CN103836095A

CN103836095A - 以“人造骨骼”为骨架的重型卡车刹车片及其制备方法

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Publication number: CN103836095A
Application number: CN201310536150.XA
Authority: CN
Inventors: 姜著川
Original assignee: 姜著川
Current assignee: Qingdao University
Priority date: 2013-10-27
Filing date: 2013-10-27
Publication date: 2014-06-04
Anticipated expiration: 2033-10-27
Also published as: CN103836095B

Abstract

本发明涉及重型卡车刹车片的制作领域，尤其是一种以“人造骨骼”为骨架的重型卡车刹车片及其制备方法。采用碳纤维增韧陶瓷制备多孔“人造骨骼”骨架，并将树脂、摩擦性能调节剂、填料等充填到多孔骨架材料中，制成高性能的特种刹车片摩擦材料，使其适应特种工作环境，具有密度低、强度高、耐热性好、摩擦系数高且稳定和使用寿命长等优点。可以适应高温高负荷的极端工作条件，适用于高速重载汽车、矿山提拉装置等，具有巨大的推广应用价值。

Description

以“人造骨骼”为骨架的重型卡车刹车片及其制备方法

技术领域

本发明涉及重型卡车刹车片的制作工艺和方法，尤其是一种以“人造骨骼”为骨架的重型卡车刹车片及其制备方法。

背景技术

重型载重卡车的特点是高负荷、大运量、起步频繁、低速行驶、紧急刹车频繁，属刹车系统中的“高技术含量”产品。传统的刹车片都是采用的摩擦材料的组成称为“三元结构”，即树脂、增强材料和摩擦性能调节剂，当今摩擦材料的实际组成显然已经突破了原来的概念，且不说石棉正在逐步被新型纤维材料所替代，而且除了用以调节摩擦系数及降低磨损率的矿物增摩材料和润滑材料以外，还出现了不胜枚举的功能填料，如偶联剂、改性剂、搞磨剂、阴尼材料等。载重卡车运输工作条件苛刻，一般刹车片强度低、不耐热、寿命短，急需高质量摩擦片，以满足这类进口重型汽车配件的需要。

相对新型多孔骨架重型载重卡车刹车片来说，传统的纤维增强刹车片的制动效能和散热性都很差，导致制动器的制动力稳定性差，在不同路面上制动力变化很大，不容易控制；由于散热性不好，特别是下坡时的连续制动存在刹车片热衰退现象，也存在着刹车制动失灵情况。

普通的多孔金属骨架重型载重卡车刹车片的制作工艺是在真空环境中，以网状金属材料作为刹车片摩擦材料的主构架，将摩擦材料充填到网状金属材料中，制成高性能的特种刹车片摩擦材料，使其适应特种工作环境。多孔金属骨架重型载重卡车刹车片使用铜粉和铝粉的混合物制备的多孔金属骨架，但是其中金属质量占整个摩擦材料比重的60％以上，制动时需要更高的制动压力来完成同样的制动效果，而且在低温环境中高金属含量同样也就意味着刹车片会引起较大的制动盘或制动鼓的表面磨损，同时会产生更大的噪音。

此外，传统的刹车片生产的工艺主要是热压法。热压法是指将混合均匀的原料放入成形模具当中，经过加热加压，使原料与树脂粘结成具有一定密度和强度的毛坯件。但是对于要求具有高耐磨性、高防震性、耐高温、低噪声的特种刹车片来说，这种生产工艺无法满足上述高标准的要求。

本发明中的“人造骨骼”是以碳纤维/碳化硅陶瓷基复合材料制备的具有微孔网络结构有机骨架材料。其优点是同时具备开放式的骨架结构、较大的比表面积和规则的孔道结构，这些特点使得其在作为摩擦材料的载体方面拥有独特的优越性。将树脂、摩擦性能调节剂、填料等充填到多孔骨架材料中，制成高性能的特种刹车片摩擦材料，使其适应特种工作环境，具有强度高、弹性模量适中、耐热性好、重量轻、膨胀系数小、耐磨损等优点，而所有这些都是重型载重卡车制动所必需的性能要求，不仅具有重要的现实意义，而且具有巨大的推广应用价值。

发明内容

本发明的目的是针对重型载重卡车高负荷、大运量、起步频繁、低速行驶、紧急刹车频繁等特点而开发的一种高强度、高耐磨性、高防震性、耐高温、低噪声的特种刹车片。采用多种特殊的耐磨、耐高温材料，并运用高新科技工艺研制的新型刹车皮配方，满足载重汽车制动系统的特定动力、负荷和刹车的需要。同时，本发明提供一种“人造骨骼”为骨架的重型卡车刹车片的制备方法。

本发明的实现方法如下：

为实现本发明的第一个目的，“人造骨骼”为骨架的重型卡车刹车片的骨架材料采用碳纤维/碳化硅陶瓷基复合材料。采用碳纤维增韧SiC陶瓷，从而改善陶瓷的脆性，增强“人造骨骼”骨架材料的力学性能，实现高温结构材料所必需的性能，如抗氧化、耐高温、耐腐蚀等，与普通的金属骨架刹车材料相比，具有密度低、强度高、耐高温、制动比大和使用寿命长等突出优点，尤其是摩擦系数高且稳定，对环境的影响不敏感。

所述的多孔“人造骨骼”骨架制备方法热压-烧结制得。以石灰石作为致孔剂，将碳纤维通过一个含有超细基体陶瓷粉末的料浆容器使之浸渍，然后将浸挂料浆的纤维缠绕在卷筒上，烘干、切断，得到纤维无纬布，将无纬布按所需规格剪裁，层叠在一起，最后热模压成型和热压烧结后制得复合材料。

致孔剂在高温下燃尽在陶瓷骨架中留下孔隙，孔洞在多孔骨架材料内部随机分布，最大孔洞的直径为2mm，最小的为0.5mm，最终“人造骨骼”骨架的孔隙率为50％左右。

其中的烧结方法采用无压烧结，烧结温度为1850℃～2000℃。由于烧结温度低而且不加压，因而陶瓷骨架具有明显多孔结构，其强度和韧性大大改善。

为实现本发明的第二个目的，本发明提供的“人造骨骼”为骨架的重型卡车刹车片的填料的主要组分如下：空心微球粉，芳纶原纤，联苯型聚酰亚胺粉末，粉末状改性环氧树脂，超细全硫化粉末橡胶，锆铝酸盐偶联剂，超细紫铜纤维，人工石墨，石油焦炭粉，电熔氧化镁，超细硅石粉，钛酸钾片晶。

所述的空心微球粉由美国Potters Industries Inc生产，其主要组成：硼硅酸盐，外观：微细粉体，平均粒径：35μm，相对密度：0.70g/cm³，熔点：700℃，抗压强度：27MPa。空心微球粉用于多孔骨架的耐高温多功能填料，具有以下性能优点：相对密度低，能明显降低产品重量；其微粒为密闭光滑球体，能够和其他填料很好的交联，这一点有助于增加刹车片的强力。

所述的芳纶原纤采用特殊工艺加工成绒状纤维，再研磨原纤化，使其表面呈蓬松的毛羽状，沿纤维轴向排列许多微原纤，形成很大的表面积，具有良好的吸附性，可很好的与树脂及填料湿润结合，热稳定性好。所以，芳纶原纤在摩擦材料中呈现出摩擦系数稳定，磨损率低，强度好的优点，还具有产品密度低，硬度低，制动噪音低等特点。本发明使用的芳纶原纤的性能指标如下：纤维长度0.8～2.7mm，抗拉强度14～20×10³K/cm²，密度1.41～1.44g/cm³。

所述的联苯型聚酰亚胺粉末是采用联苯二酐和对苯二胺合成的聚酰亚胺。联苯型聚酰亚胺具有优良的机械性能，热分解温度达到600℃，其抗张强度可以达到400Mpa，弹性膜量3～4Gpa。利用其较高的强度、弹性模量、密度小及耐热性好等特点，制备出的高性能刹车片高温下尺寸稳定性好、耐磨性好。

粉末状改性环氧树脂由美国3M公司生产，采用马来酰亚胺来改性环氧树脂制备，从而改善环氧树脂的耐热性和韧性。用双马来酰亚胺改性环氧树脂制得的耐高温胶粘剂，它对金属、硅石粉、石墨等均有优异的粘接性能，可在高温下长期使用。本发明中加入12％的马来酰亚胺来改性环氧树脂粉末作为粘合剂。

超细全硫化粉末橡胶由中国石化总公司北京化工研究院生产。该产品胶粒互相不粘连，分散性好，成型时的流动性好，加上纳米级的细度优势，可降低摩擦材料的密度和硬度，提高摩擦性能和耐高温性能，还可在一定程度上减轻震动，降低噪音。本发明中使用的超细全硫化粉末橡胶粒径为80～150nm，凝胶含量在80％以上。

所述的锆铝酸盐偶联剂由美国CAVEDON化学公司生产，其商品名称为“CAVCO MOD”，它是由水合氯化氧锆(ZrOCl₂·8H₂O)、氯醇铝(A1₂OH₅Cl)、丙烯醇、羧酸等为原料合成的性能稳定，溶于水，但起作用进不需要水。与硅烷偶联剂相比，锆铝酸盐偶联剂分子具有更多的无机反应点，可增强与无机粉体表面的作用。使用时将锆铝酸盐偶联剂直接加入到基体树脂中混合后，然后再在高速混合机中与无机矿物填料复合，温度约70℃。

所述的超细紫铜纤维由常州市耀邦摩擦材料厂生产，采用无氧电解铜为原料，经过特殊工艺专门加工成的不定超细纤维，切碎后的长度为0.5～0.8mm。超细紫铜纤维秉承了金属单质铜的硬度，耐磨损，导热性好等优点，在刹车片骨架微孔中添加超细紫铜纤维可以提高摩擦系数的稳定性，降低磨损率的作用，同时可以对在刹车过程中损失的粘合剂起到一定的补偿作用。本发明中超细紫铜纤维在填料混合物中占6％。

人工石墨由瑞士物密高集团公司生产，具有很高的热容和导热系数，能较多地吸收由摩擦功转化的热量并散发出去，有助于提高摩擦材料的耐温性能；石墨为鳞片层叠结构，颗粒富含微孔，且具弹性恢复作用，在摩擦材料中起到减小震动、遏制噪音的效果。本发明所用的人工石墨颗粒规格30μm，灰分0.075％，水分0.5％，可与紫铜粉末很好的混合，改善摩擦材料的机械强度。

所用的石油焦炭粉为常州市武进华东特种纤维制造有限公司生产，采用高纯度的碳质原料，经适当温度焙烧并以特殊工艺加工制造的焦炭粉，其灰分、硫含量很低，不含挥发分，能在摩擦材料中起到润滑、减震、耐磨等作用，与人工石墨配合使用。本发明所用的石油焦炭粉颗粒规格250μm，灰分0.07，水分0.02％。

电熔氧化镁由澳大利亚MUSCLE SHOALSMINERALS公司生产，以电炉熔融法工艺制造，主要成分有MgO96％、CaO1.1％、SiO₂2.2％、Fe₂O₃0.2％、Al₂O₃0.5％，密度3.56 g/em³，粒径100目。它不仅能够耐高温，还可以起到摩擦性能调节剂的作用。本发明中电熔氧化镁的应用比例为8％。

超细硅石粉由江西奥特精细矿粉有限公司生产，分子式为Ca₃(Si₃O₉)，其热膨胀小、烧失量低、有良好的助熔性，由于其力学性能和补强性好，在填料中起到增强材料的作用。

钛酸钾片晶(TFC)材料是一种新型的环保摩擦控制剂，该材料具有高温摩擦系数稳定、刹车平稳，不损伤制动盘，刹车时无噪音等特性。钛酸盐片晶与钛酸钾晶须相比，熔点更高，高温区磨损更小，能保证在高温区的摩擦性能；堆积密度较大，能减小粉尘飞扬引起的环境污染。

摩擦材料的加工和填充过程如下：

(1)配料、混料：按照配方的比例将物料在自动配料系统中进行配料，选用摩擦材料全自动配料计算机控制系统，该系统能自动实现加料，计量，排料，混料；

(2)研磨处理：采用高速研磨机对混合后的填料进行研磨，通过调整研磨机的转速和研磨时间，使填料粒度控制在5μm以下。

(3)超声波辅助填充：经过研磨后的填料加入到注射装置中，采用的注射机向多空骨架材料中注射。通过超声波的机械振动作用，使微细的填料充分填充到骨架材料的内部。其中超声波的频率为28KHz，功率为10000W，处理时间为1h。

(4)热压处理：填充完成后将刹车片置于热压机上，保持热压温度在200℃左右，热压压力为25MPa，保压时间为10Min；

最后，热压处理后的刹车片，再经过外形加工，表面处理，打印包装，完成整个刹车片的工艺过程。

具体实施方式

以“人造骨骼”为骨架的重型卡车刹车片是针对重型载重卡车开发的一种高强度、高耐磨性、高防震性、耐高温、低噪声的特种刹车片。采用采用碳纤维/碳化硅陶瓷基复合材料制作多空骨架，并运用超声波辅助填充工艺研制的新型载重卡车刹车皮，满足载重汽车制动系统的特定动力、负荷和刹车的需要，具有强度高、耐高温使用寿命长等突出优点，尤其是摩擦系数高且稳定，对环境的影响不敏感。

所述的多孔“人造骨骼”骨架制备方法热压一烧结一脱溶法制得。以石灰石作为致孔剂，将碳纤维通过一个含有超细基体陶瓷粉末的料浆容器使之浸渍，然后将浸挂料浆的纤维缠绕在卷筒上，烘干、切断，得到纤维无纬布，将无纬布按所需规格剪裁，层叠在一起，最后热模压成型和热压烧结后制得复合材料。

其中孔洞在多孔骨架材料内部随机分布，孔洞直径0.5mm～2mm，最终“人造骨骼”骨架的孔隙率为50％左右。烧结方法采用无压烧结，烧结温度为1850℃～2000℃。

本发明提供的“人造骨骼”为骨架的重型卡车刹车片的填料的主要组分如下：空心微球粉，芳纶原纤，联苯型聚酰亚胺粉末，粉末状改性环氧树脂，超细全硫化粉末橡胶，锆铝酸盐偶联剂，超细紫铜纤维，人工石墨，石油焦炭粉，电熔氧化镁，超细硅石粉，钛酸钾片晶。

本发明经过多次试验得到的的最佳配方比例为：

序号	名称	比例
			1	空心微球粉	18％
2	芳纶原纤	3.5％
			3	联苯型聚酰亚胺粉末	3％
4	粉末状改性环氧树脂	12％
			5	超细全硫化粉末橡胶	5.5％
6	锆铝酸盐偶联剂	3.5％
			7	超细紫铜纤维	6％
8	人工石墨	2.5％
			9	石油焦炭粉	3％
10	电熔氧化镁	8％
			11	超细硅石粉	20％
12	钛酸钾片晶	15％

配方1刹车片的制作工艺过程如下：

1)配料、混料：按照配方的比例将物料在自动配料系统中进行配料，选用摩擦材料全自动配料计算机控制系统，该系统能自动实现加料，计量，排料，混料；

2)研磨处理：采用高速研磨机对混合后的填料进行研磨，通过调整研磨机的转速和研磨时间，使填料粒度控制在5μm以下。

3)超声波辅助填充：经过研磨后的填料加入到注射装置中，采用的注射机向多空骨架材料中注射。通过超声波的机械振动作用，使微细的填料充分填充到骨架材料的内部。其中超声波的频率为28KHz，功率为10000W，处理时间为1h。

4)热压处理：填充完成后将刹车片置于热压机上，保持热压温度在200℃左右，热压压力为25MPa，保压时间为10Min；

本发明一种以“人造骨骼”为骨架的重型卡车刹车片及其制备方法，采用碳纤维增韧SiC陶瓷制备刹车片多空骨架，采用多种特殊的耐磨、耐高温材料，并运用高新科技工艺研制的载重卡车用刹车皮，可以适应高温高负荷的极端工作条件，适用于高速重载汽车、矿山提拉装置以及各种机械，具有非常大的推广应用价值。

Claims

1.一种以“人造骨骼”为骨架的重型卡车刹车片及其制备方法，其特征在于：采用碳纤维增韧陶瓷制备多孔“人造骨骼”骨架，以石灰石作为致孔剂，采用无压烧结，烧结温度为1850℃～2000℃，最终“人造骨骼”骨架的孔隙率为50％左右。并将填充材料充填到多孔骨架材料中，制成高性能的特种刹车片摩擦材料，使其适应特种工作环境。

2.根据权利要求1所述的一种以“人造骨骼”为骨架的重型卡车刹车片，其特征在于多种特殊的耐磨、耐高温材料充填到多孔骨架材料中。主要组分如下：空心微球粉18％，芳纶原纤3.5％，联苯型聚酰亚胺粉末3％，粉末状改性环氧树脂12％，超细全硫化粉末橡胶5.5％，锆铝酸盐偶联剂3.5％，超细紫铜纤维6％，人工石墨2.5％，石油焦炭粉3％，电熔氧化镁8％，超细硅石粉20％，钛酸钾片晶15％。

3.根据权利要求1所述的以“人造骨骼”为骨架的重型卡车刹车片的填充工艺过程，先按照配方的比例将物料混合后充分研磨，使填料粒度控制在5μm以下；然后通过超声波的机械振动作用，使微细的填料填充到骨架内部，其中超声波频率为28KHz，功率10000W，处理时间1h。