CN107542818B - 对制动速度及温度低敏感的树脂基摩擦材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种对制动速度和温度低敏感的树脂基摩擦材料，组成包括粘结剂、增强纤维、碳材料、增摩剂、摩擦性能调节剂、填料；所述粘结剂为腰果壳油改性酚醛树脂、丁腈橡胶；所述增强纤维为碳纤维、钢纤维；所述碳材料为碳粉或碳粉和竹炭的混合；所述增摩剂为刚玉、长石粉；所述摩擦性能改性剂为蛭石、云母、滑石、铜粉；所述填料为重晶石、硅灰石粉。本发明还提供了上述对制动速度和温度低敏感的树脂基摩擦材料的制备方法。本发明所制备的摩擦材料在不同的制动速率和制动温度下具有低敏感性，即在不同速度和温度下都具有较稳定的摩擦系数和较低的磨损量，同时也满足环保要求和力学性能要求，且制备工艺简单，易于操作。
Description
技术领域
本发明涉及复合摩擦材料技术领域，具体涉及一种汽车传动装置和制动装置领域使用、对制动速度及温度低敏感的摩擦材料及其制备方法。
背景技术
随着我国汽车行业的快速发展，人们对摩擦材料的环保性和安全性等方面的要求越来越高。据有关部门统计，高速行驶是致使驾驶员和乘客人身安全得到损害的原因之一。原因是较高速度下摩擦材料的摩擦系数逐渐降低，在高速的情况下制动性能的得到减弱，制动距离增加从而致使事故的发生。刹车片在高速下摩擦系数的降低的原因公认的有以下两点：一是韩晓明和肖鹏等人的文章中提到摩擦能量与制动速度的平方成正比，随着转速提高，制动速度提高，摩擦能量提高从而导致摩擦表面温度升高，摩擦材料组份中的部分组元易发生高温软化，强度降低，最终导致试样承受摩擦力的能力降低，从而摩擦系数降低。二是有关研究学者提出随着摩擦盘转速增加，摩擦表面上的磨屑不易堆积，容易从摩擦接触面逸出，不利于摩擦层的形成。
热衰退现象一直是树脂基摩擦材料所备受关注的焦点，由于树脂在高温的情况下会发生分解、失效，导致基体组元的粘结强度降低，从而使得摩擦材料在与对偶发生相互运动时的摩擦系数降低。而在工程应用的制动过程中，摩擦发热是不可避免的，因此拥有较低的温度敏感性是判定摩擦材料是否优良的重要性能指标之一。
发明内容
本发明的目的是开发一种对制动速度和温度低敏感的树脂基摩擦材料，不仅要解决树脂基摩擦材料在不同转速工况下摩擦系数波动的问题，同时保证拥有较低的温度敏感性，且满足环保要求，制作工艺简单适合推广使用。
为实现上述目的，本发明提供了一种对制动速度和温度低敏感的树脂基摩擦材料，组成原料及质量百分比为：粘结剂15～20％、增强纤维5～15％、碳材料为10～30％、增摩剂3～10％、摩擦性能调节剂9～16％，填料为25～40％。
上述方案中所述的粘结剂为腰果壳油改性酚醛树脂、丁腈橡胶中的一种或两种混合。
优选方式下，所述腰果壳油改性酚醛树脂的细度为250目，游离酚小于1.5％，150℃的固化速度为50～90s，125℃下的流动距离为35～55mm；腰果壳油改性酚醛树脂能够提高材料的耐高温性能。
优选方式下，所述的丁腈橡胶溶解度参数为9.3～9.9；与酚醛树脂溶解参数10.50相当接近，具有很好的物理相容性。树脂和橡胶材料的相容性好，对粘结剂的性能和摩擦材料的性能都有一定程度的提高。
上述方案中所述增强纤维为碳纤维、钢纤维中的一种或两种混合。
优选方式下，所述碳纤维为经过硝酸处理的5mm短切碳纤维；进一步优化，以硝酸作为处理介质对碳纤维进行液相氧化法处理，可以获得较多的活性官能团(如OH，CO，COOH)和良好物理结合条件，与基体的相容性和粘结性较未进行表面处理的更好，具体处理方法为：将碳纤维置于质量浓度为65％硝酸溶液中浸泡4h，辅以超声波振荡，然后用蒸馏水清洗碳纤维，将其置于干燥箱内，100℃下干燥8h。
优选方式下，所述钢纤维为低碳钢制得；最优方式下，所述低碳钢的含碳量为0.08％，含硅量为0.04％，含锰量为0.83％，含磷量和硫量分别为0.03％和0.03％。碳纤维与钢纤维混合使用时需混合均匀。
上述方案中所述碳材料为碳粉或碳粉和竹炭的混合，其中碳粉的质量分数为10％～25％，竹炭的重量分数为0～5％。本发明在碳粉中适量的添加竹炭不仅可以节约成本，而且碳粉和竹炭可以交互作用，使得摩擦材料性能更优。
优选方式下，所述碳粉粒径为1～100nm，竹炭粒径为0.1～10μm。
上述方案中，所述增摩剂为刚玉、长石粉中的一种或两种混合。优选方式下，所述刚玉、长石粉的粒径为10～20μm。
上述方案中，所述的摩擦性能改性剂为蛭石、云母、滑石、铜粉中的两种或多种混合。本发明方案中采用两种或两种以上的摩擦性能改性剂混合，可使得材料达到相关性能的要求，四种材料均为摩擦性能调节剂，可互相替换。
上述方案中，所述填料为重晶石、硅灰石粉中的一种或两种混合。
本发明还提供了一种上述对制动速度和温度低敏感的树脂基摩擦材料的制备方法，具体步骤为：
步骤1：分别按照重量百分比称取粘结剂、增强纤维、增摩剂、摩擦性能调节剂、填料；
粘结剂15～20％、增强纤维5～15％、碳材料为10～30％、增摩剂3～10％、摩擦性能调节剂9～16％、填料为25～40％；
所述粘结剂为腰果壳油改性酚醛树脂、丁腈橡胶中的一种或两种混合；
所述增强纤维为碳纤维、钢纤维中的一种或两种混合；
所述碳材料为碳粉或碳粉和竹炭的混合，其中碳粉的质量分数为10％～25％，竹炭的重量分数为0～5％；
所述增摩剂为刚玉、长石粉中的一种或两种混合；
所述摩擦性能改性剂为蛭石、云母、滑石、铜粉中的两种或多种混合；
所述填料为重晶石、硅灰石粉中的一种或两种混合；
步骤2：将步骤1称量的材料在20000r/min的高速搅拌机中进行混合，搅拌时间为3min；
步骤3：将步骤2中混合好的材料放置在鼓风干燥箱中进行干燥，温度为65℃，时间为3h；
步骤4：将液压机的压力调到11MPa，温度调为170℃，当温度达到稳定即可将步骤3中干燥好获得的混合材料装入模具中，并逐渐增大压力，直到压力达到40MPa，之后保温保压1h，然后将块体脱模取出；
步骤5：将步骤4获得的预成品置于热处理炉中进行应力释放，处理温度为170℃，时间为6h，取出经过处理的模块即得到对制动速度和温度低敏感的树脂基摩擦材料。
本发明在碳纤维处理过程中采用超声波振荡，可以实现碳纤维表面改性的同时便于改善碳纤维的分散性。
优选方式下，步骤1中：
所述腰果壳油改性酚醛树脂的细度为250目，游离酚小于1.5％，150℃的固化速度为50～90s，125℃下的流动距离为35～55mm；
所述丁腈橡胶溶解度参数为9.3～9.9；
所述碳纤维为经过硝酸处理的5mm短切碳纤维；所述钢纤维为低碳钢制得；
所述碳粉粒径为1～100nm，竹炭粒径为0.1～10μm；
所述刚玉、长石粉的粒径为10～20μm。
进一步优化，上述以硝酸作为处理介质对所述碳纤维进行液相氧化法处理。具体方法为：将碳纤维置于质量浓度为65％硝酸溶液中浸泡4h，辅以超声波振荡，然后用蒸馏水清洗碳纤维，将其置于干燥箱内，100℃下干燥8h。
上述制备钢纤维的低碳钢的优选含碳量为0.08％，含硅量为0.04％，含锰量为0.83％，含磷量和硫量分别为0.03％和0.03％。
相比于现有技术本发明的优点在于：
1.本发明所制得的树脂基摩擦材料，其配方中的树脂具有较好的耐高温性能，外加橡胶对其的改性，使得力学性能得到提高；碳纤维和钢纤维作为增强纤维，用于提高材料的机械强度；配方中的碳材料使得摩擦片的导热性良好，并在刹车过程中形成稳定的摩擦膜，可以有效提高制动能力；刚玉和长石粉作为增摩剂来提高材料的摩擦系数；同时添加蛭石、滑石、云母和铜粉来调节摩擦材料的摩擦磨损性能，其中蛭石用于降低摩擦过程中所产生的噪音，云母和滑石能够提高材料的耐磨性和摩擦稳定性，铜粉能够起到很好的导热性能来降低表面温度；配以重晶石和硅灰石等填料，使得本发明所制得的多组元复合增强树脂基摩擦材料具有较低的速度和温度敏感性，即在不同转速和温度的工况下仍能保持稳定的摩擦系数。
2.本发明所制得的多组元复合增强树脂基摩擦材料同时拥有较好的力学性能和优异的耐磨性，制备工艺简单适合全面推广。
综上所述，本发明所制备的摩擦材料在不同的制动速率和制动温度下具有低敏感性，即在不同速度和温度下都具有较稳定的摩擦系数和较低的磨损量，同时也满足环保要求和力学性能要求，且制备工艺简单，易于操作。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明的具体实施方式及工作原理作进一步的详细说明。
实施例1
一种对制动速度和温度低敏感的树脂基摩擦材料及其制备方法，其制备方法包括以下骤；
步骤1：首先将碳纤维置于浓度为65％硝酸溶液中浸泡4h，辅以超声波振荡，目的是改性的同时便于碳纤维分散。然后用蒸馏水清洗碳纤维，将其置于干燥箱内，100℃下干燥8h。
步骤2：选用腰果壳油改性酚醛树脂作为粘结剂，其质量分数为15％；选择碳纤维和钢纤维作为增强纤维，两者的质量分数分别为5％和5％，其中使用的碳纤维是经过步骤1分散处理后的；选择碳粉和竹炭作为其碳材料，用以提高材料的导热性能，其质量分数分别为20％和5％；添加3％刚玉用于提高材料的摩擦系数；添加6％的滑石来提高材料的耐性能和摩擦稳定性能；添加3％的铜粉，用以调节高温摩擦性能；选择重晶石作为填料，其质量分数为38％。总量为130g，在电子天平上称量获取。
步骤3：将步骤2称量的材料在2000r/min的中草药搅拌机中进行混合，搅拌3min；
步骤4：将步骤2中混合好的材料放置在鼓风干燥箱中进行干燥，温度为65℃，时间为3h；
步骤5：将液压机的压力调到11MPa，温度调为170℃，当温度达到稳定即可将步骤4中干燥好获得的混合材料装入的模具中，并逐渐增大压力，直到试样所受压力达到40MPa，之后保温保压1h，然后将试样脱模取出；
步骤6：从步骤5脱模中取出的试样放置于热处理炉进行应力释放，温度为170℃，时间为6h；最后自然冷却至室温取出，得到所述的多组元混合增强树脂基摩擦材料。
将获得的树脂基摩擦材料进行加工，制成标准样块，分别在MM-1000型的制动摩擦试验机和JF151型的定速式摩擦试验机上进行测试，测试结果如表1、表2所示：
表1摩擦系数与转速的关系
表2摩擦系数与温度的关系
由表1和表2可知，本实施例所制得的多组元复合树脂基摩擦材料的摩擦性能很稳定，随温度和转速的变化波动很小。
实施例2
一种对制动速度和温度低敏感的树脂基摩擦材料及其制备方法，其制备方法包括以下骤；
步骤1：首先将碳纤维置于浓度为65％硝酸溶液中浸泡4h，辅以超声波振荡，目的是改性的同时便于碳纤维分散。然后用蒸馏水洗净碳纤维，将其置于干燥箱内，100℃下干燥8h。
步骤2：选用腰果壳油改性酚醛树脂和丁腈橡胶作为粘结剂，树脂和橡胶的质量分数为16％和4％；选择碳纤维作为增强纤维，其质量分数分别为6％，其中使用的碳纤维是经过步骤1分散处理后的；选择碳粉作为碳材料，用以提高材料的导热性能，其质量分数为24％；选择硅灰石作为填料，其质量分数为27％；添加7％长石用于提高材料的摩擦系数；添加5％的云母来降低对对偶盘的磨损；添加5％的铜粉，用以调节高温摩擦性能，添加6％的蛭石用以降低噪音。总重量为130g，在电子天平上称量获取。
步骤3：将步骤2称量的材料在2000r/min的中药搅拌机中进行混合，搅拌3min；
步骤4：将步骤2中混合好的材料放置在鼓风干燥箱中进行干燥，温度为65℃，时间为3h；
步骤5：将液压机的压力调到11MPa，温度调为170℃，当温度达到稳定即可将步骤4中干燥好获得的混合材料装入的模具中，并逐渐增大压力，直到试样片压力达到40MPa，之后保温保压1h，然后将试样脱模取出；
步骤6：从步骤5脱模中取出的试样放置于热处理炉进行应力释放，温度为170℃，时间为6h；最后自然冷却至室温取出，得到所述的多组元混合增强树脂基摩擦材料。
将获得的树脂基摩擦材料进行加工，制成标准样块，分别在MM-1000型的制动摩擦试验机和JF151型的定速式摩擦试验机上进行测试，测试结果如表3、表4所示：
表3摩擦系数与转速的关系
表4摩擦系数与温度的关系
由表3可知，本实施例所制得的多组元复合树脂基摩擦材料的摩擦系数基本不受转速的影响；而且，其对温度变化的敏感性较低，如表4所示。
实施例3
一种碳粉和铜粉的混合增强树脂基摩擦材料，其制备方法包括以下骤；
步骤1：首先将碳纤维置于浓度为65％硝酸溶液中浸泡4h，辅以超声波振荡，目的是改性的同时便于碳纤维分散。然后用蒸馏水洗净碳纤维，将其置于干燥箱内，100℃下干燥8h。
步骤2：选用腰果壳油改性酚醛树脂和丁腈橡胶作为粘结剂，其质量分数分别为14％和6％；选择钢纤维作为增强纤维，其质量分数分别为5％，用于提高材料的机械性能；选择碳粉作为其碳材料，用以提高材料的导热性能，其质量分数为25％；添加3％的刚玉和5％的长石用于提高材料的摩擦系数；添加7％的云母和6％的滑石来调节材料的耐磨性和摩擦稳定性；添加3％的蛭石，用以较小摩擦过程中所产生的噪音；选择重晶石和硅灰石作为填料，其质量分数分别为16％和10％。总量为130g，在电子天平上称量获取。
步骤3：将步骤2称量的材料在2000r/min的中草药搅拌机中进行混合，搅拌3min；
步骤4：将步骤2中混合好的材料放置在鼓风干燥箱中进行干燥，温度为65℃，时间为3h；
步骤5：将液压机的压力调到11MPa，温度调为170℃，当温度达到稳定即可将步骤4中干燥好获得的混合材料装入的模具中，并逐渐增大压力，直到试样片压力达到40MPa，之后保温保压1h，然后将试样脱模取出；
步骤6：从步骤5脱模中取出的试样放置于热处理炉进行应力释放，温度为170℃，时间为6h；最后自然冷却至室温取出，得到所述的多组元混合增强树脂基摩擦材料。
将获得的树脂基摩擦材料进行加工，制成标准样块，分别在MM-1000型的制动摩擦试验机和JF151型的定速式摩擦试验机上进行测试，测试结果如表5、表6所示：
表5摩擦系数与转速的关系
表6摩擦系数与温度的关系
如表5所示，该实施例所制备的多组元复合树脂基摩擦材料的摩擦系数较高且随转速的变化波动很小；由表6可知，该实施例所制得复合材料的摩擦系数随温度的变化波动也很小。
对比例
表7、表8为某国际知名品牌在不同转速和不同温度下的摩擦系数，通过与表1～6数据的对比，我们可以发现，本发明中刹车片的摩擦性能具有更稳定的摩擦系数和相对更低的磨损量。
表7摩擦系数与转速的关系
表8摩擦系数与温度的关系
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 (1)
1.一种对制动速度和温度低敏感的树脂基摩擦材料，其特征在于，组成原料为：粘结剂、增强纤维、碳材料、增摩剂、摩擦性能调节剂、填料；
所述粘结剂为腰果壳油改性酚醛树脂和丁腈橡胶的混合物；所述腰果壳油改性酚醛树脂的细度为250目，游离酚小于1.5％，150℃的固化速度为50～90s，125℃下的流动距离为35～55mm；
所述增强纤维为碳纤维；
所述碳材料为碳粉，其中碳粉占原料总量的质量分数为10％～25％；所述碳粉粒径为1～100nm；所述增摩剂为长石粉；所述长石粉的粒径为10～20μm；
所述摩擦性能调节剂为蛭石、云母、铜粉；
所述填料为硅灰石粉；
树脂基摩擦材料的制备方法包括以下步骤：步骤1：首先将增强纤维置于浓度为65％硝酸溶液中浸泡4h，辅以超声波振荡，然后用蒸馏水洗净碳纤维，将其置于干燥箱内，100℃下干燥8h；
步骤2：选用腰果壳油改性酚醛树脂和丁腈橡胶作为粘结剂，树脂和橡胶的质量分数分别为16％和4％；选择碳纤维作为增强纤维，其质量分数为6％，其中使用的碳纤维是经过步骤1分散处理后的；选择碳粉作为碳材料,其质量分数为24％；选择硅灰石粉作为填料，其质量分数为27％；添加7％长石粉、5％的云母、5％的铜粉、6％的蛭石；
步骤3：将步骤2称量的材料在2000r/min的中药搅拌机中进行混合，搅拌3min；
步骤4：将步骤2中混合好的材料放置在鼓风干燥箱中进行干燥，温度为65℃，时间为3h；
步骤5：将成型压力设为11MPa，模具预热温度为170℃，当温度达到稳定即可将步骤4中获得的混合材料装入模具中，并逐渐增大压力，直到试样片压力达到40MPa，之后保温保压1h，然后将试样脱模取出；
步骤6：从步骤5脱模中取出的试样放置于热处理炉进行应力释放，温度为170℃，时间为6h；最后自然冷却至室温取出，得到树脂基摩擦材料。
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