CN105733506B - 高速低载中摩擦系数玄武岩纤维增强摩擦材料及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高速低载中摩擦系数玄武岩纤维增强摩擦材料及制备方法，按照质量百分比包括如下组分：玄武岩纤维5‑9％、钢纤维15％、矿物纤维4‑10％、丁腈橡胶酚醛树脂10％、硫酸钡10％、铁矿8％、氧化铝3％、白云母6.25％、蛭石5％、石油焦14％、摩擦粉3.75％、石墨12％；经过原料准备、手动搅拌、机械搅拌、二次手动搅拌、二次机械搅拌、热压成型和固化处理，制得玄武岩纤维增强摩擦材料。利用玄武岩纤维材料本身的优异性能，以价格低廉替代价格昂贵的芳纶纤维，具有在高温工作环境中摩擦系数稳定，磨损率较低，抗热衰退性能好的优点，提高材料的耐磨性、承压性，降低了成本，硬度适中，更能满足摩擦材料的要求。
Description
技术领域
本发明涉及摩擦材料技术领域，具体涉及一种利用玄武岩纤维材料本身的优异性能，以价格低廉的玄武岩纤维替代价格昂贵的芳纶纤维的高速低载中摩擦系数玄武岩纤维增强摩擦材料及制备方法。
背景技术
国外汽车摩擦材料大致经历了三个发展阶段：第一阶段：此阶段是制动系统多为鼓式制动，以石棉为基础的摩擦材料。这种摩擦材料在发达国家的汽车工业中应用于轿车和轻型卡车制成石棉制动摩擦片，同时规定了制动的距离；第二阶段：由于石棉危害人体健康的观念日益深入人心，加上世界能源危机、汽车行驶速度的加快，促使汽车工业不得不放弃石棉摩擦材料，朝盘式制动和非石棉摩擦材料的方向去发展，这个时期是个转折的时期，既是传统石棉摩擦材料的终结，又是玄武岩纤维增强摩擦材料的开元之年，汽车摩擦材料也因此得到了长足的发展。第三阶段：从第二阶段到目前为止，汽车科技的革新，推动了汽车摩擦材料的发展，盘式制动和玄武岩纤维增强摩擦材料迅速崛起，实现了工业化生产。在汽车工业逐步朝高速、节能、高效、轻型化的方向前进这段时间里，摩擦材料工业也开发了很多无石棉摩擦材料，但是这些材料使用后仍然存在易锈蚀、磨损量大、噪音大、成本高等问题而促使研发人员对它们进行改进。这时，改进后的摩擦材料综合性能得到进一步的优化，然而，这些却还满足不了汽车工业发展的需求，因此，在保证成本和使用性能的前提下，全面提高汽车摩擦材料的性能仍然是研究者们工作的重中之重。
国内汽车摩擦材料的发展相对国外滞后些，传统的石棉摩擦制动片在我国的使用时间长于发达国家，但随着我国经济的复苏和崛起，人民生活水平的提高，推动了我国汽车工业的发展。改革开放的浪潮更是为我们提供了许多与国外先进摩擦材料制造企业和汽车厂交流的机会，使我国的摩擦材料领域有了长足的发展，在玻璃纤维、钢纤维、有机纤维等的研究中，积累了大量的宝贵经验，为我国摩擦材料的研究奠定了坚实的基础。
刹车片广泛应用于机动车辆，摩擦材料是刹车片上的关键性材料，其性能好坏直接影响制动装置的制动效果。理想的摩擦材料应有良好的热稳定性，使刹车片在高温下摩擦系数变化小，热磨损小，提高工作可靠性，延长使用寿命；有较小的制动噪音，改善车辆舒适性，减小对环境的噪音污染；另外，还应有良好的机械强度、对偶面磨损较小、环保效果好。因此，研制新型的材料配方、改善摩擦材料的性能是刹车片的研究重点和方向。
玄武岩纤维类似于玻璃纤维，与碳纤维、芳纶、超高分子量聚乙烯纤维等高技术纤维相比，除了具有高技术纤维高强度、高模量的特点外，玄武岩纤维还具有耐高温性佳、抗氧化、抗辐射、绝热隔音、过滤性好、抗压缩强度、剪切强度高、良好的绝缘性能、高的奶腐蚀性和化学稳定性，适应于各种环境下使用等优异性能，且性价比好，是一种纯天然的无机非金属材料，也是一种可以满足国民经济基础产业发展需求的新的基础材料和高技术纤维。
发明内容
针对背景技术所述面临的种种问题，本发明的目的在于提供一种高速低载中摩擦系数玄武岩纤维增强摩擦材料，提高材料的耐磨性、承压性以及减小材料的摩擦系数，降低成本，同时硬度适中，更能满足摩擦材料的要求。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种高速低载中摩擦系数玄武岩纤维增强摩擦材料，所述摩擦材料按照质量百分比包括如下组分：玄武岩纤维5-9％、钢纤维15％、矿物纤维4-10％、丁腈橡胶酚醛树脂10％、硫酸钡10％、铁矿8％、氧化铝3％、白云母6.25％、蛭石5％、石油焦14％、摩擦粉3.75％、石墨12％。
进一步地，所述玄武岩纤维摩擦材料按照质量百分比包括如下最佳组分：玄武岩纤维5％、钢纤维15％、矿物纤维8％、丁腈橡胶酚醛树脂10％、硫酸钡10％、铁矿8％、氧化铝3％、白云母6.25％、蛭石5％、石油焦14％、摩擦粉3.75％、石墨12％。
进一步地，所述玄武岩纤维增强摩擦材料采用摩擦磨损试验机测试，当试验机转速在3300r/min时，玄武岩纤维增强摩擦材料的摩擦系数μ为0.266-0.395，磨损量g为0.0-0.2,制动时间s为6.60-8.59，温度℃为59.2-87.9；当试验机转速在4200r/min时，玄武岩纤维增强摩擦材料的摩擦系数μ为0.208-0.330，磨损量g为0.0-0.1,制动时间s为10.57-13.92，温度℃为62.1-98.3；当试验机转速在5400r/min时，玄武岩纤维增强摩擦材料的摩擦系数μ为0.211-0.323，磨损量g为0.1,制动时间s为16.61-19，温度℃为65.0-89.3。
上述高速低载中摩擦系数玄武岩纤维增强摩擦材料的制备方法包括以下步骤：
a.原料准备：将玄武岩纤维增强摩擦材料的各组分原料按照质量百分比进行称量；
b.手动搅拌：依次将钢纤维、矿物纤维及酒精加入搅拌机中搅拌，然后再加入石墨进行搅拌，待混合均匀后将玄武岩纤维加入再搅拌；
c.机械搅拌：将经步骤b后的混合物用搅拌机进行机械搅拌，搅拌时长为4-6min；
d.二次手动搅拌：分别依次将剩余的组分加入搅拌机中，且丁腈橡胶酚醛树脂留在最后一个加入，加入每一组分均进行手动搅拌，使其混合均匀；
e.二次机械搅拌：将经步骤d后的混合物用搅拌机进行机械搅拌，搅拌时长为8-11分钟；
f.热压成型：将经步骤e后的混合物放到恒温鼓风干燥箱里在80℃进行预热，预热后的混合物装于模具中，对硫化机设定热压工艺：上、中、下模预热温度为165℃、预压时间40sec，卸压时间为9sec、排气次数为5次、热压压力为18MPa、压制时间为10min，接着将模具中的混合物放置在硫化机上进行预热，然后开始热压成型；
g.固化处理：将热压成型后的混合物放入电热恒温鼓风干燥箱中，降温至80℃保温2h，再升温至120℃保温1h，再次升温至140℃保温2h，继续升温至160℃保温2h，最后升温至180℃保温2h后取出，得到玄武岩纤维增强摩擦材料。
进一步地，所述的酒精加入的量为8-12mL。
进一步地，步骤f中，恒温鼓风干燥箱中预热是为了去除混合物料粉中的附着水和部分结晶水，硫化机预热是为了将混合物料粉加热到其内部反应的温度。
进一步地，硫化机的型号是25T型硫化机。
本发明的优点在于：1.利用玄武岩纤维材料本身的优异性能，以价格低廉的玄武岩纤维替代价格昂贵的芳纶纤维，具有在高温工作环境中摩擦系数稳定，磨损率较低，抗热衰退性能好的优点，提高了材料的耐磨性、承压性，降低了成本，同时硬度适中，更能满足摩擦材料的要求；2.与现有技术中的玄武岩纤维增强摩擦材料造粒制备法相比，本发明采用常规的干式制备法，具有制备时间短，生产效率高，并能较好地保护纤维的力学性能。
附图说明
图1为本发明热压成型样品(a)和试验机所需样品(b)图。
图2为本发明不同玄武岩纤维成分对样品摩擦表面的影响(a)1号样品试验前；(b)1号样品试验后；(c)2号样品试验前；(d)2号样品试验后；(e)3号样品试验前；(f)3号样品试验后；(g)4号样品试验前；(h)4号样品试验后；(i)5号样品试验前；(j)5号样品试验后。
图3为本发明不同玄武岩纤维含量对样品密度的影响的附图。
图4为本发明试样摩擦系数图和试样磨损量图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明高速低载中摩擦系数玄武岩纤维增强摩擦材料作进一步说明。
一、玄武岩纤维的性能
玄武岩可归类为火山喷出岩，在地球上储量巨大且分布极广。玄武岩纤维类似于玻璃纤维，与碳纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维等高技术纤维相比，除了具有高技术纤维高强度、高模量的特点外，玄武岩纤维还具有耐高温性佳、抗氧化、抗辐射、绝热隔音、过滤性好、抗压缩强度和剪切强度高、适应于各种环境下使用等优异性能，且性价比好，是一种纯天然的无机非金属材料，也是一种可以满足国民经济基础产业发展需求的新的基础材料和高技术纤维。
二、本发明玄武岩纤维增强摩擦材料的实验研究
目前来说，芳纶纤维最大的不足之处就在于价格昂贵。在力学性能方面玄武岩纤维和芳纶纤维几乎相同；在耐热性和耐酸碱性上，玄武岩纤维略优于芳纶纤维，但是相差不大；在价格上，玄武岩纤维一吨是3-5万元，而芳纶高达一吨20万元。因此，很有必要研究出替代价格如此昂贵的芳纶纤维的摩擦材料。
本实验通过制备玄武岩纤维摩擦材料样品，研究了摩擦材料样品组织形貌以及玄武岩纤维对硬度和摩擦磨损性能的影响，同时配合芳纶纤维对比进行实验，尝试是否可以用价格低廉的玄武岩纤维替代昂贵的芳纶纤维应用于汽车摩擦片的生产制造。
2.1实验前准备
实验仪器设备如下表1：
表1：实验用仪器设备
2.2玄武岩纤维摩擦材料与芳纶纤维摩擦材料实验对比
1)摩擦材料的制备
本实验按照下面的制备方法来制备玄武岩纤维摩擦材料的样品，芳纶纤维摩擦材料的样品也按此方法制得，样品的配方如下表2：
所述制备方法包括以下步骤：
a.原料准备：将玄武岩纤维增强摩擦材料的各组分原料按照质量百分比进行称量；
b.手动搅拌：依次将钢纤维、矿物纤维及8-12mL酒精加入搅拌机中搅拌，然后再加入石墨进行搅拌，待混合均匀后将玄武岩纤维加入再搅拌；
c.机械搅拌：将经步骤b后的混合物用搅拌机进行机械搅拌，搅拌时长为4-6min；
d.二次手动搅拌：分别依次将剩余的组分加入搅拌机中，且丁腈橡胶酚醛树脂留在最后一个加入，加入每一组分均进行手动搅拌，使其混合均匀；
e.二次机械搅拌：将经步骤d后的混合物用搅拌机进行机械搅拌，搅拌时长为8-11分钟；
f.热压成型：将经步骤e后的混合物放到恒温鼓风干燥箱里在80℃进行预热，预热后的混合物装于模具中，对25T型硫化机设定热压工艺：上、中、下模预热温度为165℃、预压时间40sec，卸压时间为9sec、排气次数为5次、热压压力为18MPa、压制时间为10min，接着将模具中的混合物放置在硫化机上进行预热，然后开始热压成型；恒温鼓风干燥箱中预热是为了去除混合物料粉中的附着水和部分结晶水，硫化机预热是为了将混合物料粉加热到其内部反应的温度；
g.固化处理：将热压成型后的混合物放入电热恒温鼓风干燥箱中，降温至80℃保温2h，再升温至120℃保温1h，再次升温至140℃保温2h，继续升温至160℃保温2h，最后升温至180℃保温2h后取出，得到玄武岩纤维增强摩擦材料。
表2：配方设计
表2中为各组分所占的比例，总组分为100份，总质量为800g。
上述配方中，样品2配方为芳纶纤维摩擦材料的成熟配方，因此，拿样品2和玄武岩纤维摩擦材料的配方进行对比。
2)测样品的制备
在本实验中，摩擦材料经热压成型后压制出来的样品为圆柱体，且底面直径为90mm,而试验机需要的样品尺寸为25mm×25mm×10mm样品，故而要对压制的样品进行加工。
加工方法是：首先，在圆柱体上勾勒出四个边长为25mm的正方形，相邻正方形间留出加工余量，然后用钢锯把其切割出来，切割得到的样品边缘还不是很平整，因此切割出来的样品需用砂轮初略打磨切割处，再经粗砂纸打磨后使其刚好能够嵌入试验机的样品槽中即可。
摩擦试验机每次测试三块样品，用于摩擦实验的面需要进行更细致的打磨，首先用粗砂纸将测试面磨平，尽量使三块样品在同一个水平面上且每块样品的摩擦面平整，再用细砂纸打磨，以求获得更便于进行实验的样品。
3)测试项目
a.样品表面形貌：使用金相显微镜观察样品表面形貌在摩擦磨损试验前后的变化，分析磨损的行驶。
b.密度：通过游标卡尺测量圆柱形样品的尺寸，电子计数称测量质量，应用密度公式计算密度。
c.硬度：使用XHR-150塑料洛氏硬度计测量样品的硬度。
d.摩擦磨损试验：本试验采用MM1000-Ⅲ型摩擦磨损试验机进行摩擦磨损试验，将试验参数设置为压力0.75MPa,惯量为0.400kgXm2样品面积为18.75cm2，样品半径为5cm后，分别用3300r/min、4200r/min和5400r/min的转速对样品进行摩擦磨损试验。
4)各样品性能测试结果及分析
a.金相分析
通过金相显微镜对样品试验后表面进行观察，可以看到原料配方中各组分结合相互结合较好，各配方样品磨后表面均有相应的磨痕，是由于摩擦材料样品中剥落的硬质填料对摩擦表面的划刻作用，形成犁沟效应。
磨损主要包括磨合磨损、黏着磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损等。在各个样品表面形貌图中可以看到，部分光滑表面上有硬质小颗粒出现在其中，故样品的磨损方式主要包括磨粒磨损和黏着磨损。
b.密度测量
总体上看，随着玄武岩纤维含量的增大，样品密度有波动但是变化不大，较平稳。不同玄武岩纤维含量对样品密度的影响(见附图3)。
表3：密度测量结果
| 样品 | 密度(g/cm3) |
| 样品1 | 2.1 |
| 样品2 | 2.1 |
| 样品3 | 2.0 |
| 样品4 | 2.1 |
| 样品5 | 2.1 |
C.硬度测试
样品硬度的测试结果显示，5组样品的硬度呈缓慢下降趋势，但是在组分为7％玄武岩的样品出现波动回升。样品硬度随着玄武岩纤维含量的增加而下降的原因主要是玄武岩纤维含量高而产生团聚。就摩擦材料来说，硬度过高和过低都不好。硬度过高容易损伤对偶片，而硬度过低会使摩擦材料强度达不到要求，容易制动失效，因此选择硬度适中的摩擦材料往往能起到较好的效果。
表4：硬度测试结果
| 样品编号 | 取样点1 | 取样点2 | 取样点3 | 取样点4 | 取样点5 | 平均值 |
| 1 | 96 | 103 | 105 | 100 | 104 | 101.6 |
| 2 | 100 | 103 | 97 | 91 | 100 | 98.2 |
| 3 | 82 | 73 | 73 | 78 | 83 | 77.8 |
| 4 | 92 | 93 | 83 | 93 | 90 | 90.2 |
| 5 | 57 | 63 | 54 | 56 | 63 | 58.6 |
d.摩擦磨损性能测试
分析摩擦磨损实验数据，可以看到样品在转速逐渐升高的过程中，摩擦系数多数呈现下降的趋势，符合摩擦磨损的规律；对比3％玄武岩纤维、3％芳纶纤维的数据可以看出，相同条件下，芳纶纤维制备的摩擦材料样品在性能上要比玄武岩纤维的好；对比分析摩擦磨损实验中所有玄武岩纤维样品，5％和9％样品的制动时间接近且较短，再对比摩擦系数、磨损量以及制动时的温度等项目，本实验可以得出玄武岩纤维制备汽车摩擦片的最佳比例在5％左右。
表5：摩擦磨损试验结果(并参见附图4)
三、结论
a.随着玄武岩纤维含量的增加，团聚现象越明显，导致摩擦材料整体较为疏松，因而摩擦材料具有较大的孔隙度，故随着玄武岩纤维含量的增加样品的硬度呈现下降的趋势。
b.对样品1、2实验结果的分析表明，在含量相同的情况下，当转速一样时，芳纶纤维的样品能获得较高摩擦系数且磨损量也比玄武岩的少，制动时间也比较好。因此，在同等条件下，芳纶纤维摩擦材料比玄武岩纤维摩擦材料具有更优越的性能。
c.对样品1、3、4、5实验结果的分析表明，样品3、5能获得较好的性能。两者的制动时间和摩擦系数相差不大，但是样品3的磨损量较小，同时硬度适中，更能满足摩擦材料的要求，所以实验认为玄武岩纤维掺入的最佳比例是5％。在掺入玄武岩纤维为增强纤维的摩擦材料中，主要的磨损方式为黏着磨损和磨粒磨损。
因此，得出本发明玄武岩纤维增强摩擦材料为上面样品3-5的配方，在加大玄武岩纤维掺入量的情况，能发挥出玄武岩纤维材料本身的优异性能，成功地替代了价格昂贵的芳纶纤维。
Claims (6)
1.一种高速低载中摩擦系数玄武岩纤维增强摩擦材料的制备方法，其特征在于：所述玄武岩纤维增强摩擦材料按照质量百分比包括如下组分：玄武岩纤维5-9％、钢纤维15％、矿物纤维4-10％、丁腈橡胶酚醛树脂10％、硫酸钡10％、铁矿8％、氧化铝3％、白云母6.25％、蛭石5％、石油焦14％、摩擦粉3.75％、石墨12％；
所述增强摩擦材料的制备方法包括以下步骤：
a.原料准备：将玄武岩纤维增强摩擦材料的各组分原料按照质量百分比进行称量；
b.手动搅拌：依次将钢纤维、矿物纤维及酒精加入搅拌机中搅拌，然后再加入石墨进行搅拌，待混合均匀后将玄武岩纤维加入再搅拌；
c.机械搅拌：将经步骤b后的混合物用搅拌机进行机械搅拌，搅拌时长为4-6min；
d.二次手动搅拌：分别依次将剩余的组分加入搅拌机中，且丁腈橡胶酚醛树脂留在最后一个加入，加入每一组分均进行手动搅拌，使其混合均匀；
e.二次机械搅拌：将经步骤d后的混合物用搅拌机进行机械搅拌，搅拌时长为8-11分钟；
f.热压成型：将经步骤e后的混合物放到恒温鼓风干燥箱里在80℃进行预热，预热后的混合物装于模具中，对硫化机设定热压工艺：上、中、下模预热温度为165℃、预压时间40sec，卸压时间为9sec、排气次数为5次、热压压力为18MPa、压制时间为10min，接着将模具中的混合物放置在硫化机上进行预热，然后开始热压成型；
g.固化处理：将热压成型后的混合物放入电热恒温鼓风干燥箱中，降温至80℃保温2h，再升温至120℃保温1h，再次升温至140℃保温2h，继续升温至160℃保温2h，最后升温至180℃保温2h后取出，得到玄武岩纤维增强摩擦材料。
2.根据权利要求1所述的高速低载中摩擦系数玄武岩纤维增强摩擦材料的制备方法，其特征在于：所述玄武岩纤维增强摩擦材料按照质量百分比包括如下最佳组分：玄武岩纤维5％、钢纤维15％、矿物纤维8％、丁腈橡胶酚醛树脂10％、硫酸钡10％、铁矿8％、氧化铝3％、白云母6.25％、蛭石5％、石油焦14％、摩擦粉3.75％、石墨12％。
3.根据权利要求1或2所述的高速低载中摩擦系数玄武岩纤维增强摩擦材料的制备方法，其特征在于：所述玄武岩纤维增强摩擦材料采用摩擦磨损试验机测试，当试验机转速在3300r/min时，玄武岩纤维增强摩擦材料的摩擦系数μ为0.266-0.395，磨损量g为0.0-0.2,制动时间s为6.60-8.59，温度℃为59.2-87.9；当试验机转速在4200r/min时，玄武岩纤维增强摩擦材料的摩擦系数μ为0.208-0.330，磨损量g为0.0-0.1,制动时间s为10.57-13.92，温度℃为62.1-98.3；当试验机转速在5400r/min时，玄武岩纤维增强摩擦材料的摩擦系数μ为0.211-0.323，磨损量g为0.1,制动时间s为16.61-19，温度℃为65.0-89.3。
4.根据权利要求1所述的高速低载中摩擦系数玄武岩纤维增强摩擦材料的制备方法，其特征在于：所述的酒精加入搅拌机中的量为8-12mL。
5.根据权利要求1所述的高速低载中摩擦系数玄武岩纤维增强摩擦材料的制备方法，其特征在于：在步骤f中，恒温鼓风干燥箱中预热是为了去除混合物料粉中的附着水和部分结晶水，硫化机预热是为了将混合物料粉加热到其内部反应的温度。
6.根据权利要求1所述的高速低载中摩擦系数玄武岩纤维增强摩擦材料的制备方法，其特征在于：所述硫化机的型号是25T型硫化机。
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