CC BY
40
^ СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ - ТРАНСПОРТУ
УДК 666.762.81:621.83.059.1
Перспективные технологии производства тормозных дисков из керамоматричных композитов на основе Б1С-матрицы систем торможения высокоскоростного железнодорожного транспорта
А. А. Воробьев 1, В. И. Кулик 2, А. С. Нилов 2, М. А. Спирюгова 3
1 Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, Российская Федерация, 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., 9
2 Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова, Российская Федерация, 198005, Санкт-Петербург, ул. 1-я Красноармейская, 1
3 Самарский государственный университет путей сообщения, Российская Федерация, 443066, Самара, ул. Свободы, 2В
Для цитирования: Воробьев А. А., Кулик В. И., Нилов А. С., Спирюгова М. А. Перспективные технологии производства тормозных дисков из керамоматричных композитов на основе БЮ-матрицы систем торможения высокоскоростного железнодорожного транспорта // Известия Петербургского университета путей сообщения. - СПб.: ПГУПС, 2020. - Т. 17. - Вып. 2. - С. 210-220. БО1: 10.20295/1815-588Х-2020-2-210-220
Аннотация
Цель: Оценка перспектив применения современных технологических методов получения фрикционных волокнисто-армированных керамоматричных композитов с карбидокремниевой матрицей для изготовления тормозных дисков систем торможения высокоскоростного железнодорожного транспорта. Методы: Проведен анализ современного состояния технологических методов, обеспечивающих введение матричного материала в волокнистую преформу и ее уплотнение, основанных на различных твердо-, жидко- и газопарофазных процессах. Результаты: Рассмотрены основные стадии этих технологий, выделены их достоинства и недостатки. Оценены перспектива и технико-экономическая эффективность их использования для производства тормозных дисков высокоскоростного железнодорожного транспорта. Практическая значимость: Показано, что для производства тормозных дисков высоконагруженных систем торможения железнодорожного транспорта из углеволокнистых керамоматричных композитов с карбидокремниевой матрицей наиболее перспективны твердофазные методы и метод силицирования карбонизированного углепластика. По сравнению с другими данные методы обеспечивают наибольшую экономическую эффективность изготовления тормозных дисков и максимально высокую теплопроводность получаемого композита.
Ключевые слова: Тормозная система поезда, композиционный материал, дисковый тормоз, фрикционный материал, керамоматричный композит, метод жидкофазного силицирования, твердофазный метод.
Введение
Основной тенденцией развития железнодорожного подвижного состава является повышение его скоростных характеристик, которые в настоящее время для пассажирских поездов практически достигли 600 км/ч [1, 2]. Это обстоятельство потребовало применения более совершенных фрикционных материалов для создания систем торможения, которые бы обеспечили высокие и стабильные трибологические характеристики, выполнение постоянно возрастающих нормативных требований к параметрам торможения и при этом выдерживали жесткие условия механического и теплового нагружения при эксплуатации. В наибольшей степени этим условиям отвечают узлы трения в виде тормозных дисков из современных фрикционных материалов на основе дисперсно-наполненных и волокнисто-армированных композиционных материалов (КМ) с металлической, углеродной и керамической матрицами [3, 4]. Однако среди таких материалов последнего поколения наибольшие перспективы применения в скоростных железнодорожных подвижных составах имеют волокнисто-армированные КМ с керамической матрицей (керамоматричные композиты - КМК), которые применяются (или готовятся к применению) в системах торможения ряда высокоскоростных поездов - TVG (Франция), Talent (Германия), Pendolino (Италия), AVE (Испания), Shinkansen (Япония) и др. [5, 6].
Среди современных КМК особое место занимают композиты с SiC- матрицей, армированные углеродными волокнами. Благодаря исключительно высокой твердости, теплостойкости и стойкости к абразивному износу карбида кремния Cf /SiC-композиты являются одними из самых перспективных фрикционных материалов для компонентов высоконагруженных систем торможения. Можно отметить следующие преимущества систем торможения (прежде всего тормозных дисков) на основе карбидокремниевых КМК по сравнению с системами на основе традиционных фрикционных материалов (главным образом металлических и металлокерамических):
• относительно малая плотность, приводящая к уменьшению веса систем торможения (примерно на 40-60 %);
• высокая стойкость к изнашиванию в различных атмосферных условиях, что позволяет существенно увеличить количество торможений до ремонта;
• способность поглощать при торможении большое количество кинетической энергии путем преобразования ее в тепловую (в перспективе ожидается рост преобразуемой энергии до 100 МДж);
• высокая стойкость к термическому удару;
• значительная допускаемая температура эксплуатации - более 1273 К.
Важнейшая проблема широкого практического применения КМК заключается в разработке экономически эффективной технологии их получения. Как правило, производство изделий из КМК представляет собой сложный и длительный процесс, в основе которого лежат различные методы уплотнения волокнистых каркасов (преформ) матричным материалом. В данной работе проведен анализ современного состояния и тенденций развития базовых технологических методов, наиболее перспективных для производства тормозных дисков высокоскоростного железнодорожного транспорта из фрикционных карбидокремниевых КМК.
Общая схема и классификация методов производства изделий из КМК с SiC-матрицей
Наиболее общая схема производства изделий, в том числе и фрикционного назначения, из волокнисто-армированных КМК включает следующие основные технологические операции.
1. Получение армирующих структур (волокнистые каркасы, преформы) для КМК. Волокнистые каркасы могут быть: с хаотичным расположением волокон (фетры, войлоки); ориентированные в двух направлениях (волокна, уложенные в двух направлениях или ткани) - структуры 2Б; с пространственным расположением воло-
кон - ориентация в трех и более направлениях, соответственно структуры 3Б, 4Б, 5Б, 7Б и т. д. Преформы получают различными способами, основными из которых являются: выкладка армирующего материала; ткачество сухих нитей (в том числе и многонаправленное); прошивка тканей; намотка и плетение.
2. Насыщение (уплотнение) волокнистого каркаса керамической матрицей. Содержание этой наиболее важной операции определяется конкретным типом технологического процесса, используемого для уплотнения каркаса, и будет рассмотрено далее.
3. Механическая обработка. Она производится с целью придания заготовке окончательной формы и размеров готовой детали. Обычно стремятся свести объем необходимой механической обработки к минимуму.
4. Нанесение защитных и специальных покрытий на поверхность изделия. Эта операция проводится, если необходимо обеспечить работоспособность изделия в экстремальных условиях, например в окислительной среде при высоких температурах.
Вторая операция - уплотнение волокнистого каркаса керамической матрицей - наиболее важная и трудоемкая. Именно на этой стадии во многом формируется комплекс микроструктурных и эксплуатационных характеристик КМК. В принципе существует достаточно много технологических методов, обеспечивающих введение (инфильтрацию) матричного материала в волокнистую преформу и ее уплотнение, основанных на различных твердо-, жидко- и газо-парофазных методах [7, 8]. Необходимо отметить, что каждая группа методов базируется на принципиально разнообразных физико-химических процессах и приводит к получению КМК, отличающихся как составом и структурой, так и их свойствами. Желание получить КМК с максимально высокими характеристиками определило широкое распространение комбинированных многостадийных технологий, в которых на разных стадиях используются различные базовые технологические процессы уплотнения пористых сред.
Применительно к КМК с SiC-матрицей можно выделить следующие варианты базовых методов их получения.
1. Твердофазные методы. В основе этих методов лежат технологические процессы, используемые в порошковой металлургии: спекание, горячее прессование и т. п. Матричный материал применяется в виде порошка, который тем или иным способом совмещается с волокнистым армирующим наполнителем. Полученный полуфабрикат помещается в формообразующую оснастку (пресс-форму), где под воздействием высоких температуры и давления происходят образование монолитного материала и формование изделия.
2. Жидкофазные методы. Здесь можно выделить два варианта их реализации.
Первый вариант - жидкофазные технологии, основанные на процессах высокотемпературного пиролиза кремнийорганических связующих (по-ликарбосиланов), которыми пропитывают пористый каркас (процессы PIP - Polymer Infiltration and Pyrolysis). В результате последующей термической обработки поликарбосиланы разлагаются с выделением твердого остатка, обогащенного карбидом кремния.
Второй вариант - метод жидкофазного сили-цирования, основанный на инфильтрации угле-родсодержащей заготовки расплавом кремния (процессы LSI - Liquid Silicon Infiltration). В результате химического взаимодействия между расплавом кремния и углеграфитовыми компонентами заготовки образуется конечный продукт - карбидокремниевая матрица.
3. Газофазные методы. Они основаны на уплотнении пористых волокнистых каркасов в процессе фильтрации газообразных химических реагентов (прекурсоров), их термического разложения и газофазного химического осаждения матричного материала на поверхности нагретых армирующих волокон (процесс CVI - Chemical Vapor Infiltration). Для получения КМК с SiC-матрицей методом CVI используются различные углерод- и кремнийсодержащие газообразные прекурсоры, из которых наиболее распространены метилтрихлорсилан (CH3SiCl3) и монометилсилан (CH3SiH3).
При выборе методов, перспективных для изготовления тормозных дисков из КМК в системах торможения железнодорожного транспорта, необходимо учитывать технико-экономические требования, предъявляемые к такому типу изделий. Выделим два основных требования, характерных именно для высоконагруженных систем торможения железнодорожного транспорта: технологический метод должен обеспечивать максимально возможную экономическую эффективность изготовления тормозных дисков и максимально высокую теплопроводность получаемого КМК. Первое требование связано с тем, что, например, в высокоскоростных пассажирских составах количество используемых тормозных дисков может составлять до 160 штук и более (как правило, 4 штуки на каждую ось тележки), что накладывает ограничение на их стоимость, во многом определяемую затратами на производство. Второе требование обусловлено условиями функционирования тормозных дисков, когда процесс торможения сопровождается чрезвычайно высоким местным нагревом диска (более 1473 K), что требует интенсивного отвода тепла, в том числе и за счет теплопроводности материала.
Анализ перечисленных выше технологических методов производства изделий из КМК показал, что в наибольшей степени данным требованиям удовлетворяют твердофазные методы и жидкофазный метод на основе LSI-процессов.
Действительно, хотя процессы PIP и CVI обеспечивают относительно высокие физико-механические характеристики КМК, они являются самыми дорогостоящими [9]. Это связано с особенностями реализации данных методов. Так, практические скорости осаждения матрицы из газовой фазы в CVI-процессах таковы, что время технологического цикла при получении качественного КМК может достигать нескольких недель и даже месяцев, что приводит к очень высокой стоимости конечного композита. В методе PIP для получения качественного КМК требуется многократное (до 3-8 раз и более) повторение цикла «пропитка-отверждение-пиролиз», что определяет длительность процесса в две-три
недели и соответственно резко повышает стоимость получаемого КМК, которая достигает величины порядка 600 долл. США за 1 кг веса материала. Именно поэтому методы CVI и PIP используются в основном для изготовления изделий авиационного и ракетно-космического назначения, где требуются максимальные прочностные характеристики, а стоимость является вторичной составляющей. Кроме того, КМК, получаемые данными методами, характеризуются высокой остаточной пористостью, которая может составлять 10-15 %, и, следовательно, имеют недостаточно высокую теплопроводность.
Твердофазные методы получения КМК
В группе методов получения КМК твердофазные технологии наименее распространены. Как правило, они являются модификацией порошкового метода получения технической керамики. Порошок матричного компонента тем или иным способом смешивают с волокнистым армирующим наполнителем (как правило, в форме коротких волокон или усов) и добавляют небольшое количество полимерного связующего. Затем смесь прессуют и термообрабаты-вают. К достоинствам данного метода относятся сравнительно короткий одностадийный технологический цикл и возможность получения высокоплотных КМК с низкой пористостью.
В работе [10] приведены технология и результаты исследования трибологических свойств карбидокремниевого КМК, который получали путем смешивания субмикронного порошка SiC и коротких высокомодульных углеродных волокон с последующим горячим прессованием (Hot-Pressing). Спекание матрицы проходило при 2273 К и давлении 40 МПа в атмосфере Ar. Объемная доля углеродных волокон в хаотично-армированном КМК не превышала 20 %.
При применении сухого перемешивания проблемой может явиться получение гомогенной смеси взятых компонентов, особенно при высоких содержаниях армирующего наполнителя.
Дополнительные трудности могут возникнуть при использовании вискеров, которые имеют тенденцию к формированию агломератов, что значительно снижает плотность заготовки.
Из-за трудностей создания гомогенного материала при сухом смешивании большое внимание привлекает растворная (шликерная) технология, основанная на шликерной пропитке волокнистых каркасов с последующей термообработкой. Обобщенная схема такого процесса приведена на рис. 1. Необходимо, чтобы компоненты смеси не агрегировали и были однородно распределены по объему жидкой смеси. Качество диспергирования улучшают перемешиванием и сверхзвуковой вибрацией. После этого деталь можно формовать методом литья. Альтернативная технология состоит в нагревании, в результате которого удаляется вода, после чего высушенную смесь подвергают холодной или горячей прессовке. Смешиванием в жидком растворе получают КМК, усиленные вискерами и короткими волокнами.
Для получения изделий из КМК, армированных непрерывными волокнами, твердофазная технология, как правило, реализуется как двухступенчатый процесс, в котором жгуты, ленты или ткани пропитываются шликером (например, путем протягивания через пропиточную ванну), являющимся суспензией частиц матрицы и связующего, а также возможных добавок, облегчающих спекание частиц. Далее осуществляются их сушка и из полуфабрикатов формуются изделия. Окончательное формирование матрицы КМК происходит в ходе стадии горячего прессования, которая характеризуется температурами 1973-2073 К и давлениями до 100- 200 МПа.
В литературе описана твердофазная технология получения изделий КМК с БЮ-матрицей [11]. Непрерывные армирующие элементы (на основе высокомодульных углеродных волокон) насыщаются суспензией наноразмерного порошка б-БЮ (частицы 20-30 нм), содержащей также связующее вещество и спекающие добавки (А12О3, У2О3 и БЮ2). После высушивания
Рис. 1. Общая схема процесса получения изделий из КМК с использованием шликерной технологии
армирующий материал образует волокнистый листовой препрег. Эти листы раскраиваются, укладываются в матрицу пресса и уплотняются в процессе горячего прессования (температура 2023-2073 K и давление 15- 20 МПа). В результате были получены КМК с очень низкой конечной пористостью (приблизительно 3 %) и высокой теплопроводностью (20 Вт/мК).
Применение твердофазной технологии требует соблюдения двух условий. Во-первых, волокна должны сохранять свои свойства после воздействия высоких температур и давлений. Во-вторых, должно обеспечиваться эффективное протекание процесса спекания частиц. Главным недостатком метода является то, что в ходе процесса формирования матрицы сохраняется вероятность деградации свойств армирующих волокон и могут возникнуть проблемы при формовании сложнопрофильных изделий, к которым относятся и тормозные диски с внутренними вентиляционными каналами. Проблема может быть решена путем склеивания или пайки двух, предварительно отформованных, профилированных частей тормозного диска. Для соединения здесь могут быть использованы различные специальные высокотемпературные клеевые композиции и припои [12].
Метод жидкофазного силицирования
В основе метода LSI лежит механизм реакционного спекания материала заготовки - процесс силицирования. Заготовками обычно служат пористые полуфабрикаты, в состав которых обязательно входят углеграфитовые компоненты. В случае получения КМК такие полуфабрикаты дополнительно содержат армирующие углеродные или керамические волокна. В процессе жидкофазного силицирования расплав кремния под действием капиллярных сил и внешнего давления фильтруется через пористую заготовку. В результате химического взаимодействия между расплавом и углеграфитовым материалом заготовки образуется конечный продукт - карбид кремния. Данные технологические процессы об-
ладают рядом достоинств по сравнению с другими методами: КМК имеют достаточно высокие прочность и теплопроводность; структура плотная, практически беспористая; для реализации процесса требуется относительно простое технологическое оборудование; процесс относительно недорог и производителен вследствие его небольшой продолжительности.
Применительно к волокнисто-армированным КМК эта жидкофазная технология имеет несколько модификаций, отличающихся прежде всего способом введения в волокнистый каркас углеродного наполнителя. Наиболее часто встречаются две модификации: пропитка армирующего материала суспензией, содержащей углеграфитовый порошок, и пропитка полимерным связующим с последующей карбонизацией связующего и образованием в межволоконном пространстве кокса - углеродной матрицы.
Так как процесс LSI протекает при высокой температуре, а расплав кремния представляет собой очень агрессивную среду, в том числе и по отношению к армирующим волокнам, то обязательным условием для успешной реализации первой модификации процесса LSI является нанесение на армирующие волокна защитных покрытий. Очевидно, что выполнение данного условия приводит к увеличению трудоемкости процесса получения КМК.
Схема второй модификации процесса LSI -с пропиткой связующим и его пиролизом -приведена на рис. 2. Она дает представление о данной модификации LSI-процесса, который можно разделить на несколько основных этапов. Изготовление волокнистой преформы начинается с изготовления углепластика с полимерной матрицей с высоким выходом углерода. Как правило, коммерчески доступны фенольные смолы или другие ароматические полимеры, используемые для изготовления полуфабрикатов традиционными технологическими методами для композитов с полимерной матрицей, такими как литьевое прессование, автоклавное формование, горячее прессование или намотка. Затем углепластиковый композит подвергается пиролизу в инертной атмосфере (например, азота)
Рис. 2. Схема процесса получения КМК с БЮ-матрицей методом силицирования
карбонизированного углепластика
или в вакууме при температуре более 1173 К для преобразования полимерной матрицы в аморфный углерод. Пиролиз матрицы углепластика вызывает уменьшение приблизительно на 50 % объема исходного полимера с образованием в материале системы открытых пор.
На следующем этапе обработки, за счет капиллярного эффекта, расплавленный кремний (при температуре выше 1700 К) быстро заполняет открытые поры. Экзотермическая реакция между углеродной матрицей и жидким кремнием приводит к образованию Б1С. При этом плотная углеродная матрица защищает углеродные волокна внутри пучков волокон от воздействия высокоактивного кремния, а слои Б1С образуются на поверхности пор вокруг данных пучков. Таким образом, углеродные волокна, находящиеся внутри пучков, практически не вступают в соприкосновение с кремнием, что исключает необходимость нанесения на них защитных покрытий.
Как правило, полученный по этой модификации процесса LSI композит состоит из следующих компонентов: углеродных волокон, остаточного углерода матрицы, карбида кремния и некоторого количества непрореагировав-шего кремния. Так как несущая способность обеспечивается инкапсулированными углерод-углеродными областями, такой материал также называется C^C-SiC-композитом.
Данная модификация технологии LSI рассматривается в настоящее время как наиболее перспективная для получения фрикционных КМК с SiC-матрицей. Углеродные волокна значительно уменьшали здесь хрупкость SiC, делая фрикционные композиты Cf /C-SiC сравнимыми с серыми чугунами.
Фрикционные КМК, получаемые по этой технологии, могут иметь различные структуры, полученные либо послойной укладкой ткани или однонаправленных слоев, либо хаотичным армированием из волокон различной длины, на-
пример из смеси волокон средней длиной 3 и 50 мм, или из очень коротких рубленых волокон длиной 0,70 мм [13, 14]. Надо отметить, что применение технологии прессования заготовок, основанной на использовании коротких волокон, позволяет значительно удешевить и упростить производство фрикционных деталей. Кроме того, квазиизотропные композиты с армированием короткими волокнами имеют более высокую теплопроводность в направлении, перпендикулярном поверхности трения, по сравнению с ортотропными структурами на основе тканей и однонаправленных лент. Это приводит к понижению поверхностной температуры тормозных дисков и соответственно к более высокому и стабильному коэффициенту трения и более низкой скорости износа.
В состав связующего, которым пропитывается волокнистый материал, обычно входят различные порошкообразные добавки. Например, в полимерное связующее вводятся порошки нефтяного кокса, карбида кремния, нитрида бора, графита, сульфида марганца и других веществ [11]. Кроме того, в состав связующего может входить и порошок кремния. В этом случае говорят о процессе с частичным или полным внутренним силицированием [14, 15].
Попытки улучшить эксплуатационные свойства элементов торможения из КМК привели к разработке градиентных фрикционных материалов, в которых высокая износостойкость поверхностных слоев сочетается с высокой ударной вязкостью внутренних слоев. Это достигается, например, созданием материалов, в которых относительное содержание карбидокремниевой матрицы увеличивается к поверхности тормозного элемента или в которых поверхность однородного по составу СуС-БЮ-композита покрывается слоем со значительным содержанием Б1С [7, 16].
В целом, данная технология должна рассматриваться как сквозная, обеспечивающая преобразование материала от исходных полуфабрикатов (углеволокнистый армирующий материал, совмещенный с полимерным связующим) через ряд промежуточных состояний до готового КМК.
К недостаткам данных LSI-процессов следует отнести наличие остаточного кремния в составе матрицы, что может ограничивать температуры применения изделий, а также неоднородность распределения карбида кремния в матрице, которая служит причиной возникновения остаточных напряжений. Вместе с тем по сравнению с другими методами эта модификация LSI считается наиболее перспективной и экономически привлекательной для организации серийного производства изделий из КМК.
Заключение
Проведенный анализ современных технологических методов, используемых для получения волокнисто-армированных КМК с карбидокрем-ниевой матрицей, показал, что для производства из этих материалов тормозных дисков высоко-нагруженных систем торможения железнодорожного транспорта наиболее перспективны твердофазные методы и метод силицирования карбонизированного углепластика. Рассмотрены основные стадии этих технологий, выделены их достоинства и недостатки. Показано, что по сравнению с другими методами получения КМК данные методы обеспечивают наибольшую экономическую эффективность изготовления тормозных дисков и максимально высокую теплопроводность.
Библиографический список
1. Chen J. Temperature field and thermal stress analyses of high-speed train brake dise under pad variations / J. Chen, F. Gao // The Open Mechanical Engineering Journal. - 2015. - Vol. 9. - P. 371-378.
2. Гапанович В. А. Высокоскоростной железнодорожный подвижной состав : монография / В. А. Гапанович, А. А. Андреев, Д. В. Пегов и др. ; под ред. В. А. Гапановича. - СПб. : Изд-во ООО «Типография «НП-Принт», 2014. - 304 с.
3. Киселев И. П. Высокоскоростной железнодорожный транспорт. Общий курс : учеб. пособие : в 2 т. /
И. П. Киселёв, Л. С. Блажко, М. Я. Брынь и др. ; под ред. И. П. Киселёва. - М. : Учеб.-метод. центр по образованию на ж.-д. транспорте, 2018. - Т. 2. - 397 с.
4. Воробьев А. А. Применение композиционных материалов в тормозных системах высокоэнер-гетичных составов железнодорожного транспорта / А. А. Воробьев, Д. А. Жуков, К. Л. Лукьяненко,
B. И. Кулик, А. С. Нилов // Изв. Петерб. ун-та путей сообщения. - СПб. : ПГУПС, 2019. - Т. 16. - Вып. 3. -
C. 391-400.
5. Schlosser W. Moderne Bremssysteme fur Schienenfahrzeuge / W. Schlosser, S. Aurich // ZEV + DET Glasers Annalen. - 2001. - N 8. - Р. 273-277.
6. CMC Technology and Structures. - URL : http:// www.dlr.de/bt/en/desktopdefault.aspx/tabid-2499/ 6930_read-10079 (дата обращения : 05.07.2019 г.).
7. Hanbook of ceramic composites / ed. by P. Naro-ttam. - Boston ; Dordrecht ; London : Kluver Academic Publishers, 2005. - 554 р.
8. Garshin A. P. Contemporary technology for preparing fiber-reinforced composite materials with a ceramic refractory matrix (review) / A. P. Garshin, V. I. Kulik, S.A. Matveev, A. S. Nilov // Refractories and Industrial Ceramics. - 2017. - Vol. 58. - N. 2. - P. 148-161.
9. Garshin A. P. Analysis of the status and prospects for the commercial use of fiber-reinforced silicon-carbide ceramics / A. P. Garshin, V. I. Kulik, A. S. Nilov // Refractories and Industrial Ceramics. - 2012. - Vol. 53. - N 1. -P. 62-70.
10. Zhou Y. Processing and tribological properties of SiC/carbon short fiber composites / Y. Zhou, H. Hyuga, K. Hirao, Y. Yamauchi // Journal of the Ceramic Society of Japan. - 2006. - Vol. 114. - N 4. - P. 323-328.
11. Naslain R. Si-matrix composite materials for advanced jet endines / R. Naslain, F. Cristin // MRS Bulletin. - 2003. - N 9. - P. 854-858.
12. Zhang K. Joining of C/SiC ceramic matrix composites : A review / K. Zhang, L. Zhang, R. He et al. // Advances in materials science and engineering. - 2018. -Article ID 6176054. - 15 p.
13. United States Patent 6936341. Fiber-reinforced ceramic material. Assignee : SGL Carbon AG / R. Hüner, M. Bauer, P. Winkelmann. - Filed : 3/12/2004. -Iss. 8/30/2005.
14. Licciulli A. Ceramic composites for automotive friction devices / A. Licciulli, A. Chiechi, D. Diso, A. Maffezzoli // Advances in Science and Technology. -2006. - Vol. 45. - P. 1394-1398.
15. Mentz J. Processing of porous C/SiC via "inner siliconizing" / J. Mentz, M. Müller, H-P. Buchkremer, D. Stöver // Carbon Conference, 14-19 July 2001, Lexington, Kentucky, USA. - 2001. - 5 p.
16. Krenkel W. C/C-SiC composites for hot structures and advanced friction systems / W. Krenkel // Ceram. Eng. Sci. Proc. - 2003. - Vol. 4. - N 24. - P. 583-592.
Дата поступления: 04.03.2020 г. Решение о публикации: 11.03.2020 г.
Контактная информация:
ВОРОБЬЕВ Александр Алфеевич - д-р техн. наук, доцент; [email protected] КУЛИК Виктор Иванович - канд. техн. наук, доцент; victor. [email protected] НИЛОВ Алексей Сергеевич - канд. техн. наук, доцент; alexey. [email protected] СПИРЮГОВА Мария Александровна - доцент
Promising technologies for the production of brake discs from SiC ceramic matrix composites for braking systems of high-speed railway transport
A. A. Vorobyev 1, V. I. Kulik 2, A. S. Nilov 2, M. A. Spiryugova 3
1 Emperor Alexander I Petersburg State Transport University, 9, Moskovsky pr., Saint Petersburg, 190031, Russian Federation
2 D. F. Ustinov "VOENMEKh" Baltic State Technical University, 1, 1-ya Krasnoarmeyskaya ul., Saint Petersburg, 190005, Russian Federation
3 Samara State Transport University, 2V, Svobody ul., Samara, 443066, Russian Federation
For citation: Vorobyev A. A., Kulik V. I., Nilov A. S., Spiryugova M. A. Promising technologies for the production of brake discs from SiC ceramic matrix composites for braking systems of high-speed railway transport. Proceedings of Petersburg Transport University, 2020, vol. 17, iss. 2, pp. 210-220. (In Russian) DOI: 10.20295/1815-588X-2020-2-210-220
Summary
Objective: To evaluate the prospects of applying current technological approaches for producing friction fiber-reinforced silicon carbide ceramic matrix composites for the manufacture of brake discs for braking systems of high-speed railway transport. Methods: The authors have analyzed the current state of various solid-, liquid- and gas-vapor-based technology providing for the introduction of the matrix material into the fibrous preform and its compaction. Results: The main stages of these processes have been considered, their advantages and disadvantages are emphasized. The prospects and technical and economic efficiency of their use for the production of brake discs of high-speed railway transport have been estimated. Practical importance: It has been shown that solid-phase methods and the method of carbonized carbon-fiber-reinforced plastic siliconizing are the most promising for the production of brake discs from carbon-fiber SiC ceramic matrix composites for heavily loaded braking systems of railway transport. Compared to other methods, these solutions provide the maximum economic efficiency in the manufacture of brake discs and the highest possible thermal conductivity of the resulting composite.
Keywords: Train braking system, composite material, brake disc, friction material, ceramic matrix composite, liquid-phase siliconizing method, solid-phase method.
References
1. Chen J. & Gao F. Temperature field and thermal stress analyses of high-speed train brake disc under pad variations. The Open Mechanical Engineering Journal, 2015, vol. 9, pp. 371-378.
2. Gapanovich V.A., Andreev A.A., Pegov D. V. et al. Vysokoskorostnoy zheleznodorozhnyy podvizhnoy sostav [High-speed railway rolling stock]. Monograph. Edited by V. A. Gapanovich. Saint Petersburg, OOO Ti-pografiya "NP-Print" Publishing House, 2014, 304 p. (In Russian)
3. Kiselev I. P, Blazhko L. S., Bryn' M. Ya. et al. Vysokoskorostnoy zheleznodorozhnyy transport. Obshchiy kurs: ucheb. posobiye. V 2 t. [High-speed railway transport. General course: textbook. In 2 vol.]. Edited by I. P. Kise-lyova. Moscow, Training and Methodology Centre for Railway Transport Publ., 2018, vol. 2, 397 p. (In Russian)
4. Vorobyev A. A., Zhukov D. A., Lukyanenko K. L., Kulik V. I. & Nilov A. S. Primeneniye kompozitsionnykh materialov v tormoznykh sistemakh vysokoenergetich-nykh sostavov zheleznodorozhnogo transporta [Applica-
tion of composite materials in braking systems of highpower railway trains]. Izvestiia Peterburgskogo univer-sitetaputei soobshenii [Proceedings of Petersburg Transport University]. Saint Petersburg, PGUPS [Petersburg State Transport University] Publ., 2019, vol. 16, iss. 3, pp. 391-400. (In Russian)
5. Schlosser W. & Aurich S. Moderne Bremssysteme für Schienenfahrzeuge. ZEV+DET Glasers An-nalen, 2001, no. 8, pp. 273-277.
6. CMC Technology and Structures. Available at: http://www.dlr.de/bt/en/desktopdefault.aspx/ta-bid-2499/6930_read-10079/(accessed: July 05, 2019).
7. Handbook of ceramic composites. Ed. by P. Na-rottam. Boston, Dordrecht, London, Kluwer Academic Publishers, 2005, 554 p.
8. Garshin A. P., Kulik V. I., Matveev S. A. & Nilov A. S. Contemporary technology for preparing fiber-reinforced composite materials with a ceramic refractory matrix (review). Refractories and Industrial Ceramics, 2017, vol. 58, no. 2, pp. 148-161.
9. Garshin A. P., Kulik V. I. & Nilov A. S. Analysis of the status and prospects for the commercial use of fiber-
reinforced silicon-carbide ceramics. Refractories and Industrial Ceramics, 2012, vol. 53, no. 1, pp. 62-70.
10. Zhou Y., Hyuga H., Hirao K. & Yamauchi Y. Processing and tribological properties of SiC/carbon short fiber composites. Journal of the Ceramic Society of Japan, 2006, vol. 114, no. 4, pp. 323-328.
11. Naslain R. & Cristin F. Si-matrix composite materials for advanced jet engines. MRS Bulletin, 2003, no. 9, pp. 854-858.
12. Zhang K., Zhang L., He R. et al. Joining of C/SiC ceramic matrix composites. A review. Advances in materials science and engineering, 2018, Article ID 6176054, 15 p.
13. Huner R., Bauer M. & Winkelmann P. United States Patent 6936341. Fiber-reinforced ceramic material. Assignee: SGL Carbon AG. Filed: 3/12/2004, iss. 8/30/2005.
14. Licciulli A., Chiechi A., Diso D. & Maffezzo-li A. Ceramic composites for automotive friction devices. Advances in Science and Technology, 2006, vol. 45, pp. 1394-1398.
15. Mentz J., Müller M., Buchkremer H-P. & Stöver D. Processing of porous C/SiC via "inner siliconizing". Carbon Conference 14-19 July 2001. Lexington, Kentucky, USA, 2001, 5 p.
16. Krenkel W. C/C-SiC composites for hot structures and advanced friction systems. Ceram. Eng. Sci. Proc., 2003, vol. 4, no. 24, pp. 583-592.
Received: March 4, 2020 Accepted: March 11, 2020
Author's information:
Aleksandr A. VOROBYEV - D. Sci. in Engineering, Associate Professor; [email protected]
Viktor I. KULIK - PhD in Engineering, Associate Professor; victor. [email protected] Aleksey S. NILOV - PhD in Engineering, Associate Professor; alexey. [email protected] Mariya A. SPIRYUGOVA - Associate Professor
