заготовки в виде пластины на переделах ее изготовления.

Пример 2

Изделие изготовили аналогично Примеру 1 с тем существенным отличием, что в качестве армирующего наполнителя в сердцевине каркаса использовали ткань марки УТ-900-3-240, а пропитку каркаса (после частичного уплотнения пироуглеродом) произвели суспензией частиц фторопласта размером не более 40 мкм.

Основные свойства материалов сердцевины и рабочих слоев изделия, в том числе на переделах изготовления, приведены в таблице.

Пример 3

Заготовку изделия под процесс насыщения пироуглеродом изготовили аналогично Примеру 2 (то есть с сердцевиной из материала на основе ткани марки УТ-900-3-240). Насыщение заготовки пироуглеродом термоградиентным методом произвели по режиму:

- температура в зоне пиролиза - 980+20 °С;

- давление в реакторе - 0,025-0,03 атм.;

- рабочий газ - метан;

- скорость передвижения зоны пиролиза: от 0 до 6 мм - с «проскоком» зоны пиролиза, от 6 до 8 мм - 1,0 мм/ч., от 8 до 14 мм - 0,25 мм/ч., от 14 до 16 мм - 0,5 мм/ч. и от 16 до 20 мм - 2 мм/ч.

Основные свойства материалов сердцевины и рабочих слоев изделия, в том числе на переделах изготовления, приведены в таблице.

Пример 4

Заготовку изделия под процесс насыщения пироуглеродом изготовили аналогично Примеру 2 (то есть с сердцевиной из материала на основе ткани марки УТ-900-3-240). Насыщение заготовки пироуглеродом термоградиентным методом произвели по режиму:

- температура в зоне пиролиза - 980±20°С;

- давление в реакторе - 0,025-0,03 атм;

- рабочий газ - метан;

- скорость передвижения зоны пиролиза: от 0 до 6 мм - 2,5 мм/ч, от 6 до 8 мм -1,0 мм/ч, от 8 до 14 мм - 0,25 мм/ч, от 14 до 16 мм - 1 мм/ч и от 16 до 20 мм - 2 мм/ч. После насыщения пироуглеродом из заготовки в виде пластины вырезали кольца ∅_н. 78×∅_вн. 43×h 18 мм. Затем в порах материала сформировали наноуглерод путем выращивания его каталитическим газофазным методом.

Операцию силицирования произвели аналогично Примеру 1.

Основные свойства материалов сердцевины и рабочих слоев изделия, в том числе на переделах изготовления, приведены в таблице.

Остальные примеры конкретного выполнения способа (Примеры 5, 6, а также вышерассмотренные) при изготовлении модельных элементов тормозного устройства в форме колец ∅_н. 78×∅_вн. 43×h 16 мм приведены в таблице.

Здесь же приведен Пример 7 изготовления тормозного элемента в соответствии со способом-прототипом. На основе анализа данных, приведенных в таблице, можно сделать следующие выводы:1. Изготовление тормозных элементов заявляемым способом (Примеры 1, 1а, 2-6) позволяет получить их как с высоким, так и с более низким содержанием SiC со стороны рабочих (трущихся) поверхностей. Причем добиться разного содержания SiC со стороны трущихся поверхностей можно не только в отдельных тормозных элементах (Примеры 1, 1а, 2, 4, 5), но и в одном тормозном элементе (Примеры 3, 6).

2. При изготовлении тормозных элементов в соответствии со способом-прототипом указанной в п. 1 возможности не имеется.

1. Тормозное устройство, состоящее из нескольких контактирующих между собой элементов с двумя рабочими поверхностями трения, выполненных из композиционного материала, содержащего каркас объемной структуры из углеродных волокон и матрицу, включающую в себя первую фазу, прилегающую к армирующим волокнам и содержащую пироуглерод, вторую жаропрочную фазу, полученную, по крайней мере частично, за счет пиролиза материала-предшественника в жидком состоянии, и фазу карбида кремния, полученную в процессе силицирования, причем фаза карбида кремния с его содержанием расположена на ограниченной глубине, начиная от рабочей поверхности трения, отличающееся тем, что в нем контактирующие между собой элементы установлены с чередованием в них отличающихся содержанием карбида кремния композиционных материалов; при этом содержание углеродных волокон в материалах со стороны поверхностей трения меньше, чем в материале сердцевины.

2. Тормозное устройство по п. 1, отличающееся тем, что композиционный материал, имеющий со стороны контактных поверхностей меньшее содержание карбида кремния, дополнительно содержит нитрид бора гексагональной структуры.

3. Способ изготовления элементов тормозного устройства по п. 1, включающий формирование из углеродных волокон каркаса объемной структуры, уплотнение его углерод-карбидокремниевой матрицей с первоначальным формированием первой прилегающей к волокнам пироуглеродной фазы газофазным методом и использованием при формировании карбидокремниевой матрицы процесса силицирования, отличающийся тем, что каркас формируют с содержанием углеродных волокон в сердцевине, формирование углеродной матрицы производят в следующей последовательности: формируют межфиламентную пироуглеродную фазу и/или пироуглеродное покрытие на углеродных волокнах вакуумным изотермическим методом, затем каркас пропитывают суспензией частиц термопластичного полимера, не дающего при пиролизе коксового остатка, размером не более преобладающего размера пор в каркасе рабочих слоев и более преобладающего размера пор в каркасе сердцевины изделия, после чего каркас пропитывают коксообразующим связующим, формуют углепластиковую заготовку, производят ее карбонизацию и насыщение пироуглеродом в среде метана термоградиентным методом с передвижением зоны пиролиза с температурой в зоне 980±20°С с переменной скоростью по толщине заготовки элемента в зависимости от требуемой плотности материала сердцевины, материалов со стороны его рабочих поверхностей и на границе между ними, изменяемой в пределах 0,125-0,5 мм/ч по толщине сердцевины, в пределах от не менее 2 мм/ч вплоть до проскока зоны пиролиза по толщине материалов со стороны его рабочих поверхностей и в пределах от 1,0 мм/ч до 0,5 мм/ч на границе между ними; при формировании карбидокремниевой матрицы перед силицированием заготовки в порах материала формируют кокс путем пропитки коксообразующим связующим с последующей карбонизацией и/или наноуглерод путем выращивания его в порах материала каталитическим газофазным методом или путем пропитки суспензией наноразмерных частиц углерода, а силицирование проводят паро-жидкофазным методом при первоначальном массопереносе кремния в поры материала по механизму капиллярной конденсации его паров в интервале температур 1300-1600°С с последующим нагревом и выдержкой при 1700-1850°С.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что после пропитки каркаса суспензией частиц термопластичного полимера производят нагрев до температуры размягчения полимера с приложением к каркасу давления прессования.

5. Способ по п. 3, отличающийся тем, что при проведении пропитки заготовки суспензией частиц наноуглерода в ее состав дополнительно вводят ультрадисперсный порошок нитрида бора гексагональной структуры.