CN105909707B - 一种含石墨烯高性能摩擦材料组合物 - Google Patents
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Abstract
一种含石墨烯高性能摩擦材料组合物，其特征是该组合物由氨基硅烷、水合硅酸钙、聚丙烯腈纤维、电熔氧化锆、芳仑纤维、麻纤维、膨胀蛭石、陶瓷纤维、磁铁矿、石墨烯等按重量比制成：本发明具有绿色环保，抗高温热衰退性能好，耐磨性能良好，摩擦系数稳定，使用寿命长等特点。本发明通过对多种成分进行合理的搭配,确保各材料的优点在摩擦材料中得到充分的发挥。并且配方中没有重金属物质，对环境非常友好。
Description
技术领域
本发明涉及汽车刹车片的摩擦材料组合物，尤其是涉及一种含石墨烯高性能摩擦材料组合物。
背景技术
随着汽车工业的快速发展，车辆的安全、环境保护尤为重要，人们对刹车片的环保性能越来越高，目前市面上出现了许多新型的高性能刹车片，但是在提高了刹车性能的同时，对生活环境产生了巨大的影响，刹车噪音和有害气体的排放得不到有效的控制。现在我们使用的汽车刹车片所使用的摩擦材料中含有很多重金属物质，包括锑、铬、镉、铜、钡、铜等重金属。汽车在每次刹车过程中，就有少量的重金属粉尘释放并积累在环境中造成危害。如镉化合物经呼吸被体内吸收积存于肝或肾脏中，对人体肾脏、肝脏造成危害。含铜粉尘进入环境后可以对鱼类造成生物毒害。硫酸钡对环境有危害，对大气可造成污染。而锑对环境的危害也不小，刹车片中含有大量的重金属锑，有的刹车片含量可以达到4-5%，尤其对水体环境会造成长期不良影响。早在1979年，锑就进入了美国环保部的优先控制污染物名单，2002年美国地质调查局就发现，由于刹车片会随着车辆的使用而持续损耗，造成锑持续不断地进入环境中。日本研究者也发现，城市空气中的微小颗粒物就含有大量的锑，其中的一个主要来源就是刹车片。
2007年，中国环保部颁布的《展览会用地土壤环境质量评价标准》中，把锑在土壤中的含量作为一个评价标准，规定锑的含量不得高于12mg/kg（A级）和82mg/kg（B级）。
2013年，据《新京报》报道，北京密云县大辛庄村段一片上百亩的杨树林里出现了二三十个大坑，大量废弃刹车片被倾倒其中，结果大坑周边数十米内寸草不生，原有的杨树朝向坑的一面全都裂开巴掌大的口子，像被硫酸泼过的面孔。这个案例造成的影响是深远地，因此不能不引起汽车零部件制造商的重视，我们必须在保证刹车片性能的前提下，找到更加安全，有效和环保的摩擦材料来替代重金属，以顺应人类对环境保护日益严格的要求。
发明内容
本发明提供一种制动噪音低、重金属含量低、磨损率低、热传导效果好、抗热衰退性能高的摩擦材料组合物，以解决现有汽车刹车片中的磨损率高、高温制动不稳定、刹车时产生低频噪音、对环境危害较大等技术问题。
为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案是：
一种含石墨烯高性能摩擦材料组合物，其特征是该组合物由下列组分按重量比制成：氨基硅烷2～3份、水合硅酸钙4～5.5份、聚丙烯腈纤维5～6份、电熔氧化锆0.2～0.3份、芳仑纤维4～6份、麻纤维2～2.5份、膨胀蛭石5～6份、陶瓷纤维8～10份、磁铁矿3.5～5份、石墨烯5～8份、硼酚醛树脂7～8份、苯并噁嗪树脂3～5份，硫酸钙晶须15～17份、钛酸钾晶须16～18份、鳞片石墨5.5～7份、腰果油摩擦粉6～8份、煅烧石油焦碳6～8份、氮化硼1.5～2份、鳞片铝粉5～7份、纳米二氧化钛3～5份、碳化硅0.4～0.6份、碳化钽1～2份、纳米氧化锌1～2份、三氧化钼1～2份。
作为优选，所述组合物由下列组分按重量比制成：按重量比将氨基硅烷3份、水合硅酸钙5.5份、聚丙烯腈纤维6份、电熔氧化锆0.3份、芳仑纤维5份、麻纤维2.2份、膨胀蛭石5.5份、陶瓷纤维8.5份、磁铁矿4份、6份石墨烯、硼酚醛树脂7份、苯并噁嗪树脂4份、硫酸钙晶须17份、钛酸钾晶须18份、鳞片石墨7份、腰果油摩擦粉8份、煅烧石油焦碳8份、氮化硼1.8份、鳞片铝粉6份、纳米二氧化钛4.2份、碳化硅0.5份、碳化钽1.5份、纳米氧化锌1.5份、三氧化钼1.5份。
以下是采用上述摩擦材料组合物制作刹车片的方法：按重量比将各组分倒入高速分散机内，搅拌成均匀分散的粉末状摩擦材料组合物，然后取出该摩擦材料组合物放入成形模具内压制成形，再与钢背复合后放入平板硫化机于高温250℃，压力为25MPa的条件下保持15分钟，最后取出刹车片，除去毛刺即成为成品。
本发明具有绿色环保，抗高温热衰退性能好，耐磨性能良好，摩擦系数稳定，使用寿命长等特点。本发明通过对多种成分进行合理的搭配,确保各材料的优点在摩擦材料中得到充分的发挥。并且配方中没有重金属物质，对环境非常友好。摩擦材料组合物中多种新材料，尤其以芳仑纤维、聚丙烯腈纤维、纳米二氧化钛、碳石墨烯的复合，不仅能相互弥补其各自性能的不足，还会协同作用而形成快速散热、稳定摩擦系数、减少刹车片形变等高性能。工作过程中，刹车片形成更加优异的摩擦层和转移膜，使得小汽车刹车灵敏，制动平稳，无制动尖叫声，舒适性能较好，刹车过程对刹车盘无损伤。
具体实施方式
下面通过实施例，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例1：按重量比将氨基硅烷2.5份(每份1000克，下同）、水合硅酸钙4份、聚丙烯腈纤维5.5份、电熔氧化锆0.2份、芳仑纤维4份、麻纤维2.5份、膨胀蛭石6份、陶瓷纤维9份、磁铁矿3.5份、石墨烯5份、硼酚醛树脂7.5份、苯并噁嗪树脂5份、硫酸钙晶须16份、钛酸钾晶须16份、鳞片石墨5.5份、腰果油摩擦粉6份、煅烧石油焦碳6份、氮化硼2份、鳞片铝粉5份、纳米二氧化钛3份、碳化硅0.6份、碳化钽1份、纳米氧化锌2份、三氧化钼2份倒入高速分散机内，搅拌成均匀分散的粉末状摩擦材料组合物，然后取出该摩擦材料组合物放入成形模具内压制成形，再与钢背复合后放入平板硫化机于高温250℃，压力为25MPa的条件下保持15分钟，最后取出刹车片，除去毛刺即成为成品。
实施例2：按重量比将氨基硅烷2份、水合硅酸钙4.55份、聚丙烯腈纤维5份、电熔氧化锆0.25份、芳仑纤维4.5份、麻纤维2.0份、膨胀蛭石5份、陶瓷纤维10份、磁铁矿5份、石墨烯8份、硼酚醛树脂7.4份、苯并噁嗪树脂3份、硫酸钙晶须15份、钛酸钾晶须17份、鳞片石墨6.5份、腰果油摩擦粉7.5份、煅烧石油焦碳7份、氮化硼1.5份、鳞片铝粉7份、纳米二氧化钛5份、碳化硅0.4份、碳化钽2份、纳米氧化锌1份、三氧化钼1份倒入高速分散机内，搅拌成均匀分散的粉末状摩擦材料组合物，然后取出该摩擦材料组合物放入成形模具内压制成形，再与钢背复合后放入平板硫化机于高温250℃，压力为25MPa的条件下保持15分钟，最后取出刹车片，除去毛刺即成为成品。
实施例3：按重量比将氨基硅烷3份、水合硅酸钙5.5份、聚丙烯腈纤维6份、电熔氧化锆0.3份、芳仑纤维5份、麻纤维2.2份、膨胀蛭石5.5份、陶瓷纤维8.5份、磁铁矿4份、石墨烯6份、硼酚醛树脂7份、苯并噁嗪树脂4份、硫酸钙晶须17份、钛酸钾晶须18份、鳞片石墨7份、腰果油摩擦粉8份、煅烧石油焦碳8份、氮化硼1.8份、鳞片铝粉6份、纳米二氧化钛4.2份、碳化硅0.5份、碳化钽1.5份、纳米氧化锌1.5份、三氧化钼1.5份倒入高速分散机内，搅拌成均匀分散的粉末状摩擦材料组合物，然后取出该摩擦材料组合物放入成形模具内压制成形，再与钢背复合后放入平板硫化机于高温250℃，压力为25MPa的条件下保持15分钟，最后取出刹车片，除去毛刺即成为成品。
上述各实施例所选用材料说明：
石墨烯具有极高的耐磨性和导热系数, 在摩擦层中嵌入石墨烯可使得摩擦层局部热点温度大幅下降。
氨基硅烷为增粘剂，其导热性好，它具有两种功能团，即氨基和乙氧基；其中三个可水解基团（乙氧基），在反应中先水解生成硅醇，由于硅醇不稳定，极易与无机物或金属表面的羟基结合脱水，从而与无机物或金属结合起来；氨基上带有两个活泼氢可以和各种聚合物发生反应，从而通过化学键将不同性质的材料紧密的结合起来，使摩擦组合材料之间的结合更加的紧密,从而提高摩擦材料的稳定性。
水合硅酸钙用于增加孔隙率，增加热稳定性，提高摩擦系数的稳定性，改善抗衰退性能，降低刹车片的磨耗及刹车盘的粗造度，降低制动噪音污染，保护生活环境。
电熔氧化锆耐高温性极好，有利于刹车片高温摩擦性能的稳定增长；硬度高，掺用少量比例就可以达到要求的增摩效果；颗粒韧性好，耐磨性物佳，能够降低刹车片的磨损率，延长使用寿命。
聚丙烯腈纤维的主要用途是作炉衬和耐火材料，它能耐高温、硬度中度偏高及定型性极好的特点，与其它类型的氧化镁相比，除了在改善高温摩擦性能方面效果更佳以外，还不易产生刹车噪音，可用作摩擦材料的摩擦性能调节剂。
芳仑纤维具有高强度、高模量和耐高温、耐酸耐碱、重量轻等优良性能。其强度是钢丝的5～6倍，模量为钢丝或玻璃纤维的2～3倍，韧性是钢丝的2倍，而重量仅为钢丝的1/5左右，在560℃的温度下，不分解、不融化。采用芳仑纤维制成的刹车片具有良好的耐热性和抗剪、抗弯强度，制动效果好等特点。
麻纤维(60～80目)作为弹性填料用于摩擦材料中，起着增磨减噪的效果。
膨胀蛭石（40~120目）具有质量轻、耐磨、吸音、耐高温及高孔隙率，用来改善摩擦材料的高温性能和减震效果，使汽车制动更加平稳。
陶瓷纤维采用优质硅酸铝纤维经过短切加工而成的人造矿物纤维。具有重量轻、环保、耐高温、热稳定性好、导热率低、比热小及耐机械震动、抗拉抗折强度高等优点，可以大大提高摩擦材料在制造和使用过程中的稳定性。以上实施例中的陶瓷纤维可以选用中国江苏省常州丰润特种纤维有限公司生产的高铝型（氧化铝≥65%）陶瓷纤维。
磁铁矿(300～350目)作为摩阻材料，用于摩擦材料中可增加摩擦系数。
硼酚醛树脂的耐热性、瞬时耐高温性、耐烧蚀性和力学性能比普通酚醛树脂好得多，使材料的热衰退性能、恢复性能、磨损性能和机械性能得以提高。硼改性酚醛树脂的合成的方法有多种，其中最主要的一种方法是：先将硼酸与苯酚进行酯化反应，生成硼酸苯酚酯，再与甲醛反应生成硼改性酚醛树脂。
硫酸钙晶须（1～6μm，长径比≥30），集增强纤维和超细无机填料二者的优势于一体，具有高强度、高模量、高韧性、高绝缘性、耐磨耗、耐高温、耐酸碱、抗腐蚀、红外线反射性良好、易于表面处理、易与聚合物复合、无毒等诸多优良的理化性能。硫酸钙晶须制备的刹车片具有降低有机物在高温时的热分解造成的热衰退现象，其摩擦系数稳定，使用过程中制动舒适，无噪音产生，产品磨耗小。以上实施例中的硫酸钙晶须可以选用中国安徽省合肥健坤化工有限公司提供的硫酸钙晶须。
钛酸钾晶须可用作绝热材料，与石棉相比，磨耗量约减少32%。
鳞片石墨(60～80目)用于摩擦材料能减小摩擦材料的热衰退，稳定摩擦材料的摩擦系数。以上实施例中的鳞片石墨可以选用中国河南省内乡县道川石墨矿提供的含碳量为94.99%的鳞片石墨。
摩擦材料中加入一定比列的煅烧石油焦碳（20～30目）能使摩擦材料具有完美的综合性能，有利于防止金属粘着，提高摩擦性能。另外，该焦碳的气空率较高，可以提高摩擦材料的摩擦系数，减少制动噪音，减轻高温时摩擦材料的热衰退。
氮化硼(250～300目)具有润滑性好、热膨胀系数小,化学稳定性高等特点,尤其是它的热导率与不锈钢相当。
鳞片铝粉（40～80目）比较柔软、比重轻。在摩擦材料中起到稳定摩擦系数和降低磨损的作用。在摩擦过程中金属铝的熔化吸收了大量的热能，起到了散热的作用；并且不伤盘，可延长刹车系统的使用寿命。以上实施例中的鳞片铝粉可以选用中国江苏省常州丰润特种纤维有限公司提供的鳞片铝粉。
碳化硅高温性能特别稳定，即使在较高的温度下，它能保持非常好的摩擦系数，碳化硅与少量的纳米二氧化钛组合就能有效的降低摩擦材料高温制动的衰退性。以上实施例中的碳化硅可以选用中国河南安阳佳鑫耐材有限公司提供的纯度为98.50%的黑碳化硅。
为了验证本发明的效果，按中国GB5763～1998国家标准，将实施例1制备的用于刹车片的含石墨烯高性能摩擦材料组合物与德国某公司生产的无金属刹车片分别在定速摩擦实验机上进行试验，其结果如下：
验证结果表明：相比国外同类产品，采用本发明配方制备的用于刹车片的含石墨烯高性能摩擦材料组合物，具有更好的摩擦磨损性能和抗高温热衰退性能。此外，对实施例2、3制备的陶瓷刹车片分别进行测试，均有着与实施例1相似的优异性能。
为了进一步验证本发明效果，发明人将本发明制备的刹车片安装在宝马5系车上进行刹车制动试验，经过五名驾驶员（驾龄均在15年以上）反复制动，均确认本发明制备的刹车片灵敏,制动平稳，同时无噪音，乘坐的舒适极佳。
最后，应当指出，以上具体实施方式仅是本发明较有代表性的例子。显然，本发明不限于上述具体实施方式，还可以有许多变形。凡是依据本发明的技术实质对以上具体实施方式所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均应认为属于本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种含石墨烯高性能摩擦材料组合物，其特征是该组合物由下列组分按重量比制成：氨基硅烷2～3份、水合硅酸钙4～5.5份、聚丙烯腈纤维5～6份、电熔氧化锆0.2～0.3份、芳仑纤维4～6份、麻纤维2～2.5份、膨胀蛭石5～6份、陶瓷纤维8～10份、磁铁矿3.5～5份、石墨烯5～8份、硼酚醛树脂7～8份、苯并噁嗪树脂3～5份，硫酸钙晶须15～17份、钛酸钾晶须16～18份、鳞片石墨5.5～7份、腰果油摩擦粉6～8份、煅烧石油焦炭 6～8份、氮化硼1.5～2份、鳞片铝粉5～7份、纳米二氧化钛3～5份、碳化硅0.4～0.6份、碳化钽1～2份、纳米氧化锌1～2份、三氧化钼1～2份。
2.根据权利要求1所述的一种含石墨烯高性能摩擦材料组合物，其特征是该组合物由下列组分按重量比制成：按重量比将氨基硅烷3份、水合硅酸钙5.5份、聚丙烯腈纤维6份、电熔氧化锆0.3份、芳仑纤维5份、麻纤维2.2份、膨胀蛭石5.5份、陶瓷纤维8.5份、磁铁矿4份、6份石墨烯、硼酚醛树脂7份、苯并噁嗪树脂4份、硫酸钙晶须17份、钛酸钾晶须18份、鳞片石墨7份、腰果油摩擦粉8份、煅烧石油焦炭 8份、氮化硼1.8份、鳞片铝粉6份、纳米二氧化钛4.2份、碳化硅0.5份、碳化钽1.5份、纳米氧化锌1.5份、三氧化钼1.5份。
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