CN107592901A - 特别用于制造制动衬块的摩擦材料及相关制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种不含石棉的摩擦材料，所述摩擦材料包含无机和/或有机和/或金属纤维、至少一种粘结剂、至少一种摩擦改进剂或润滑剂、至少一种填料或磨料以及由微米级平面尺寸和纳米级厚度的薄片或鳞片形式的微观结构构成的含碳材料，所述薄片或鳞片由基本上纯的石墨烯单层或多层组成，所述含碳材料优选地与所述有机粘结剂的至少一部分预先共混。
Description
技术领域
本发明涉及特别适用于制造制动衬块的摩擦材料。本发明还涉及用于制备此类摩擦材料的方法，该摩擦材料用于制造摩擦元件(诸如制动元件，例如车辆制动衬块或制动蹄和/或离合器盘)的摩擦层/摩擦块。摩擦材料及相关的制备方法适用于制造不含石棉的摩擦材料，例如属于称为NAO(“不含石棉的有机摩擦材料”)、“低碳钢”和“半金属”的摩擦材料类别。
现有技术：
上述类型的摩擦材料包括五种类别的组分：由无机和/或有机和/或金属纤维制成的纤维材料、粘结剂、“填料”、一种或多种润滑剂或摩擦改进剂、一种或多种磨料。在很大程度上，石棉以往曾用作纤维材料，然而该材料会带来相当大的环境问题并且对人体健康具有熟知的毒性效应，因此已受法规禁止很长时间。因此该材料已被替换为其他材料，这些其他材料为无机的，诸如岩棉、硅灰石和玻璃纤维，并且为有机的，诸如芳纶纤维和碳纤维，还可以为金属的，诸如铜、锡、铁、铝和钢粉末或纤维，以及其他金属或金属合金，诸如青铜和黄铜。粘结剂一般是热固性聚合物(例如基于酚醛树脂)，其固体形式(粉末)和液体形式(例如，如果基于甲阶酚醛树脂)两者均可在市面上找到。各种材料用作填料，诸如重晶石(硫酸钡)、碳酸钙、滑石、氧化镁、蛭石；用作磨料的为硅酸锆、氧化锆、氧化铝、碳化硅、云母；用作摩擦改进剂的为金属硫化物，诸如二硫化钼、铁硫化物、铜、锡、石墨和/或焦炭。然后以较小百分比添加其他类别的材料，诸如例如粉末或颗粒形式的橡胶、“摩擦粉尘”、其他有机材料。
各种国家和国际法规要求使用不仅不含石棉和重金属而且具有减少的铜含量或零铜含量的摩擦材料。然而，与其他材料相比，不含铜的摩擦材料更加涉及因重复制动所致摩擦系数随时间推移的衰减，特别是在存在升高的温度的情况下。
本领域已知晓一种称为石墨烯的新材料很长时间。石墨烯是碳的一种同素异形体，它呈现碳原子的二维六方晶格的形式，这些碳原子存在于六方晶格的各顶点。它还可以被视为无限大的芳族分子。
石墨烯有两种形式可商购获得：
·纯度高于98％、形态平坦、具有纳米级厚度和微米级平面宽度的纳米石墨颗粒，其中每个颗粒包括一个或多个石墨烯片材，且厚度在介于0.34nm与40nm之间的范围内。这些颗粒具有约1至50微米范围内的平面宽度。在微米级水平，该石墨烯具有石墨烯片材薄堆的聚集体的外观。这种类型的产品当前由公司DIRECTA PLUS以商品名ULTRA GRAPHENE销售。
·由薄片形式的纳米石墨烯片层构成的干燥粉末。这些薄片具有小于10微米的横向尺寸以及小于4nm且直至0.142nm(碳单原子层的厚度)的厚度，例如同样由公司DIRECTAPLUS以商品名PURE GRAPHENE 销售。这些纳米片层的高纯度，连同其小尺寸和可控密度一起，使得Pure成为随时可以分散在任何类型的材料内的添加剂。
根据Berman等人，“Materials Today”(《今日材料》)，ELSEVIER，第17卷，第1期(2014年1月/2月)报道，石墨烯可用于液体润滑剂中，或者其自身可用作固体润滑剂，从而通过气相沉积技术(CVD)将其以薄层形式沉积在表面上。
US2007158618A1提出在制动盘或制动鼓的生产中使用石墨烯薄层。根据US2014117745A1，将一层石墨烯沉积在自行车车轮的边缘上，以便构成具有耐磨性和所需粗糙度且适用于与传统制动元件联接的摩擦表面。WO2014145227A1提出在制动盘或制动鼓的表面上覆盖一层石墨烯，以便增加耐磨性并实现所需粗糙度，这就改善了制动特性，因为其允许空气在由传统类型的制动衬块制成的制动盘与制动元件之间流动。WO2014145231A2相似地提出在制动盘上覆盖石墨烯，以便减少其中的磨损，尤其是保护其免受腐蚀。
最后，US20130015409A1提出一种用于制备含有石墨烯的摩擦材料的方法，具体方式是用氧化石墨烯的液体共混物浸渍纸材和芳纶纤维的薄片材；对由此浸渍的片材进行化学还原以便原位获得石墨烯，添加到有机粘结剂中并进行聚合，从而获得摩擦材料薄层。然而，很明显，该产品不能按照此类方式在常用的车辆诸如汽车中使用。
KR20100091750首次提议在用于车辆制动衬块生产的摩擦材料中使用石墨烯。然而，由于石墨烯是一种难以在摩擦材料配方中共混的昂贵材料这一事实，石墨烯在车辆制动衬块的摩擦材料中的实际应用实际上是未知的。
发明内容
本发明的目的是提供摩擦材料，以便用于制造作为制动元件(例如车辆制动衬块或制动蹄和/或离合器盘)的摩擦元件的摩擦层/摩擦块，该摩擦材料优选地不含对健康潜在有害的材料，适用于大规模工业生产，并且具有与现有摩擦材料相当或更好的摩擦学特性。
因此本发明涉及如权利要求1中所定义的摩擦材料，以便用于制造作为制动元件(例如车辆制动衬块或制动蹄和/或离合器盘)的摩擦元件的摩擦层/摩擦块。
具体地讲，根据本发明的摩擦材料包含作为组分材料的无机和/或有机和/或金属纤维、一般为有机而且也为无机的至少一种粘结剂、至少一种填料或磨料和包括含碳材料在内的至少一种摩擦改进剂或润滑剂。含碳材料整体或部分地由微米级平面尺寸和纳米级厚度的薄片或鳞片形式的微观结构构成，这些薄片或鳞片由基本上纯的石墨烯单层或多层组成。
微米级平面尺寸和纳米级厚度的石墨烯鳞片或薄片均匀地分散在主要或完全由粘结剂(优选有机的)构成的基体内。分散在有机粘结剂基体内的是与有机粘结剂不同的摩擦材料的其他组分。
具体地讲，石墨烯鳞片或薄片包括至多280个石墨烯单原子层且具有小于50微米的横向尺寸和小于40nm的厚度，并且优选地包括至多30个石墨烯单原子层且具有小于10微米的横向尺寸和小于4nm的厚度。
本质上，存在于当前使用的摩擦材料配方内的一部分或全部传统石墨含量被替换为石墨烯，而基本上不改变这些配方的其余部分，所述其余部分可代之以包括焦炭，焦炭因其形态和/或化学结构而是有用的。
可在该生产方法的不同阶段将石墨烯添加到该配方的其他组分材料中，该石墨烯呈现由石墨烯单层或多层所形成的薄片或平面鳞片制成的粉末形式，其中这些鳞片或薄片具有纳米级厚度以及平面图中的微米级尺寸(宽度和长度)。
具体地讲，可由树脂制造商自行将石墨烯直接预插入构成有机粘结剂的合成树脂或合成树脂共混物中。或者，可在亨舍尔(Henschel)、罗迪格(Loedige)或爱立许(Eirich)型混料机中将其与粘结剂(本例中为有机和/或无机粘结剂)共混，并与该配方的所有其他组分共混。
根据本发明的优选方面，不是简单地通过将石墨烯添加到上述类型的混料机中来进行石墨烯与该配方的其他原料组分的混合，而是进行复杂共混方法，该方法包括通过与大气压相通的第一辊混料机进行热共混的第一步骤，在该步骤中，将有机粘结剂的至少一部分、该配方所需的石墨烯的全部量以及任选的摩擦材料的一种或多种其他组分材料的至少一部分进给到与大气压相通并配备有至少两个受热旋转辊的所述第一混料机中，以便在低于有机粘结剂的聚合或固化温度但大于或等于有机粘结剂软化温度且优选高于有机粘结剂的完全熔融温度的温度下，使有机粘结剂的所述至少一部分、该配方所需的石墨烯的全部量以及任选的摩擦材料的一种或多种其他组分材料的至少一部分在其间界定的间隙中穿过辊。
这样，参与第一热共混步骤的石墨烯与有机粘结剂混合，在第一混料机的旋转辊所施加的高剪切应力下有机粘结剂变成流体状态，随后对由此形成的糊剂进行冷却，从而在第一混料机的输出处获得微米级大小鳞片或带材或片材形式的固体半成品。
随后，例如通过球磨机或锤磨机进行研磨步骤，其中含有石墨烯的固体半成品被减小为细粉末，优选地对该细粉末进行筛分以便将其减小到介于5与500微米之间的粒度分布。
在使用热辊将石墨烯与有机粘结剂共混及研磨由此获得的半成品片材或鳞片或带材的步骤之后、或之前和之后，还利用此前预先形成的固体原料摩擦材料组分执行传统类型的第二共混步骤。在诸如亨舍尔、罗迪格或爱立许型的第二传统混料机中进行第二混合步骤。
优选地，在第一热共混步骤中，为了获得固体半成品，将所有有机粘结剂和所有石墨烯混合在一起，在高于有机粘结剂(其优选地为粉末)的液化温度的温度下操作，使得这可在共混阶段期间因辊所施加的剪切应力的作用而呈现完全流体状态，以便更易于掺入石墨烯，该石墨烯优选地以固体粉末形式添加到混料机中。通过碾磨含有石墨烯的固体半成品而由此获得的粉末经历筛分步骤。因此，通过研磨固体半成品而获得的用于形成原料混合物配方的粉末具有介于5与500微米之间的受控粒度分布。
随后，根据常规方法，将通过研磨含有有机粘结剂和石墨烯的固体半成品而获得的该粉末与所选的配方的每一种其他原料组分在亨舍尔、罗迪格或爱立许型混料机中共混。
通过以下方式进行热共混的第一步骤：将所有有机粘结剂(优选地为粉末形式)和所有石墨烯添加到料斗中，该料斗布置在至少一对机动化且逆向旋转的受热料筒上方。即使并非优选，也不排除在此类步骤期间将有机粘结剂与石墨烯混合和/或与待生产的摩擦材料配方的至少一种其他原料固体组分混合。
压制和混合物组合方法
除了一个或多个此前所述的共混步骤之外，在根据本发明的摩擦材料中使用石墨烯的方法还包括例如在加热和加压下，对含有石墨烯的原料混合物进行的压制步骤，以便获得可在实践中使用的摩擦材料块。该压制步骤以传统方式进行，唯一不同之处是在放入压模中的各组分之中，还有此前共混的石墨烯或通过研磨固体半成品而获得的粉末，该固体半成品通过使用与大气相通的机动化辊混合机共混一些或所有所需组分(包括所有石墨烯)而获得。
在该压制步骤中，将原料混合物放入压模中，该压模内还布置有经适当处理的金属载体或背板，使得在压制步骤期间，不仅形成摩擦材料的层或块，还获得此类层或块与金属载体的粘附性。
在介于60与250℃之间的温度下以150至1800Kg/cm2的压力执行制动衬块压制介于3与10分钟之间的持续时间，或者是在压模内预先形成原料混合物，之后在100至250℃的温度下以150至500kg/cm2(14.7-49MPa)的压力压制3至10分钟的持续时间。
或者，可模制原料混合物以便获得摩擦材料块，随后将其胶粘到金属载体。
本发明还涉及摩擦元件，特别是制动衬块或制动蹄，其呈现出由本发明的摩擦材料制成的摩擦材料的层或块。
本发明最后涉及制动系统，该制动系统包括由以铸铁或钢制成的制动盘或制动蹄构成的待制动的元件，以及由被设计成通过与待制动的元件摩擦的方式来进行配合的制动衬块或制动蹄构成的至少一个制动元件，其中该制动元件呈现出旨在与待制动的元件配合并且使用根据本发明的摩擦材料制备的摩擦层或块。
根据本发明待制备的摩擦材料组合物或原料混合物的组分可以是本领域已知的那些摩擦材料中使用的组分，且添加有如上所定义的石墨烯，并且优选地同时减少或完全消除石墨。因此根据本发明的摩擦材料含有石墨烯，优选地不含石墨并且还优选地不含铜和/或其合金，两者均呈粉末和纤维的形式。因为铜是潜在危险的组分，铜的消除是优选的，并且似乎可以通过石墨烯加以补偿，这大概是由于石墨烯具有高热导率。
具体地讲，由纤维组成的组分可由除石棉以外的任何有机纤维或无机纤维组成，或由摩擦材料中常用的任何金属纤维组成，优选地排除铜及其合金。示例性示例包括无机纤维，诸如玻璃纤维、岩棉、硅灰石、海泡石和绿坡缕石；和有机纤维，诸如碳纤维、芳纶纤维、聚酰亚胺纤维、聚酰胺纤维、酚醛纤维、纤维素和丙烯酸纤维或PAN(聚丙烯腈)；金属纤维，诸如钢纤维、不锈钢、铝纤维、锌等。
这些纤维可以以短纤维或粉末的形式使用。
为了确保足够的机械强度，与摩擦材料的总体积相比，纤维的量优选地介于2体积％与40体积％之间，并且更优选地介于15体积％与30体积％之间。
本领域已知的许多材料可用作有机或无机填料。示例性示例包括碳酸钙沉淀物、硫酸钡、氧化镁、氢氧化钙、氟化钙、消石灰、滑石和云母。
这些化合物可单独使用，或以它们中的两者或更多者的组合使用。基于摩擦材料的总组成计，此类填料的量优选地介于2体积％至40体积％之间。
粘结剂可以是常用于摩擦材料中的已知的任何粘结剂，因此甚至还可以是最近在一些摩擦材料混合物中使用的类型的无机粘结剂。一般使用有机粘结剂，并且一般来讲，其是热固性树脂或热固性树脂混合物。
合适的粘结剂的示例性示例包括酚醛树脂、三聚氰胺树脂、环氧树脂；各种改性酚醛树脂，诸如环氧改性酚醛树脂、油改性酚醛树脂、烷基苯改性酚醛树脂和丙烯腈-丁二烯橡胶(NBR)。
可使用这些化合物中的任何一者或一者或多者的组合。为了确保足够的机械阻力和耐磨性，基于原料混合物或所获得的最终摩擦材料的总组成计，以优选介于2体积％至50体积％之间的量加入粘结剂。
除石墨烯之外，摩擦改进剂(其可包括全部或一部分填料)还可包括有机填料，诸如腰果粉末、橡胶粉末(粉状胎面橡胶粉末)、多种非硫化橡胶颗粒、多种硫化橡胶颗粒；无机填料，诸如硫酸钡、碳酸钙、氢氧化钙、蛭石和/或云母；磨料，诸如碳化硅、氧化铝、硅酸锆；润滑剂，诸如二硫化钼、锡硫化物、硫化锌、铁和有色金属硫化物；铜和铜合金的各种金属颗粒；和/或所有上述的组合。
本发明中使用的磨料可如下分类(以下列表仅是指示性的，不一定是穷尽且非限制性的)：
·柔和磨料(莫氏硬度1-3)：滑石、氢氧化钙、钛酸钾、云母、高岭土；
·中等磨料(莫氏硬度4-6)：硫酸钡、氧化镁、氟化钙、碳酸钙、硅灰石、硅酸钙、氧化铁、二氧化硅、铬铁矿、氧化锌；
·强力磨料(莫氏硬度7-9)：碳化硅、锆砂、硅酸锆、氧化锆、刚玉、氧化铝、莫来石。
根据所需的摩擦特性，摩擦改进剂的总含量优选地介于相对于全部材料的体积的介于40体积％与80体积％之间，并且具体地讲，根据本发明的显著方面，如上所定义的石墨烯含量介于相对于全部材料的体积的介于0.1与12体积％之间，并且具体地讲，以及将从示例中看出，优选地介于1与10体积％之间，还更优选地介于1与5体积％之间。因此，已经意外地发现，过量的石墨烯不仅成本高昂，还会使摩擦材料的性能变得更糟而非改善。
固化和涂漆
在配方所要求的情况下，通过150至400℃热处理介于10分钟至10小时之间的持续时间对压制制品(制动衬块)进行后固化，然后进行喷漆或喷粉、窑炉干燥以及可能视需要进行加工，从而制得最终产品。
通过本发明的方法获得的摩擦材料可用于诸如汽车、卡车、铁路车辆和其他各种类型的车辆和工业机器的盘式衬块、卡爪和衬面的应用中或者用于离合器盘中。
附图说明
现在将参照以下实际的非限制性实施方案示例并参照附图的图1至图5更详细地描述本发明，在附图中：
-图1以方框的方式示意性地示出了根据本发明的摩擦材料的若干可能实施方法；
-图2以图形形式示出了根据AKM标准对使用以下配方制得的相同制动衬块进行对比性制动效率测试得出的结果：现有技术摩擦材料配方(图2a)，以及基本上相同的摩擦材料配方，其中根据本发明，已以10/2的比率将所有石墨含量替换为石墨烯含量并且使用根据本发明的优选摩擦材料实施方法执行石墨烯共混(图2b)；
-图3以图形形式示出了根据AKM标准对使用以下配方制得的相同制动衬块进行对比性制动效率测试得出的结果：现有技术摩擦材料配方(图3a)，以及基本上相同的摩擦材料配方，其中根据本发明，已将所有石墨含量分别替换为相当的石墨烯含量(图3b)，及已以10/2的比率将所有石墨含量替换为石墨烯含量(每10份替换的石墨使用2份石墨烯。图3c)；
-图4以图形形式示出了根据AMS标准对与图3中相同的制动衬块进行对比性制动效率测试得出的结果；以及
-图5示意性地示出了根据本发明的摩擦材料的优选实施方法的特征步骤。
具体实施方式
示例和比较例仅以举例说明的方式在此报告，并非旨在限制本发明。
参照图1，在用于制备根据本发明的不含石棉的摩擦材料块或层的方法的方框中示意性地示出了三种不同的非限制性可能实施形式。
参照图1a，由100指示的方框表示这样的步骤，其中由制造商通过以下方式制备适合作为所需摩擦材料配方或组合物的有机粘结剂的合成塑料树脂或合成塑料树脂混合物：以具有薄片或鳞片形式的微观结构直接向其中加入石墨烯，通常向其中加入液体分散剂诸如水或烯烃，因此其自身呈现出悬浮液或糊剂的形式；石墨烯薄片或鳞片具有纳米级厚度的微米级平面尺寸且由基本上纯的石墨烯单层或多层组成。添加石墨烯的步骤由附图标记1所指示的箭头表示，并且可例如在树脂仍呈液体形式时直接在树脂中进行。方框110是对添加有石墨烯的所述一种/多种树脂的研磨步骤，该步骤常常由所述一种/多种树脂的制造商执行。随后由制动衬块的制造商进行由方框120表示的共混步骤，其中将添加有石墨烯的树脂/树脂共混物以传统方式与待获得的摩擦材料的共混物或配方或组合的所有其他原料组分诸如纤维、其他摩擦改进剂和润滑剂、填料、磨料一起混合。使用已知的方法在亨舍尔、罗迪格或爱立许型混料机中进行共混步骤120。最后，制动衬块制造商进行由方框130指示的加压下的热压制的步骤，这也是以传统且已知的方式进行的，以便获得完整制动衬块或者获得摩擦材料块，随后将摩擦材料块胶粘到金属载体或背板。
参照图1b，由200表示的方框是这样的步骤，其中由制造商以传统方式制备适用于构成摩擦材料配方或所需组合物的有机粘结剂的合成塑料树脂或合成塑料树脂共混物。方框210表示对所述一种/多种树脂的研磨步骤，该步骤常常由所述一种/多种树脂的制造商进行。
然后由制动衬块的制造商进行共混步骤，如由方框220表示，其中树脂/树脂共混物至少部分地具有以薄片或鳞片形式的微观结构直接加入其中的石墨烯，这些薄片或鳞片具有微米级平面尺寸和纳米级厚度且由基本上纯的石墨烯单层或多层组成；石墨烯添加步骤由以附图标记1示出的箭头表示，并且石墨烯以固体的形式添加。
由220表示的方框表示用于获得制动衬块的本发明生产方法的特征步骤，并且在图5中示意性地阐释。该步骤包括将石墨烯和待获得的摩擦材料的原料混合物或配方或组合物的可能其他组分诸如纤维、其他摩擦改进剂或润滑剂、填料、磨料，与已针对有机粘结剂所选的合成树脂/合成塑料树脂共混物的全部或一部分进行热共混。优选地，在该阶段，根据图5中示意性地示出的方框220的前瞻性扩展，将由附图标记4示意性地指示并且为固体且呈粉末或颗粒形式的所有有机粘结剂、由附图标记10示意性地指示并且从制动衬块制造商购得(由公司DIRECTA PLUS以石墨烯ULTRA或PURE GRAPHENE 在市面上销售)的所有石墨烯、以及任选的原料摩擦材料的一种或多种可能其他组分(为简洁起见，未示出)紧密地共混在一起，将由箭头1指示的石墨烯10和粘结剂4进给到料斗7内，使之在大气压条件下从所述料斗掉落在两个(或更多个)受热且机动化的反向旋转辊8之间。
根据该实施方案，粘结剂4必需是由树脂或热固性树脂混合物组成的有机粘结剂。
将辊8加热到高于软化温度的温度，并且优选地高于有机粘结剂的完全熔融温度但低于有机粘结剂的聚合或固化温度，这样可以将有机粘结剂升温到大于或等于软化温度但低于其聚合温度的温度，以便保持有机粘结剂再次软化或液化的能力。
辊8和料斗7形成轧机混料机9的一部分，该轧机混料机与大气相通，因此不加压。在该混料机9内，所需摩擦材料的原料组分，特别是至少石墨烯10和有机粘结剂4在存在流体状态的有机粘结剂的情况下经受高剪切应力，诸如以将其均匀地共混。在辊混合机9的输出处，以含有石墨烯的碎片或带材或片材形式制得固体半成品11，该石墨烯均匀地分散在由一种/多种聚合树脂组成的基体内。
使辊8以10与30转/分钟之间的速度旋转，并且保持介于40与150℃之间的温度下。辊8之间的间隙介于0.01与5mm之间，该间隙决定了所施加的剪切应力的量级以及半成品11在该输出处的厚度。
由230指示的下一方框表示优选地在球磨机中或已知类型的锤磨机中对半成品11进行的研磨步骤，该半成品被减小为粉末的形式。此类粉末还优选地经受筛分，使之具有介于5与500微米之间的受控粒度分布。
由240表示的方框是对待获得的摩擦材料的混合物或配方或组合物的所有其他原料组分进行的传统类型混合步骤，这些其他原料组分例如为此前未在步骤编号220处共混的纤维、其他摩擦改进剂或润滑剂、填料、磨料。按照已知的方式在亨舍尔、罗迪格或爱立许型混料机中进行该共混步骤240。最后，制动衬块制造商进行由方框250指示的加压下的热压制的步骤，这也是以传统且已知的方式进行的，以便获得完整制动衬块或者获得摩擦材料块，随后将摩擦材料块胶粘到金属载体或背板。
参照图1c，由300表示的方框是这样的步骤，其中由制造商以传统方式制备适用于构成摩擦材料配方或所需组合物的有机粘结剂的合成塑料树脂或合成塑料树脂共混物。方框310表示对所述一种/多种树脂的研磨步骤，该步骤常常由所述一种/多种树脂的制造商进行。
然后由制动衬块的制造商进行共混步骤，如由方框320表示，其中第一树脂/树脂共混物具有以薄片或鳞片形式的微观结构直接加入其中的石墨烯，这些薄片或鳞片具有纳米级厚度的微米级平面尺寸，由基本上纯的石墨烯单层或多层组成，且呈固体粉末的形式；石墨烯添加步骤由以附图标记1示出的箭头表示。在该共混步骤320中，与石墨烯一起或优选地随后，还向树脂/树脂共混物中添加待获得的摩擦材料的混合物或配方或组合物的所有其他原料组分，例如纤维、其他摩擦改进剂或润滑剂、填料、磨料。使用已知的方法在亨舍尔、罗迪格或爱立许型混料机中进行共混步骤320。最后，制动衬块制造商进行由方框330指示的加压下的热压制的步骤，这也是以传统且已知的方式进行的，以便获得完整制动衬块或者获得摩擦材料块，随后将摩擦材料块胶粘到金属载体或背板。
示例-1
制备标记为“参比1”和“配混”的两种配方；配方“参比1”表示NAO型摩擦材料的典型配方，该配方很常用，并且以已知的方式通过在罗迪格混料机内混合所有其组分来获得；“配混”配方与该参比基本上相同，不同的是以10/2比率将石墨替换为较低量的石墨烯(即，将10份石墨替换为2份石墨烯)，并且该配方通过图1b中示意性示出的生产方法获得，其中石墨烯并非在传统共混步骤中加入到亨舍尔、罗迪格或爱立许型混料机内，而是加入到图4的混料机9内呈流体状态的有机粘结剂中。
上述两种配方的组成示于下表1中。
表1
就“配混”混合物而言，根据本发明的优选方法在75℃的温度下在热辊混合机中处理所有酚醛树脂和100％的石墨烯，其中辊以20g/min的速度旋转，并且辊之间的间隙为1mm，从而获得厚度为1.3mm的片材形式的半成品，随后对该半成品进行研磨和筛分而获得粒度介于5与500微米之间且优选地包括介于5与250微米之间的粉末。将该粉末与其余组分在罗迪格混料机中混合。
随后，对这两种配混物/组合物进行相同的压制和热处理方法，使之在160℃的温度下以20吨的压力在压模内压制3分钟，然后在210℃下热处理240分钟使之固化，从而制得制动衬块，除石墨被替换为石墨烯以外，这些制动衬块具有基本上相同组成的摩擦材料，但使用不同方法获得。
根据AKM标准，对通过使用所述方法制得的制动衬块进行效率测试，包括：磨合制动事件、不同流体压力下的制动事件、“冷”评估制动事件(＜50℃)、高速公路模拟制动事件、散布有一系列再生制动事件的两个系列高能量制动事件(第一FADE测试)。还可以按照本领域技术人员已知的方式从该测试外推出衬块受到的磨损。
测试结果示于图2a)和图2b)中。通过查阅图2a和图2b，可以明显看出摩擦系数如何在与“配混”混合物情况相同的条件下保持更恒定，揭示了明显优于传统类型“参比1”混合物的行为。
示例-2
根据表2中给出的量制备三种配方，它们被标记为“参比2”、“石墨/石墨烯(1∶1)”和“石墨/石墨烯(10∶2)”。
表2
| 参比2 | 石墨/石墨烯(1∶1) | 石墨/石墨烯(10∶2) | |
| 芳纶纤维 | 4 | 4 | 4 |
| 树脂 | 20 | 20 | 20 |
| 石墨 | 5 | 0 | 0 |
| 石墨烯 | 0 | 5 | 1 |
| 柔和磨料 | 10 | 10 | 11 |
| 强力磨料 | 9 | 9 | 10 |
| 中等磨料 | 10 | 10 | 11 |
| 硫化物 | 4 | 4 | 4 |
| 焦炭 | 20 | 20 | 21 |
| 金属纤维 | 14 | 14 | 14 |
| 金属粉末 | 4 | 4 | 4 |
| 总计 | 100 | 100 | 100 |
“参比2”配方表示NAO型摩擦材料的典型配方，该配方很常用，并且与示例1的“参比1”配方相似。“石墨/石墨烯(1∶1)”配方与“参比2”配方基本上相同，不同的是事实上石墨含量被完全替换为等量的石墨烯。“石墨/石墨烯(10∶2)”配方与该参比基本上相同，不同的是以10/2的比率将石墨替换为较低量的石墨烯(即，将10份石墨替换为2份石墨烯)。
将表2中所示的组分(其指示石墨烯、粘结剂和其他组分的体积％值)全部一起在罗迪格混料机内均匀地共混。
随后对所有三种混合物/组合物进行与示例1中相同的压制和热处理方法。
对按所述方式制得的制动衬块进行下列测试：
根据AKM标准的效率测试，包括：磨合制动事件、不同流体压力下的制动事件、“冷”评估制动事件(＜50℃)、高速公路模拟制动事件、散布有一系列再生制动事件的两个系列高能量制动事件(第一FADE测试)。还可以按照本领域技术人员已知的方式从该测试外推出衬块受到的磨损。
所得结果示于图3a、图3b和图3c中，其中图3a涉及参比混合物，图3b涉及具有1∶1替换的混合物，并且图3c涉及具有10∶2替换的混合物。可以注意到，虽然在具有1∶1替换的根据本发明的混合物的情况下摩擦系数有所减小，但该效应在具有10∶2替换的根据本发明的混合物中不太明显。
根据AMS标准的效率测试，可利用该测试评估受热时的行为。从图4A(参比混合物)、图4B(具有1∶1替换的混合物)和图4C(具有10∶2替换的混合物)中报告的结果可以明显看出，与参比混合物相比，受热时的行为显著改善；具体地讲，在参比混合物的情况下，压力在该测试结束之前就已在若干制动事件处进入饱和(参见由箭头指示的矩形中所包括的值)；在具有10∶2替换的混合物的情况下，压力仅在最后制动事件处进入饱和，并且在具有1∶1替换的混合物的情况下，压力从不进入饱和。
示例-3
从示例1的根据AKM标准的效率测试，可以外推出表3中所报告的磨损数据，这些数据涉及对铸铁制动盘的制动测试。
表3
将制动衬块和相关盘(技术性语言为“制动配对件”)进行比较，可以注意到，将石墨替换为石墨烯减少了衬块磨损，即使在“配混”混合物的情况下使用减少量的石墨烯(10∶2替换)也是如此，其中使用本发明的优选方法通过图5的辊混合机9来添加该减少量的石墨烯。还减少了盘磨损。
因此完全实现了本发明的目的。
Claims (10)
1.一种不含石棉的摩擦材料，包含作为组分材料的无机和/或有机和/或金属纤维、至少一种粘结剂、至少一种填料或磨料和包括含碳材料在内的至少一种摩擦改进剂或润滑剂，其特征在于所述含碳材料整体或部分地由微米级平面尺寸和纳米级厚度的薄片或鳞片形式的微观结构构成，所述薄片或鳞片由基本上纯的石墨烯单层或多层组成；所存在的石墨烯的总量占全部摩擦材料的总体积的介于0.1与12体积％之间。
2.根据权利要求1所述的摩擦材料，其特征在于所述含碳材料整体或部分地由基本上纯的石墨烯薄片或鳞片组成，所述薄片或鳞片具有介于1与50微米之间的横向尺寸以及介于0，142与40nm之间的厚度，均匀地分散在由所述粘结剂形成的基体内。
3.根据权利要求1所述的摩擦材料，其特征在于所述含碳材料整体或部分地由基本上纯的石墨烯薄片或鳞片组成，所述薄片或鳞片具有小于10微米的横向尺寸以及小于4nm的厚度，均匀地分散在粘结剂基体内。
4.根据前述权利要求中一项所述的摩擦材料，其特征在于其不含石墨。
5.根据前述权利要求中一项所述的摩擦材料，其特征在于其不含铜或其合金和/或铜或其合金的纤维。
6.一种用于制备不含石棉的摩擦材料的块或层的方法，包括混合所述摩擦材料的相应组分材料的步骤，所述摩擦材料包含无机和/或有机和/或金属纤维、至少一种粘结剂、至少一种填料或磨料和包括含碳材料在内的至少一种摩擦改进剂或润滑剂，所述方法的特征在于其包括与一种或多种所述组分材料一起，共混由微米级平面尺寸和纳米级厚度的薄片或鳞片形式的微观结构构成的含碳材料的步骤，所述薄片或鳞片由基本上纯的石墨烯单层或多层组成，所述含碳材料的含量占全部摩擦材料的总体积的介于0.1与12体积％之间。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于使用横向尺寸介于1与50微米之间且厚度介于0.142与40nm之间的石墨烯薄片或鳞片形式的微观结构。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于其包括以下步骤：
-将所述摩擦材料的所述组分材料混合在一起以便获得原料混合物；
-在加压下压制所述原料混合物以便获得摩擦材料块或层；
所述混合步骤包括：
a)-在高温下通过与大气压相通的辊型的第一混合机共混所述有机粘结剂的至少一部分和所述石墨烯的至少一部分的第一步骤，所述第一步骤在低于所述有机粘结剂的聚合温度但大于或等于所述有机粘结剂的软化温度的温度下操作，以便获得碎片或带材或片材形状的固体半成品；
b)-研磨含有石墨烯的所述固体半成品以便将所述固体半成品减小为粉末的步骤；
c)-第二共混步骤，其中将通过研磨所述固体半成品而获得的所述粉末与构成所述摩擦材料的其余材料混合。
9.一种制动系统，包括由以铸铁或钢制成的制动盘或制动鼓组成的待制动的元件，以及由适合通过与所述待制动的元件摩擦的方式来进行配合的制动衬块或制动蹄组成的至少一个制动元件，其特征在于所述制动元件具有旨在与所述待制动的元件进行配合的摩擦层或块，所述摩擦层或块已优选地使用根据权利要求6或8所述的方法由根据权利要求1至5中一项所述的摩擦材料制成。
10.由微米级平面尺寸和纳米级厚度的薄片或鳞片形式的微观结构组成的含碳材料在车辆制动衬块的摩擦材料中的用途，所述薄片或鳞片由基本上纯的石墨烯单层或多层组成，所述含碳材料的含量占全部摩擦材料的总体积的介于0.1与12体积％之间。
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| GR01 | Patent grant | ||
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