CN107387616A - 一种摩擦层材料 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种摩擦层材料，包括如下原料组分及重量份：陶瓷耐磨材料100份，耐高温热塑性高聚物20～90份，碳纤维1～10份，芳纶1～10份，金属纤维1～10份，摩擦调节剂1～20份，石墨烯0.1～1.0份，偶联剂0.5～1.0份，填料20～80份。本发明的优点在于：采用摩擦层材料制备的刹车片比重轻，导热性、耐热性与耐磨性好，摩擦系数稳定，使用寿命长，成本低。
Description
技术领域
本发明涉及一种摩擦层材料，具体涉及一种用于制备汽车刹车片的摩擦层材料。
背景技术
汽车刹车片大致分为三类，一类是石棉型，此类刹车片价格低，但因石棉致癌而基本淘汰；第二类是半金属型，这类刹车片可承受高制动温度、导热性好，但重量大，易刮擦磨损对偶件，易腐蚀，高速摩擦噪音大；第三类是陶瓷又叫无石棉有机型，陶瓷刹车片具有无刮擦噪音，无刮痕，耐温、耐腐蚀、耐磨诸多特点，是未来刹车制动的发展方向，但陶瓷刹车片制造成本高，价格贵，比重大，只能在部分高端车型上推广应用，而对于中低端车型则无法接受昂贵的价格。
近年来，无石棉刹车片技术发展很快，主要集中在树脂基少金属复合刹车片和陶瓷基刹车片两大类产品，CN104110455A、CN104776138A、CN101943235A、CN104405807A等专利均采用酚醛树脂或改性酚醛树脂作粘结剂，金属纤维，芳纶或混杂纤维作增强剂，摩擦粉与石墨作摩擦调节剂。制备无石棉刹车片，这类刹车片具有低噪音，无粉尘污染，成本低等特点，但由于采用酚醛树脂作粘结剂，使得刹车片耐热性差，在汽车高速刹车过程中，刹车片在瞬间高温下酚醛树脂易分解而产生烟雾，并导致刹车片摩擦系数变化大，摩损增大，减少其使用寿命。CN101813149A采用陶瓷粘结剂、钢纤、复合纤维及玻纤作增强剂，陶瓷晶须及鳞片石墨作摩擦调节剂，制备一种无有机粘结剂的陶瓷复合刹车片，具有较好的耐热性，但由于使用大量的金属纤维及铬铁，使得刹车片的摩擦噪音较大，同时，使用玻纤将导致刹车片易磨损，从而降低其使用寿命。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种摩擦层材料，用于解决现有技术中的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明是通过以下技术方案获得的。
本发明提供一种摩擦层材料，其特征在于，所述摩擦层材料包括如下原料组分及重量份：
优选地，所述耐高温热塑性高聚物为30～80份。
优选地，所述碳纤维为3～8份。
优选地，所述芳纶为1～5份。
优选地，金属纤维为3～8份。
优选地，所述摩擦调节剂为2～8份。
优选地，所述石墨烯为0.15～0.2份。
优选地，所述填料为40～60份。
所述陶瓷耐磨材料为氧化铝、氧化锆、碳化硅、碳化硼、氮化硅中的一种或多种，粒度为50～100nm，优选60～80nm。
所述耐高温热塑性高聚物为聚醚醚酮、聚醚砜、聚砜、聚酰亚胺、聚酰胺亚胺中的一种或多种。
所述摩擦层材料包括如下特征中的一种或多种：
所述碳纤维规格为T300～T1000，6～24K的短切纤维。
T300-T1000，表示纤维的拉伸强度，数字越大，纤维的拉伸强度越大；6-24K表示一束纤维中有6000-24000根单丝。优选地，所述碳纤维为T700-T800，6～12K。所述碳纤维的长度为1～3.5mm，优选1.5～2.5mm；
所述芳纶为芳纶1414、芳纶1313的短切纤维或芳纶浆粕中的一种，短切纤维长度为1～4mm，优选1.5～2.5mm；
所述金属纤维为铜纤维短丝，单丝直径为10～30μm，优选10～12μm；长度为1～4mm，优选1.5～2.5mm；
所述摩擦调节剂为天然石墨、聚四氟乙烯、硅酮、二硫化钼中的一种或多种，粒径为10～50μm；
所述石墨烯为纳米级微粉，粒径为50～100nm，优选60～80nm；
所述偶联剂为硅烷类偶联剂KH 550、KH 560、KH 570中的一种或多种；
所述填料为氧化镁、氧化锌、铬铁粉、硫酸钡、硫化锌中的一种或多种，粒径为50～100nm，优选60～80nm。
一种刹车片，其特征在于，所述刹车片采用所述的摩擦层材料制备形成摩擦层。
所述刹车片包括支撑层。
所述支撑层材料选自玻纤增强尼龙46、尼龙6T、尼龙9T、尼龙10T、尼龙1313、尼龙66、尼龙6、尼龙610、尼龙1010、尼龙612中的一种或多种，玻纤含量为45～65％，优选50～60％。
所述刹车片的制备方法，包括以下步骤：
1)将支撑层材料注塑成型制备支撑层毛坯；
2)将支撑层毛坯放入模具底部，加入摩擦层材料的原料组分混合料，加热加压进行模压成型制备摩擦层与支撑层的复合毛坯，经机加工得到刹车片。
所述摩擦层材料的原料组分混合料为将陶瓷微粉、聚合物粉末、金属纤维、摩擦调节剂、石墨烯、偶联剂和填料加入高速搅拌机，搅拌速度为200～500rpm，优选250～400rpm，搅拌时间为5～15min，优选8～10min；然后将碳纤维和芳纶加入搅拌机中，搅拌速度为50～200rpm，优选100～150rpm，搅拌时间为2～5min。
所述支撑层与摩擦层厚度比为(2～4):1，优选2:1。
所述制备方法中1)中包括如下特征中的一种或多种：
注塑成型温度为260～400℃；
注射时间为2～6s；
模具温度为60～90℃，优选70～80℃；
注射压力为75～95MPa；
保压压力为65～85MPa；
保压时间为15～60s；
冷却时间为15～50s，优选20～30s。
优选地，注塑成型时，对于耐高温尼龙复合材料温度为290～400℃，优选的温度为295～320℃；
对于通用尼龙复合材料温度为260～290℃；优选的温度为265～285℃。
玻纤增强尼龙46、尼龙6T、尼龙9T、尼龙10T、尼龙1313、尼龙66、尼龙6、尼龙610、尼龙1010、尼龙612。
优选地，耐高温尼龙复合材料为选自尼龙46、尼龙6T、尼龙9T、尼龙10T中的一种或多种。
优选地，通用尼龙复合材料为选自尼龙66、尼龙6、尼龙610、尼龙1010、尼龙612中的一种或多种。
所述制备方法中2)中包括如下特征中的一种或多种：
预压阶段：加热温度为300～400℃，优选320～380℃，压力为2～10MPa，优选3～8MPa，时间为1～3小时，优选1～1.5小时；
恒温保压：温度为300～380℃，优选330～350℃，压力为5～15MPa，优选8～12MPa，模压时间为1～4小时，优选2～3小时；
冷却降温：在保压下降温至60～80℃，时间为1～3小时，优选1.5～2.5小时。
本发明的优点在于：所制备的刹车片比重轻，是半金属型刹车片的1/5；导热性、耐热性与耐磨性好；摩擦系数稳定；使用寿命长；成本低，约为陶瓷刹车片的60％。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容了解本发明的其他优点及功效。
在进一步描述本发明具体实施方式之前，应理解，本发明的保护范围不局限于下述特定的具体实施方案；还应当理解，本发明实施例中使用的术语是为了描述特定的具体实施方案，而不是为了限制本发明的保护范围。下列实施例中未注明具体条件的试验方法，通常按照常规条件，或者按照各制造商所建议的条件。
当实施例给出数值范围时，应理解，除非本发明另有说明，每个数值范围的两个端点以及两个端点之间任何一个数值均可选用。除非另外定义，本发明中使用的所有技术和科学术语与本技术领域技术人员通常理解的意义相同。除实施例中使用的具体方法、设备、材料外，根据本技术领域的技术人员对现有技术的掌握及本发明的记载，还可以使用与本发明实施例中所述的方法、设备、材料相似或等同的现有技术的任何方法、设备和材料来实现本发明。
本申请实施例中各原料组分的规格如下：
陶瓷耐磨材料的粒度为50～100nm；
碳纤维的长度为1～3.5mm；
芳纶短切纤维的长度为1～4mm；
铜纤维的单丝直径为10～30μm，长度为1～4mm；
摩擦调节剂的粒径为10～50μm；
石墨烯的粒径为50～100nm；
填料的粒径为50～100nm。
实施例1
1)采用含55％玻纤增强PA46复合材料注塑成型制备支撑层毛坯，其厚度为8mm。注塑成型温度为310℃，模具温度80℃，注射压力95MPa，保压压力85MPa，注射时间5s，保压时间10s，冷却时间30s。
2)按配比将1000g氧化铝、100g碳化硅、200g氧化镁、400g聚醚醚酮、50g铜纤维、1.5g石墨烯、200g铬铁粉、10g偶联剂KH 570和40g二硫化钼加入高速搅拌机，在400rpm搅拌速度下，搅拌10min；然后，再加入200g碳纤维和50g芳纶浆粕，在100rpm搅拌速度下，搅拌3min，得到摩擦层材料的原料组分混合料。将支撑层毛坯放入模具底部，再加入混合料，加热加压进行模压成型。预压阶段：加热温度为350℃，压力为5MPa，时间为1小时；恒温保压：温度为350℃，压力为10MPa，模压时间为2小时；冷却降温：在保压下降温至60～80℃，时间为1.5小时。将模压得到的毛坯，进行机加工得到刹车片成品。
3)按GB5763-1998进行摩擦性能测试。
实施例2
1)采用含55％玻纤增强PA10T复合材料注塑成型制备支撑层毛坯，其厚度为8mm。注塑成型温度为320℃，模具温度80℃，注射压力95MPa，保压压力85MPa，注射时间5s，保压时间10s，冷却时间30s。
2)按配比将1000g氧化铝、100g碳化硅、200g氧化镁、400g聚醚醚酮、50g铜纤维、1.5g石墨烯、200g铬铁粉、10g偶联剂KH 570和40g二硫化钼加入高速搅拌机，在400rpm搅拌速度下，搅拌10min；然后，再加入200g碳纤维和50g芳纶浆粕，在100rpm搅拌速度下，搅拌3min，得到摩擦层材料的原料组分混合料。将支撑层毛坯放入模具底部，再加入混合料，加热加压进行模压成型。预压阶段：加热温度为350℃，压力为5MPa，时间为1小时；恒温保压：温度为350℃，压力为10MPa，模压时间为2小时；冷却降温：在保压下降温至60～80℃，时间为1.5小时。将模压得到的毛坯，进行机加工得到刹车片成品。
3)按GB5763-1998进行摩擦性能测试。
实施例3
1)采用含55％玻纤增强PA46复合材料注塑成型制备支撑层毛坯，其厚度为8mm。注塑成型温度为310℃，模具温度80℃，注射压力95MPa，保压压力85MPa，注射时间5s，保压时间10s，冷却时间30s。
2)按配比将1000g氧化铝、100g碳化硼、200g氧化镁、400g聚醚醚酮、50g铜纤维、1.5g石墨烯、200g铬铁粉、10g偶联剂KH 570和40g二硫化钼加入高速搅拌机，在400rpm搅拌速度下，搅拌10min；然后，再加入200g碳纤维和50g芳纶浆粕，在100rpm搅拌速度下，搅拌3min，得到摩擦层材料的原料组分混合料。将支撑层毛坯放入模具底部，再加入混合料，加热加压进行模压成型。预压阶段：加热温度为350℃，压力为5MPa，时间为1小时；恒温保压：温度为350℃，压力为10MPa，模压时间为2小时；冷却降温：在保压下降温至60～80℃，时间为1.5小时。将模压得到的毛坯，进行机加工得到刹车片成品。
3)按GB5763-1998进行摩擦性能测试。
实施例4
1)采用含55％玻纤增强PA46复合材料注塑成型制备支撑层毛坯，其厚度为8mm。注塑成型温度为310℃，模具温度80℃，注射压力95MPa，保压压力85MPa，注射时间5s，保压时间10s，冷却时间30s。
2)按配比将1000g氧化铝、100g氮化硅、200g氧化镁、650g聚醚醚酮、50g铜纤维、1.5g石墨烯、200g铬铁粉、10g偶联剂KH 570和40g二硫化钼加入高速搅拌机，在400rpm搅拌速度下，搅拌10min；然后，再加入200g碳纤维和50g芳纶浆粕，在100rpm搅拌速度下，搅拌3min，得到摩擦层材料的原料组分混合料。将支撑层毛坯放入模具底部，再加入混合料，加热加压进行模压成型。预压阶段：加热温度为350℃，压力为5MPa，时间为1小时；恒温保压：温度为350℃，压力为10MPa，模压时间为2小时；冷却降温：在保压下降温至60～80℃，时间为1.5小时。将模压得到的毛坯，进行机加工得到刹车片成品。
3)按GB5763-1998进行摩擦性能测试。
实施例5
1)采用含55％玻纤增强PA46复合材料注塑成型制备支撑层毛坯，其厚度为8mm。注塑成型温度为310℃，模具温度80℃，注射压力95MPa，保压压力85MPa，注射时间5s，保压时间10s，冷却时间30s。
2)按配比将1000g氧化铝、100g氮化硅、200g氧化镁、100g氧化锌、400g聚醚醚酮、50g铜纤维、1.5g石墨烯、100g铬铁粉、15g偶联剂KH 570和40g二硫化钼加入高速搅拌机，在400rpm搅拌速度下，搅拌10min；然后，再加入200g碳纤维和50g芳纶浆粕，在100rpm搅拌速度下，搅拌3min，得到摩擦层材料的原料组分混合料。将支撑层毛坯放入模具底部，再加入混合料，加热加压进行模压成型。预压阶段：加热温度为350℃，压力为5MPa，时间为1小时；恒温保压：温度为350℃，压力为10MPa，模压时间为2小时；冷却降温：在保压下降温至60～80℃，时间为1.5小时。将模压得到的毛坯，进行机加工得到刹车片成品。
3)按GB5763-1998进行摩擦性能测试。
实施例6
1)采用含55％玻纤增强PA46复合材料注塑成型制备支撑层毛坯，其厚度为8mm。注塑成型温度为310℃，模具温度80℃，注射压力95MPa，保压压力85MPa，注射时间5s，保压时间10s，冷却时间30s。
2)按配比将1000g氧化铝、100g氮化硅、200g氧化镁、100g氧化锌、400g聚醚醚酮、50g铜纤维、1.5g石墨烯、100g铬铁粉、10g偶联剂KH 570、100g聚四氟乙烯、30g石墨和40g二硫化钼加入高速搅拌机，在400rpm搅拌速度下，搅拌10min；然后，再加入200g碳纤维和50g芳纶浆粕，在100rpm搅拌速度下，搅拌3min，得到摩擦层材料的原料组分混合料。将支撑层毛坯放入模具底部，再加入混合料，加热加压进行模压成型。预压阶段：加热温度为350℃，压力为5MPa，时间为1小时；恒温保压：温度为350℃，压力为10MPa，模压时间为2小时；冷却降温：在保压下降温至60～80℃，时间为1.5小时。将模压得到的毛坯，进行机加工得到刹车片成品。
3)按GB5763-1998进行摩擦性能测试。
实施例7
1)采用含45％玻纤增强PA6T复合材料注塑成型制备支撑层毛坯，其厚度为8mm。注塑成型温度为290℃，模具温度60℃，注射压力75MPa，保压压力65MPa，注射时间2s，保压时间15s，冷却时间15s。
2)按配比将1000g碳化硅、100g氮化硅、200g硫化锌、100g硫酸钡、400g聚酰胺亚胺、50g铜纤维、1.5g石墨烯、100g铬铁粉、10g偶联剂KH 550、100g聚四氟乙烯、30g硅酮和40g二硫化钼加入高速搅拌机，在200rpm搅拌速度下，搅拌5min；然后，再加入200g碳纤维和50g芳纶1313短切纤维，在50rpm搅拌速度下，搅拌2min，得到摩擦层材料的原料组分混合料。将支撑层毛坯放入模具底部，再加入混合料，加热加压进行模压成型。预压阶段：加热温度为300℃，压力为2MPa，时间为1.5小时；恒温保压：温度为380℃，压力为5MPa，模压时间为1小时；冷却降温：在保压下降温至60℃，时间为1小时。将模压得到的毛坯，进行机加工得到刹车片成品。
3)按GB5763-1998进行摩擦性能测试。
实施例8
1)采用含65％玻纤增强PA612复合材料注塑成型制备支撑层毛坯，其厚度为8mm。注塑成型温度为400℃，模具温度90℃，注射压力85MPa，保压压力75MPa，注射时间6s，保压时间60s，冷却时间50s。
2)按配比将1000g氧化锆、100g碳化硼、200g氧化锌、100g硫酸钡、400g聚砜、50g铜纤维、1.5g石墨烯、100g铬铁粉、10g偶联剂KH 560、100g聚四氟乙烯、30g聚四氟乙烯和40g硅酮加入高速搅拌机，在500rpm搅拌速度下，搅拌15min；然后，再加入200g碳纤维和50g芳纶1414短切纤维，在200rpm搅拌速度下，搅拌5min，得到摩擦层材料的原料组分混合料。将支撑层毛坯放入模具底部，再加入混合料，加热加压进行模压成型。预压阶段：加热温度为400℃，压力为10MPa，时间为3小时；恒温保压：温度为300℃，压力为15MPa，模压时间为4小时；冷却降温：在保压下降温至80℃，时间为3小时。将模压得到的毛坯，进行机加工得到刹车片成品。
3)按GB5763-1998进行摩擦性能测试。以上实例1～6所制备的刹车片摩擦系数及磨损率测试结果列于表1。
从表1看出本发明的刹车片具有优良的摩擦性能在一定的摩擦温度变化范围内，其摩擦系数及磨损率变化很小，具有很好的稳定性。说明本发明的耐高温聚合物/陶瓷基复合刹车片具有优异的制动性与耐磨性，特别是高温摩擦性能比酚醛树脂基刹车片具有较为稳定的摩擦系数及极低的磨损率。所制备的刹车片比重轻，是半金属型刹车片的1/5；成本低，约为陶瓷刹车片的60％。
Claims (10)
1.一种摩擦层材料，其特征在于，所述摩擦层材料包括如下原料组分及重量份：
2.如权利要求1所述的摩擦层材料，其特征在于，所述陶瓷耐磨材料为氧化铝、氧化锆、碳化硅、碳化硼、氮化硅中的一种或多种。
3.如权利要求1所述的摩擦层材料，其特征在于，所述耐高温热塑性高聚物为聚醚醚酮、聚醚砜、聚砜、聚酰亚胺、聚酰胺亚胺中的一种或多种。
4.如权利要求1所述的摩擦层材料，其特征在于，所述摩擦层材料包括如下特征中的一种或多种：
所述碳纤维为300～1000T，6～24K短切纤维；
所述芳纶为芳纶1414、芳纶1313的短切纤维或芳纶浆粕中的一种；
所述金属纤维为铜纤维短丝，单丝直径为10～30μm，长度为1～4mm；
所述摩擦调节剂为天然石墨、聚四氟乙烯、硅酮、二硫化钼中的一种或多种；
所述偶联剂为硅烷类偶联剂KH 550、KH 560、KH 570中的一种或多种；
所述填料为氧化镁、氧化锌、铬铁粉、硫酸钡、硫化锌中的一种或多种。
5.一种刹车片，其特征在于，所述刹车片采用如权利要求1～4任一项所述的摩擦层材料制备形成摩擦层。
6.如权利要求5所述的刹车片，其特征在于，刹车片包括支撑层。
7.如权利要求6所述的刹车片，其特征在于，支撑层材料选自玻纤增强尼龙46、尼龙6T、尼龙9T、尼龙10T、尼龙1313、尼龙66、尼龙6、尼龙610、尼龙1010、尼龙612中的一种或多种。
8.如权利要求5～7所述的刹车片的制备方法，包括以下步骤：
1)将支撑层材料注塑成型制备支撑层毛坯；
2)将支撑层毛坯放入模具底部，加入摩擦层材料的原料组分混合料，加热加压进行模压成型制备摩擦层与支撑层的复合毛坯，经机加工得到刹车片。
9.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于，支撑层与摩擦层厚度比为(2～4):1。
10.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法中1)中包括如下特征中的一种或多种：
注塑成型温度为260～400℃；
注射时间为2～6s；
模具温度为60～90℃；
注射压力为75～95MPa；
保压压力为65～85MPa；
保压时间为15～60s；
冷却时间为15～50s。
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