CN103614113B

CN103614113B - 一种无铜摩擦材料

Info

Publication number: CN103614113B
Application number: CN201310228365.5A
Authority: CN
Inventors: 耿家举
Original assignee: Shandong Doubly-Linked Brake Material Limited-Liability Co
Current assignee: Shandong Doubly-Linked Brake Material Limited-Liability Co
Priority date: 2013-06-09
Filing date: 2013-06-09
Publication date: 2015-07-29
Anticipated expiration: 2033-06-09
Also published as: CN103614113A

Abstract

本发明涉及车辆的制动技术领域，具体地说是一种无铜摩擦材料，其特征在于这种材料是不含铜的陶瓷纤维增强树脂基摩擦材料，其配方体系的构成是在陶瓷纤维配方摩擦材料基础上，进行无铜化的设计，其中增强材料由陶瓷纤维、芳纶纤维、矿物纤维等多种纤维混杂组成，以钛酸钾晶须、硫酸钙晶须和高导热柔性石墨材料替代原陶瓷配方中的铜纤维，以改性树脂作粘结剂，再加其它功能性填料。通过不断对配方优化设计，避免了铜污染问题，提高了摩擦材料综合性能；经过对钛酸钾晶须表面改性处理，改善了晶须在复合体中的分散性，提高了配方体系中多种材料间的界面结合性能，提高了产品的机械强度，降低了磨耗；采用高导热性柔性石墨，保持了无铜摩擦材料适宜的导热性能，改善了制动系统的噪音和震动性能。

Description

一种无铜摩擦材料

技术领域：

本发明涉及车辆的制动技术领域，具体地说是一种无铜摩擦材料。

背景技术：

随着汽车保有量的增加，汽车所造成的污染问题越来越受到人们的器重，其中刹车片的污染也引起了人们的关注。目前国内外以陶瓷纤维配方为代表的高性能摩擦制动材料中常常较多的使用铜材料，而磨屑中铜对环境的污染在国内尚未得到应有的关注。美国于上世纪90年代初即研究表明，车辆刹车片是造成美国加利福尼亚州圣塔克莱流域和海湾的铜污染的主要原因。当车辆刹车时，刹车片的一部分被磨成粉尘后进入环境中，含铜粉尘能通过雨水和悬浮颗粒物沉积进入水体中。据估算，刹车片中所含的铜大约有一半最终到达了这个海湾，另一半留在环境中和车辆上。据了解，美国加利福尼亚州和华盛顿州已于2010年就在摩擦材料中限制和最终禁止使用铜和重金属的规定通过了州立法，其中规定：到2021年铜含量要求小于5％(重量百分比)，到2025年铜含量要求小于0.5％(重量百分比)，实际是2025年后禁止使用铜。

直到现在国内对刹车片中的铜仍然没有引起足够的重视。近年来，在国际摩擦学界提出了生态摩擦学和环境摩擦学，以满足社会发展对环境保护和节约资源和能源的更高要求。因此研究摩擦材料中铜和重金属组份的替代材料以及减少摩擦材料的噪音成为环境友好摩擦学研究的主要内容。

发明内容：

本发明的目的在于：提供一种无铜摩擦材料。本发明针对国内外现有摩擦材料中均含铜的现状，开发了一种由陶瓷纤维、芳纶纤维、矿物纤维、钛酸钾晶须、硫酸钙晶须等多种增强纤维组成的不含铜的树脂基摩擦材料，避免了铜污染问题，提高了摩擦材料综合性能。其中，选用钛酸钾晶须和硫酸钙晶须替代铜纤维在摩擦材料中所起到的增强摩擦材料强度、降低摩擦粉尘、控制高温摩擦系数和高温磨损的作用；采用高导热性柔性石墨代替铜所具有的良好散热作用，保持了无铜摩擦材料适宜的导热性能，改善了制动系统的噪音和震动性能。

本发明采用的技术措施是：

无铜摩擦材料的配方构成：按重量百分比计算，它是以陶瓷纤维5-15％、芳纶纤维1-5％、矿物纤维3-10％、钛酸钾晶须5-10％和硫酸钙晶须3-8％组成的增强纤维，再加以粘结剂5-15％和填料30-50％制成的。

准确地说，增强纤维中各组份在摩擦材料中所占重量百分比为：陶瓷纤维10％、芳纶纤维4％、矿物纤维5％、钛酸钾晶须7％、硫酸钙晶须4％。

所述钛酸钾晶须为六钛酸钾晶须，其分子主体呈隧道形晶格结构，钾离子处于隧道中间，结构稳定，具有优良的物理机械性能，特别在高温情况下能保持摩擦擦料的摩擦系数平稳。

所述六钛酸钾晶须表面是经过甲基丙烯氧基硅烷偶联剂改性处理的，其处理工艺为：

步骤I：将偶联剂甲基丙烯氧基硅烷加入到95％乙醇溶剂中，二者质量比例为1∶5，充分搅拌至透明。

步骤II：在搅拌状态下加入5％的硅酸钠溶液，并缓慢加入0.1％的稀盐酸至PH=4.5。

步骤III：加入六钛酸钾晶须，超声分散5-10分钟，恒温80℃下搅拌0.5小时，过滤、干燥除去溶剂备用。

所用粘结剂为12％的丁腈改性酚醛树脂。

所用填料为柔性石墨12％、摩擦粉8％、氧化铝6％、重质氧化镁5％、丁腈胶粉4％、硫酸钡20％。

所述柔性石墨是以天然鳞片石墨为原料，经酸化插层、高温膨化而制得；具体是采用的AlCl₃作插层剂，含碳量99.9％以上天然石墨原料而制备的。该柔性石墨材料具有高导热性，导热率可在200-600w／m.k，体积导热率可与铝、铜(紫铜导热率407w／m.k)相当或略高于后者，质量导热率是后者的2-6倍。因此高导热柔性石墨完全可替代铜纤维在摩擦材料中的导热作用。

与含铜等金属纤维的陶瓷配方摩擦材料相比，本发明采用钛酸钾晶须、硫酸钙晶须和柔性石墨替代陶瓷配方中铜纤维，不仅避免了铜纤维易产生的铜污染问题，而且进一步提高产品综合性能，改善了制动系统的噪音和震动性能，所制得的摩擦材料的摩擦系数热衰退性、耐磨性、冲击强度等性能指标均符合并优于GB5763-2008国家标准，并且符合ISO26867-2009道路车辆汽车刹车系统摩擦性能评定要求、美国城市交通噪声和磨损标准要求和美国汽车工程学会SAE J840剪切试验标准要求，使陶瓷配方摩擦擦料无铜化成为可能。

具体实施方式：

实施例1：陶瓷配方中不同含量的六钛酸钾晶须的摩擦磨损实验对比(按GB5763-2008)

试验配方重量百分比：丁腈改性酚醛树脂12％；陶瓷纤维10％，芳纶纤维3％，矿物纤维5％，硫酸钙晶须4％，六钛酸钾晶须分别为5％、10％、15％、20％；填料为柔性石墨12％，摩擦粉8％，氧化铝6％，重质氧化镁5％，丁腈胶粉4％，蛭石6％，硫酸钡分别为20％、15％、10％、5％。参见表1：

表1不同K₂O·6TiO₂晶须含量实验对比：按GB5763-2008

试验对比表明：含六钛酸钾晶须的陶瓷配方，因其热稳定性良好，随着用量增多，μ趋向稳定，磨损率随着含量增多由逐步变小再到增大的过程，但总体看，磨损量不大。这与K₂O.6TiO₂特殊的晶体结构有关：Ti的配位数为6，以TiO₆八面体通过共面和共棱连结而成连锁的隧道状结构，K+离子居于隧道的中间，隧道轴与晶体轴平行，K+离子结构上的化学惰性，使该晶须具有优良的化学稳定性，良好的机械性能和优异的隔热性能，因此刹车片在高温状态下，对温度不敏感，使μ显得稳定。

实施例2：经偶联剂表面处理的钛酸钾晶须与普通钛酸钾晶须对比试验(按GB5763-2008)

试验配方重量百分比：六钛酸钾晶须用量10％，硫酸钡15％，其它同实例1。

采用KH-570甲基丙烯氧基硅烷偶联剂对六钛酸钾晶须进行表面改性处理，工艺为：按1∶5质量比将甲基丙烯氧基硅烷加入到乙醇溶剂中，充分搅拌至透明；在搅拌过程中加入5％的硅酸钠溶液，并缓慢加入0.1％的稀盐酸至PH=4.5；加入六钛酸钾晶须，超声分散5-10分钟，恒温80℃下搅拌0.5小时，过滤、干燥除去溶剂。参见表2：

表2钛酸钾晶须表面改性与未改性实验对比：按GB5763-2008

试验对比表明：用偶联剂进行改性处理过制成的刹车片比未改性处理过其耐磨性约提高20％左右。这是由于采用甲基丙烯氧基硅烷偶联剂进行表面改性处理后的钛酸钾晶须在复合体中的分散性得以提高，改善了配方体系中多种材料间的界面结合性能，提高了产品的机械强度，降低了磨耗因而提高了刹车片的耐磨性和机械强度。

实例3：制动器台架性能

试验配方重量百分比：12％的丁腈改性酚醛树脂；陶瓷纤维10％、芳纶纤维4％、矿物纤维5％、钛酸钾晶须7％、硫酸钙晶须4％；柔性石墨12％、摩擦粉8％、氧化铝6％、重质氧化镁5％、丁腈胶粉4％、硫酸钡20％。

按ISO26867-2009要求检测，结果如下：

①摩擦系数μ：总平均值0.43，最小0.36，最高0.47，其中：

冷态时μ均值0.37，高速终点刹车μ0.41，第一次衰退μ最小值0.34，500℃时μ最小值0.37，第二次衰退μ最小值0.37。

②磨损：衬片厚度磨损0.41mm，衬片质量磨损6g；对偶厚度磨损0.03mm，对偶质量磨损2.2g

参见表3：

表3按ISO26867要求检测的报告

检测结果表明，无铜陶瓷配方摩擦材料在不同温度、不同压力、不同速度下的摩擦系数平稳，高温热衰退性小；磨损率低，刹车对偶磨损轻。

实例4：噪声测试

试验配方重量百分比：与实例3相同

按美国城市交通噪声和磨损性能评定要求检测，结果为：噪声指数为10，几乎无噪音，完全符合OEM市场要求的噪声指数8.3和售后市场要求的噪声指数7.3。参见图1：

实例5：剪切试验

试验配方重量百分比：与实例3相同

按美国SAE J840要求检测，取5个试样做剪切试验，结果如下：

剪切强度分别为(Mpa)：7.3，8.0，7.3，5.9，7.5，平均值7.2Mpa。

剪切保留面积分别为：100％，95％，100％，100％，90％

参见表4：

表4SAE J840剪切检测报告

本发明研制的产品具有制动灵敏，摩擦系数平稳，耐磨性好，不伤对偶件，抗热冲击，无噪音，低粉尘，无污染等特点。

Claims

1.一种无铜摩擦材料，其特征在于：该无铜摩擦材料是不含铜的陶瓷纤维增强树脂基摩擦材料，其组分包括：按重量百分比，增强材料20-35％、功能性填料35-55％、粘结剂5-15％，三种组分之和为100％；其中，增强材料为重量比例依次为10∶3∶5∶5∶3的陶瓷纤维、芳纶纤维、矿物纤维、钛酸钾晶须和硫酸钙晶须，功能性填料为重量比例依次为12∶8∶6∶5∶4∶20的柔性石墨、摩擦粉、氧化铝、重质氧化镁、丁腈胶粉、硫酸钡，粘结剂为改性酚醛树脂。

2.根据权利要求1所述一种无铜摩擦材料，其特征在于所述钛酸钾晶须为六钛酸钾晶须，且表面经过偶联剂改性处理，其处理工艺包括以下步骤：

步骤I：将偶联剂溶于一定溶剂中；

步骤II：调节酸值；

步骤III：然后加入六钛酸钾晶须，恒温过滤干燥除去溶剂备用；

所述溶剂为95％乙醇溶液。

3.根据权利要求2所述的一种无铜摩擦材料，其特征在于：在步骤I中所采用偶联剂为KH-570甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷，溶剂为95％乙醇溶液，二者质量比为1∶5。

4.根据权利要求3所述的一种无铜摩擦材料，其特征在于：在步骤II中调节溶液酸值为pH＝3-5，具体为：完成步骤I后，在搅拌状态下加入5％的硅酸钠溶液，并缓慢加入0.1％的稀盐酸至pH＝3-5。

5.根据权利要求4所述的一种无铜摩擦材料，其特征在于：在步骤III中加入六钛酸钾晶须，超声分散5-10分钟，恒温80℃下搅拌0.5小时，过滤、干燥得到改性后的六钛酸钾晶须制品。

6.根据权利要求1所述一种无铜摩擦材料，其特征在于所述柔性石墨是以天然鳞片石墨为原料，经酸化插层、高温膨化而制得；其中采用的插层剂为氯化铝(AlCl₃)，天然石墨含碳量99.9％以上。