CN101792654A - 一种陶瓷基/nao复合摩擦材料及制备方法 - Google Patents

一种陶瓷基/nao复合摩擦材料及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明是涉及一种适用在中高档轿车制动器的氧化物陶瓷基/NAO复合摩擦材料及制备方法。由芳纶纤维、钛酸钾纤维和硅镁钙氧化物陶瓷纤维组成混合纤维，硅灰石或矿物纤维和铜纤维做增强和导热纤维，酚醛树脂做有机黏合剂，纯氧化物陶瓷如Al203、ZrO2、MgO、CaO等研磨剂，固体润滑剂、硫化物、石墨焦炭等抗磨润滑材料，碳酸轻钠做发孔剂和对偶防氧化剂，硫酸钡无机填料及功能和增韧填料组成。本发明陶瓷基/NAO有机摩擦材料主要是保持了石棉摩擦材料独特的性能，突出了解决降低噪音，极低的磨损同时还有利于延长制动盘的使用寿命，是一种新型绿色(低粉尘)低噪音环保型摩擦材料。

Description

一种陶瓷基/NAO复合摩擦材料及制备方法
技术领域
本发明涉及一种新型低噪音绿色环保型复合摩擦材料，特别是涉及一种更适合应用在中高档轿车制动器的氧化物陶瓷基/NAO复合摩擦材料及制备方法。
技术背景
目前，摩擦材料有以下几类：
1.汽车摩擦材料
汽车摩擦材料主要是以一种有机或无机材料为基体(如树脂、陶瓷、金属等)，以增强纤维、晶须、合成颗粒和摩擦调节剂、减摩剂等使用现代技术复合成的一种整体结构物的复合材料，这种结构物以微观或宏观的形式构成的不同化学性质和物理特性满足不同摩擦性能的要求。汽车制动摩擦产品是汽车制动系统中的前轮和后轮制动器的重要组成部件，它的主要功能是用于汽车行驶过程中的制动减速和停止，因此是汽车零部件中的重要安全件，也属关键易损件。这一类摩擦材料始终是复合材料分支在高新技术材料科学领域、工业制动和汽车及零部件工业发展的关键基础材料之一。
2.半金属”混合物型刹车片
半金属”混合物型刹车片(Semi-met)主要是采用粗糙的钢纤维作为增强纤维和重要的混合物。从外观上(细的纤维和微粒)可以很方便地将石棉型和无石棉有机物型刹车片(NAO)区分开来，另外它们还具有一定的磁性。特别是在低温环境中高金属含量同样也就意味着刹车片会引起制动盘或制动鼓的表面较大的磨损，同时会产生更大的噪音。钢纤维具有较高的强度和导热性，这使得“半金属”混合物型刹车片同传统的石棉型刹车片有着不同的制动特性。例如：“半金属”刹车片内部金属含量较高而强度大，高金属含量同时也改变了刹车片的摩擦特性，通常是指“半金属”刹车片需要更高的制动压力来完成同样的制动效果。
半金属”混合物型刹车片(Semi-met)的主要优点在于它的温控能力及较高的制动温度，同石棉型的传热性能差与制动盘、制动鼓的冷却能力差相比它们在刹车时帮助制动盘和制动鼓将热量从其表面上散发出去，热量被传递到制动钳及其组件上。当然如果这些热量处理不当也会产生问题，刹车液受热后温度会上升如果温度达到一定水平，将导致制动萎缩和刹车液沸腾。这种热量同时对制动钳、活塞密封圈及回位弹簧也有一定的影响，会加快这些组件老化，这也是在制动维修时要重新装配制动钳及更换金属件的原因。
3.低金属摩擦材料——盘式制动片技术特性：
低金属摩擦材料是在普通半金属摩擦材料基础上改进、创新、发展起来的。这种高性能的摩擦材料体系在欧洲北美主要装备在大众、奔驰、宝马、宝来、标致雪铁龙、菲亚特、依维柯以及福特、通用、克莱斯勒等一系列中高档制动器上，配套于世界著名的Bosch、TRW、TEVES制动器公司。
国内产品技术目前基于在半金属摩擦材料和混合纤维基摩擦材料基础上，大部分进入在维修市场上。在主机市场，能够进入OE市场的都是较低档车型，一些企业也在开发用于OE高性能的摩擦材料，但都因为缺乏材料核心设计技术和一体化先进工艺，产品性能和质量不能满足主机的要求，主要差距是在高速衰退、高温衰退、安全稳定性、噪音和振动、粘附性和锈蚀和寿命等方面与先进国家和外企的产品差异很大，特别在产品质量稳定性和一致性差异更大。使得国内自主品牌的中高档制动器在产品性能和质量上难以提高水平，在汽车零部件工业供应链趋于全球化采购的趋势中缺乏竞争力。
少金属摩擦材料与半金属摩擦材料比较，改进了半金属刹车材料存在的生锈，刮伤对偶，优化了冷态初始制动力低，低频噪音和振动和高热传导对制动液的影响等不足.它的突出特性具有优异地抗衰退能力.
4.NAO及NAO陶瓷基摩擦材料的技术特征：
陶瓷基/NAO有机摩擦材料主要是作为石棉的替代品而研制产生的，其结构使用以芳香族芳纶纤维或其它有机纤维、矿物纤维、玻璃纤维、(碳、陶瓷纤维等)复合纤维来作为增强材料，以有机粘结剂为基体，保持了石棉摩擦材料独特的性能，突出了解决降低噪音，减少粉尘污染，延长使用寿命独特的优异性能。
符合欧洲标准规范和R90规范。这些规范中包括摩擦性能、抗疲劳能力、温度及压力和速度下敏感性、抗磨损能力以及噪音等。这些新材料的定型都经过了整车效能试验和道路试验.全部优异的制动性能，特别是高速制动和紧急制动条件下，能够保持足够的制动距离.稳定性和安全性。如今的NAO刹车片比石棉刹车片的使用寿命明显延长，同时还有利于延长制动鼓与制动盘的使用寿命。陶瓷基/NAO材料更适合应用在中高档轿车制动器。
发明内容
陶瓷基/NAO摩擦材料产品配方研制要点：
陶瓷基/NAO摩擦材料配方是由芳纶纤维、无铝的硅氧陶瓷纤维、钛酸钾纤维、铜和氧化物陶瓷组份优化组成的氧化物陶瓷基/NAO摩擦材料混合物。组成的品质能给摩擦材料例如盘式刹车片一个优良的摩擦性能：稳定的热性能、对偶摩擦系数、良好的制动惯量、极低的磨耗和对偶磨损等。
氧化物陶瓷基/NAO摩擦材料是超出现有摩擦材料结构和性能的新型摩擦材料，其结构在采用复合纤维体系中主要以无铝的硅氧陶瓷纤维增强和采用人工合成的高纯度陶瓷材料、功能陶瓷材料及无机化合物为原料，在严格控制的条件下经模压固化成型，它具有一系列良好的物理、化学性能和摩擦性能。
本发明陶瓷基/NAO摩擦材料技术创新点是其不同之处在于由下列重量份的组分组成：
由芳纶纤维0.5-2.5份、钛酸钾纤维5-15份和硅镁钙氧化物陶瓷纤维3-8份组成混合纤维，硅灰石纤维或矿物纤维2-6份和铜纤维8-15份做增强和导热纤维，酚醛树脂4-9份做有机黏合剂，纯氧化物陶瓷如Al2O3、ZrO2、MgO、CaO等5-20份做研磨剂，固体润滑剂、硫化物、石墨焦炭等8-18份抗磨润滑材料，微碱性的碳酸轻钠0.8-1.5份做均匀发孔剂和对偶防氧化剂，硫酸钡18-28份无机填料及10-30份功能和增韧填料组成100份。
摩擦组分和制造方法
摩擦材料组分范围：
                                Weight    Weight        Weight
Raw Material       原材料       Percent   Percent       Percent
                                重量比％  优化重量比％  更优化重量比％
                                骨架材料
Phenolic Resin     酚醛树脂     4-11      4-9           5.4-8
Kevlar             芳伦纤维     0.5-8     0.5-5         0.5-2.5
Ceramic Fiber      硅氧陶瓷纤维 2-15      2-10          3-8
Potassium Titanate 钛酸钾纤维   3-25      5-24          5-18
Zirconia           氧化锆       5-20      5-16          8-16
Copper             铜           3-20      5-18          8-15
Barium Sulfate     硫酸钡       3-30      15-30         15-25
上述混合物为骨架材料
                             辅助材料
Wollastonite           硅灰石纤维  0-15   0-15     2-8
Mineral Fiber          矿物纤维    1-15   2-12     2-6
可选上述增强纤维材料
Antimony Trisulfid     硫化锑      2-10   2-10     2-6
Antimony M             硫化钼      2-10   2-10     2-6
          固体润滑剂               1-10   2-10     2-6
Syn Graphite           合成石墨    2.5-15 5-15     5-8
Graphite               天然石墨    1-8    1-6      1.5-6
Coke                   焦炭        2-20   2-16     2.5-13.5
可选上述一种或几种抗磨材料
Vermiculite            蛭石        1-15   2-12     2.5-8
Mica                   云母        2-15   2-15     2-15
Zircon                 硅酸锆      3-10   3-10     5-8
Aluminum Oxide         氧化铝      0.5-5  0.9-5    0.9-4
Magnesium Oxide        氧化镁      2-10   2-10     2-8
Calcium Oxide          氧化钙      1-10   1-10     1-2
Ca6Si6017(OH)2         水合硅酸钙  0.5-9  0.5-9    1-2
Calcium carbonate      碳酸钙      0.5-8  0.5-8    0.5-8
Sodium carbonate light 碳酸轻钠    0.5-3  0.5-1.5  0.6-1
可选上述一种或几种功能填材料
Cashew Particles       腰果油摩擦粉2-10   2-8      2-5
Rubber                 橡胶        0.5-8  0.5-5    0.5-3
可选上述一种或几种增韧填料
制备方法：
取上述几种或几十种混合物，经搅拌混合，配制成配方料；
取合适重量的混制料加入150℃左右的模腔，在适合的压力下经模压多次排气，保压0-8分钟，一次性热压固化成型在钢背上的盘式刹车片；
经180-260℃高温固化制成产品。
具体实施方式
EXAMPLE实例：
典型的配方实例：
   Raw Material            原材料     实例1  实例2  实例3
1  Phenolic Resin          酚醛树脂   4      6      8
2  Kevlar                  芳伦纤维   3      2.5    0.5
3  Ceramic Fiber           陶瓷纤维   4      7      10
4  Potassium Titanate      钛酸钾纤维 12     8      5
5  Zirconia                氧化锆     15.8   11     5
6  Copper                  铜或铜纤维 15.2   8      16
7  Sodium carbonate light  碳酸轻钠   0.8    0.8    0.8
8  Barium Sulfate          硫酸钡     21     28     16
9  增强纤维                           5      0      9
10 抗磨材料                           11     12     16.2
11 功能填材料                         9.5    14.2   10.5
12 增韧填料                           3.5    5      2.6
13 Balance                 余量       0.2    0.5    0.4
   ∑                                 100    100    100
按国标GB5763-98试验测试结果：
实例1：
Figure G2009100633338D00061
Figure G2009100633338D00071
实例2：
Figure G2009100633338D00072
实例3：
Figure G2009100633338D00073
从上表可见材料在300-350℃高温阶段磨损上升不大，而通常摩擦材料在300-350℃高温阶段磨损急剧上升。
举例实例2的KRAUSS检测报告：详见说明书附图1
从附图1可见材料在400℃以上摩擦系数上升，表现出色的耐热稳定性能贯彻始终，波动极小，恢复性能极佳；而通常摩擦材料在350℃时摩擦系数是下降的。
本发明特点是该陶瓷基/NAO摩擦材料具备了稳定的摩擦副对偶摩擦系数、出色的耐热稳定性能，良好的制动惯量和较高的压缩比、极低的磨损(可做总重量损失低于0.38-0.85g，通常轿车主机装车配套要求总重量损失低于3-5g；磨损率低于0.12×10-7cm3/Nm)和低噪音，是一种新型绿色低噪音环保型摩擦材料。
陶瓷基/NAO摩擦材料生产的产品具有以下特性：
1、摩擦副优化的摩擦值、降低磨损和良好的耐热稳定性能；
2、保持了石棉摩擦材料独特的性能，突出了解决降低噪音，减少粉尘污染，延长使用寿命独特的优异性能。
3、优异的制动性能，特别是高速制动和紧急制动条件下，能够保持足够的制动距离、稳定性和安全性。
4、刹车片的使用寿命明显延长，同时还有利于延长制动鼓与制动盘的使用寿命。

Claims (3)

1.一种陶瓷基/NAO复合摩擦材料是由骨架材料和辅助材料组成，其特征在于骨架材料由芳纶纤维、无铝的硅氧陶瓷纤维、钛酸钾纤维、铜和氧化物陶瓷组成的氧化物陶瓷基/NAO摩擦材料混合而成，辅助材料由增强纤维材料、固体润滑剂、抗磨材料、功能填料和增韧填料混合而成。
2.根据权利要求1所述的一种陶瓷基/NAO摩擦材料，其特征在于摩擦材料的各原材料重量组分范围：
                                      Weight Percent
Raw Material        原材料
                                      重量比％
                             骨架材料
Phenolic Resin      酚醛树脂          4-11
Kevlar              芳伦纤维          0.5-8
Ceramic Fiber       硅氧陶瓷纤维      2-15
Potassium Titanate  钛酸钾纤维        3-25
Zirconia            氧化锆            5-20
Copper              铜                3-20
Barium Sulfate      硫酸钡            3-30
上述混合物为骨架材料
                            辅助材料
Wollastonite        硅灰石纤维        0-15
Mineral Fiber       矿物纤维          1-15
可选上述增强纤维材料
Antimony Trisulfid  硫化锑            2-10
Antimony M          硫化钼            2-10
固体润滑剂                            1-10
Syn Graphite        合成石墨          2.5-15
Graphite            天然石墨          1-8
Coke                焦炭              2-20
可选上述一种或几种抗磨材料
Vermiculite         蛭石              1-15
Mica                云母              2-15
Zircon                  硅酸锆          3-10
Aluminum Oxide          氧化铝          0.5-5
Magnesium Oxide         氧化镁          2-10
Calcium Oxide           氧化钙          1-10
Ca6Si6017(OH)2          水合硅酸钙      0.5-9
Calcium carbonate       碳酸钙          0.5-8
Sodium carbonate light  碳酸轻钠        0.5-3
可选上述一种或几种功能填料
Cashew Particles        腰果油摩擦粉    2-10
Rubber                  橡胶            0.5-8
可选上述一种或几种增韧填料
3.一种陶瓷基/NAO复合摩擦材料制备方法：首先取芳纶纤维0.5-2.5份、钛酸钾纤维5-18份和硅镁钙氧化物陶瓷纤维3-8份组成混合纤维，硅灰石纤维或矿物纤维2-6份和铜纤维8-15份做增强和导热纤维，酚醛树脂4-9份做有机黏合剂，纯氧化物陶瓷如Al2O3、ZrO2、MgO、CaO等5-20份做研磨剂，固体润滑剂、硫化物、石墨焦炭等8-18份抗磨润滑材料，微碱性的碳酸轻钠0.8-1.5份做均匀发孔剂和对偶防氧化剂，硫酸钡18-28份无机填料及10-30份功能和增韧填料按重量比组成100份，经搅拌混合，配制成配方料；取适量的配方料加入150℃左右的模腔，在适合的压力下经模压多次排气，保压0-8分钟，一次性热压固化成型在钢背上的盘式刹车片，经180-260℃高温固化而成。
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