CN101200551B - 一种含钛酸钾晶须的车用复合摩擦材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含钛酸钾晶须的车用复合摩擦材料及其制备方法。以质量百分比计，该复合摩擦材料配方由如下物质组成：腰果油改性酚醛树脂15-25％；丁腈橡胶3-6％；晶须状六钛酸钾10-20％；鳞片状六钛酸钾3-5％；蛭石3-8％；芳纶纤维1-2％；海泡石纤维3-5％等。制备时，将复合摩擦材料按其配比组成备料并混合均匀，倒入模具内模压成型，起模，取出压制出的成品；将压制出的成品放入恒温箱中，在温度145-155℃条件下经过12-24小时的后处理，制得含钛酸钾晶须的车用复合摩擦材料。制备的材料化学性能稳定，且无毒无害，晶须在制动过程中因摩擦产生的六钛酸钾粉尘会迅速沉降到地面，避免了对人体的伤害和大气的污染。

Description

一种含钛酸钾晶须的车用复合摩擦材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种复合摩擦材料，特别是涉及一种无金属纤维的含钛酸钾晶须的车用复合摩擦材料及其制备方法。

背景技术

在复合摩擦材料的发展过程中，大量的专利技术和应用研究用来完善和提高复合摩擦材料的摩擦学特性，使它更适用于汽车工业发展的需要。复合摩擦材料的组成是决定其摩擦学特性的主要因素，在构成复合摩擦材料的诸多组份中，每种组份都对制动效果起到一定的作用。

晶须又名晶体纤维，是很细的单晶体，直径通常只有几微米左右。粗的晶须呈针状，细的晶须呈柔软的汗毛状。晶须是缺陷少的单晶体纤维，所以机械强度高，它的抗拉强度可以接近纯晶体的理论强度。晶须强度与粗细密切相关，随着晶须变粗，强度下降。晶须可用作母相材料的补强，也可用作其他材料的增强，广泛用于塑料、橡胶、金属合金、玻璃、陶瓷、复合材料等的增强，是很有发展的新型材料。

钛酸钾晶须，通常用K₂O·nTiO₂表示其的组成，n＝1，2，4，6，8，它们在结构和性能上差异显著。其中以n＝6即六钛酸钾的实用价值最大。六钛酸钾晶须外观形貌白色针状结晶；晶须尺寸：直径0.5～1.0μm，长度10～40μm；耐热温度1200℃(在空气中)；真密度3.3g/cm³；松密度0.3g/cm³；抗拉强度7GPa；弹性模量280GPa；热膨胀系数6.8×10^-6/℃；PH值7～9(水中分散)；热导率5.34W/(m.k)(25℃)，1.74W/(m.k)(760℃)；比热容0.92KJ/(kg·k)；电阻率3.3×10¹³m·Ω(25℃)；钛酸钾晶须最初是由美国航天航空局(NASA)作为土星火箭喷嘴的隔热材料进行开发的。针对火箭发射时高温高压气流的剧烈冲刷，急需一种具有优良隔热性能、耐磨、抗冲击的材料，以替代石棉纤维，从而选用了钛酸钾晶须。二十世纪七十年代，美国航天航空局针对钛酸钾晶须替代石棉纤维作隔热耐磨材料进行了评估，结果为钛酸钾晶须明显优于石棉纤维。由此揭开了钛酸钾研究的新纪元。以下提到的钛酸钾即表示为六钛酸钾。其中晶须状钛酸钾，直径0.5～1.0μm，长度10～40μm，鳞片状钛酸钾，厚度约1-5μm，长×宽约10-30μm×10-30μm。

复合摩擦材料的表面颜色和外观形状各有不同。但都是由粘结剂，增强纤维，磨料，润滑材料，填料五大类材料组成。在20世纪20-70年代，含石棉的复合摩擦材料几乎是一统天下，采用含石棉的复合摩擦材料作为各种机动车辆的制动摩擦材料具有较好的性能和价格。从1972年国际肿瘤医学会确认石棉及高温挥发物属于致癌物后，国际上掀起一股禁止使用石棉摩擦材料的浪潮，在近30多年的摩擦材料研究中，绝大部分集中在无石棉复合摩擦材料方面。在代替石棉的纤维中，除了钢纤维外，目前比较多见的有：玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维以及这些纤维相混合的混杂纤维。

以钢纤维或金属粉(铸铁粉、还原铁粉)代替石棉纤维，申请号：89100843.8，半金属摩擦材料；申请号：92106617.1，半金属无石棉轿车刹车片及其生产方法。在使用中发现半金属摩擦材料存在如下缺点：钢纤维容易生锈，锈蚀后或者出现粘着对偶或者损伤对偶，使摩擦片强度降低，磨损加剧，摩擦系数稳定性变差；半金属摩擦材料虽然消除了石棉摩擦材料容易产生的高频噪音，却易产生低速下的低频噪音。

玻璃纤维的特点是硬度高、热稳定性较好、与树脂亲和性好、价格低廉。玻璃纤维发展历史较长，是早期无石棉摩擦材料中使用较多的纤维。申请号：02112952.5无石棉摩擦材料增强基材及其制造工艺，介绍了主要含玻璃纤维的复合摩擦材料。在使用中玻璃纤维摩擦材料都表现出较高的磨损率，玻璃纤维硬度过高而塑性极差也是造成高磨损率的原因之一。同时也会对偶件产生擦伤和磨损，在重载高温下，摩擦系数波动较大，稳定性较差。

芳纶纤维又称Kevlar纤维，是一种芳族聚酰胺有机人造纤维，是美国杜邦公司开发的产品。申请号：200610200693.4，一种混杂纤维增强摩擦材料及其制备方法，介绍了主要含芳纶纤维的复合摩擦材料。其特征是具有相当高的强度和韧性、中等的模量、很小的密度、耐磨、耐热、高温下尺寸稳定好，没有碳纤维与玻璃纤维所呈现的脆性。但在使用中发现摩擦材料中Kevlar的含量会对其摩擦学特性产生较大的影响。当Kevlar的含量超过10％时，摩擦系数降低50％，磨损率降低一个数量级，但Kevlar含量继续增加，摩擦系数基本保持不变，而磨损率随Kevlar含量增加而继续下降。这表明，Kevlar的加入极大地提高了摩擦材料的耐磨性，但其摩擦系数也随之下降。尽管芳纶纤维增强的摩擦材料具有极明显的耐磨性优势，并且在装车试验中也到了令人满意的结果，但由此引起的摩擦系数的降低却是汽车摩擦材料所不希望的。

碳纤维有机摩擦材料的突出优点是其高温摩擦稳定性好、耐磨。申请号：200410075132.7，含部分碳化的碳纤维的摩擦材料。但由于较高的价格影响了它的推广使用。因此作为摩擦材料常用在飞机刹车和赛车制动器上。

综上所述，现代摩擦材料的发展必须在考虑减少摩擦材料生产和加工时的环境污染的同时，还必须考虑以及摩擦材料在使用过程中的污染和报废的摩擦材料对环境的污染作用，六钛酸钾晶须、纤维或鳞片状六钛酸钾对环境没有污染，甚至还能吸收部分制动过程中产生的噪音，无疑是比较理想的摩擦材料；六钛酸钾晶须的相容性极好，与有机和无机类材料能够保持极好的相容性。石棉类摩擦材料在230℃时出现衰减现象，六钛酸钾晶须类摩擦材料在350℃时也没出现衰减现象，仍然能够维持稳定的摩擦性能。摩擦材料使用寿命的延长，不仅节省了材料的消耗，也减少了能耗。六钛酸钾晶须的导热系数较小，与温石棉的导热系数接近，且具有负温度系数(温度越高导热系数越低)，化学性能稳定，且无毒无害，是非常理想的石棉替代材料。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种具有高性价比的，不含任何金属材料和石墨材料的含钛酸钾晶须的车用复合摩擦材料。作为制动摩擦原件在使用过程中，其磨屑无毒无污染绝缘性好，可以广泛的运用在各种由电机驱动的机动车辆(电动汽车和混合动力汽车)上，减少了电机的故障率。同时还减小了制动过程的高频噪声，提高了车辆驾驶的舒适度。

本发明的另一目的在于提供上述含钛酸钾晶须的车用复合摩擦材料的制备方法。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

一种含钛酸钾晶须的车用复合摩擦材料，以质量百分比计，该复合摩擦材料由如下物质组成：

腰果油改性酚醛树脂 15-25％；

丁腈橡胶 3-6％；

晶须状六钛酸钾 10-20％；

鳞片状六钛酸钾 3-5％

蛭石 3-8％；

芳纶纤维(Kevlar纤维) 1-2％；

海泡石纤维 3-5％，

氧化铝 6-12％；

滑石粉 6-12％；

二硫化鉬 3-5％；

硫酸钡 10-20％；

氢氧化钙 5-10％。

含钛酸钾晶须的车用复合摩擦材料的制备方法，包括如下步骤和工艺条件：

第一步，将复合摩擦材料按其配比组成备料并混合均匀；

第二步，称重倒入模具内模压成型，温度为145-155℃；压力为10-14Mpa；保温时间为6-8分钟和放气2-3次；

第三步，起模，取出压制出的成品；

第四步，将压制出的成品放入恒温箱中，在温度150-160℃条件下经过12-24小时的后处理，制得含钛酸钾晶须的车用复合摩擦材料。

制得的含钛酸钾晶须的车用复合摩擦材料后还包括机械加工，喷漆，得到形状各异的钛酸钾复合摩擦材料。

六钛酸钾具有的特殊性能：(1)优良的隔热性能。正是六钛酸钾晶须的隧道状结构，使其具有结构隔热性能，且具有负温度系数，而不同于其它任何结构的隔热的材料。将六钛酸钾晶须做成纸状成形体，这种成形体具有极高的红外线反射能力。既具有结构隔热性能，又具有反射能量的特殊性能，这正是六钛酸钾晶须作为优质隔热材料而被人看好的原因之一。(2)优良的稳定性能。化学性质非常活泼K+离子，被隧道状的TiO6八面体包覆，从而大大降低了K+离子的化学活性。使得六钛酸钾能在稀酸溶液中稳定，甚至强碱性溶液在高温下亦十分稳定。因为化学稳定性能的好坏，直接涉及到应用领域的大小。(3)优良的机械性能。正是其较优良的机械性能，才能使其应用范围更加宽广。一些需要具有耐磨擦的特殊材料亦可以使用，如使用在汽车的离合器及制动装置上，可以延长离合器及制动装置的使用寿命。(4)高温吸音性能。以5％的碱性树脂作结合剂，作成密度0.48g/cm³的板块，用垂直入射法测定室温下的吸音率，在2000Hz时达22％，且温度越高，吸音率亦越高，这对减少机械设备的强大噪声污染带来巨大影响。

钛酸钾在摩擦材料中主要起三个方面的作用。

一是对能量的反射，阻止或减缓了刹车过程中能量往刹车片里面的传递，使温度的升高得以减缓，从而起到了耐磨作用；

二是钛酸钾的导热系数低，并且稳定，减慢了刹车过程中能量传递，也起到耐磨作用；

三是高温吸音作用，部分吸收了摩擦材料在刹车过程中所产生的噪音，减少了噪音污染。

本发明利用了钛酸钾优异的隔热性能。在制动摩擦过程中，由于制动产生的瞬间热量，会通过摩擦表面、次表层、亚表层向复合摩擦材料的基体传递。而作为高聚物的树脂材料在高温作用下，很容易分解，引起包括次表层、亚表层在内的摩擦接触面，机械性能下降，磨损增加，同时摩擦系数减小，即产生制动摩擦材料的热衰退现象。而钛酸钾优异的隔热性能，阻断了在制动摩擦过程中，热量向摩擦材料内部的传递路线，较好的保护制动高温对次表层、亚表层和基体的影响，改善了摩擦磨损特性。

本发明产品与现有技术产品相比，具有以下优点和有益效果：

(一)、化学性能稳定，且无毒无害，另外，晶须在制动过程中因摩擦产生的钛酸钾粉尘会迅速沉降到地面，避免了对人体的伤害和大气的污染。

(二)、是对能量的反射，阻止或减缓了刹车过程中能量往刹车片里面的传递，使温度的升高得以减缓，从而起到了耐磨作用；

(三)是钛酸钾的导热系数低，并且稳定，减慢了刹车过程中能量传递，也起到耐磨作用；

(四)、是高温吸音作用，部分吸收了摩擦材料在刹车过程中所产生的噪音，减少了噪音污染。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，发明人对本发明已经经过多年的创造性研究和试验，有许多成功的实例，下面列举部分具体实施例，但本发明要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。

实施例1：以捷达前轮刹车片为例

以质量百分比计，含钛酸钾复合摩擦材料基本配方为：腰果油改性酚醛树脂20％；丁腈橡胶5％；晶须状六钛酸钾15％，直径为0.5～1.0um；鳞片状六钛酸钾5％；蛭石5％；芳纶纤维(Kevlar纤维)1％；海泡石纤维4％，氧化铝6％；滑石粉6％；二硫化鉬5％；硫酸钡20％；氢氧化钙8％。将以上的材料均匀混合，称重倒入模具中模压成型，温度为145℃；压力为12Mpa；保温时间为7分钟(保温时间0.5-1分/mm)和放气2次；压制后的高度为12mm，将压制出的材料放入恒温箱中，在温度150℃温度条件下经过20小时的保温处理，再进行机械加工，上漆，包装，制得含钛酸钾晶须的车用复合摩擦材料。

根据国家标准(GB5763-1998)对该摩擦材料进行的摩擦磨损测试结果如表1所示。表1中100℃～350℃时的摩擦系数的值都大于0.40，其中在各温度条件下，摩擦系数的最大差值为0.051，其热衰退率等于10.6％。在350℃时的磨损率0.536X10^-7cm³/Nm。

表1

盘温	100℃	150℃	200℃	250℃	300℃	350℃
							摩擦系数 (升温)	0.480	0.485	0.472	0.460	0.449	0.437
摩擦系数 (降温)	0.512	0.489	0.482	0.473	0.450

[0050]

磨损量(×10<sup>-7</sup>cm<sup>3</sup>/Nm)

0.214

0.267

0.306

0.384

0.412

0.536

实施例2：以捷达前轮刹车片为例

基本配方(以质量分数计)：腰果油改性酚醛树脂15％；丁腈橡胶3％；晶须状六钛酸钾20％；鳞片状六钛酸钾3％；蛭石3％；Kevlar纤维1％；海泡石纤维5％，氧化铝12％；滑石粉10％；二硫化鉬3％；硫酸钡15％；氢氧化钙10％。将以上的材料均匀混合，称重倒入模具中模压成型，温度为150℃；压力为10Mpa；保温时间8分钟(保温时间0.5-1分/mm)和放气3次；压制后的高度为12mm，将压制出的材料放入恒温箱中，温度155℃经过24小时的保温处理，再进行机械加工，上漆，包装，制得含钛酸钾晶须的车用复合摩擦材料。

根据国家标准(GB5763-1998)对该摩擦材料进行的摩擦磨损测试结果如表2所示。表2中100℃～350℃时的摩擦系数的值都大于0.40，其中在各温度条件下，摩擦系数的最大差值为0.039，其热衰退率等于8.6％。在350℃时的磨损率0.504X10^-7cm³/Nm。

表2

盘温	100℃	150℃	200℃	250℃	300℃	350℃
							摩擦系数 (升温)	0.452	0.455	0.442	0.433	0.421	0.416
摩擦系数 (降温)	0.489	0.470	0.465	0.440	0.437
							磨损量 (×10<sup>-7</sup>cm<sup>3</sup>/Nm)	0.205	0.197	0.296	0.338	0.410	0.504

实施例3：以捷达前轮刹车片为例

基本配方(以质量分数计)：腰果油改性酚醛树脂25％；丁腈橡胶6％；晶须状六钛酸钾10％；鳞片状六钛酸钾6％；蛭石8％；Kevlar纤维2％；海泡石纤维3％，氧化铝9％；滑石粉12％；二硫化鉬4％；硫酸钡10％；氢氧化钙5％。将以上的材料均匀混合，称重倒入模具中模压成型，温度为155℃；压力为14Mpa；保温时间6分钟(保温时间0.5-1分/mm)和放气2次；压制后的高度为12mm，将压制出的材料放入恒温箱中，温度160℃经过12小时的保温处理，再进行机械加工，上漆，包装，制得含钛酸钾晶须的车用复合摩擦材料。

根据国家标准(GB5763-1998)对该摩擦材料进行的摩擦磨损测试结果如表3所示。表3中100℃～350℃时的摩擦系数的值都大于0.40，其中在各温度条件下，摩擦系数的最大差值为0.051，其热衰退率等于8.8％。在350℃时的磨损率0.494X10^-7cm³/Nm。

表3：

盘温	100℃	150℃	200℃	250℃	300℃	350℃
							摩擦系数 (升温)	0.450	0.442	0.432	0.427	0.425	0.410
摩擦系数 (降温)	0.493	0.461	0.458	0.444	0.426
							磨损量 (×10<sup>-7</sup>cm<sup>3</sup>/Nm)	0.175	0.195	0.223	0.306	0.379	0.494

根据以上的实例，含钛酸钾晶须的车用复合摩擦材料普遍都具有较高的、稳定的摩擦系数，较小的热衰退性和优良的耐磨特性。由于该复合摩擦材料中既不含金属材料和石墨材料，作为制动器的摩擦原件，它还可以广泛的运用在各种由电机驱动的机动车辆(电动汽车和混合动力汽车)上，减少了电机的故障率。同时还减小了制动过程的高频噪声，提高了车辆驾驶的舒适度。

Claims (5)

1.一种含钛酸钾晶须的车用复合摩擦材料，以质量百分比计，该复合摩擦材料配方由如下物质组成：

腰果油改性酚醛树脂15-25％；

丁腈橡胶3-6％；

晶须状六钛酸钾10-20％；

鳞片状六钛酸钾3-5％

蛭石3-8％；

芳纶纤维1-2％；

海泡石纤维3-5％，

氧化铝6-12％；

滑石粉6-12％；

二硫化鉬3-5％；

硫酸钡10-20％；

氢氧化钙5-10％。

2.根据权利要求1所述的含钛酸钾晶须的车用复合摩擦材料，其特征在于所述的晶须状六钛酸钾，直径为0.5～1.0μm，长度为10～40μm。

3.根据权利要求1所述的含钛酸钾的车用复合摩擦材料，其特征在于所述的鳞片状六钛酸钾，厚度为1-5μm，长×宽为10-30μm×10-30μm。

4.权利要求1所述的含钛酸钾晶须的车用复合摩擦材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤和工艺条件：

第一步，将复合摩擦材料按其配比组成备料并混合均匀；

第二步，称重倒入模具内模压成型，温度为145-155℃；压力为10-14Mpa；保温时间为6-8分钟和放气2-3次；

第三步，起模，取出压制出的成品；

第四步，将压制出的成品放入恒温箱中，在温度150-160℃条件下经过12-24小时的后处理，制得含钛酸钾晶须的车用复合摩擦材料。

5.根据权利要求4所述的含钛酸钾晶须的车用复合摩擦材料的制备方法，其特征在于制得的含钛酸钾晶须的车用复合摩擦材料后还包括机械加工，喷漆，得到形状各异的钛酸钾复合摩擦材料。