CN104561845A

CN104561845A - 一种用于制备汽车制动盘的铝基复合材料

Info

Publication number: CN104561845A
Application number: CN201410814340.8A
Authority: CN
Inventors: 岑伟; 郭雷
Original assignee: QINGDAO MATT RIEU NEW MATERIAL TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: QINGDAO MATT RIEU NEW MATERIAL TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2014-12-22
Filing date: 2014-12-22
Publication date: 2015-04-29

Abstract

一种用于制备汽车制动盘的铝基复合材料。其各组分按体积分数计为，18～22％的碳化硅纤维，78～82％铝合金；采用表面活性剂对碳化硅纤维进行解团聚处理，增大了碳化硅纤维的分散性，同时增强其与金属基体的相容性。用该铝基复合材料制备的汽车制动盘，按国际自动机工程师协会(Society？of？Automotive？Engineers，SAE)J661a标准测试，磨损与采用铸铁制动盘时相当，并能满足汽车制动盘的轻型化的要求。

Description

一种用于制备汽车制动盘的铝基复合材料

技术领域

本发明属于金属基复合材料领域，尤其涉及一种用于制备汽车制动盘的铝基复合材料。

技术背景

目前常规的汽车制动盘材料是包含3～4％片状石墨的铸铁材料，其密度约为7.3g·cm^-3。随着石油危机的加剧和汽车燃油消耗的增加，迫切需要减轻制动盘质量。近年来，行业内尝试采用铝合金来代替铸铁材料铸造汽车制动盘，尽管其重量轻、导热性能好，但其强度和硬度较低，一定程度上阻碍了铝合金在汽车制动盘领域的应用。

碳化硅纤维是近年来备受关注的高性能陶瓷纤维，其不仅密度小、比强度大、比模量高、线膨胀系数小，而且还具有优异的耐高温氧化性能，与金属、陶瓷、聚合物都有很好的复合相容性，是高性能复合材料的理想增强纤维。因此，采用碳化硅纤维增强铝金属基复合材料，可以实现高强度、高硬度、高导热性及低质量的较好平衡，使其成为替代铸铁材料的最有力竞争者。

研究发现：碳化硅纤维比表面积大，极易团聚，如果未经表面改性处理而直接添加，则会因相互团聚而大大降低其性能优势。为了更好地发挥碳化硅纤维的性能，需要对其进行改性处理。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于制备汽车制动盘的铝基复合材料。通过解团聚处理，增大碳化硅纤维的分散性，同时增强其与金属基体的相容性，从而制备出一种兼具高强度、高硬度、高导热性及低质量的改性碳化硅纤维增强铝金属基复合材料。同时，将改性碳化硅纤维增强铝金属基复合材料运用制造汽车制动盘，解决汽车制动盘的轻型化问题。

本发明的技术方案如下：

一种用于制备汽车制动盘的铝基复合材料，其各组分按体积分数计为，18～22％的碳化硅纤维，78～82％铝合金，采用表面活性剂对碳化硅纤维进行解团聚处理，表面活性剂与碳化硅纤维的质量比为5∶1～8∶1；所述碳化硅纤维的当量直径为20～30μm，拉伸强度为0.8-2.4GPa；所述铝合金中各组分按质量百分数计为：硅11～13％，钒0.8～1.5％，铜0.5～1.5％，镁0.8～1.3％，铁0.7％，钛0.2％，锰0.2％，钛0.2％，其余是铝。

进一步的，所述表面活性剂为阴离子表面活性剂或非离子型表面活性剂。

进一步的，所述阴离子型表面活性剂优选六偏磷酸钠、十二烷基硫酸钠、木质素磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠中的一种或多种的复配。

进一步的，所述非离子表面活性剂优选聚乙二醇、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、Tween20、Span80中的一种或多种的复配。

进一步的，所述用于制备汽车制动盘的铝基复合材料，其各组分按体积分数计为，18～20％的碳化硅纤维，80～82％的铝合金。

进一步的，所述用于制备汽车制动盘的铝基复合材料，其各组分按体积分数计为，20％的碳化硅纤维，80％的铝合金。

同时，提供一种采用上述铝基复合材料制备的汽车制动盘，所述汽车制动盘的密度为2.60～2.78g·cm^-3，摩擦系数为0.38～0.46。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)通过采用特定表面活性剂，增大了碳化硅纤维的分散性，同时增强其与金属基体的相容性，制备出兼具高强度、高硬度、高导热性及低质量的改性碳化硅纤维增强铝基复合材料。

(2)采用该铝基复合材料制备的汽车制动盘，其密度为2.60～2.78g·cm^-3，质量较同体积铸铁制动盘减少30％，实现了汽车刹车盘轻量化的目标；按国际自动机工程师协会(Society of Automotive Engineers，SAE)J661a标准测试，其摩擦系数为0.38～0.46，磨损与采用铸铁制动盘时相当。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定。

实施例1

(1)制备铝基复合材料：

将当量直径为28μm，拉伸强度为2.0GPa的碳化硅纤维加入阴离子表面活性剂中(所述阴离子型表面活性剂优选六偏磷酸钠、十二烷基硫酸钠、木质素磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠中的一种或多种的复配)，碳化硅纤维与阴离子表面活性剂的质量比为5∶1，超声分散1.5～3小时后，用乙醇离心清洗，得到改性后的碳化硅纤维。将铝合金放入坩埚加热到高于它的液相线温度100℃以上，将改性后的碳化硅纤维预热到500℃。熔化的铝合金和预热的碳化硅纤维在真空条件下搅拌混合，室温冷却，制备得到改性碳化硅纤维增强铝金属基复合材料。所述改性碳化硅纤维增强铝金属基复合材料由体积分数为18％的碳化硅纤维及82％的铝合金组成，铝合金中各组分按质量分数计为硅11％，钒0.8％，铜0.5％，镁1.3％，铁0.7％，钛0.2％，锰0.2％，钛0.2％，其余是铝。

(2)制备汽车刹车盘：

将上述改性碳化硅纤维增强铝金属基复合材料熔融后，倒入预先确定的铸铁模里，通过挤压铸造制成一个Chase机的新制动鼓。机械加工去除毛刺，热处理，制动鼓的摩擦面用1000目砂纸抛光，表面用丙酮擦洗，自然干燥，测试密度为2.78g·cm^-3。制动鼓安装到Chase机上后，用一个刹车片材料的标准件以6.1m·s-1速度，446N载荷和低于93℃温度进行预摩，以达到一个稳定的摩擦系数。采用常规方法加工刹车片材料，按SAE J661a标准测试，它的摩擦系数为0.35。

实施例2

(1)制备铝基复合材料：

将当量直径为20μm，拉伸强度为2.4GPa的碳化硅纤维加入非离子表面活性剂(所述非离子表面活性剂优选聚乙二醇、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、Tween20、Span80中的一种或多种的复配)中，碳化硅纤维与非离子表面活性剂的质量比为8∶1，超声分散2～5小时后，用乙醇离心清洗，得到改性后的碳化硅纤维。将铝合金放入坩埚加热到高于它的液相线温度100℃以上，将改性后的碳化硅纤维预热到500℃。熔化的铝合金和预热的碳化硅纤维在真空条件下搅拌混合，室温冷却，形成改性碳化硅纤维增强铝基复合材料。所述改性碳化硅纤维增强铝金属基复合材料由体积分数为22％的碳化硅纤维及78％的铝合金组成，铝合金中各组分按质量分数计为硅13％，钒1.5％，铜1.5％，镁0.8％，铁0.7％，钛0.2％，锰0.2％，钛0.2％，其余是铝。

(2)制备汽车刹车盘：

将上述改性碳化硅纤维增强铝金属基复合材料熔融后，倒入预先确定的铸铁模里，通过挤压铸造制成一个Chase机的新制动鼓。机械加工去除毛刺，热处理，制动鼓的摩擦面用1000目砂纸抛光，表面用丙酮擦洗，自然干燥，测试密度为2.70g·cm^-3。制动鼓安装到Chase机上后，用一个刹车片材料的标准件以6.1m·s^-1速度，446N载荷和低于93℃温度进行预摩，以达到一个稳定的摩擦系数。采用常规方法加工刹车片材料，按SAE J661a标准测试，它的摩擦系数为0.38。

实施例3

(1)制备铝基复合材料：

将当量直径为30μm，拉伸强度为0.8GPa的碳化硅纤维加入非离子表面活性剂(所述非离子表面活性剂优选聚乙二醇、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、Tween20、Span80中的一种或多种的复配)中，碳化硅纤维与非离子表面活性剂的质量比为8∶1，超声分散4～5小时后，用乙醇离心清洗，得到改性后的碳化硅纤维。将铝合金放入坩埚加热到高于它的液相线温度100℃以上，将改性后的碳化硅纤维预热到500℃。熔化的铝合金和预热的碳化硅纤维在真空条件下搅拌混合，室温冷却，形成改性碳化硅纤维增强铝基复合材料。所述改性碳化硅纤维增强铝金属基复合材料由体积分数为18％的碳化硅纤维及82％的铝合金组成，铝合金中各组分按质量分数计为硅12％，钒1.0％，铜1.0％，镁1.2％，铁0.7％，钛0.2％，锰0.2％，钛0.2％，其余是铝。

(2)制备汽车刹车盘：

将上述改性碳化硅纤维增强铝金属基复合材料熔融后，倒入预先确定的铸铁模里，通过挤压铸造制成一个Chase机的新制动鼓。机械加工去除毛刺，热处理，制动鼓的摩擦面用1000目砂纸抛光，表面用丙酮擦洗，自然干燥，测试密度为2.68g·cm^-3。制动鼓安装到Chase机上后，用一个刹车片材料的标准件以6.1m·s^-1速度，446N载荷和低于93℃温度进行预摩，以达到一个稳定的摩擦系数。采用常规方法加工刹车片材料，按SAE J661a标准测试，它的摩擦系数为0.44。

实施例4

(1)制备铝基复合材料：

将当量直径为25μm，拉伸强度为2.0GPa的碳化硅纤维加入非离子表面活性剂(所述非肉子表面活性剂优选聚乙二醇、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、Tween20、Span80中的一种或多种的复配)中，碳化硅纤维与非离子表面活性剂的质量比为8∶1，超声分散4～5小时后，用乙醇离心清洗，得到改性后的碳化硅纤维。将铝合金放入坩埚加热到高于它的液相线温度100℃以上，将改性后的碳化硅纤维预热到500℃。熔化的铝合金和预热的碳化硅纤维在真空条件下搅拌混合，室温冷却，形成改性碳化硅纤维增强铝基复合材料。所述改性碳化硅纤维增强铝金属基复合材料由体积分数为20％的碳化硅纤维及80％的铝合金组成，铝合金中各组分按质量分数计为硅11％，钒1.5％，铜1.4％，镁0.9％，铁0.7％，钛0.2％，锰0.2％，钛0.2％，其余是铝。

(2)制备汽车刹车盘：

将上述改性碳化硅纤维增强铝金属基复合材料熔融后，倒入预先确定的铸铁模里，通过挤压铸造制成一个Chase机的新制动鼓。机械加工去除毛刺，热处理，制动鼓的摩擦面用1000目砂纸抛光，表面用丙酮擦洗，自然干燥，测试密度为2.60g·cm^-3。制动鼓安装到Chase机上后，用一个刹车片材料的标准件以6.1m·s-1速度，446N载荷和低于93℃温度进行预摩，以达到一个稳定的摩擦系数。采用常规方法加工刹车片材料，按SAE J661a标准测试，它的摩擦系数为0.47。

实施例5

(1)制备铝基复合材料：

将当量直径为30μm，拉伸强度为2.4GPa的碳化硅纤维加入非离子表面活性剂(所述非离子表面活性剂优选聚乙二醇、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、Tween20、Span80中的一种或多种的复配)中，碳化硅纤维与非离子表面活性剂的质量比为8∶1，超声分散3～4小时后，用乙醇离心清洗，得到改性后的碳化硅纤维。将铝合金放入坩埚加热到高于它的液相线温度100℃以上，将改性后的碳化硅纤维预热到500℃。熔化的铝合金和预热的碳化硅纤维在真空条件下搅拌混合，室温冷却，形成改性碳化硅纤维增强铝基复合材料。所述改性碳化硅纤维增强铝金属基复合材料由体积分数为20％的碳化硅纤维及80％的铝合金组成，铝合金中各组分按质量分数计为硅11％，钒1.5％，铜1.4％，镁0.9％，铁0.7％，钛0.2％，锰0.2％，钛0.2％，其余是铝。

(2)制备汽车刹车盘：

将上述改性碳化硅纤维增强铝金属基复合材料熔融后，倒入预先确定的铸铁模里，通过挤压铸造制成一个Chase机的新制动鼓。机械加工去除毛刺，热处理，制动鼓的摩擦面用1000目砂纸抛光，表面用丙酮擦洗，自然干燥，测试密度为2.62g·cm^-3。制动鼓安装到Chase机上后，用一个刹车片材料的标准件以6.1m·s-1速度，446N载荷和低于93℃温度进行预摩，以达到一个稳定的摩擦系数。采用常规方法加工刹车片材料，按SAE J661a标准测试，它的摩擦系数为0.48。

上述实施例所指轻型制动盘的磨损与采用灰铸铁制动盘时均相当。

Claims

1.一种用于制备汽车制动盘的铝基复合材料，其特征在于，各组分按体积分数计为，18～22％的碳化硅纤维，78～82％铝合金；所述碳化硅纤维的当量直径为20～30μm，拉伸强度为0.8-2.4GPa；所述铝合金中各组分按质量百分数计为：硅11～13％，钒0.8～1.5％，铜0.5～1.5％，镁0.8～1.3％，铁0.7％，钛0.2％，锰0.2％，钛0.2％，其余是铝；采用表面活性剂对碳化硅纤维进行解团聚处理。

2.根据权利要求1所述的一种用于制备汽车制动盘的铝基复合材料，其特征在于：所述表面活性剂为阴离子表面活性剂或非离子型表面活性剂。

3.根据权利要求2所述的一种用于制备汽车制动盘的铝基复合材料，其特征在于：所述阴离子型表面活性剂优选六偏磷酸钠、十二烷基硫酸钠、木质素磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠中的一种或多种的复配，阴离子型表面活性剂与碳化硅纤维的质量比为5∶1。

4.根据权利要求2所述的一种用于制备汽车制动盘的铝基复合材料，其特征在于：所述非离子表面活性剂优选聚乙二醇、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、Tween20、Span80中的一种或多种的复配，非离子型表面活性剂与碳化硅纤维的质量比为8∶1。

5.根据权利要求1所述的一种用于制备汽车制动盘的铝基复合材料，其特征在于：其各组分按体积分数计为，18～20％的碳化硅纤维，80～82％的铝合金。

6.根据权利要求1所述的一种用于制备汽车制动盘的铝基复合材料，其特征在于：其各组分按体积分数计为，20％的碳化硅纤维，80％的铝合金。

7.一种采用如权利要求1所述铝基复合材料制备的汽车制动盘，所述汽车制动盘的密度为2.60～2.78g·cm^-3，摩擦系数为0.35～0.48。