CN108588516A - 一种石墨烯增强的铝基轻质刹车盘及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种石墨烯增强的铝基轻质刹车盘及其制备方法，本发明在材料中利用石墨烯的导热、耐磨特性增加了材料的铝基刹车盘的耐磨和导热性，本发明通过对石墨烯的表面依次包覆导热碳化硅层和耐磨氧化锆层，使石墨烯在铝基刹车盘中的运行稳定性和耐磨性能进一步地得到提高。本发明的石墨烯增强刹车盘材料具有良好的硬度、耐磨性和导热性。

Description

一种石墨烯增强的铝基轻质刹车盘及其制备方法
技术领域
本发明属于摩擦材料技术领域，具体涉及一种石墨烯增强的铝基轻质刹车盘及其制备方法。
背景技术
刹车盘是汽车制动系统的重要组成部分，制动性能的好坏直接关系到车辆能否安全、高速行驶。随着汽车产量增加、行驶速度逐渐加快，交通安全问题已经成为我国急需面临的重要问题之一。
汽车工业作为我国的支柱产业之一，正处于高速发展起。近几年，汽车产量每年增长接近40%，这种增长速度非常惊人。随着汽车产量的快速增加，刹车盘的需求量也随之增加，国内汽车行业每年对刹车盘的需求量达数千万件。同时，刹车盘属易消耗件，磨损之后就必须随时更换，因此刹车盘的市场需求量巨大。
汽车用新材料的发展必须适应社会对汽车的安全性、节能性和环保性三大要素的需求。汽车重量对燃料经济性起决定性的作用。车重每降低100 kg，油耗可减少0.7L/100km。美国政府于1993 年推出的PNGV 计划要求轿车的总重量降低40%来节约燃料、减少废物排放。铝合金的密度只有钢铁的1/3，是最佳的汽车轻量化用材。目前，铝基合金的刹车盘材料已逐步取代了钢铁制材料，但是，铝基合金用于刹车盘材料仍存在导热性不佳的问题。
发明内容
本发明的目的是解决现有铝基合金刹车盘材料导热性不佳的技术问题，提供一种石墨烯增强的刹车盘材料的制备方法。
一种石墨烯增强的刹车盘材料的制备方法，包括以下步骤：
第1步，石墨烯表面的导热化修饰：按重量份计，将碳化硅微粉进行高能球磨至平均粒径在20～50nm，然后取经过球磨处理后的碳化硅10～15份加入至2～5wt%的硅烷偶联剂的乙醇溶液100～140份中，加热回流反应2～4h，使碳化硅的表面接枝硅烷偶联剂，再加入氧化石墨烯20～30份，反应结束后，将产物离心分离，去上清，真空干燥后得到表面碳化硅导热化的石墨烯；
第2步，石墨烯表面的耐磨化修饰：按重量份计，取表面碳化硅导热化的石墨烯5～8份，浸渍于NaOH水溶液中1～3h，增加表面的羟基数量，将产物离心分离，再加入至由乙醇和去离子水按照体积比1：1.5～2配制的溶液120～150份中，再向悬浮液中加入氧氯化锆3～4.5份，再滴加30～35wt%的氨水至pH为10～11，将反应生成的凝胶状物质取出用去离子水洗涤，再向凝胶状物质中加入3～5wt%盐酸调节pH至1～2，使凝胶状物质解胶后，真空干燥，固体物再在氮气气氛下烧结，得到表面氧化锆耐磨化处理的石墨烯；
第3步，制备铝合金：铝合金中铜含量为0.2～0.4%、镍含量为0.1～0.3%、锰含量为0.05～0.1%、镁含量为5～10%；
第4步，以重量份计，将表面氧化锆耐磨化处理的石墨烯4～7份加至铝合金熔体100份中，进行熔炼，即得。
第1步中的硅烷偶联剂是KH550、KH560、KH570中的一种。
第2步中NaOH水溶液的浓度是3～6wt%。
第2步中烧结是指于400～420℃下烧结1～3h。
第4步中熔炼温度为700～800℃。
本发明的第1步中，由于石墨烯的表面羧基、羟基等含氧基团发生电离，因此其表面带负电荷；同时通过将碳化硅进行球磨之后，使其粒径减小，再通过硅烷偶联剂反应之后，使碳化硅的表面带上正电荷，能够与氧化石墨烯发生静电作用，使碳化硅纳米颗粒包覆于氧化石墨烯的表面，碳化硅的特性是具有较好的导热性，因此可以提高石墨烯的导热效果，使刹车盘本体的的导热性得到提高；在第2步中，碳化硅是陶瓷材料，在空气或者碱性溶液中会在表面形成较多的-OH，而带上正电荷，同时，由于氧化锆溶胶具有正电荷性，因此，在氧化锆溶胶的体系中可以进一步地使石墨烯的表面包覆上耐磨层，提高石墨烯在刹车材料中的稳定性；将上述的材料应用于铝基刹车盘中，可以明显地提高材料的耐磨性和运行稳定性。
具体实施方式
实施例1
第1步，石墨烯表面的导热化修饰：按重量份计，将碳化硅微粉进行高能球磨至平均粒径在20～50nm，然后取经过球磨处理后的碳化硅10份加入至2wt%的硅烷偶联剂的乙醇溶液100份中，加热回流反应2h，使碳化硅的表面接枝硅烷偶联剂KH550，再加入氧化石墨烯20～30份，反应结束后，将产物离心分离，去上清，真空干燥后得到表面碳化硅导热化的石墨烯；
第2步，石墨烯表面的耐磨化修饰：按重量份计，取表面碳化硅导热化的石墨烯5～8份，浸渍于3wt%NaOH水溶液中1h，增加表面的羟基数量，将产物离心分离，再加入至由乙醇和去离子水按照体积比1：1.5配制的溶液120份中，再向悬浮液中加入氧氯化锆3份，再滴加30wt%的氨水至pH为10～11，将反应生成的凝胶状物质取出用去离子水洗涤，再向凝胶状物质中加入3wt%盐酸调节pH至1～2，使凝胶状物质解胶后，真空干燥，固体物再在氮气气氛下400℃下烧结1h，得到表面氧化锆耐磨化处理的石墨烯；
第3步，制备铝合金：铝合金中铜含量为0.2%、镍含量为0.1%、锰含量为0.05%、镁含量为5%；
第4步，以重量份计，将表面氧化锆耐磨化处理的石墨烯4份加至铝合金熔体100份中，进行700℃熔炼，即得。
实施例2
第1步，石墨烯表面的导热化修饰：按重量份计，将碳化硅微粉进行高能球磨至平均粒径在20～50nm，然后取经过球磨处理后的碳化硅15份加入至5wt%的硅烷偶联剂的乙醇溶液140份中，加热回流反应4h，使碳化硅的表面接枝硅烷偶联剂KH550，再加入氧化石墨烯30份，反应结束后，将产物离心分离，去上清，真空干燥后得到表面碳化硅导热化的石墨烯；
第2步，石墨烯表面的耐磨化修饰：按重量份计，取表面碳化硅导热化的石墨烯8份，浸渍于6wt%NaOH水溶液中3h，增加表面的羟基数量，将产物离心分离，再加入至由乙醇和去离子水按照体积比1： 2配制的溶液150份中，再向悬浮液中加入氧氯化锆4.5份，再滴加35wt%的氨水至pH为10～11，将反应生成的凝胶状物质取出用去离子水洗涤，再向凝胶状物质中加入5wt%盐酸调节pH至1～2，使凝胶状物质解胶后，真空干燥，固体物再在氮气气氛下420℃下烧结3h，得到表面氧化锆耐磨化处理的石墨烯；
第3步，制备铝合金：铝合金中铜含量为0.4%、镍含量为0.3%、锰含量为0.1%、镁含量为10%；
第4步，以重量份计，将表面氧化锆耐磨化处理的石墨烯7份加至铝合金熔体100份中，进行800℃熔炼，即得。
实施例3
第1步，石墨烯表面的导热化修饰：按重量份计，将碳化硅微粉进行高能球磨至平均粒径在20～50nm，然后取经过球磨处理后的碳化硅12加入至3wt%的硅烷偶联剂的乙醇溶液120份中，加热回流反应3h，使碳化硅的表面接枝硅烷偶联剂KH550，再加入氧化石墨烯25份，反应结束后，将产物离心分离，去上清，真空干燥后得到表面碳化硅导热化的石墨烯；
第2步，石墨烯表面的耐磨化修饰：按重量份计，取表面碳化硅导热化的石墨烯7份，浸渍于5wt%NaOH水溶液中2h，增加表面的羟基数量，将产物离心分离，再加入至由乙醇和去离子水按照体积比1：1.8配制的溶液130份中，再向悬浮液中加入氧氯化锆4.0份，再滴加32wt%的氨水至pH为10～11，将反应生成的凝胶状物质取出用去离子水洗涤，再向凝胶状物质中加入4wt%盐酸调节pH至1～2，使凝胶状物质解胶后，真空干燥，固体物再在氮气气氛下410℃下烧结1～3h，得到表面氧化锆耐磨化处理的石墨烯；
第3步，制备铝合金：铝合金中铜含量为0.3%、镍含量为0.2%、锰含量为0.08%、镁含量为8%；
第4步，以重量份计，将表面氧化锆耐磨化处理的石墨烯4～7份加至铝合金熔体100份中，进行750℃熔炼，即得。
对照例1
与实施例3的区别是：未在石墨烯的表面进行耐磨氧化锆的修饰。
第1步，石墨烯表面的导热化修饰：按重量份计，将碳化硅微粉进行高能球磨至平均粒径在20～50nm，然后取经过球磨处理后的碳化硅12加入至3wt%的硅烷偶联剂的乙醇溶液120份中，加热回流反应3h，使碳化硅的表面接枝硅烷偶联剂KH550，再加入氧化石墨烯25份，反应结束后，将产物离心分离，去上清，真空干燥后得到表面碳化硅导热化的石墨烯；
第2步，制备铝合金：铝合金中铜含量为0.3%、镍含量为0.2%、锰含量为0.08%、镁含量为8%；
第3步，以重量份计，将表面碳化硅导热化的石墨烯4～7份加至铝合金熔体100份中，进行750℃熔炼，即得。
对照例2
与实施例3的区别是：未在石墨烯的表面进行导热碳化硅的修饰。
第1步，石墨烯表面的耐磨化修饰：按重量份计，取氧化石墨烯7份，浸渍于5wt%NaOH水溶液中2h，增加表面的羟基数量，将产物离心分离，再加入至由乙醇和去离子水按照体积比1：1.8配制的溶液130份中，再向悬浮液中加入氧氯化锆4.0份，再滴加32wt%的氨水至pH为10～11，将反应生成的凝胶状物质取出用去离子水洗涤，再向凝胶状物质中加入4wt%盐酸调节pH至1～2，使凝胶状物质解胶后，真空干燥，固体物再在氮气气氛下410℃下烧结1～3h，得到表面氧化锆耐磨化处理的石墨烯；
第2步，制备铝合金：铝合金中铜含量为0.3%、镍含量为0.2%、锰含量为0.08%、镁含量为8%；
第3步，以重量份计，将表面氧化锆耐磨化处理的石墨烯4～7份加至铝合金熔体100份中，进行750℃熔炼，即得。
对照例3
Al-19Si-3Mg铝基刹车盘（王雪峰. 四种铝合金基颗粒增强复合材料离心铸造刹车盘的组织和性能比较研究[D]. 重庆大学, 2009.）
将实施例1至5的刹车盘材料制成刹车盘后进行性能测定，
采用MM-1000 摩擦试验机测试本发明的摩擦制动材料的刹车性能，测试条件为：惯量3.8kgf·cm·s2，比压100N/cm2，线速度25m/s。
结果如下：
由上表可知，利用本发明的铝基材料制得的刹车盘具有良好的硬度、耐磨性和导热性。通过实施例3和对照例1相比可以看出，在石墨烯的表面通过耐磨氧化锆材料修饰之后，可以有效提高刹车材料的耐磨性能，具有较小的磨损量；通过实施例3和对照例2对比可以看到，通过对石墨烯的表面进一步地采用碳化硅导热修饰之后，可以明显提高材料的导热系数，经过多次运行后，仍然可以保持较好的耐磨性。以上的材料都在硬度、耐磨性和导热性能上面优于现有技术材料。

Claims (5)

1.一种石墨烯增强的刹车盘材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
第1步，石墨烯表面的导热化修饰：按重量份计，将碳化硅微粉进行高能球磨至平均粒径在20～50nm，然后取经过球磨处理后的碳化硅10～15份加入至2～5wt%的硅烷偶联剂的乙醇溶液100～140份中，加热回流反应2～4h，使碳化硅的表面接枝硅烷偶联剂，再加入氧化石墨烯20～30份，反应结束后，将产物离心分离，去上清，真空干燥后得到表面碳化硅导热化的石墨烯；
第2步，石墨烯表面的耐磨化修饰：按重量份计，取表面碳化硅导热化的石墨烯5～8份，浸渍于NaOH水溶液中1～3h，增加表面的羟基数量，将产物离心分离，再加入至由乙醇和去离子水按照体积比1：1.5～2配制的溶液120～150份中，再向悬浮液中加入氧氯化锆3～4.5份，再滴加30～35wt%的氨水至pH为10～11，将反应生成的凝胶状物质取出用去离子水洗涤，再向凝胶状物质中加入3～5wt%盐酸调节pH至1～2，使凝胶状物质解胶后，真空干燥，固体物再在氮气气氛下烧结，得到表面氧化锆耐磨化处理的石墨烯；
第3步，制备铝合金：铝合金中铜含量为0.2～0.4%、镍含量为0.1～0.3%、锰含量为0.05～0.1%、镁含量为5～10%；
第4步，以重量份计，将表面氧化锆耐磨化处理的石墨烯4～7份加至铝合金熔体100份中，进行熔炼，即得。
2.根据权利要求1所述的石墨烯增强的刹车盘材料的制备方法，其特征在于：第1步中的硅烷偶联剂是KH550、KH560、KH570中的一种。
3.根据权利要求1所述的石墨烯增强的刹车盘材料的制备方法，其特征在于：第2步中NaOH水溶液的浓度是3～6wt%。
4.根据权利要求1所述的石墨烯增强的刹车盘材料的制备方法，其特征在于：第2步中烧结是指于400～420℃下烧结1～3h。
5.根据权利要求1所述的石墨烯增强的刹车盘材料的制备方法，其特征在于：第4步中熔炼温度为700～800℃。
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