本发明涉及一种轻质化的改性碳纤维基刹车盘的制备方法，属于刹车盘技术领域。
背景技术：
刹车盘即一个圆的盘子，随着车子的行进而转动。目前，刹车盘的种类有盘刹、鼓刹和气刹。盘刹由于散热性比鼓刹好，高速制动效果更好；不过，鼓刹在低速冷闸时效果要好于盘刹。盘刹的价格要比鼓刹高，目前，大部分普通轿车多采用前盘后鼓，对于相对低速，且需要制动力大的卡车、巴士，仍采用鼓刹，自然地，中高级轿车采用全盘刹。
由于汽车刹车盘在汽车行驶中占据的重要作用和自身的表面精度和形位公差、以及各种理化性能的特殊要求，导致了刹车盘的材质必须满足刹车盘的使用性能要求。
碳纤维增强碳基体复合材料，简称碳/碳(碳纤维)复合材料，碳纤维复合材料是将高强度的碳纤维嵌入基体碳复合而成，而增强体与基体同为一种元素的特点，使得二者各自的性能得以保持。碳纤维复合材料比重轻，密度仅为陶瓷材料的1/2，镍基合金的1/4；力学性能具有比强度高、比模量大、断裂韧性好，特别是在高温时，其强度不仅不下降反而随着温度上升而升高，这是其他材料无法比拟的独有特征。
CN106122316A中公开了一种一种碳纤维刹车盘的制备方法。本发明制备的刹车盘，采用复合碳纤维材料，提升了刹车盘的耐高温性能和机械性能，制备过程中对刹车盘进行表面结壳处理，并通过控制合适的CVI工艺参数，使刹车盘表面形成了致密的热解碳。
但是由于碳纤维本身的耐磨性不好、导热系数不高的特性，导致了其在长期使用过程中容易出现散热效果差、摩擦损耗大的问题。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是：刹车盘材料存在的重量重、导热性不好的问题，本发明利用碳纤维作为基材，减轻了刹车盘的重量；另外，首先制备出具有空心结构的碳纤维微球，再利用溶胶凝胶反应在微球内部生成氧化钛，通过还原气氛下的反应生成钛，使碳微球内部形成钛金属，再与粘合剂、耐磨增效颗粒混合后进行热压成型，使碳纤维刹车盘的导热性和耐磨损性得到了提高。
技术方案是：
一种轻质化的改性碳纤维基刹车盘的制备方法，包括如下步骤：
第1步， 表面交联化的聚合物微球的制备：将氯乙酰化聚苯乙烯-二乙烯基苯微球载体(PS-acyl-Cl)先在四氢呋喃中进行溶胀，然后加入甲醇，再加入碳酸氢钠和乙二胺，升温反应，反应结束后，将微球滤出，用乙醇清洗后真空干燥，得到表面交联化的聚合物微球；
第2步，碳纤维的活化：在真空条件下，将碳纤维进行锻烧处理，再将煅烧后的碳纤维在硝酸和硫酸的混合液中浸泡，取出后去离子水清洗后烘干，得到活化后的碳纤维；
第3步，碳纤维的表面交联化：将活化后的碳纤维置于硅烷偶联剂的醇溶液中浸泡，取出后，用去离子水清洗，得到表面交联化的碳纤维；
第4步，包覆碳纤维的聚合物微球的制备：按重量份计，将表面交联化的碳纤维5～10份、表面交联化的聚合物微球3～5份、丙酮35～70份、扩链剂0.2～0.4份、有机锡催化剂0.01～0.05份混合均匀，升温在70～90℃进行反应1～4h，将产物滤出后，用乙醇清洗，真空干燥后，得到包覆碳纤维的聚合物微球；
第5步，煅烧去除模板剂：将包覆碳纤维的聚合物微球进行煅烧后，得到空心碳纤维微球；
第6步，空心微球中的导热材料的填充：按重量份计，将空心碳纤维微球4～6份、钛酸正丁酯0.4～0.8份加入水15～25份中，升温至50～60℃，边搅拌边滴加稀硝酸调节pH至4～6，滴加完毕后继续搅拌反应1～2h，再自然冷却至室温下陈化至少12h，将微球滤出；
第7步，导热材料的还原：将第6步得到的微球在氢气气氛下进行烧结，得到内部填充钛的碳纤维微球；
第8步，碳纤维微球的沉积增密处理：将第7步得到的碳微球装在真空碳管炉中，以天然气气体为沉积源，进行增密处理，得到增密的碳纤维微球；
第9步，刹车盘的成型：按重量份计，将增密的碳纤维微球20～35份、碳化硅粉体3～5份、酚醛树脂5～12份混合均匀，置于模具中进行热压处理，得到碳纤维刹车盘。
所述的第1步中，PS-acyl-Cl、四氢呋喃、甲醇、乙二胺、碳酸氢钠的重量比是1：3～5：2～3：5～7、0.5～1.2。
所述的第1步中，升温反应是指在75～85℃下反应10～20h。
所述的第2步中，碳纤维进行煅烧的温度是2050～2100℃，煅烧时间1～5h；硫酸的浓度是30～50wt%，硝酸的浓度是20～35wt%；浸泡的温度是55～65℃，浸泡时间是1～3h。
所述的第3步中，活化后的碳纤维与硅烷偶联剂的醇溶液的重量比1：12～20；醇溶液是指乙醇溶液；硅烷偶联剂是指KH550、KH560或者KH570中的任意一种；硅烷偶联剂的质量浓度是3～5%；浸泡温度是30～45℃，浸泡时间是15～30h。
所述的第4步中，所述的扩链剂为l,4-丁二醇、新戊二醇、乙二醇、一缩二乙二醇、甘油、顺丁烯二酸酐、三羟甲基丙烷、乙二胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺或二羟甲基丙酸中的一种或几种的混合物。
所述的第5步中，煅烧温度是500～800℃，煅烧时间3～5h。
所述的第7步中，烧结温度是550～600℃，烧结时间是2～5h。
所述的第8步中，沉积增密的温度1150～1250℃，天然气压力控制为2.5～3KPa，沉积时间为20～30h。
所述的第7步中，热压处理的温度是300～350℃，热压的压力是15～20Mpa，热压处理时间是1～5h。
有益效果
本发明利用碳纤维作为基材，减轻了刹车盘的重量；另外，首先制备出具有空心结构的碳纤维微球，再利用溶胶凝胶反应在微球内部生成氧化钛，通过还原气氛下的反应生成钛，使碳微球内部形成钛金属，再与粘合剂、耐磨增效颗粒混合后进行热压成型，使碳纤维刹车盘的导热性和耐磨损性得到了提高。
具体实施方式
实施例1
第1步， 表面交联化的聚合物微球的制备：将氯乙酰化聚苯乙烯-二乙烯基苯微球载体(PS-acyl-Cl)先在四氢呋喃中进行溶胀，然后加入甲醇，再加入碳酸氢钠和乙二胺，PS-acyl-Cl、四氢呋喃、甲醇、乙二胺、碳酸氢钠的重量比是1：3：2：5、0.5，75℃下反应10h，反应结束后，将微球滤出，用乙醇清洗后真空干燥，得到表面交联化的聚合物微球。
第2步，碳纤维的活化：在真空条件下，将碳纤维进行锻烧处理，碳纤维进行煅烧的温度是2050℃，煅烧时间1h，再将煅烧后的碳纤维在硝酸和硫酸的混合液中浸泡；硫酸的浓度是30wt%，硝酸的浓度是20wt%，浸泡的温度是55℃，浸泡时间是1h，取出后去离子水清洗后烘干，得到活化后的碳纤维；
第3步，碳纤维的表面交联化：将活化后的碳纤维置于硅烷偶联剂的醇溶液中浸泡，活化后的碳纤维与硅烷偶联剂的醇溶液的重量比1：12；所述的硅烷偶联剂的醇溶液是指5%的KH550的乙醇溶液，浸泡温度是30℃，浸泡时间是15h，取出后，用去离子水清洗，得到表面交联化的碳纤维；
第4步，包覆碳纤维的聚合物微球的制备：按重量份计，将表面交联化的碳纤维5份、表面交联化的聚合物微球3份、丙酮35份、扩链剂乙二胺0.2份、有机锡催化剂0.01份混合均匀，升温在70℃进行反应1h，将产物滤出后，用乙醇清洗，真空干燥后，得到包覆碳纤维的聚合物微球；
第5步，煅烧去除模板剂：将包覆碳纤维的聚合物微球进行煅烧后，得到空心碳纤维微球，煅烧温度是500℃，煅烧时间3h；
第6步，空心微球中的导热材料的填充：按重量份计，将空心碳纤维微球4份、钛酸正丁酯0.4份加入水15份中，升温至50℃，边搅拌边滴加稀硝酸调节pH至4，滴加完毕后继续搅拌反应1h，再自然冷却至室温下陈化12h，将微球滤出；
第7步，导热材料的还原：将第6步得到的微球在氢气气氛下进行烧结，烧结温度是550℃，烧结时间是2h，得到内部填充钛的碳纤维微球；
第8步，碳纤维微球的沉积增密处理：将第7步得到的碳微球装在真空碳管炉中，以天然气气体为沉积源，进行增密处理，沉积增密的温度1150℃，天然气压力控制为2.5KPa，沉积时间为20h，得到增密的碳纤维微球；
第9步，刹车盘的成型：按重量份计，将增密的碳纤维微球20份、碳化硅粉体3份、酚醛树脂5份混合均匀，置于模具中进行热压处理，热压处理的温度是300℃，热压的压力是15Mpa，热压处理时间是1h，得到碳纤维刹车盘。
实施例2
第1步， 表面交联化的聚合物微球的制备：将氯乙酰化聚苯乙烯-二乙烯基苯微球载体(PS-acyl-Cl)先在四氢呋喃中进行溶胀，然后加入甲醇，再加入碳酸氢钠和乙二胺，PS-acyl-Cl、四氢呋喃、甲醇、乙二胺、碳酸氢钠的重量比是1： 5： 3： 7、1.2， 85℃下反应20h，反应结束后，将微球滤出，用乙醇清洗后真空干燥，得到表面交联化的聚合物微球。
第2步，碳纤维的活化：在真空条件下，将碳纤维进行锻烧处理，碳纤维进行煅烧的温度是2100℃，煅烧时间5h，再将煅烧后的碳纤维在硝酸和硫酸的混合液中浸泡；硫酸的浓度是50wt%，硝酸的浓度是35wt%，浸泡的温度是65℃，浸泡时间是3h，取出后去离子水清洗后烘干，得到活化后的碳纤维；
第3步，碳纤维的表面交联化：将活化后的碳纤维置于硅烷偶联剂的醇溶液中浸泡，活化后的碳纤维与硅烷偶联剂的醇溶液的重量比1： 20；所述的硅烷偶联剂的醇溶液是指5%的KH550的乙醇溶液，浸泡温度是45℃，浸泡时间是30h，取出后，用去离子水清洗，得到表面交联化的碳纤维；
第4步，包覆碳纤维的聚合物微球的制备：按重量份计，将表面交联化的碳纤维5～10份、表面交联化的聚合物微球5份、丙酮70份、扩链剂乙二胺0.4份、有机锡催化剂0.05份混合均匀，升温在90℃进行反应4h，将产物滤出后，用乙醇清洗，真空干燥后，得到包覆碳纤维的聚合物微球；
第5步，煅烧去除模板剂：将包覆碳纤维的聚合物微球进行煅烧后，得到空心碳纤维微球，煅烧温度是800℃，煅烧时间5h；
第6步，空心微球中的导热材料的填充：按重量份计，将空心碳纤维微球6份、钛酸正丁酯0.8份加入水25份中，升温至60℃，边搅拌边滴加稀硝酸调节pH至6，滴加完毕后继续搅拌反应2h，再自然冷却至室温下陈化12h，将微球滤出；
第7步，导热材料的还原：将第6步得到的微球在氢气气氛下进行烧结，烧结温度是600℃，烧结时间是5h，得到内部填充钛的碳纤维微球；
第8步，碳纤维微球的沉积增密处理：将第7步得到的碳微球装在真空碳管炉中，以天然气气体为沉积源，进行增密处理，沉积增密的温度1250℃，天然气压力控制为3KPa，沉积时间为30h，得到增密的碳纤维微球；
第9步，刹车盘的成型：按重量份计，将增密的碳纤维微球35份、碳化硅粉体5份、酚醛树脂12份混合均匀，置于模具中进行热压处理，热压处理的温度是350℃，热压的压力是20Mpa，热压处理时间是5h，得到碳纤维刹车盘。
实施例3
第1步， 表面交联化的聚合物微球的制备：将氯乙酰化聚苯乙烯-二乙烯基苯微球载体(PS-acyl-Cl)先在四氢呋喃中进行溶胀，然后加入甲醇，再加入碳酸氢钠和乙二胺，PS-acyl-Cl、四氢呋喃、甲醇、乙二胺、碳酸氢钠的重量比是1：4：2：6、0.8，78℃下反应15h，反应结束后，将微球滤出，用乙醇清洗后真空干燥，得到表面交联化的聚合物微球。
第2步，碳纤维的活化：在真空条件下，将碳纤维进行锻烧处理，碳纤维进行煅烧的温度是2090℃，煅烧时间2h，再将煅烧后的碳纤维在硝酸和硫酸的混合液中浸泡；硫酸的浓度是4wt%，硝酸的浓度是25wt%，浸泡的温度是58℃，浸泡时间是2h，取出后去离子水清洗后烘干，得到活化后的碳纤维；
第3步，碳纤维的表面交联化：将活化后的碳纤维置于硅烷偶联剂的醇溶液中浸泡，活化后的碳纤维与硅烷偶联剂的醇溶液的重量比1：18；所述的硅烷偶联剂的醇溶液是指5%的KH550的乙醇溶液，浸泡温度是35℃，浸泡时间是16h，取出后，用去离子水清洗，得到表面交联化的碳纤维；
第4步，包覆碳纤维的聚合物微球的制备：按重量份计，将表面交联化的碳纤维6份、表面交联化的聚合物微球4份、丙酮50份、扩链剂乙二胺0.3份、有机锡催化剂0.03份混合均匀，升温在75℃进行反应3h，将产物滤出后，用乙醇清洗，真空干燥后，得到包覆碳纤维的聚合物微球；
第5步，煅烧去除模板剂：将包覆碳纤维的聚合物微球进行煅烧后，得到空心碳纤维微球，煅烧温度是600℃，煅烧时间4h；
第6步，空心微球中的导热材料的填充：按重量份计，将空心碳纤维微球5份、钛酸正丁酯0.5份加入水18份中，升温至55℃，边搅拌边滴加稀硝酸调节pH至5，滴加完毕后继续搅拌反应2h，再自然冷却至室温下陈化12h，将微球滤出；
第7步，导热材料的还原：将第6步得到的微球在氢气气氛下进行烧结，烧结温度是580℃，烧结时间是3h，得到内部填充钛的碳纤维微球；
第8步，碳纤维微球的沉积增密处理：将第7步得到的碳微球装在真空碳管炉中，以天然气气体为沉积源，进行增密处理，沉积增密的温度1180℃，天然气压力控制为2.8KPa，沉积时间为25h，得到增密的碳纤维微球；
第9步，刹车盘的成型：按重量份计，将增密的碳纤维微球25份、碳化硅粉体4份、酚醛树脂8份混合均匀，置于模具中进行热压处理，热压处理的温度是320℃，热压的压力是16Mpa，热压处理时间是8h，得到碳纤维刹车盘。
对照例1
与实施例3的区别在于：未采用聚合物微球任意模板，而是直接将碳纤维加入至溶胶凝胶反应中上，
第1步，碳纤维的导热材料的填充：按重量份计，将碳纤维5份、钛酸正丁酯0.5份加入水18份中，升温至55℃，边搅拌边滴加稀硝酸调节pH至5，滴加完毕后继续搅拌反应2h，再自然冷却至室温下陈化12h，将固体物滤出；
第2步，导热材料的还原：将第2步得到的固体物在氢气气氛下进行烧结，烧结温度是580℃，烧结时间是3h，得到填充钛的碳纤维；
第3步，碳纤维微球的沉积增密处理：将第2步得到的填充钛的碳纤维装在真空碳管炉中，以天然气气体为沉积源，进行增密处理，沉积增密的温度1180℃，天然气压力控制为2.8KPa，沉积时间为25h，得到增密的碳纤维微球；
第4步，刹车盘的成型：按重量份计，将增密的碳纤维微球25份、碳化硅粉体4份、酚醛树脂8份混合均匀，置于模具中进行热压处理，热压处理的温度是320℃，热压的压力是16Mpa，热压处理时间是8h，得到碳纤维刹车盘。
对照例2
与实施例3的区别在于：未进行第7步的还原条件下的烧结。
第1步， 表面交联化的聚合物微球的制备：将氯乙酰化聚苯乙烯-二乙烯基苯微球载体(PS-acyl-Cl)先在四氢呋喃中进行溶胀，然后加入甲醇，再加入碳酸氢钠和乙二胺，PS-acyl-Cl、四氢呋喃、甲醇、乙二胺、碳酸氢钠的重量比是1：4：2：6、0.8，78℃下反应15h，反应结束后，将微球滤出，用乙醇清洗后真空干燥，得到表面交联化的聚合物微球。
第2步，碳纤维的活化：在真空条件下，将碳纤维进行锻烧处理，碳纤维进行煅烧的温度是2090℃，煅烧时间2h，再将煅烧后的碳纤维在硝酸和硫酸的混合液中浸泡；硫酸的浓度是4wt%，硝酸的浓度是25wt%，浸泡的温度是58℃，浸泡时间是2h，取出后去离子水清洗后烘干，得到活化后的碳纤维；
第3步，碳纤维的表面交联化：将活化后的碳纤维置于硅烷偶联剂的醇溶液中浸泡，活化后的碳纤维与硅烷偶联剂的醇溶液的重量比1：18；所述的硅烷偶联剂的醇溶液是指5%的KH550的乙醇溶液，浸泡温度是35℃，浸泡时间是16h，取出后，用去离子水清洗，得到表面交联化的碳纤维；
第4步，包覆碳纤维的聚合物微球的制备：按重量份计，将表面交联化的碳纤维6份、表面交联化的聚合物微球4份、丙酮50份、扩链剂乙二胺0.3份、有机锡催化剂0.03份混合均匀，升温在75℃进行反应3h，将产物滤出后，用乙醇清洗，真空干燥后，得到包覆碳纤维的聚合物微球；
第5步，煅烧去除模板剂：将包覆碳纤维的聚合物微球进行煅烧后，得到空心碳纤维微球，煅烧温度是600℃，煅烧时间4h；
第6步，空心微球中的导热材料的填充：按重量份计，将空心碳纤维微球5份、钛酸正丁酯0.5份加入水18份中，升温至55℃，边搅拌边滴加稀硝酸调节pH至5，滴加完毕后继续搅拌反应2h，再自然冷却至室温下陈化12h，将微球滤出；
第7步，碳纤维微球的沉积增密处理：将第6步得到的微球装在真空碳管炉中，以天然气气体为沉积源，进行增密处理，沉积增密的温度1180℃，天然气压力控制为2.8KPa，沉积时间为25h，得到增密的碳纤维微球；
第8步，刹车盘的成型：按重量份计，将增密的碳纤维微球25份、碳化硅粉体4份、酚醛树脂8份混合均匀，置于模具中进行热压处理，热压处理的温度是320℃，热压的压力是16Mpa，热压处理时间是8h，得到碳纤维刹车盘。
将刹车材料按照GB228测试其室温拉伸性能，采用导热率测试仪测定其导热率（200℃下）。采用MM-1000 摩擦试验机测试本发明的摩擦制动材料的刹车性能，测试条件为：惯量3.8kgf·cm·s2，比压100N/cm2，线速度25m/s。
从上表中可以看出，本发明提供的碳纤维刹车盘具有较好的刹车性能，特别同时具有较好的硬度和耐冲击性能，主要是由于通过将碳纤维形成微球后在其中填充有金属钛，通过实施例3和对照例1可以看出，通过将碳纤维预先通过模板法形成微球之后，可以使金属钛在其中较好的填充，由于钛金属具有较好的传热性能，可以较好地将产生的热量释放，保持了刹车盘在较低的温度下工作，摩损率小；另外，实施例3相对对照例2可以看出，通过还原条件下的反应，使氧化钛成微球内部万籁金属钛，具有较好的韧性，使刹车盘的抗冲击强度得到了提高。