CN106928649B - 陶瓷颗粒复合树脂基抗热衰退摩擦材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种新型超大粒径陶瓷颗粒复合树脂基抗热衰退摩擦材料，组成包括树脂基摩擦材料基体及陶瓷颗粒；树脂基摩擦材料基体的组成包括粘结剂、增强组分、摩擦改性剂和填料；陶瓷颗粒粒径为1.0～5.0mm。本发明还提供了上述新型陶瓷颗粒复合树脂基抗热衰退摩擦材料制备方法，将树脂基摩擦材料粉料的各组分按比例混合均匀后加入陶瓷颗粒，混匀，热压成型后，进行热处理，得到新型陶瓷颗粒复合树脂基抗热衰退摩擦材料。本发明所制得陶瓷颗粒复合树脂基摩擦材料具有很好可加工性，树脂基体与陶瓷颗粒界面结合十分良好，制成的汽车制动片成品具有优良的摩擦学性能：良好的抗热衰退性、稳定的摩擦系数、较低的磨耗以及对偶磨损等。
Description
技术领域
本发明涉及抗热衰退摩擦材料及其制备方法，尤其涉及一种新型的超大粒径陶瓷颗粒复合树脂基摩擦材料及其制备方法。
背景技术
车辆用制动片和离合器衬片起着传动、转向、减速和制动等作用，直接关系到行驶安全，所以越来越引起汽车厂商和摩擦材料行业的密切关注。树脂基摩擦材料是目前汽车零配件市场上应用最为广泛的摩擦材料，它以树脂作为粘结剂，将其它组分联结在一起而形成。但是由于摩擦材料在工作时会将大量的动能转化为热能，使得摩擦材料表面温度剧烈升高，这会导致此类摩擦材料中的树脂等有机组分发生降解，从而使得摩擦材料系数骤降，降低制动效率，即所谓的“热衰退”现象，给驾驶人带来安全隐患。因此，近年来国内外很多同行都在致力于解决树脂基摩擦材料高温“热衰退”的问题。陶瓷因其良好的热稳定性和较高的硬度，引起了许多行内人士的关注，例如Tong Zhang、MK.Abdul和VlastimilMatejka等人先后在《Wear》杂志上发表过相关论文，更有许多陶瓷摩擦材料的相关专利问世，其设计理念是把陶瓷组分定位成摩擦性能调节剂添加到树脂基摩擦材料中用以稳定高温阶段的摩擦系数。另外，他们的研究及发明所涉及的陶瓷组分都是属于纳米或者微米级别的微小颗粒。
发明内容
本发明的目的是提供一种超大粒径陶瓷颗粒复合树脂基摩擦材料及其制备方法，相比于前人之前的应用对象为小粒径(<200μm)陶瓷颗粒，我们颠覆了传统的设计理念，采用大粒径颗粒陶瓷与树脂基摩擦材料复合，形成了具有维持宏尺度陶瓷独立结构的复合摩擦材料。
为了达到上述目的本发明提供了一种新型陶瓷颗粒复合树脂基抗热衰退摩擦材料，其组成包括树脂基摩擦材料基体及陶瓷颗粒；
所述树脂基摩擦材料基体的组成及质量分数为：粘结剂5～40％、增强组分5～10％、摩擦改性剂10～30％和填料30～80％；
所述粘结剂为酚醛树脂或者改性酚醛树脂中的一种或两种混合，所述增强组分为短切碳纤维、纳米碳管、玻璃纤维、芳纶纤维、钛酸钾纤维中的一种或几种的混合；
所述填料优选矿石组分，最优情况下，选择重晶石、硅灰石中的一种或两种混合；
所述摩擦改性剂主要功能是提高材料整体的导热性能、降低陶瓷颗粒对对偶的磨损、预防噪音，优选石墨、二硫化钼、蛭石、铝粉、铜粉中的一种或几种混合。
蛭石可有效预防噪音，有噪音产生时，添加少量蛭石。
所述陶瓷颗粒加入量与所述粘结剂的体积比为(1～10)：1；所述陶瓷颗粒的粒径为1.0～5.0mm；
优选方式下，所述陶瓷颗粒可以为单一粒径或1.0～5.0mm范围内任意粒径混杂；所述陶瓷颗粒的形状为球形、方形、不规则状中的一类或几类混杂；所述陶瓷颗粒优选氧化铝、氧化硅、氮化硅、氮化硼、氧化锆陶瓷中一种或几种混合。
本发明还提供了上述新型陶瓷颗粒复合树脂基抗热衰退摩擦材料的制备方法，将所述树脂基摩擦材料的各组分粉料按比例混合均匀后加入所述陶瓷颗粒，混匀；之后，将混匀的材料置入预先加热好的模具中进行热压成型；最后，对热压成型的坯料进行热处理；
所述树脂基摩擦材料粉料的组成及质量分数为：粘结剂5～40％、增强组分5～10％、摩擦改性剂10～30％和填料30～80％；
所述粘结剂为酚醛树脂或者改性酚醛树脂中的一种或两种混合，所述增强组分为短切碳纤维、纳米碳管、玻璃纤维、芳纶纤维、钛酸钾纤维中的一种或几种的混合；
所述填料优选矿石组分，最优情况下，选择重晶石、硅灰石中的一种或两种混合；
所述摩擦改性剂主要功能是提高材料整体的导热性能、降低陶瓷颗粒对对偶的磨损、预防噪音等，优选石墨、二硫化钼、蛭石、铝粉、铜粉中的一种或几种混合。
所述陶瓷颗粒加入量与所述粘结剂的体积比为(1～10)：1；所述陶瓷颗粒的粒径为1.0～5.0mm；
优选方式下，所述陶瓷颗粒可以为单一粒径或1.0～5.0mm范围内任意粒径混杂；所述陶瓷颗粒的形状为球形、方形、不规则状中的一类或几类混杂；所述陶瓷颗粒优选氧化铝、氧化硅、氮化硅、氮化硼、氧化锆陶瓷中一种或几种混合。
优选方式下，所述陶瓷颗粒与所述树脂基摩擦材料粉料可以采用搅拌混料机混合，搅拌速度不宜过快，角速度小于等于60r/min，避免损伤陶瓷颗粒，所述混料机采用三维混料机、V型混料机或者自行设计的混料设备；也可以采用湿法混合，即向所述树脂基摩擦材料粉料中加入水或其他非极性溶剂制成浆料，然后再与陶瓷颗粒混合，混合均匀后烘干。
优选方式下，所述热压成型的条件为：成型温度保持在150～180℃范围内；压力范围为15～50MPa；保压时间大于等于30min。
优选方式下，所述热处理温度保持在150～180℃范围内，热处理时间大于等于6h。
相比于现有技术，本发明具有如下优势：
1、本发明所制得陶瓷颗粒复合树脂基摩擦材料具有很好可加工性，树脂基体与陶瓷颗粒界面结合十分良好。
2、本发明所制得汽车制动片与普通树脂基摩擦材料相比，其摩擦系数更加稳定，尤其是在高温阶段具有良好的抗热衰退性；并且，其对于对偶的磨损也没有恶化，表现温和。
3、相比于传统，本发明采用超大粒径陶瓷颗粒复合树脂基摩擦材料；陶瓷颗粒不再是仅仅被用作填料或者调节剂，以组份形式存在，而是以大颗粒的独立完整形态作为承载摩擦的主体，并与树脂基摩擦材料协同抵抗摩擦负荷；既能充分发挥自身耐高温和热稳定性好的优势，又能利用树脂基摩擦材料弥补自身的脆性缺陷。
综上，由本发明所制成的汽车制动片成品具有优良的摩擦学性能：良好的抗热衰退性、稳定的摩擦系数、较低的磨耗以及对偶磨损等。
附图说明
图1为实施例2陶瓷颗粒复合树脂基摩擦材料的成品样本；
图2为实施例1陶瓷颗粒复合树脂基摩擦材料扫描电子显微镜图；
图3为实施例1陶瓷颗粒复合树脂基摩擦材料和国内某知名品牌一款同等成本普通树脂基摩擦材料摩擦性能的对比结果。
具体实施方式
下面结合具体案例对本发明进行详细说明。
实施例1
选用腰果壳油改性酚醛树脂作为粘结剂，其质量分数为35％；选用芳纶纤维和玻璃纤维混杂作为增强组分，两者的质量分数分别为5％和5％；以重晶石作为空间填料以降低生产成本，其质量分数为40％；添加5％的铝粉用以增加材料整体的导热系数；添加5％的石墨以降低陶瓷颗粒对于对偶的磨损；添加5％的蛭石用以降低材料在摩擦过程中可能会产生的噪音。然后将上述组分置于高速混料机中进行混合，混合时间3min，形成混合均匀的树脂基摩擦材料粉料。选用不规则氧化硅陶瓷颗粒作为增强陶瓷，先对陶瓷颗粒过筛，选取1-1.5mm之间的颗粒，陶瓷颗粒用量与树脂用量有关，每70g树脂基摩擦材料粉料加入60g陶瓷颗粒(陶瓷颗粒与粘结剂体积比为6:1)。之后，将树脂基摩擦材料粉料和陶瓷颗粒的混合料置于三维搅拌机中搅拌，搅拌速度为30r/min，搅拌时间3min。将上述混合料置于预先加热好的模具中进行热压成型，温度维持在160℃，压力为20MPa，保压1h。最后，将胚料取出进行热处理，温度为165℃，时间为24h。其摩擦磨损性能如下表所示，摩擦系数随温度的变化波动很小，在高温阶段没有出现热衰退现象；其本身的耐磨损性能非常好，在整个测试过程中磨损量极低；对偶的磨损量处于正常水平。
图2为实施例1陶瓷颗粒复合树脂基摩擦材料在扫描电子显微镜视场中的微观形貌，由图可知，树脂基体和陶瓷颗粒界面结合完美。
实施例1
实施例2
选用丁腈橡胶改性酚醛树脂作为粘结剂，其质量分数为30％；选用短切碳纤维和玻璃纤维的混合物作为增强组分，两者的质量分数分别为5％和5％；以硅灰石作为空间填料，其质量分数为30％；添加5％的铝粉和5％的铜粉，用以增加材料整体的导热系数；添加5％的石墨和5％的二硫化钼提高材料的润滑效果，降低材料对对偶的磨损；添加10％的蛭石，降低材料在摩擦过程中可能会产生的噪音。然后将上述组分置于高速混料机中进行混合，混合时间5min，形成混合均匀的树脂基摩擦材料粉料。选用球形氧化铝陶瓷颗粒作为复合陶瓷，对陶瓷颗粒过筛，选取1.5-2mm之间的颗粒，陶瓷颗粒用量依据树脂用量，每70g树脂基摩擦材料粉料加入50g陶瓷颗粒(陶瓷颗粒与粘结剂体积比为(8:1)。之后，将树脂基摩擦材料粉料和陶瓷颗粒的混合料置于三维搅拌机中搅拌，搅拌速度为30r/min，搅拌时间3min。将上述混合料置于预先加热好的模具中进行热压成型，温度维持在160℃，压力为20MPa,保压1h。最后，将胚料取出进行热处理，温度为165℃，时间为24h。其摩擦磨损性能如下表所示，摩擦系数随温度的变化波动很小，在高温阶段没有出现热衰退现象；其本身和对偶的磨损都很低。
图1为实施例2陶瓷颗粒复合树脂基摩擦材料的成品样本，由图可知，本发明所得材料具有优良的可加工性。
实施例2
实施例3
选用腰果壳油改性酚醛树脂作为粘结剂，其质量分数为10％；选用短切碳纤维和纳米碳管的混合物作为增强组分，两者的质量分数分别为5％和5％；以硅灰石作为空间填料，其质量分数为50％；添加5％的铝粉和5％的铜粉，用以增加材料整体的导热系数；添加5％的石墨和5％的二硫化钼提高材料润滑性；添加10％的蛭石，降低材料在摩擦过程中可能会产生的噪音。然后将上述组分置于高速混料机中进行混合，混合时间5min，形成混合均匀的树脂基摩擦材料粉料。选用不规则氧化铝陶瓷和二氧化硅陶瓷混杂颗粒作为复合陶瓷，对陶瓷颗粒过筛，选取2mm的颗粒，陶瓷颗粒用量依据树脂用量，每70g树脂基摩擦材料粉料各加入30g上述两种陶瓷颗粒(陶瓷颗粒与粘结剂体积比为10:1)。之后，将树脂基摩擦材料粉料和陶瓷颗粒的混合料置于三维搅拌机中搅拌，搅拌速度为30r/min，搅拌时间3min。将上述混合料置于预先加热好的模具中进行热压成型，温度维持在160℃，压力为20MPa，保压1h。最后，将胚料取出进行热处理，温度为165℃，时间为24h。其摩擦磨损性能见下表，摩擦系数随温度的变化波动很小，在高温阶段没有出现热衰退现象；其本身和对偶的磨损都很低。
实施例3
实施例4
选用丁腈橡胶改性酚醛树脂作为粘结剂，其质量分数为30％；选用短切碳纤维和钛酸钾纤维的混合物作为增强组分，两者的质量分数分别为5％和5％；以硅灰石作为空间填料，其质量分数为30％；添加5％的铝粉和％5的铜粉，用以增加材料整体的导热系数；添加5％的石墨和5％的二硫化钼用以降低材料对对偶的磨损；添加10％的蛭石，降低材料在摩擦过程中可能会产生的噪音。然后将上述组分置于高速混料机中进行混合，混合时间5min，形成混合均匀的树脂基摩擦材料粉料。选用球形氧化锆陶瓷颗粒作为复合陶瓷，对陶瓷颗粒过筛，选取1.5mm之间的颗粒，陶瓷颗粒用量依据树脂用量，每70g树脂基摩擦材料粉料加入50g陶瓷颗粒(陶瓷颗粒与粘结剂体积比为5:1)。之后，将树脂基摩擦材料粉料和陶瓷颗粒的混合料置于三维搅拌机中搅拌，搅拌速度为30r/min，搅拌时间3min。将上述混合料置于预先加热好的模具中进行热压成型，温度维持在170℃，压力为40MPa,保压30min。最后，将胚料取出进行热处理，温度为170℃，时间为24h。其摩擦磨损性能如下所示，摩擦系数随温度的变化波动很小，在高温阶段没有出现热衰退现象；其本身和对偶的磨损都很低。
实施例4
实施例5
选用丁腈橡胶和腰果壳油改性酚醛树脂作为粘结剂，其质量分数为30％；选用芳纶纤维和玻璃纤维的混合物作为增强组分，两者的质量分数分别为5％和5％；以硅灰石作为空间填料，其质量分数为30％；添加5％的铝粉和％5的铜粉，用以增加材料整体的导热系数；添加5％的石墨和5％的二硫化钼提高材料的润滑性，降低材料对对偶的磨损；添加10％的蛭石，降低材料在摩擦过程中可能会产生的噪音。然后将上述组分置于高速混料机中进行混合，混合时间5min，形成混合均匀的树脂基摩擦材料粉料。选用不规则氮化硅陶瓷颗粒作为复合陶瓷，对陶瓷颗粒过筛，选取4mm的颗粒，陶瓷颗粒用量依据树脂用量，每70g树脂基摩擦材料粉料加入60g陶瓷颗粒(陶瓷颗粒与粘结剂的体积比为4:1)。之后，将树脂基摩擦材料粉料和陶瓷颗粒的混合料置于三维搅拌机中搅拌，搅拌速度为30r/min，搅拌时间3min。将上述混合料置于预先加热好的模具中进行热压成型，温度维持在165℃，压力为30MPa,保压1h。最后，将胚料取出进行热处理，温度为170℃，时间为6h。其摩擦磨损性见下表所示，摩擦系数随温度的变化波动很小，在高温阶段没有出现热衰退现象；其本身和对偶的磨损依然很低。
实施例5
实施例6
选用丁腈橡胶和腰果壳油改性酚醛树脂混杂作为粘结剂，其质量分数为30％；选用芳纶纤维和钛酸钾纤维的混合物作为增强组分，两者的质量分数分别为5％和5％；以重晶石作为空间填料，其质量分数为30％；添加10％的铜粉，用以增加材料整体的导热系数；添加5％的石墨和5％的二硫化钼提高材料的润滑性，降低材料对对偶的磨损；添加10％的蛭石，降低材料在摩擦过程中可能会产生的噪音。然后将上述组分置于高速混料机中进行混合，混合时间5min，形成混合均匀的树脂基摩擦材料粉料。选用不规则氮化硅陶瓷颗粒和氧化硅陶瓷颗粒作为复合陶瓷，对陶瓷颗粒过筛，选取2-5mm范围内的颗粒，陶瓷颗粒用量依据树脂用量而定，每70g树脂基摩擦材料粉料加入两种陶瓷颗粒各20g(陶瓷颗粒与粘结剂的体积比为2:1)。之后，将树脂基摩擦材料粉料和陶瓷颗粒的混合料置于三维搅拌机中搅拌，搅拌速度为30r/min，搅拌时间3min。将上述混合料置于预先加热好的模具中进行热压成型，温度维持在165℃，压力为30MPa,保压1h。最后，将胚料取出进行热处理，温度为170℃，时间为6h。其摩擦磨损性见下表所示，摩擦系数随温度的变化波动很小，在高温阶段没有出现热衰退现象；其本身和对偶的磨损依然很低。
实施例6
对比例1
表1为实施例1所得摩擦材料与市场上某知名品牌的两种同等成本的普通商用树脂基摩擦材料，对于对偶磨损情况的对比结果，磨损量用一段时间内对偶厚度的损失量来表征，本发明所得产品与市场现有优质树脂基摩擦材料处于同等水平。
表1
| 商用1 | 商用2 | 本发明产品 |
| 0.02mm | 0.03mm | 0.03mm |
本发明实施例制得的产品采用了超大颗粒增强树脂基摩擦材料，成功的解决了普通树脂基材料摩擦系数随温度升高而出现热衰退的缺陷；目前，普遍认为陶瓷颗粒粒径越大就会对对偶产生越严重的磨损，本发明通过配方优化，从对比例1数据可以看出，其对偶磨损并没有恶化。
简言之，本发明抗热衰退性能提高了，但对偶磨损并没有发生恶化。
对比例2
将实施例1陶瓷颗粒复合树脂基摩擦材料和国内某知名品牌一款同等成本普通树脂基摩擦材料摩擦性能进行对比(测试程序见GB 5763-2008)，对比结果如图3所示，本发明所得材料摩擦系数很稳定，而普通树脂基摩擦材料的摩擦系数随温度变化波动很大，在高温时出现热衰退现象。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种陶瓷颗粒复合树脂基抗热衰退摩擦材料，其特征在于，组成包括树脂基摩擦材料基体及陶瓷颗粒；
所述树脂基摩擦材料基体的组成及质量分数为：粘结剂5～40％、增强组分5～10％、摩擦改性剂10～30％和填料30～80％；
所述粘结剂为酚醛树脂或者改性酚醛树脂中的一种或两种混合，所述增强组分为短切碳纤维、纳米碳管、钛酸钾纤维中的一种或几种的混合；
所述陶瓷颗粒加入量与所述粘结剂的体积比为(1～10)：1；
所述陶瓷颗粒的粒径为1.0～5.0mm范围内单一粒径或任意粒径混杂；
所述陶瓷颗粒的形状为球形、方形、不规则状中的一类或几类混杂；
所述陶瓷颗粒为氧化铝、氧化硅、氧化锆陶瓷中一种或几种混合；
所述摩擦改性剂为石墨、二硫化钼、蛭石中的一种或几种混合物。
2.根据权利要求1所述陶瓷颗粒复合树脂基抗热衰退摩擦材料，其特征在于，所述填料为重晶石、硅灰石中的一种或两种混合。
3.一种权利要求1所述陶瓷颗粒复合树脂基抗热衰退摩擦材料的制备方法，其特征在于，将所述树脂基摩擦材料的各组分粉料按比例混合均匀后加入所述陶瓷颗粒，混匀；之后，将混匀的材料置入预先加热好的模具中进行热压成型；最后，对热压成型的坯料进行热处理，得到陶瓷颗粒复合树脂基抗热衰退摩擦材料；
所述树脂基摩擦材料粉料的组成及质量分数为：粘结剂5～40％、增强组分5～10％、摩擦改性剂10～30％和填料30～80％；
所述粘结剂为酚醛树脂或者改性酚醛树脂中的一种或两种混合，所述增强组分为短切碳纤维、纳米碳管、钛酸钾纤维中的一种或几种的混合；
所述陶瓷颗粒加入量与所述粘结剂的体积比为(1～10)：1；所述陶瓷颗粒的粒径为1.0～5.0mm范围内单一粒径或任意粒径混杂；
所述陶瓷颗粒的形状为球形、方形、不规则状中的一类或几类混杂；
所述陶瓷颗粒为氧化铝、氧化硅、氧化锆陶瓷中一种或几种混合；
所述摩擦改性剂为石墨、二硫化钼、蛭石中的一种或几种混合物。
4.根据权利要求3所述陶瓷颗粒复合树脂基抗热衰退摩擦材料的制备方法，其特征在于，所述填料为重晶石、硅灰石中的一种或两种混合。
5.根据权利要求3所述陶瓷颗粒复合树脂基抗热衰退摩擦材料的制备方法，其特征在于，所述陶瓷颗粒与所述树脂基摩擦材料粉料采用搅拌混料机混合，搅拌角速度小于等于60r/min；
或所述陶瓷颗粒与所述树脂基摩擦材料粉料采用湿法混合，向所述树脂基摩擦材料粉料中加入水或其他非极性溶剂制成浆料，然后再与陶瓷颗粒混合，混合均匀后烘干。
6.根据权利要求5所述陶瓷颗粒复合树脂基抗热衰退摩擦材料的制备方法，其特征在于，所述混料机采用三维混料机、V型混料机或者自行设计的混料设备。
7.根据权利要求3所述陶瓷颗粒复合树脂基抗热衰退摩擦材料的制备方法，其特征在于，所述热压成型的条件为：成型温度保持在150～180℃范围内；压力范围为15～50MPa；保压时间大于等于30min。
8.根据权利要求3所述陶瓷颗粒复合树脂基抗热衰退摩擦材料的制备方法，其特征在于，所述热处理温度保持在150～180℃范围内，热处理时间大于等于6h。
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