CN103194173B - 仿生制动摩擦材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

仿生制动摩擦材料及其制备方法属制动摩擦材料技术领域，本发明的制动摩擦材料各组分含量为：碳纤维束3-20%，基体材料80-97%；其中基体材料各组分含量为：Cu5%-70%、Sn0.5-21%、酚醛树脂0-60%、鳞片状石墨3-15%、Fe0-5%、Ni0-5%、Cr0-5%、Mo0-5%；依据竹纤维的螺旋结构，设计了用于摩擦材料增强的碳纤维束、多级扭转缠绕及结构固化工艺，以实现碳纤维束的仿竹纤维结构；还设计了仿竹纤维结构的碳纤维束在制动摩擦材料中的排列方式、带有导向槽的压制模具和逐层填装原料的方法，以实现碳纤维束在制动摩擦材料中的仿竹纤维排列方式；采用粉末冶金方法设计实现仿生制动摩擦材料的制备。本发明为高速列车、重载列车和重载汽车等交通工具提供了一种可靠、耐磨的制动摩擦材料。

Description

仿生制动摩擦材料及其制备方法

技术领域

本发明属制动摩擦材料技术领域，具体涉及一种用于制造高速列车及重载高速汽车制动用仿生制动摩擦材料及其制备方法。

背景技术

制动摩擦部件是保证高速列车、重载列车、重载汽车等交通工具行驶安全的关键部件，因此，制动摩擦部件对材料性能提出了苛刻的要求，首先，制动摩擦材料应具备稳定优异的摩擦磨损性能，在各种环境条件下能够表现出稳定的摩擦系数，在许可条件下实现尽可能低的磨损量；此外，制动摩擦材料应能够禁受高速或重载条件下制动过程所产生的高温和冲击对于磨损表面的破坏，以保证制动的可靠性。

目前，通过材料改性和工艺优化方法制备高性能制动摩擦材料方面，国内外均有相关专利报导，如：

1、中国专利，公告号为1149273，公告日为2004.05.12，专利号为01115331.8，发明名称为“含钢纤维的金属陶瓷摩擦材料及制造方法”的发明创造描述了一种摩擦材料及其制造方法；

2、中国专利公开号为CNI032195，公开日为1989.04.05，专利号为87106352.2，发明名称为“一种摩擦片及其制造方法”的发明创造描述了一种摩擦片及其制造方法；

3、中国专利，公开号为CN1257903，公开日为2000.06.28，专利号为99122593.7，发明名称为“一种制动用粉末冶金摩擦材料”的发明创造描述了一种制动用粉末冶金摩擦材料；

4、中国专利公告号为1272454，公告日为2006.8.30，专利号为03126347.X，发明名称为“一种铜基粉末冶金摩擦材料”的发明创造描述了一种摩擦材料及其制造方法；

5、中国专利公告号为100467659，公告日为2007.07.11，专利号为200610134187.X，发明名称为“一种铜基粒子强化摩擦材料”的发明创造描述了一种铜基粒子强化摩擦材料；

6、中国专利专利号200910067243，公告日为2009.12.16，发明名称为“金属基粉末冶金制动闸片材料及制备方法”的发明创造描述了一种金属基粉末冶金制动闸片材料及制备方法；

7、中国专利专利号200710157159，公告日为2008.5.14，发明名称为“湿式碳-碳摩擦材料和摩擦元件及制造方法”的发明创造描述了一种湿式碳－碳摩擦材料和摩擦元件及制造方法；

8、中国专利专利号200910158829，公告日为2010.1.20，发明名称为“由碳/碳复合材料制造摩擦部件的方法”的发明创造描述了一种由碳／碳复合材料制造摩擦部件的方法；

9、中国专利专利号201010529316，公告日为2010.10.11，发明名称为“制造碳/碳复合材料刹车盘环形预制体及其编织工艺方法”的发明创造描述了一种飞机上用制造碳/碳复合材料刹车盘环形预制体及其编织工艺方法；

随着高速重载交通工具的快速发展，对于制动摩擦材料的性能要求越来越高，单纯从材料成分及工艺方法入手提高制动摩擦材料性能越来越难以满足实际应用的需要，因此需要通过综合优化材料成分、结构和工艺的方法，进一步提高制动摩擦材料的性能。采用仿生方法所设计制备的制动摩擦材料表现出良好的摩擦系数稳定性和耐磨性，目前仿生制动摩擦材料已经见诸专利报道，如：

1、中国专利专利号200410011355，公告日为2005.7.27，发明名称为“具有仿生非光滑表面的制动鼓”的发明创造描述了一种用于车辆上的具有高摩擦系数、耐磨、抗热疲劳，具有仿生非光滑表面的制动鼓；

可见采用仿生设计方法综合优化制动摩擦材料的成分、结构和工艺能够取得良好的效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于制造高速列车及重载高速汽车制动的仿生制动摩擦材料,以及仿生制动摩擦材料的制备方法。

本发明提供的：

一、仿生制动摩擦材料

仿生制动摩擦材料按重量百分比各组分含量为：仿竹纤维结构的碳纤维束3-20%，基体材料80-97%；其中基体材料按重量百分比各组分含量为：Cu5-70%、Sn0.5-21%、酚醛树脂0-60%、鳞片状石墨3-15%、Fe0-5%、Ni0-5%、Cr0-5%、Mo0-5%；其中Cu和Sn是以Cu-Sn预合金粉的形式添加的，Cu-Sn预合金粉由按重量百分比70-95%Cu和5-30%Sn组成。

仿竹纤维在仿生制动摩擦材料中，在垂直于磨损表面的方向上按菱形结构排列，菱形排列中小夹角角度为α，且15°<α<75°，相邻碳纤维束间距离为L，且3mm<L<25mm，菱形排列中长的对角线与制动摩擦力方向相同，垂直于制动摩擦力方向上排列的相邻碳纤维束,具有相反的扭转方向。

本发明所述的一种仿生制动摩擦材料，其中Cu、Sn以及酚醛树脂为摩擦材料提供良好的机械性能、热传导性能和耐热性能；仿竹纤维结构的碳纤维束及其排列方式为摩擦材料提供良好的耐剪切性能，保证摩擦材料在制动过程中的可靠性；鳞片状石墨、Fe、Ni、Cr、Mo用于调整制动摩擦材料摩擦性能，保证摩擦材料制动过程的稳定性。

二、仿生制动摩擦材料的制备方法，包括下列步骤：

2.1制备仿生制动摩擦材料中的碳纤维束，包括下列步骤：

2.1.1将直径为6-10μm的碳纤维按顺时针方向进行扭转，经扭转后的碳纤维螺旋升角为7-45°；

2.1.2将5-15根由步骤2.1.1所得的碳纤维，按逆时针方向相互缠绕形成第一级碳纤维束，第一级碳纤维束具有10-30°的螺旋升角；

2.1.3将5-15束第一级碳纤维束,按顺时针方向相互缠绕形成第二级碳纤维束，第二级碳纤维束具有5-15°的螺旋升角；

2.1.4将3-7束第二级碳纤维束,按逆时针方向相互缠绕形成第三级碳纤维束，第三级碳纤维束具有3-10°的螺旋升角，第三级碳纤维束直径为0.3-3mm；

2.1.5采用树脂喷淋-加热固化或浸入熔融Sn液-风冷固化的方法，在加载20-200MPa的张力条件下,对第三级碳纤维束进行结构固化，再将其剪切至10-100mm长；

2.2仿竹纤维在仿生制动摩擦材料中，在垂直于磨损表面的方向上按菱形结构排列，菱形排列中小夹角角度为α，且15°<α<75°，相邻碳纤维束中心间距离为H，且1mm<H<25mm，菱形排列中长的对角线与制动摩擦力方向相同，垂直于制动摩擦力方向上排列的相邻碳纤维束,具有相反的扭转方向；

2.3将仿生制动摩擦材料中的基体材料进行混合；

2.4原料填装，包括下列步骤：

2.4.1压制仿生制动摩擦材料所需的模具具有与压制方向平行的导向槽，导向槽用于固定第三级碳纤维束在仿生制动摩擦材料中的纵向位置，导向槽宽度0.35-3.1mm，且大于第三级碳纤维束的直径；

2.4.2将厚度为5-65mm的经混合的基体材料均匀地填装在模具最底层；

2.4.3将按步骤2.1所制备的碳纤维束排放置于压制模具的导向槽中，并使所放置的碳纤维束水平置于之前所填装的基体材料上；

2.4.4将厚度为2-35mm的经混合的基体材料均匀地填装在之前填装的碳纤维束上；

2.4.5将与之前填装的碳纤维束具有相反旋向的碳纤维束放置于压制模具的导向槽中，并使所放置的碳纤维束水平置于之前所填装的基体材料上；

2.4.6重复步骤2.5.1至2.5.4，进行基体材料和碳纤维束的填装，直至填满压制模具；

2.5热压-烧结处理，包括下列步骤：

2.5.1对步骤2.4.6填装完毕的原料基体材料和碳纤维束进行冷压处理，冷压压强200-800MPa，保压时间0.5-10分钟；

2.5.2完成冷压后，将压制压力降低到50-200MPa，在保持压力的同时对材料加热，加热温度180-850摄氏度，加热时间3分钟-2小时；

2.5.3烧结：将经过热压处理的制动部件取出后冷却后，在真空条件下加热至150-600摄氏度，保温1小时-3小时。

本发明为高速列车、重载列车和重载汽车等交通工具提供了一种可靠、耐磨的制动摩擦材料。

附图说明

图1为仿竹纤维结构的碳纤维束在摩擦材料中排列方式示意图

图2为采用树脂喷淋-加热固化方法制备仿竹结构碳纤维束的工艺流程简图

图3为采用浸入熔融Sn液-风冷固化方法制备仿竹结构碳纤维束的工艺流程简图

图4为实施例1-4中所述制动闸片部件样品结构示意图

其中:α为菱形排列中较小夹角，15°<α<75°；H为相邻碳纤维束中心间距离，1mm<H<25mm；L为制动摩擦力的方向；1为第一级扭转机构，2为第二级扭转机构，3为碳纤维束，4为第三级扭转机构，5为树脂喷淋机构，6为加热机构，7为加载辊，8为切断机构，9为熔融状态的Sn液，10为风冷机构。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

本发明所述的仿生制动摩擦材料及其制备方法，其中的制动摩擦材料中有仿竹纤维结构的碳纤维束，制动摩擦材料中的碳纤维束在制动摩擦材料中的排列方式与竹纤维在竹中的菱形排列方式相同，制动摩擦材料由粉末冶金方法制备。

本发明所述的仿生制动摩擦材料由仿竹纤维结构的碳纤维束和基体材料组成，按重量百分比含量为仿竹纤维结构的碳纤维束3-20%，基体材料80-97%，仿竹纤维结构的碳纤维束及其排列方式可为摩擦材料提供良好的耐剪切性能，并保证摩擦材料在制动过程中的可靠性；基体材料按重量百分比各组分含量为：Cu5-70%、Sn0.5-21%、酚醛树脂0-60%、鳞片状石墨3-15%、Fe0-5%、Ni0-5%、Cr0-5%、Mo0-5%；其中Cu和Sn是以Cu-Sn预合金粉的形式添加的，Cu-Sn预合金粉由按重量百分比70-95%Cu和5-30%Sn组成，其中Cu、Sn以及酚醛树脂为摩擦材料提供良好的机械性能、热传导性能和耐热性能，鳞片状石墨、Fe、Ni、Cr、Mo用于调整制动摩擦材料摩擦性能，可保证摩擦材料制动过程的稳定性。

本发明所述的仿生制动摩擦材料中仿竹纤维结构的碳纤维束在摩擦材料中沿垂直于摩擦面的方向，按照竹纤维在竹中的菱形排列方式呈菱形排列，如图1所示，其中α为菱形排列中较小夹角，15°<α<75°，H为相邻碳纤维束中心间距离，1mm<H<25mm，L为制动摩擦力的方向，垂直于制动摩擦力方向上排列的相邻碳纤维束,具有相反的扭转方向。碳纤维沿垂直于摩擦面的方向，按照竹纤维在竹中的菱形排列方式呈菱形排列可利用碳纤维良好的机械性能提高制动摩擦材料的抗剪切性能，提高制动摩擦材料在高速、重载条件下服役的可靠性；使在垂直于制动摩擦力方向上排列的相邻碳纤维束具有相反的扭转方向，可以降低制动摩擦表面由于材料性质差异所导致的应力，提高制动摩擦材料的使用寿命。

本发明所述的仿生制动摩擦材料的仿竹纤维结构的碳纤维束由25-150根直径为6μm-10μm的碳纤维经三次扭转缠绕，结构固化和剪切制备的，制备仿竹纤维结构的碳纤维束工艺流程如下：

将直径为6-10μm的碳纤维按顺时针方向进行扭转，经扭转后的碳纤维螺旋升角为7-45°；将5-15根由上述所得的碳纤维，按逆时针方向相互缠绕形成第一级碳纤维束，第一级碳纤维束具有10-30°的螺旋升角；将5-15束第一级碳纤维束,按顺时针方向相互缠绕形成第二级碳纤维束，第二级碳纤维束具有5-15°的螺旋升角；将3-7束第二级碳纤维束,按逆时针方向相互缠绕形成第三级碳纤维束，第三级碳纤维束具有3-10°的螺旋升角，第三级碳纤维束直径为0.3-3mm；采用树脂喷淋-加热固化或浸入熔融Sn液-风冷固化的方法，在加载20-200MPa的张力条件下,对第三级碳纤维束进行结构固化，再将其剪切至10-100mm长。

图2为采用树脂喷淋-加热固化方法制备仿竹结构碳纤维束的工艺流程简图；图3为采用浸入熔融Sn液-风冷固化方法制备仿竹结构碳纤维束的工艺流程简图；采用三次扭转缠绕方法制备的仿竹纤维结构碳纤维束具有良好的强度，而采用树脂喷淋-加热固化或浸入熔融Sn液-风冷固化方法固化的仿竹纤维结构碳纤维束在烧结过程中，树脂或Sn可以与基体材料形成良好的界面结合，提高仿竹纤维结构碳纤维束与基体材料之间的结合强度，改善制动摩擦材料的机械强度，疲劳性能，提高制动摩擦材料的可靠性和使用寿命。

本发明所述的仿生制动摩擦材料的制备方法由制备碳纤维束、混合基体材料、原料填装、热压-烧结处理步骤组成，具体制备方法如下：

1.制备碳纤维束，包括下列步骤：

1.1将直径为6-10μm的碳纤维按顺时针方向进行扭转，经扭转后的碳纤维螺旋升角为7-45°；

1.2将5-15根由步骤1.1所得的碳纤维，按逆时针方向相互缠绕形成第一级碳纤维束，第一级碳纤维束具有10-30°的螺旋升角；

1.3将5-15束第一级碳纤维束,按顺时针方向相互缠绕形成第二级碳纤维束，第二级碳纤维束具有5-15°的螺旋升角；

1.4将3-7束第二级碳纤维束,按逆时针方向相互缠绕形成第三级碳纤维束，第三级碳纤维束具有3-10°的螺旋升角，第三级碳纤维束直径为0.3-3mm；

1.5采用树脂喷淋-加热固化或浸入熔融Sn液-风冷固化的方法，在加载20-200MPa的张力条件下,对第三级碳纤维束进行结构固化，再将其剪切至10-100mm长；

2.对基体材料进行混合；

3.原料填装，包括下列步骤：

3.1压制仿生制动摩擦材料所需的模具具有与压制方向平行的导向槽，导向槽用于固定第三级碳纤维束在仿生制动摩擦材料中的纵向位置，导向槽宽度0.35-3.1mm，且大于第三级碳纤维束的直径；

3.2将厚度为5-65mm的经混合的基体材料均匀地填装在模具最底层；

3.3将按权利要求2的步骤2.1所制备的碳纤维束排放置于压制模具的导向槽中，并使所放置的碳纤维束水平置于之前所填装的基体材料上；

3.4将厚度为2-35mm的经混合的基体材料均匀地填装在之前填装的碳纤维束上；

3.5将与之前填装的碳纤维束具有相反旋向的碳纤维束放置于压制模具的导向槽中，并使所放置的碳纤维束水平置于之前所填装的基体材料上；

3.6重复3.1至3.5步骤进行基体材料和碳纤维束的填装，直至填满压制模具；

4.热压-烧结处理，包括下列步骤：

4.1对步骤3.6填装完毕的原料基体材料和碳纤维束进行冷压处理，冷压压强200-800MPa，保压时间0.5-10分钟；

4.2完成冷压后，将压制压力降低到50-200MPa，在保持压力的同时对材料加热，加热温度180-850摄氏度，加热时间3分钟-2小时；

4.3烧结：将经过热压处理的制动部件取出后冷却后，在真空条件下加热至150-600摄氏度，保温1小时-3小时。

采用上述工艺步骤可以制备由上述成分所组成的仿生制动摩擦材料，通过控制成分和生产工艺，能够实现对仿生制动摩擦材料性能的调整，满足不同服役条件下的性能要求。

以下结合具体实施例介绍本发明所述的一种仿生制动摩擦材料及其制备方法

实施例1

1.所述的仿生制动摩擦材料由按重量百分比各组分含量为基体材料：89%，仿竹纤维结构的碳纤维束：11%组成。其中基体材料按重量百分比各组分含量为Cu：70%、Sn：7%、酚醛树脂粉末：0%、鳞片石墨：10%、Fe：5%、Ni：3%、Cr：3%、Mo：2%组成，其中Cu和Sn是以Cu-Sn预合金粉的形式添加的，上述Cu-Sn预合金粉由按重量百分比计算的90%的Cu和10%的Sn组成，因此本发明所述的仿生制动摩擦材料基体材料配比按重量百分比各组分含量为：Cu-Sn预合金粉：77%、酚醛树脂粉末：0%、鳞片石墨：10%、Fe：5%、Ni：3%、Cr：3%、Mo：2%组成。

2.所述的仿生制动摩擦材料中的仿竹纤维结构的碳纤维束，由75根直径为6μm的碳纤维经3级扭转缠绕形成，由3根碳纤维束沿顺时针方向扭转缠绕成为第一级碳纤维束，第一级碳纤维束中每根碳纤维螺旋升角为45°；之后将上述5束第一级碳纤维束沿逆时针方向扭转缠绕成为第二级碳纤维束，第二级碳纤维束中第一级纤维束的螺旋升角为30°；再将上述5束第二级碳纤维束沿顺时针方向扭转缠绕成为第三级碳纤维束，第三级碳纤维束中第二级纤维束的螺旋升角为15°；将完成扭转缠绕的碳纤维束在60MP张力下浸入熔融Sn液中，将碳纤维束拉出Sn液后风冷冷却，成为仿竹纤维结构的碳纤维束，再将碳纤维束剪切成为长35mm的碳纤维束。碳纤维束平均直径为0.8mm，仿竹纤维结构的碳纤维束由按重量百分比各组分含量为碳纤维：85%、Sn：15%组成。

3.所述的制备仿生制动摩擦材料所采用的压制模具有41条与压制方向平行的方向上均匀分布的宽度为0.85mm的导向槽。

4.所述的仿生制动摩擦材料采用压制-烧结方法制备，制备工序如下：

（1）填装原料：在具有导向槽的压制模具中逐层填装基体材料混合粉末和仿竹纤维结构的碳纤维束，首先在模具中填装厚度为25mm的基体材料混合粉末，再将1根上述仿竹纤维结构的碳纤维束放置于中心导向槽，即从一侧计算第21条导向槽内并置于基体材料混合粉末上方，再填装厚度为20mm的基体材料混合粉末，再将2根与之前放置碳纤维束具有相反旋向的碳纤维束放置于中心导向槽两侧导向槽即从一侧计算第20和第22条导向槽内并置于基体材料混合粉末上方，之后再填装厚度为25mm的基体材料混合粉末，再将3根与之前放置碳纤维束具有相反旋向的碳纤维束放置于从一侧计算第19、21和23条导向槽内，并置于基体材料混合粉末上方，交替重复上述步骤，完成填装原料步骤，共计需填装22层基体材料混合粉末，231根仿竹纤维结构的碳纤维束；

（2）热压-烧结：填装原料完成后，进行热压，具体步骤如下，在800MPa压强，750摄氏度条件下保压2分钟，之后制动摩擦材料脱模后在真空条件下进行烧结，烧结温度650摄氏度，烧结时间2小时，随炉冷却至室温，取出；

（3）后处理：将烧结后的制动摩擦材料进行后处理，首先去除余量部分及毛刺等，之后以制动部件中心为圆心加工直径为50mm，深度为6mm的沉孔，并在距部件中心30mm的圆周上加工出直径为12mm的通孔，用于采用高强螺栓将制动摩擦部件固定于制动系统上，按上述工艺方法制备的制动闸片部件样品结构如图4所示。

按上述实施例工艺方法所生产的制动摩擦材料的摩擦系数范围为0.343～0.361，磨损量范围0.02～0.08cm3/MJ。

实施例2

1.所述的仿生制动摩擦材料与实施例1所述的相同。

2.所述的仿生制动摩擦材料中的仿竹纤维结构的碳纤维束结构、制备工艺及成分与实施例1所述的相同。

3.所述制备仿生制动摩擦材料所采用的压制模具与实施例1所述的相同。

4.所述的仿生制动摩擦材料采用压制-烧结方法制备，制备工序如下：

（1）填装原料：原料填装步骤与实施例1所述的相同；

（2）热压：填装原料完成后，进行热压，具体步骤如下，在600MPa压强，650摄氏度条件下保压30分钟，之后脱模取出；

（3）后处理：后处理步骤与实施例1所述的相同。

按上述实施例工艺方法所生产的制动摩擦材料的摩擦系数范围为0.376～0.392，磨损量范围0.017～0.04cm3/MJ。

实施例3

1.所述的仿生制动摩擦材料由按重量百分比各组分含量为基体材料：91%，仿竹纤维结构的碳纤维束：9%组成。其中基体材料按重量百分比各组分含量为Cu：5%、Sn：0.5%、酚醛树脂粉末：81%、鳞片石墨：10%、Fe：1.5%、Ni：0.5%、Cr：0.5%、Mo：1%组成，其中Cu和Sn是以Cu-Sn预合金粉的形式添加的，上述Cu-Sn预合金粉由按重量百分比计算的90%的Cu和10%的Sn组成，因此本发明所述的仿生制动摩擦材料基体材料配比按重量百分比各组分含量为：Cu-Sn预合金粉：5.5%、酚醛树脂粉末：81%、鳞片石墨：10%、Fe：1.5%、Ni：0.5%、Cr：0.5%、Mo：1%组成。

2.所述的仿生制动摩擦材料中的仿竹纤维结构的碳纤维束，由75根直径为6μm的碳纤维经3级扭转缠绕形成，由3根碳纤维束沿顺时针方向扭转缠绕成为第一级碳纤维束，第一级碳纤维束中每根碳纤维螺旋升角为45°；之后将上述5束第一级碳纤维束沿逆时针方向扭转缠绕成为第二级碳纤维束，第二级碳纤维束中第一级纤维束的螺旋升角为30°；再将上述5束第二级碳纤维束沿顺时针方向扭转缠绕成为第三级碳纤维束，第三级碳纤维束中第二级纤维束的螺旋升角为15°；在完成扭转缠绕的碳纤维束上加载60MP的张力，并向碳纤维束上喷淋液化酚醛树脂，之后在将碳纤维束加热至180摄氏度并保温5分钟，使结构固化，成为仿竹纤维结构的碳纤维束，再将碳纤维束剪切成为长35mm的碳纤维束。碳纤维束平均直径为1.0mm，仿竹纤维结构的碳纤维束由按重量百分比各组分含量为碳纤维：89%、酚醛树脂：9%组成。

3.所述制备仿生制动摩擦材料所采用的压制模具与实施例1所述的相同。

4.所述的仿生制动摩擦材料采用压制-烧结方法制备，制备工序如下：

（1）填装原料：填装原料：原料填装步骤与实施例1所述的相同；

（2）热压-烧结：填装原料完成后，进行热压，具体步骤如下，在150MPa压强，230摄氏度条件下保压1分钟的，之后制动摩擦材料脱模后在真空条件下进行烧结，烧结温度280摄氏度，烧结时间30分钟，随炉冷却至室温，取出；

（3）后处理步骤与实施例1所述的相同。

按上述实施例工艺方法所生产的制动摩擦材料的摩擦系数范围为0.315～0.328，磨损量范围0.08～0.14cm3/MJ。

实施例4

1.所述仿生制动摩擦材料的成分与实施例3所述的相同。

2.所述的仿生制动摩擦材料中的仿竹纤维结构的碳纤维束结构、制备工艺及成分与实施例3所述的相同。

3.所述制备仿生制动摩擦材料所采用的压制模具与实施例1所述的相同。

4.所述的仿生制动摩擦材料采用压制-烧结方法制备，制备工序如下：

（1）填装原料：原料填装步骤与实施例1所述的相同；

（2）热压：填装原料完成后，进行热压，具体步骤如下：在180MPa压强，260摄氏度条件下保压25分钟，之后制动摩擦材料脱模取出；

（3）后处理步骤与实施例1所述的相同。

按上述实施例工艺方法所生产的制动摩擦材料的摩擦系数范围为0.337～0.362，磨损量范围0.06～0.09cm3/MJ。

Claims (1)

1.一种仿生制动摩擦材料，其特征在于仿生制动摩擦材料按重量百分比各组分含量为：仿竹纤维结构的碳纤维束3-20%，基体材料80-97%；其中基体材料按重量百分比各组分含量为：Cu5-70%、Sn0.5-21%、酚醛树脂0-60%、鳞片状石墨3-15%、Fe0-5%、Ni0-5%、Cr0-5%、Mo0-5%；其中Cu和Sn是以Cu-Sn预合金粉的形式添加的，Cu-Sn预合金粉由按重量百分比70-95%Cu和5-30%Sn组成；

所述仿生制动摩擦材料的制备包括下列步骤：

1.1制备仿生制动摩擦材料中所述的碳纤维束，包括下列步骤：

1.1.1将直径为6-10μm的碳纤维按顺时针方向进行扭转，经扭转后的碳纤维螺旋升角为7-45°；

1.1.2将5-15根由步骤1.1.1所得的碳纤维，按逆时针方向相互缠绕形成第一级碳纤维束，第一级碳纤维束具有10-30°的螺旋升角；

1.1.3将5-15束第一级碳纤维束,按顺时针方向相互缠绕形成第二级碳纤维束，第二级碳纤维束具有5-15°的螺旋升角；

1.1.4将3-7束第二级碳纤维束,按逆时针方向相互缠绕形成第三级碳纤维束，第三级碳纤维束具有3-10°的螺旋升角，第三级碳纤维束直径为0.3-3mm；

1.1.5采用树脂喷淋-加热固化或浸入熔融Sn液-风冷固化的方法，在加载20-200MPa的张力条件下,对第三级碳纤维束进行结构固化，再将其剪切至10-100mm长；

1.2仿竹纤维在仿生制动摩擦材料中，在垂直于磨损表面的方向上按菱形结构排列，菱形排列中小夹角角度为α，且15°<α<75°，相邻碳纤维束中心间距离为H，且1mm<H<25mm，菱形排列中长的对角线与制动摩擦力方向相同，垂直于制动摩擦力方向上排列的相邻碳纤维束,具有相反的扭转方向；

1.3将所述仿生制动摩擦材料组分中的基体材料进行混合；

1.4原料填装，包括下列步骤：

1.4.1压制仿生制动摩擦材料所需的模具具有与压制方向平行的导向槽，导向槽用于固定第三级碳纤维束在仿生制动摩擦材料中的纵向位置，导向槽宽度0.35-3.1mm，且大于第三级碳纤维束的直径；

1.4.2将厚度为5-65mm的经混合的基体材料均匀地填装在模具最底层；

1.4.3将步骤1.1所制备的碳纤维束排放置于压制模具的导向槽中，并使所放置的碳纤维束水平置于之前所填装的基体材料上；

1.4.4将厚度为2-35mm的经混合的基体材料均匀地填装在之前填装的碳纤维束上；

1.4.5将与之前填装的碳纤维束具有相反旋向的碳纤维束放置于压制模具的导向槽中，并使所放置的碳纤维束水平置于之前所填装的基体材料上；

1.4.6重复步骤1.4.1至1.4.5，进行基体材料和碳纤维束的填装，直至填满压制模具；

1.5热压-烧结处理，包括下列步骤：

1.5.1对步骤1.4.6填装完毕的原料基体材料和碳纤维束进行冷压处理，冷压压强200-800MPa，保压时间0.5-10分钟；

1.5.2完成冷压后，将压制压力降低到50-200MPa，在保持压力的同时对材料加热，加热温度180-850摄氏度，加热时间3分钟-2小时；

1.5.3烧结：将经过热压处理的制动部件取出后冷却后，在真空条件下加热至150-600摄氏度，保温1小时-3小时。