CN108412926A - 一种高热传导效果的碳纤维陶瓷刹车片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
但目前国外公司均将陶瓷刹车片的配方视为商业机密，而国内已公开的刹车片的配方设计还不够完善，主要表现为：性能不够稳定，很多刹车片在高温时，其摩擦系数易衰退、甚至出现摩擦材料膨胀，摩擦表面有裂纹等严重技术问题。本发明公开了一种高热传导效果的碳纤维陶瓷刹车片，其原料包括：碳纤维、高温耐磨剂、紫铜纤维、高分子粘连剂、煅烧石油焦碳、石墨、矿物纤维、硫酸钙晶须、硅灰棉、稳定剂、锆英石粉。本发明抗高温热衰退性能好，使用寿命长，并且耐磨性能良好，摩擦系数稳定，在车辆上应用本发明后，汽车刹车灵敏，制动平稳，无制动尖叫声，舒适性能较好，并且对偶盘无损伤。
Description
技术领域
本发明涉及刹车片技术领域，尤其涉及一种高热传导效果的碳纤维陶瓷刹车片及其制备方法。
背景技术
现在我们使用的汽车刹车片所使用的摩擦材料中含有很多重金属物质，包括铜、铬、镉、铅金属等。汽车在每次刹车过程中，就有少量的重金属粉尘释放并积累在环境中造成危害。如镉化合物经呼吸被体内吸收积存于肝或肾脏中，对人体肾脏、肝脏造成危害。含铜粉尘进入环境后可以对大马哈鱼等的鱼类造成生物毒害，据有关资料显示，环境中30％的铜污染是由汽车刹车片造成的。因此汽车刹车片对环境造成的影响，我们必须加以重视。
目前，世界各国正研究如何克服此类现象蔓延，比如美国华盛顿州州长克里斯格力高尔在该州2010年第61届立法会上签署并通过了SB6557号法案，该法案旨在逐渐在汽车刹车片中禁止使用铜，并对违反者给予严厉惩罚，其规定是：自2014年1月1日起，汽车摩擦材料的制造商，批发商，零售商，经销商在华盛顿州内销售或者销往华盛顿的摩擦材料含有的以下物质不得超过限量：1、石棉纤维，不得超过总重量的1％；2、镉及其化合物不得超过总重量的0.01％；3、铬盐不得超过总重量的0.1％；4、铅及其化合物不得超过总重量的0.1％；5、汞及其化合物不得超过总重量的0.1％。自2021年1月1日起，汽车摩擦材料的制造商，批发商，零售商，经销商在华盛顿州内销售或者销往华盛顿的摩擦材料含有的铜不得超过总重量的5％。同时，工业，安全，环境专家成立了咨询委员会，研究和评估在未来将铜的含量限制在0.5％的可行性。
无独有偶，同样是在2010年，美国加州州长斯瓦辛格(Schwarzenegge)签署并通过了SB346号法案，要求所有的汽车刹车片制造商减少所有在加州出售的刹车片摩擦材料中铜的用量，到2021年不能超过5％，到2025年不能超过0.5％。
目前，用于轿车制动的刹车片在应用中存在如下缺点：
1、石棉基刹车片：石棉基刹车片的摩擦材料主要以石棉纤维为主，由于人体吸入石棉纤维就会引起身体健康问题，因此被限制使用，同时石棉基刹车片热失严重，不适应轿车高速运行制动；
2、半金属基刹车片：半金属刹车片的配方主要是由钢纤维作为骨架材料，酚醛树脂作为粘合剂，铁粉作为耐磨剂，再加入各种功能性填料的多元复合材料组成；半金属摩擦材料并不是对任何轿车都适用，对于刹车蹄片，则需要更具柔韧性和其它因素，以适应刹车蹄片在使用过程中变热和直径膨胀造成的影响；半金属摩擦材料中金属材料的大量加入，其比重与导热性明显增大，对对偶的攻击性增强，容易生锈、出现低频噪音等，由于高比重必将增加整车重量，增大行车成本，而导热性能的增大，必将削弱刹车片在高温使用状况下的抗剪强度，引发制动危险，同时过高导热性能也会迅速将车辆在频繁制动中产生的大量热能传到制动阀，使液压制动管内产生气泡与气阻，从而严重影响车辆制动时的安全性；
随着现代汽车工业的发展和社会环保意识的提高，目前汽车摩擦材料在材质、制造工艺等方面都取得了重大的进展，出现了很多陶瓷刹车片，以改善金属刹车片易生锈的问题。但目前国外公司均将陶瓷刹车片的配方视为商业机密，而国内已公开的刹车片的配方设计还不够完善，主要表现为：性能不够稳定，很多刹车片在高温时，其摩擦系数易衰退、甚至出现摩擦材料膨胀，摩擦表面有裂纹等严重技术问题。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种高热传导效果的碳纤维陶瓷刹车片及其制备方法，所得碳纤维陶瓷刹车片的抗高温热衰退性能好，使用寿命长，并且耐磨性能良好，摩擦系数稳定，在车辆中应用本发明后，汽车刹车灵敏，制动平稳，无制动尖叫声，舒适性能较好，并且对偶盘无损伤。
本发明提出的一种高热传导效果的碳纤维陶瓷刹车片，其原料包括：碳纤维、高温耐磨剂、紫铜纤维、高分子粘连剂、煅烧石油焦碳、石墨、矿物纤维、硫酸钙晶须、硅灰棉、稳定剂、锆英石粉。
碳纤维是由有机纤维经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料，它是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，碳纤维复合材料抗拉强度、抗拉弹性模量均优于钢。
紫铜纤维是采用含铜量99.9％的紫铜原料，经过冷拔拉丝，碾压、打毛处理后切碎而成，不仅具有吸热散热快，耐高温，耐磨损等特点，紫铜纤维呈不规则丝杆形，有韧性，表面有毛孔，其粘结、吸附其他粉末材料能力很好。
煅烧石油焦碳能使摩擦材料具有完美的综合性能，有利于防止金属粘着，提高摩擦性能；另外，该焦碳的气空率较高，可以提高摩擦材料的摩擦系数，减少制动噪音，减轻高温时摩擦材料的热衰退。
矿物纤维是一种纤维状轻质耐火材料，具有重量轻、耐高温、热稳定性好、导热率低、比热小及耐机械震动、抗拉抗折强度高等优点。
硫酸钙晶须作为增强材料，很好地解决了现有制动片制动低频噪音问题，并克服了产品易锈蚀、易刮伤对偶、摩擦系数不稳定等缺点。
硅灰棉是一种特殊的针状结构，同时硅灰石独有的物理机械效能，大大增强了成品的耐摩擦性、耐热性，填充硅灰棉可以提高摩擦灵活性与及稳定性。
稳定剂作为摩擦材料填料，可以稳定摩擦系数，增加制品的耐高温性能。
锆英石粉可对摩擦材料的磨损性能进行调节，改善摩擦材料的磨损率，增加摩擦材料的使用寿命。
优选地，煅烧石油焦碳为40～60目。
优选地，高温耐磨剂包括：轻质氧化镁、沉淀硫酸钡、高铝纤维。
轻质氧化镁在摩擦工作温度区域250～400℃时具有良好的摩擦系数，是很好的高温性能调节剂。
沉淀硫酸钡能够提高摩擦材料的热稳定性，同时也能改善摩擦材料的热衰退性能，特别是在高温区能够形成稳定的摩擦界面，防止对偶表面刮伤和使对偶表面光洁。
高铝纤维主要起到增强作用，同时在耐高温方面有突出优点，硬度适中，避免产生噪音和损伤摩擦对偶。
优选地，高分子粘连剂包括：腰果壳油摩擦粉、轮胎粉、丁腈橡胶粉、腰果壳油改性酚醛树脂。
腰果壳油摩擦粉是一种典型的非磨料型高摩擦类摩擦调节剂，它能够弥补摩擦材料在较低温时摩擦系数降低，解决噪音问题、改善耐磨性能和增加空隙度。
轮胎粉又称橡胶粉屑，系废旧轮胎的胎胶面，除去帘子午线，粉碎加工而成，成份天然硫化胶和丁苯硫化胶，能够降低制品硬度和减少噪音。
丁腈橡胶是一种合成橡胶，具有优良的粘结性能，此外还具有良好的耐热性、耐磨性、耐老化性和气密性。
腰果壳油改性酚醛树脂与普通酚醛树脂相比具有更好的柔韧性、较好的加工性能和耐酸碱性，抗热衰退和恢复性能好，是摩擦材料中最常用的粘结剂。
优选地，石墨包括：鳞片石墨、颗粒石墨。
优选地，鳞片石墨为60～80目。
鳞片石墨用于摩擦材料能减小摩擦材料的热衰退，稳定摩擦材料的摩擦系数。
颗粒石墨在常温下有良好的化学稳定性，能耐酸、耐碱和耐有机溶剂的腐蚀，并且耐高温，在摩擦材料中是重要的非磨料型填料。
优选地，碳纤维，轻质氧化镁，沉淀硫酸钡，高铝纤维的重量比为4～6：1～2：12～14：9～11。
优选地，碳纤维、腰果壳油摩擦粉、轮胎粉、丁腈橡胶粉、腰果壳油改性酚醛树脂的重量比为4～6：4～6：3～5：0.5～1.5：7～9。
优选地，碳纤维、鳞片石墨、颗粒石墨的重量比为4～6：5.5～7：7～9。
优选地，碳纤维，紫铜纤维，矿物纤维，硫酸钙晶须，硅灰棉，稳定剂，煅烧石油焦碳，锆英石粉的重量比为4～6：0.5～1：7～9：9～11：5～7：5～6：3～5：2～4。
优选地，一种高热传导效果的碳纤维陶瓷刹车片的原料按重量份包括：碳纤维4～6份，轻质氧化镁1～2份，紫铜纤维0.5～1份，腰果壳油摩擦粉4～6份，沉淀硫酸钡12～14份，矿物纤维7～9份，轮胎粉3～5份，硫酸钙晶须9～11份，硅灰棉5～7份，稳定剂5～6份，鳞片石墨5.5～7份，煅烧石油焦碳3～5份，丁腈橡胶粉0.5～1.5份，腰果壳油改性酚醛树脂7～9份，锆英石粉2～4份，高铝纤维9～11份，颗粒石墨7～9份。
本发明还提出的上述高热传导效果的碳纤维陶瓷刹车片制备方法，包括如下步骤：将碳纤维、轻质氧化镁、紫铜纤维、腰果壳油摩擦粉、沉淀硫酸钡、矿物纤维、轮胎粉、硫酸钙晶须、硅灰棉、稳定剂、鳞片石墨、煅烧石油焦碳、丁腈橡胶粉、腰果壳油改性酚醛树脂、锆英石粉、高铝纤维、颗粒石墨搅拌均匀，高温压制成型得到高热传导效果的碳纤维陶瓷刹车片。
优选地，高温压制成型具体参数如下：温度为145～155℃，压强为8～12Mpa，压制时间为5～7min。
优选地，上述高热传导效果的碳纤维陶瓷刹车片制备方法，包括如下步骤：将碳纤维、轻质氧化镁、紫铜纤维、腰果壳油摩擦粉、沉淀硫酸钡、矿物纤维、轮胎粉、硫酸钙晶须、硅灰棉、稳定剂、鳞片石墨、煅烧石油焦碳、丁腈橡胶粉、腰果壳油改性酚醛树脂、锆英石粉、高铝纤维、颗粒石墨倒入犁耙式混料机内，搅拌成均匀分散的粉末状后取出，放入成形模具料腔内，并将钢背置于模具上方，用液压机压制成形，压制温度为145～155℃，压制压强为8～12Mpa，保持5～7min，取出，除去毛刺即为成品。
优选地，高温压制成型具体参数如下：温度为150℃，压强为10Mpa，压制时间为6min。
本发明通过对多种成分进行合理的搭配，确保各材料的优点在摩擦材料中得到充分的发挥。如多种新纤维材料的合理复合，不仅能相互弥补其各自性能的不足，还会因相互牵扯作用而产生高性能。本发明中的重金属物质含量很少，铜含量低于0.5％，因此对环境非常友好，同时在使用过程中，可以形成优异的摩擦层和转移膜。试验表明：本发明抗高温热衰退性能好，使用寿命长，并且耐磨性能良好，摩擦系数稳定，在车辆中应用本发明后，汽车刹车灵敏，制动平稳，无制动尖叫声，舒适性能较好，并且对偶盘无损伤。
本发明所得碳纤维陶瓷刹车片按照美国SAEJ2522标准进行试验，各实施例100～400℃的摩擦系数均在0.35～0.38之间，即使在500℃时，摩擦系数仍然大于0.2，磨损率也较现有市售产品低。验证结果表明：通过对配方的合理设计，使本发明所得刹车片的摩擦磨损性能和抗高温热衰退性能优良，在500℃时摩擦系数仍然在0.2以上，因此性能非常可靠。
将本发明刹车片安装在宝马525、本田雅阁2016款2.4L、雷克萨斯R200等车型中路试，反复制动后表明：本发明刹车灵敏，制动平稳，同时无噪音，脚感舒适。
具体实施方式
下面，通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
实施例1
一种高热传导效果的碳纤维陶瓷刹车片的原料按重量份包括：碳纤维400g，轻质氧化镁100g，紫铜纤维50g，腰果壳油摩擦粉400g，沉淀硫酸钡1200g，矿物纤维700g，轮胎粉300g，硫酸钙晶须900g，硅灰棉500g，稳定剂500g，鳞片石墨550g，煅烧石油焦碳300g，丁腈橡胶粉50g，腰果壳油改性酚醛树脂700g，锆英石粉200g，高铝纤维900g，颗粒石墨700g。
上述高热传导效果的碳纤维陶瓷刹车片制备方法，包括如下步骤：将碳纤维、轻质氧化镁、紫铜纤维、腰果壳油摩擦粉、沉淀硫酸钡、矿物纤维、轮胎粉、硫酸钙晶须、硅灰棉、稳定剂、鳞片石墨、煅烧石油焦碳、丁腈橡胶粉、腰果壳油改性酚醛树脂、锆英石粉、高铝纤维、颗粒石墨倒入犁耙式混料机内，搅拌成均匀分散的粉末状后取出，放入成形模具料腔内，并将钢背置于模具上方，用液压机压制成形，压制温度为150℃，压制压强为10Mpa，保持6min，取出，除去毛刺即为成品。
实施例2
一种高热传导效果的碳纤维陶瓷刹车片的原料按重量份包括：碳纤维500g，轻质氧化镁100g，紫铜纤维50g，腰果壳油摩擦粉500g，沉淀硫酸钡1300g，矿物纤维700g，轮胎粉400g，硫酸钙晶须1000g，硅灰棉600g，稳定剂500g，鳞片石墨550g，煅烧石油焦碳300g，丁腈橡胶粉50g，腰果壳油改性酚醛树脂700g，锆英石粉200g，高铝纤维1000g，颗粒石墨700g。
上述高热传导效果的碳纤维陶瓷刹车片制备方法，包括如下步骤：将碳纤维、轻质氧化镁、紫铜纤维、腰果壳油摩擦粉、沉淀硫酸钡、矿物纤维、轮胎粉、硫酸钙晶须、硅灰棉、稳定剂、鳞片石墨、煅烧石油焦碳、丁腈橡胶粉、腰果壳油改性酚醛树脂、锆英石粉、高铝纤维、颗粒石墨倒入犁耙式混料机内，搅拌成均匀分散的粉末状后取出，放入成形模具料腔内，并将钢背置于模具上方，用液压机压制成形，压制温度为150℃，压制压强为10Mpa，保持6min，取出，除去毛刺即为成品。
实施例3
一种高热传导效果的碳纤维陶瓷刹车片的原料按重量份包括：碳纤维600g，轻质氧化镁100g，紫铜纤维50g，腰果壳油摩擦粉400g，沉淀硫酸钡1200g，矿物纤维700g，轮胎粉400g，硫酸钙晶须1000g，硅灰棉600g，稳定剂500g，鳞片石墨600g，煅烧石油焦碳300g，丁腈橡胶粉50g，腰果壳油改性酚醛树脂700g，锆英石粉200g，高铝纤维900g，颗粒石墨700g。
上述高热传导效果的碳纤维陶瓷刹车片制备方法，包括如下步骤：将碳纤维、轻质氧化镁、紫铜纤维、腰果壳油摩擦粉、沉淀硫酸钡、矿物纤维、轮胎粉、硫酸钙晶须、硅灰棉、稳定剂、鳞片石墨、煅烧石油焦碳、丁腈橡胶粉、腰果壳油改性酚醛树脂、锆英石粉、高铝纤维、颗粒石墨倒入犁耙式混料机内，搅拌成均匀分散的粉末状后取出，放入成形模具料腔内，并将钢背置于模具上方，用液压机压制成形，压制温度为150℃，压制压强为10Mpa，保持6min，取出，除去毛刺即为成品。
实施例4
一种高热传导效果的碳纤维陶瓷刹车片的原料按重量份包括：碳纤维400g，轻质氧化镁200g，紫铜纤维100g，腰果壳油摩擦粉600g，沉淀硫酸钡1200g，矿物纤维800g，轮胎粉500g，硫酸钙晶须900g，硅灰棉700g，稳定剂500g，鳞片石墨600g，煅烧石油焦碳300g，丁腈橡胶粉50g，腰果壳油改性酚醛树脂700g，锆英石粉300g，高铝纤维1000g，颗粒石墨800g。
上述高热传导效果的碳纤维陶瓷刹车片制备方法，包括如下步骤：将碳纤维、轻质氧化镁、紫铜纤维、腰果壳油摩擦粉、沉淀硫酸钡、矿物纤维、轮胎粉、硫酸钙晶须、硅灰棉、稳定剂、鳞片石墨、煅烧石油焦碳、丁腈橡胶粉、腰果壳油改性酚醛树脂、锆英石粉、高铝纤维、颗粒石墨倒入犁耙式混料机内，搅拌成均匀分散的粉末状后取出，放入成形模具料腔内，并将钢背置于模具上方，用液压机压制成形，压制温度为150℃，压制压强为10Mpa，保持6min，取出，除去毛刺即为成品。
实施例5
一种高热传导效果的碳纤维陶瓷刹车片的原料按重量份包括：碳纤维600g，轻质氧化镁200g，紫铜纤维100g，腰果壳油摩擦粉600g，沉淀硫酸钡1400g，矿物纤维900g，轮胎粉500g，硫酸钙晶须1100g，硅灰棉700g，稳定剂600g，鳞片石墨700g，煅烧石油焦碳500g，丁腈橡胶粉1.500g，腰果壳油改性酚醛树脂900g，锆英石粉400g，高铝纤维1100g，颗粒石墨900g。
上述高热传导效果的碳纤维陶瓷刹车片制备方法，包括如下步骤：将碳纤维、轻质氧化镁、紫铜纤维、腰果壳油摩擦粉、沉淀硫酸钡、矿物纤维、轮胎粉、硫酸钙晶须、硅灰棉、稳定剂、鳞片石墨、煅烧石油焦碳、丁腈橡胶粉、腰果壳油改性酚醛树脂、锆英石粉、高铝纤维、颗粒石墨倒入犁耙式混料机内，搅拌成均匀分散的粉末状后取出，放入成形模具料腔内，并将钢背置于模具上方，用液压机压制成形，压制温度为150℃，压制压强为10Mpa，保持6min，取出，除去毛刺即为成品。
为了验证本发明的效果，依据GB5763-2008《汽车用制动器衬片》中3类(中、重型车鼓式制动器用)衬片的相关标准对实施例1～5所得碳纤维陶瓷刹车片以及日本某公司生产的刹车片分别进行惯性台架试验，其结果如下：
对实施例1～5所得碳纤维陶瓷刹车片按照美国SAEJ2522标准进行试验，各实施例100～400℃的摩擦系数均在0.35～0.38之间，即使在500℃时，摩擦系数仍然大于0.2，磨损率也较现有市售产品低。
上述验证结果表明：本发明通过对配方的合理设计，使本发明所得碳纤维陶瓷刹车片的摩擦磨损性能和抗高温热衰退性能优良，在500℃时摩擦系数仍然在0.2以上，因此性能非常可靠。
再将本发明刹车片分别安装在宝马525、本田雅阁2016款2.4L、雷克萨斯R200中进行路试，反复制动后表明：本发明刹车灵敏，制动平稳，同时无噪音，脚感舒适。
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揭露的技术范围内，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 (10)
1.一种高热传导效果的碳纤维陶瓷刹车片，其特征在于，其原料包括：碳纤维、高温耐磨剂、紫铜纤维、高分子粘连剂、煅烧石油焦碳、石墨、矿物纤维、硫酸钙晶须、硅灰棉、稳定剂、锆英石粉。
2.根据权利要求1所述高热传导效果的碳纤维陶瓷刹车片，其特征在于，高温耐磨剂包括：轻质氧化镁、沉淀硫酸钡、高铝纤维。
3.根据权利要求1或2所述高热传导效果的碳纤维陶瓷刹车片，其特征在于，高分子粘连剂包括：腰果壳油摩擦粉、轮胎粉、丁腈橡胶粉、腰果壳油改性酚醛树脂。
4.根据权利要求1-3任一项所述高热传导效果的碳纤维陶瓷刹车片，其特征在于，石墨包括：鳞片石墨、颗粒石墨。
5.根据权利要求1-4任一项所述高热传导效果的碳纤维陶瓷刹车片，其特征在于，碳纤维，轻质氧化镁，沉淀硫酸钡，高铝纤维的重量比为4～6：1～2：12～14：9～11。
6.根据权利要求1-5任一项所述高热传导效果的碳纤维陶瓷刹车片，其特征在于，碳纤维、腰果壳油摩擦粉、轮胎粉、丁腈橡胶粉、腰果壳油改性酚醛树脂的重量比为4～6：4～6：3～5：0.5～1.5：7～9。
7.根据权利要求1-6任一项所述高热传导效果的碳纤维陶瓷刹车片，其特征在于，碳纤维、鳞片石墨、颗粒石墨的重量比为4～6：5.5～7：7～9。
8.根据权利要求1-7任一项所述高热传导效果的碳纤维陶瓷刹车片，其特征在于，碳纤维，紫铜纤维，矿物纤维，硫酸钙晶须，硅灰棉，稳定剂，煅烧石油焦碳，锆英石粉的重量比为4～6：0.5～1：7～9：9～11：5～7：5～6：3～5：2～4。
9.一种如权利要求1-8任一项所述高热传导效果的碳纤维陶瓷刹车片制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将碳纤维、轻质氧化镁、紫铜纤维、腰果壳油摩擦粉、沉淀硫酸钡、矿物纤维、轮胎粉、硫酸钙晶须、硅灰棉、稳定剂、鳞片石墨、煅烧石油焦碳、丁腈橡胶粉、腰果壳油改性酚醛树脂、锆英石粉、高铝纤维、颗粒石墨搅拌均匀，高温压制成型得到高热传导效果的碳纤维陶瓷刹车片。
10.根据权利要求9所述高热传导效果的碳纤维陶瓷刹车片制备方法，其特征在于，高温压制成型具体参数如下：温度为145～155℃，压强为8～12Mpa，压制时间为5-7min。
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