CN107286570B - 偏航刹车片及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种偏航刹车片及其制备方法，涉及摩擦材料技术领域，主要由按质量份数计的如下原料制备：聚醚醚酮70‑75份，碳纤维10‑20份，玻璃纤维3‑5份，石墨3‑5份，缓解了目前国际和国内风力发电机偏航刹车片普遍采用金属基摩擦材料，但是金属基摩擦材料存在容易起锈、伤对偶盘和产生啸叫的技术问题，达到了不仅大幅提高了力学性能和耐高温性能，而且大幅降低了偏航刹车片的硬度，减少了对偶的磨损，降低了噪音污染，同时还改善其摩擦稳定性和工况适应性，能够有效满足风力发电机偏航低速制动的要求的技术效果。

Description

偏航刹车片及其制备方法
技术领域
本发明涉及摩擦材料技术领域，尤其是涉及一种偏航刹车片及其制备方法。
背景技术
随着科技的进步和经济的高速发展，人类对电力的需求不断扩大。利用煤、石油等不可再生能源发电，都面临资源日益贫乏的窘境。风能作为绿色清洁能源，不仅符合国际能源改革方向，而且又是可再生资源，对环境保护也具有积极意义，已经受到越来越多国家的重视。
风力发电机发电过程中，需要因风力方向的改变而调整叶片的方向，将风力发电机的叶片固定朝向风力最理想的方向，从而保证风力发电机的工作效率最大化。调整风力发电机叶片的方向是靠偏航系统实现的，偏航制动器为避免振荡的风向变化，引起偏航轮齿产生交变负荷，应采用偏航制动器来吸收微小自由偏转振荡，防止偏航齿轮的交变应力引起轮齿过早损伤,偏航制动器在偏航刹车片的作用下，防止风机偏摆。
目前，国际和国内偏航刹车片多为采用金属基摩擦材料，但是金属基摩擦材料存在材料硬度过高、容易起锈、伤对偶盘、刹车不平顺和产生自激性啸叫等缺陷，因此，本领域技术技术人员亟需研制一种新型偏航刹车片。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的在于之一提供一种偏航刹车片，以缓解目前国际和国内偏航刹车片普遍采用金属基摩擦材料，但是金属基摩擦材料存在材料硬度过高、容易起锈、伤对偶盘、刹车不平顺和产生自激性啸叫等缺陷的技术问题。
本发明提供的偏航刹车片，主要由按质量份数计的如下原料制备:聚醚醚酮70-75份，碳纤维10-20份，玻璃纤维3-5份，石墨3-5份。
进一步的，所述偏航刹车片主要由按质量份数计的如下原料制备：聚醚醚酮70-75份，碳纤维10-15份，玻璃纤维3-5份，石墨3-5份，硫化铜1-3份，碳纳米管1-3份。
进一步的，所述偏航刹车片主要由按质量份数计的如下原料制备：聚醚醚酮70-75份，碳纤维10-15份，玻璃纤维3-5份，石墨3-5份，硫化铜1-2份，碳纳米管1-2份，硫化钼1-2份，氮化碳1-2份，碳化锆1-2份。
进一步的，所述聚醚醚酮为颗粒状，所述碳纤维为纳米级碳纤维，所述玻璃纤维为纳米级玻璃纤维，所述石墨为纳米级石墨。
进一步的，所述偏航片摩擦材料的主要原料还包括按质量份数计的热稳定剂1-2份。
进一步的，所述热稳定剂选自抗氧剂1098、抗氧剂168、抗氧剂H161和抗阳极412S中的一种或至少两种。
进一步的，所述氮化碳经过浓氨水改性处理。
本发明的目的之二在于提供上述偏航刹车片的制备方法，以缓解目前国际和国内偏航刹车片普遍采用金属基摩擦材料，但是金属基摩擦材料存在材料硬度过高、容易起锈、伤对偶盘、刹车不平顺和产生自激性啸叫等缺陷的技术问题。
本发明提供的偏航刹车片的制备方法，包括如下步骤：
(a)将聚醚醚酮、碳纤维、玻璃纤维、石墨、任选的硫化铜、任选的碳纳米管、任选的硫化钼、任选的硫化钼、任选的氮化碳和任选的碳化锆混合均匀；
(b)将混合物进行注塑成型，制得偏航刹车片。
进一步的，所述偏航刹车片的制备方法还包括步骤(s)，所述步骤(s)设置于步骤(a)和步骤(b)之间，所述步骤(s)为将混合物进行挤出造粒，制得混合物粒料。
进一步的，采用注射机进行注塑成型。
本发明以聚醚醚酮为基体材料，以碳纤维和玻璃纤维为增强材料，以石墨为导热材料制得的偏航刹车片，不仅大幅提高了力学性能和耐高温性能，而且大幅降低了偏航刹车的硬度，减少了对偶的磨损，降低了噪音，同时还改善其摩擦稳定性和工况适应性，能够有效满足风力发电机偏航低速制动的要求。
本发明提供的偏航制动片的制备方法操作简单，过程连续，显著提高了偏航制动片的制备效率，降低了偏航制动片的制备成本。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
根据本发明的一个方面，本发明提供了一种偏航刹车片，主要由按质量份数计的如下原料制备:聚醚醚酮70-75份，碳纤维10-20份，玻璃纤维3-5份，石墨3-5份。
聚醚醚酮是指大分子主链由芳基、酮键和醚键组成的线性聚合物，其分子式为
从上述分子式可以看出，聚醚醚酮是一种线性芳香族高分子化合物，其属于半结晶热塑性塑料，其熔点为334℃,具有机械强度高、耐高温、耐冲击、阻燃、耐酸碱、耐水解、耐磨、耐疲劳、耐辐照及良好的电性能。另外，聚醚醚酮还具有优越的尺寸稳定性，温度和湿度对聚醚醚酮的影响很小。
碳纤维是一种含碳量在95％以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料，它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成，经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维“外柔内刚”，质量比金属铝轻，但强度却高于钢铁，并且具有耐腐蚀性，高模量的特性，同时又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。碳纤维具有许多优良性能，其轴向强度和模量高，密度低、比性能高，无蠕变，非氧化环境下耐超高温，耐疲劳性好，热膨胀系数小，且具有各向异性，耐腐蚀性好，导电、导热和电磁屏蔽性能优良。
玻璃纤维是一种性能优异的无机非金属材料，绝缘性好、耐热性强、抗腐蚀性好，机械强度高，不燃、隔音性能优良，主要成分为二氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化硼、氧化镁和氧化钠等。
石墨质软，黑灰色，具有良好的化学稳定性、耐腐蚀性和导热性。
在本发明中，聚醚醚酮的典型但非限制性的质量份数如为70.2、70.4、70.6、70.8、71、71.2、71.4、71.6、71.8、72、72.2、72.4、72.6、72.8、73、73.2、73.4、73.6、73.8、74、74.2、74.4、74.6或74.8；碳纤维的典型但非限制性的质量份数如为10.2、10.4、10.6、10.8、11、11.2、11.4、11.6、11.8、12、12.2、12.4、12.6、12.8、13、13.2、13.4、13.6、13.8、14、14.2、14.4、14.6、14.8、15、15.2、15.4、15.6、15.8、16、16.2、16.4、16.6、16.8、17、17.2、17.4、17.6、17.8、18、18.2、18.4、18.6、18.8、19、19.2、19.4、19.6或19.8；玻璃纤维的典型但非限制性的质量份数如为3.1、3.2、3.3、3.4、3.5、3.6、3.7、3.8、3.9、4、4.14.2、4.3、4.4、4.5、4.6、4.7、4.8或4.9；石墨的典型但非限制性的质量份数如为3.1、3.2、3.3、3.4、3.5、3.6、3.7、3.8、3.9、4、4.14.2、4.3、4.4、4.5、4.6、4.7、4.8或4.9。
聚醚醚酮不仅具有高耐热性、高强度、高模量和高韧性等优异的综合性能，而且具有出色的耐水解性和尺寸稳定性，但是其存在热变形温度偏低、摩擦系数高的缺陷，导致其在摩擦过程中生热很快，导热困难，聚热严重，因此聚醚醚酮需要与其它改性料共混以制备性能优良的偏航刹车片。
本发明以聚醚醚酮为基体材料，以碳纤维和玻璃纤维为增强材料，以石墨为导热材料制得的偏航刹车片，不仅大幅提高了力学性能和耐高温性能，而且大幅降低了偏航刹车的硬度，减少了对偶的磨损，降低了噪音，同时还改善其摩擦稳定性和工况适应性，能够有效满足风力发电机偏航低速制动的要求。
在本发明的优选实施方式中，偏航刹车片主要由铵质量份数计的如下原料制备：聚醚醚酮70-75份，碳纤维10-15份，玻璃纤维3-5份，石墨3-5份，硫化铜1-3份，碳纳米管1-3份。
硫化铜是一种无机化合物，是二价铜的硫化物，黑色单斜或六方晶体，呈黑褐色，极难溶。
碳纳米管是一种具有特殊结构(径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级，管子两端基本上都封口)的一维量子材料。碳纳米管主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管。层与层之间保持固定的距离，约0.34nm，直径一般为2～20nm。碳纳米管作为一维纳米材料，重量轻，六边形结构连接完美，具有许多异常的力学、电学和化学性能。
在本优选实施方式中，硫化铜的典型但非限制性的质量份数如为1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2、2.1、2.2、2.3、2.4、2.5、2.6、2.7、2.8或2.9；碳纳米管的典型但非限制性的质量份数如为1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2、2.1、2.2、2.3、2.4、2.5、2.6、2.7、2.8或2.9。
本发明中通过聚醚醚酮、石墨、碳纤维、玻璃纤维、硫化铜和碳纳米管的相互协同，有效降低了偏航刹车片的磨损率，减少了对偶盘的伤害，同时还提高了拉伸强度、抗压强度和剪切强度。
在本发明的优选实施方式中，偏航刹车片主要由按质量份数计的如下原料制备：聚醚醚酮70-75份，碳纤维10-15份，玻璃纤维3-5份，石墨3-5份，硫化铜1-2份，碳纳米管1-2份，硫化钼1-2份，氮化碳1-2份，碳化锆1-2份。
硫化钼又称二硫化钼，是一种黑色固体粉末，有金属光泽，熔点1185℃，密度4.80g/cm，莫氏硬度1.0-1.5，1370℃开始分解，1600℃分解为金属钼和硫，二硫化钼不溶于水，只溶于王水和煮沸的浓硫酸。硫化钼用于磨擦材料主要功能是低温时减磨，高温时增磨，同时还能够防止其它材料被氧化。
氮化碳是一种硬度可以和金刚石媲美而在自然界中尚未被发现的新型共价化合物，其热重分析表明在600℃空气气氛中氮化碳仍可稳定存在，证明它是一种耐高温，不易分解的材料，同时在传统的溶剂中(包括水、乙醇、富马酸二甲酯、四氢呋喃、乙醚和甲苯等)，氮化碳没有表现出可溶性和反应活性，证明它在有机溶剂中的稳定性。
通过在偏航刹车片中添加氮化碳，使得偏航刹车片的耐磨性能提高，在进行制动的过程中，材料应答性好，摩擦过程平稳，制动无尖叫。
碳化锆为黑色固体，是一种硬度大的高熔点材料和极好的高温耐火材料，具有良好的耐高温、耐腐蚀和耐磨性能，是良好的高温结构，同时还具有优良的导热性。
通过在偏航刹车片中加入碳化锆，能够显著提高偏航刹车片的硬度和耐腐蚀性，提高其耐高温性。
在本优选实施方式中，硫化钼的典型但非限制性的质量份数如为1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8或1.9；氮化碳的典型但非限制性的质量份数如为1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8或1.9；碳化锆的典型但非限制性的质量份数如为1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8或1.9。
在本发明的优选实施方式中，所述聚醚醚酮为颗粒状，所述碳纤维为纳米级碳纤维，所述玻璃纤维为纳米级玻璃纤维，所述石墨为纳米级石墨。
在本发明的优选实施方式中，聚醚醚酮的熔融指数(MI)为在400℃下，4-8g/10min。
选用颗粒状聚醚醚酮、纳米级碳纤维、纳米级玻璃纤维和纳米级石墨为原料，更便于多种原料混合均匀，在形成偏航刹车片时，多种原料相互协同作用，使制得的偏航刹车片力学性能更高，摩擦更稳定硬度更低，噪音更小。
在本发明的优选实施方式中，碳纳米管的长度为140-160nm，优选为150nm。
在本发明的优选实施方式中，偏航摩擦片的主要原料还包括按质量份数计的热稳定剂1-2份。
通过在偏航刹车片的主要原料中添加热稳定剂，一方面能够提高偏航摩擦片的耐高温性能，另一方面也能够避免在后续加工过程中，其它原料发生分解现象，影响制得的偏航刹车片的综合性能。
在本发明的优选实施方式中，热稳定剂选自抗氧剂1098、抗氧剂168、抗氧剂H161和抗氧剂412S中的一种或至少两种。
在本发明的优选实施中，热稳定剂既可以为抗氧剂1098、抗氧剂168、抗氧剂H161和抗氧剂412S中的任意一种，也可以为抗氧剂1098与抗氧剂168，抗氧剂168与抗氧剂H161或抗氧剂H161与抗氧剂412S中任意两种的组合，还可以为抗氧剂1098、抗氧剂168和抗氧剂H161三种的组合。
在本发明的优选实施方式中，氮化碳经过浓氨水改性处理。
氮化碳经过浓氨水改性处理后，进一步缩小其层间距离，与聚醚醚酮复合时，能够表现出更好的相容性。
根据本发明的另一个方面，本发明还提供了上述偏航刹车片的制备方法，包括如下步骤：
(a)将聚醚醚酮、碳纤维、玻璃纤维、石墨、任选的硫化铜、任选的碳纳米管、任选的硫化钼、任选的硫化钼、任选的氮化碳和任选的碳化锆混合均匀；
(b)将混合物进行注塑成型，制得偏航刹车片。
本发明提供的偏航刹车片通过注塑成型，操作简单，过程连续，显著提高了偏航制动片的制备效率，降低了偏航制动片的制备成本。
在本发明的优选实施方式中，偏航刹车片的制备方法还包括步骤(s)，所述步骤(s)设置于步骤(a)和步骤(b)之间，所述步骤(s)为将混合物进行挤出造粒，制得混合物粒料。
通过将偏航刹车片的主要原料先进行挤出造粒，制成混合物粒料后再进行注塑成型，使得多种原料混合的更均匀，所制得的偏航刹车片性能更优良，更稳定。
在本发明的优选实施方式中，采用注射机进行注塑成型。
将混合后的物料经过双螺杆挤出机熔融塑化后挤出，然后再将熔融的挤出料经注射机注塑成型。
通过采用注射机进行注塑成型，生产效率和成品率高，加工成本低，更易实现大规模工业化生产。
为了更好的理解本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的描述。
实施例1
本实施例提供了一种偏航刹车片，由以下原料制备而成：聚醚醚酮70份，纳米级碳纤维20份，纳米级玻璃纤维5份，纳米级石墨5份。
实施例2
本实施例提供了一种偏航刹车片，由以下原料制备而成：聚醚醚酮73份，纳米级碳纤维18份，纳米级玻璃纤维4份，纳米级石墨4份。
实施例3
本实施例提供了一种偏航刹车片，由以下原料制备而成：聚醚醚酮70份，纳米级碳纤维15份，纳米级玻璃纤维5份，纳米级石墨5份，硫化铜3份，碳纳米管2份。
实施例4
本实施例提供了一种偏航刹车片，由以下原料制备而成：聚醚醚酮73份，纳米级碳纤维13份，纳米级玻璃纤维4份，纳米级石墨4份，硫化铜3份，碳纳米管3份。
实施例5
本实施例提供了一种偏航刹车片，由以下原料制备而成：聚醚醚酮75份，纳米级碳纤维10份，纳米级玻璃纤维5份，纳米级石墨3份，硫化铜2份，碳纳米管2份，硫化钼1份，氮化碳1份，碳化锆1份，其中氮化碳经过浓氨水改性处理。
实施例6
本实施例提供了一种偏航刹车片，由以下原料制备而成：聚醚醚酮73份，纳米级碳纤维12份，纳米级玻璃纤维4份，纳米级石墨4份，硫化铜2份，碳纳米管2份，硫化钼1份，氮化碳1份，碳化锆1份，其中，氮化碳经过浓氨水改性处理。
实施例7
本实施例提供了一种偏航刹车片，由以下原料制备而成：聚醚醚酮72份，纳米级碳纤维12份，纳米级玻璃纤维4份，纳米级石墨4份，硫化铜2份，碳纳米管2份，硫化钼1份，氮化碳1份，碳化锆1份，抗氧剂H161，其中，氮化碳经过浓氨水改性处理。
实施例8
本实施例与实施例7的区别在于，未添加硫化铜。
实施例9
本实施例与实施例7的区别在于，未添加碳纳米管。
实施例10
本实施例与实施例7的区别在于，未添加硫化钼。
实施例11
本实施例与实施例7的区别在于，未添加氮化碳。
实施例12
本实施例与实施例7的区别在于，未添加碳化锆。
上述实施例1-12所提供的偏航刹车片的制备方法如下：
(a)将聚醚醚酮、碳纤维、玻璃纤维、石墨、任选的硫化铜、任选的碳纳米管、任选的硫化钼、任选的硫化钼、任选的氮化碳和任选的碳化锆混合均匀；
(s)将混合物通过挤出机进行挤出造粒，制得混合物粒料；
(b)混合物粒料经过双螺杆挤出机熔融塑化后挤出，然后再将熔融的挤出料经注射机注塑成型；其中，双螺杆挤出机一区加热温度为370-375℃，二区温度为380-385℃，四区温度400-405℃，螺杆转速为100-300rpm，注射机的注射模具温度为100-200℃，注射筒温度350-450℃，注射背压1-5MPa，注射压力100-200MPa。
对比例1
本对比例提供了一种偏航刹车片，由以下原料制备而成：聚醚醚酮50份，纳米级碳纤维20份，纳米级玻璃纤维10份，纳米级石墨10份。
对比例2
本对比例提供了一种偏航刹车片，由以下原料制备而成：聚醚醚酮90份，纳米级碳纤维6份，纳米级玻璃纤维2份，纳米级石墨2份。
对比例3
本对比例与实施例2的不同之处在于，未添加纳米级碳纤维。
对比例4
本对比例与实施例2的不同之处在于，未添加纳米级玻璃纤维。
对比例5
本对比例与实施例2的不同之处在于，未添加纳米级石墨。
上述对比例1-5提供的偏航刹车片的制备方法同实施例2，在此不再赘述。
将实施例1-11所提供的偏航刹车片和对比例1-5提供的偏航刹车片分别进行力学、噪音、耐热性能和磨损率的测试，测试数据表1所示：
表1偏航刹车片性能测试数据表
通过实施例1-12与对比例1-5的对比可知，本发明实施例1-12提供的偏航刹车片以聚醚醚酮为基体树脂，以碳纤维和玻璃纤维为增强材料，以石墨为导热材料制得的偏航刹车片，不仅大幅提高了力学力能(拉伸强度、剪切强度和抗压强度)和耐高温性能(承受最高温度和承受最高持续温度)，而且大幅降低了偏航刹车的硬度，减少了对偶的磨损，降低了噪音，同时还改善其摩擦稳定性和工况适应性，能够有效满足风力发电机偏航低速制动的要求。
通过实施例5-7与实施例8-12的对比可以看出，以聚醚醚酮、纳米级石墨、纳米级碳纤维、纳米级玻璃纤维、碳纳米管、硫化铜、硫化钼、氮化碳和碳化锆相互协同配合制备的偏航刹车片其摩擦系数进一步增大、耐高温性能进一步提升，力学性能进一步增强，综合性能得到进一步提高。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种偏航刹车片，其特征在于，主要由按质量份数计的如下原料制备：聚醚醚酮70-75份，碳纤维10-15份，玻璃纤维3-5份，石墨3-5份，硫化铜1-2份，碳纳米管1-2份，硫化钼1-2份，氮化碳1-2份，碳化锆1-2份；所述碳纤维为纳米级碳纤维，所述玻璃纤维为纳米级玻璃纤维，所述石墨为纳米级石墨。
2.根据权利要求1所述的偏航刹车片，其特征在于，所述聚醚醚酮为颗粒状。
3.据权利要求1所述的偏航刹车片，其特征在于，主要原料还包括按质量份数计的热稳定剂1-2份。
4.据权利要求3所述的偏航刹车片，其特征在于，所述热稳定剂选自抗氧剂1098、抗氧剂168、抗氧剂H161和抗氧剂412S中的一种或至少两种。
5.根据权利要求1所述的偏航刹车片，其特征在于，所述氮化碳经过浓氨水改性处理。
6.根据权利要求1-5任一项所述的偏航刹车片的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(a)将聚醚醚酮、碳纤维、玻璃纤维、石墨、硫化铜、碳纳米管、硫化钼、氮化碳和碳化锆混合均匀；
(b)将混合物进行注塑成型，制得偏航刹车片。
7.根据权利要求6所述的偏航刹车片的制备方法，其特征在于，还包括步骤(s)，所述步骤(s)设置于步骤(a)和步骤(b)之间，所述步骤(s)为将混合物进行挤出造粒，制得混合物粒料。
8.根据权利要求6或7所述的偏航刹车片的制备方法，其特征在于，采用注射机进行注塑成型。
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