CN108823450B - 一种掺杂石墨烯的铝基刹车盘材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种掺杂石墨烯的铝基刹车盘材料及其制备方法，该铝基材料的原料包括：铝粉、镁粉、锰粉、铜粉、镍粉、碳化硅、石墨烯、三聚氰胺、偶联剂、分散剂、聚吡咯。其制备方法是先将分散剂、碳化硅、三聚氰胺制成分散液，再加入石墨烯和偶联剂制得增强颗粒，然后将增强颗粒用聚吡咯包覆改性，最后将改性增强颗粒加至铝合金基体中，进行熔炼，即得。本发明将石墨烯与碳化硅偶联，并在复合物外包覆聚吡咯，显著提高铝基材料的强度、耐磨性和持久性。
Description
技术领域
本发明属于刹车盘技术领域，具体涉及一种掺杂石墨烯的铝基刹车盘材料及其制备方法。
背景技术
刹车盘在汽车的制动系统中发挥着至关重要的作用，性能优良的刹车盘是汽车安全行驶的前提条件之一。虽然经过多年的应用与发展，但是从早期的石棉刹车盘到目前广泛使用的铸铁刹车盘，在环保、质量等方面都存在一些缺陷，并不能完全满足市场需求。汽车产业的迅猛发展，汽车产量的大幅度增加，降低能源消耗、加强环境保护对汽车用材料轻量化的要求，迫使人们不停地开展对汽车刹车盘的研究。
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，交通安全问题已经发展成目前交通行业最重要的问题之一。目前，轻量化、高速化已成为车辆发展的必然趋势，采用轻质材料制造车辆的零部件，不仅能够节约能源、降低使用成本，而且为车辆实现高速化创造了有利条件。
目前，铝合金已广泛取代钢铁材料成为刹车盘的主要材料，铝合金具有重量轻、良好的耐磨性、良好的断裂韧性和抗疲劳性、尺寸稳定性、热膨胀系数小等优点，但铝合金的性能多取决于基体材料和增强体的成分、性能、含量、分布和界面结合等，常用的碳化硅颗粒虽然可以改善铝合金的强度和耐磨性，但长期使用后强度和耐磨性会有一定程度的下降。
发明内容
本发明的目的是提供了一种掺杂石墨烯的铝基刹车盘材料及其制备方法。
一种掺杂石墨烯的铝基刹车盘材料，原料以重量份计包括：铝粉80-100份，镁粉4-8份，锰粉2-5份，铜粉1-3份，镍粉1-2份，碳化硅2-5份，石墨烯3-7份，三聚氰胺0.5-1份，偶联剂0.5-1份，分散剂2-4份，聚吡咯5-10份。
优选地，所述分散剂选自十二烷基苯磺酸钠、油酸钠、十二烷基三甲基氯化铵。
优选地，所述偶联剂为硅烷偶联剂或钛酸酯偶联剂。
上述掺杂石墨烯的铝基刹车盘材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，将分散剂、碳化硅、三聚氰胺加至2-5倍重量的水中，分散，得到分散液；
步骤2，将石墨烯加至分散液中，研磨，再加入偶联剂，继续研磨，得到混合液；
步骤3，将混合液置于马弗炉中，程序升温进行干燥，得到增强颗粒；
步骤4，将增强颗粒置于聚吡咯中浸泡，取出后干燥，得到聚吡咯包覆的改性增强颗粒；
步骤5，将铝粉、镁粉、锰粉、铜粉、镍粉混合，熔炼，得到铝合金基体；
步骤6，将改性增强颗粒高温烘焙，加至预热的铝合金基体中，进行熔炼，压制，即得。
优选地，步骤3中程序升温是按3-5℃/min升温至80-100℃。
优选地，步骤4中浸泡条件为50-60℃、2-3h，干燥温度为70-80℃。
优选地，步骤6中烘焙条件为200℃、1h。
本发明将石墨烯与碳化硅偶联，并在复合物外包覆聚吡咯，一方面能将石墨烯和碳化硅两者的特性优势有效结合，使得铝基材料的强度、耐磨性得到有效提高，另一方面通过聚吡咯进行表面包覆改性，能显著增强石墨烯-碳化硅偶联颗粒在铝基材料中的分散稳定性，从而进一步提高铝基材料的强度、耐磨性和持久性。另外，通过在分散液中加入三聚氰胺，可以在煅烧时原位生成大比表面积的类石墨相氮化碳材料，可以在焙烧发生相变的同时，将其它材料渗入多孔表面中，提高了材料的相容性，使刹车材料的耐磨性得到明显提高。
具体实施方式
实施例1
一种掺杂石墨烯的铝基刹车盘材料，原料以重量份计包括：铝粉80份，镁粉4份，锰粉2份，铜粉1份，镍粉1份，碳化硅2份，石墨烯3份，三聚氰胺0.5份，偶联剂0.5份，分散剂2份，聚吡咯5份。
其中，所述分散剂为十二烷基苯磺酸钠和油酸钠按重量比1：1组成的混合物；所述偶联剂为硅烷偶联剂A151。
上述掺杂石墨烯的铝基刹车盘材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，将分散剂、碳化硅、三聚氰胺加至3倍重量的水中，分散，得到分散液；
步骤2，将石墨烯加至分散液中，研磨，再加入偶联剂，继续研磨，得到混合液；
步骤3，将混合液置于马弗炉中，按5℃/min程序升温至80℃进行干燥，得到增强颗粒；
步骤4，将增强颗粒置于聚吡咯中浸泡，浸泡条件为50℃、3h，取出后在70℃干燥，得到聚吡咯包覆的改性增强颗粒；
步骤5，将铝粉、镁粉、锰粉、铜粉、镍粉混合，熔炼，得到铝合金基体；
步骤6，将改性增强颗粒高温烘焙，烘焙条件为200℃、1h，加至预热的铝合金基体中，进行熔炼，压制，即得。
实施例2
一种掺杂石墨烯的铝基刹车盘材料，原料以重量份计包括：铝粉85份，镁粉5份，锰粉4份，铜粉2份，镍粉1.5份，碳化硅4份，石墨烯5份，三聚氰胺0.7份，偶联剂0.6份，分散剂3份，聚吡咯7份。
其中，所述分散剂为十二烷基三甲基氯化铵；所述偶联剂为钛酸酯偶联剂。
上述掺杂石墨烯的铝基刹车盘材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，将分散剂、碳化硅、三聚氰胺加至2倍重量的水中，分散，得到分散液；
步骤2，将石墨烯加至分散液中，研磨，再加入偶联剂，继续研磨，得到混合液；
步骤3，将混合液置于马弗炉中，按5℃/min程序升温至100℃进行干燥，得到增强颗粒；
步骤4，将增强颗粒置于聚吡咯中浸泡，浸泡条件为60℃、2h，取出后在80℃干燥，得到聚吡咯包覆的改性增强颗粒；
步骤5，将铝粉、镁粉、锰粉、铜粉、镍粉混合，熔炼，得到铝合金基体；
步骤6，将改性增强颗粒高温烘焙，烘焙条件为200℃、1h，加至预热的铝合金基体中，进行熔炼，压制，即得。
实施例3
一种掺杂石墨烯的铝基刹车盘材料，原料以重量份计包括：铝粉100份，镁粉8份，锰粉5份，铜粉3份，镍粉2份，碳化硅5份，石墨烯7份，三聚氰胺1份，偶联剂1份，分散剂4份，聚吡咯10份。
其中，所述分散剂为油酸钠和十二烷基三甲基氯化铵按重量比1：1组成的混合物；所述偶联剂为硅烷偶联剂A151。
上述掺杂石墨烯的铝基刹车盘材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，将分散剂、碳化硅、三聚氰胺加至4倍重量的水中，分散，得到分散液；
步骤2，将石墨烯加至分散液中，研磨，再加入偶联剂，继续研磨，得到混合液；
步骤3，将混合液置于马弗炉中，按5℃/min程序升温至80℃进行干燥，得到增强颗粒；
步骤4，将增强颗粒置于聚吡咯中浸泡，浸泡条件为50℃、3h，取出后在70℃干燥，得到聚吡咯包覆的改性增强颗粒；
步骤5，将铝粉、镁粉、锰粉、铜粉、镍粉混合，熔炼，得到铝合金基体；
步骤6，将改性增强颗粒高温烘焙，烘焙条件为200℃、1h，加至预热的铝合金基体中，进行熔炼，压制，即得。
实施例4
本实施例与实施例2的区别在于：未将石墨烯与碳化硅偶联。
一种掺杂石墨烯的铝基刹车盘材料，原料以重量份计包括：铝粉85份，镁粉5份，锰粉4份，铜粉2份，镍粉1.5份，石墨烯5份，三聚氰胺0.7份，偶联剂0.6份，分散剂3份，聚吡咯7份。
其中，所述分散剂为十二烷基三甲基氯化铵；所述偶联剂为钛酸酯偶联剂。
上述掺杂石墨烯的铝基刹车盘材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，将分散剂、三聚氰胺加至2倍重量的水中，分散，得到分散液；
步骤2，将石墨烯加至分散液中，研磨，再加入偶联剂，继续研磨，得到混合液；
步骤3，将混合液置于马弗炉中，按5℃/min程序升温至100℃进行干燥，得到增强颗粒；
步骤4，将增强颗粒置于聚吡咯中浸泡，浸泡条件为60℃、2h，取出后在80℃干燥，得到聚吡咯包覆的改性增强颗粒；
步骤5，将铝粉、镁粉、锰粉、铜粉、镍粉混合，熔炼，得到铝合金基体；
步骤6，将改性增强颗粒高温烘焙，烘焙条件为200℃、1h，加至预热的铝合金基体中，进行熔炼，压制，即得。
实施例5
本实施例与实施例2的区别在于：未采用聚吡咯进行包覆。
一种掺杂石墨烯的铝基刹车盘材料，原料以重量份计包括：铝粉85份，镁粉5份，锰粉4份，铜粉2份，镍粉1.5份，碳化硅4份，石墨烯5份，三聚氰胺0.7份，偶联剂0.6份，分散剂3份。
其中，所述分散剂为十二烷基三甲基氯化铵；所述偶联剂为钛酸酯偶联剂。
上述掺杂石墨烯的铝基刹车盘材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，将分散剂、碳化硅、三聚氰胺加至2倍重量的水中，分散，得到分散液；
步骤2，将石墨烯加至分散液中，研磨，再加入偶联剂，继续研磨，得到混合液；
步骤3，将混合液置于马弗炉中，按5℃/min程序升温至100℃进行干燥，得到增强颗粒；
步骤4，将铝粉、镁粉、锰粉、铜粉、镍粉混合，熔炼，得到铝合金基体；
步骤5，将增强颗粒高温烘焙，烘焙条件为200℃、1h，加至预热的铝合金基体中，进行熔炼，压制，即得。
对照例1
与实施例2的区别是：未在分散液中加入三聚氰胺。
一种掺杂石墨烯的铝基刹车盘材料，原料以重量份计包括：铝粉85份，镁粉5份，锰粉4份，铜粉2份，镍粉1.5份，碳化硅4份，石墨烯5份，偶联剂0.6份，分散剂3份，聚吡咯7份。
其中，所述分散剂为十二烷基三甲基氯化铵；所述偶联剂为钛酸酯偶联剂。
上述掺杂石墨烯的铝基刹车盘材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，将分散剂、碳化硅加至2倍重量的水中，分散，得到分散液；
步骤2，将石墨烯加至分散液中，研磨，再加入偶联剂，继续研磨，得到混合液；
步骤3，将混合液置于马弗炉中，按5℃/min程序升温至100℃进行干燥，得到增强颗粒；
步骤4，将增强颗粒置于聚吡咯中浸泡，浸泡条件为60℃、2h，取出后在80℃干燥，得到聚吡咯包覆的改性增强颗粒；
步骤5，将铝粉、镁粉、锰粉、铜粉、镍粉混合，熔炼，得到铝合金基体；
步骤6，将改性增强颗粒高温烘焙，烘焙条件为200℃、1h，加至预热的铝合金基体中，进行熔炼，压制，即得。
对照例2
与实施例1的区别是：未加入三聚氰胺，而是直接用同等质量的类石墨相碳化氮材料加入。
一种掺杂石墨烯的铝基刹车盘材料，原料以重量份计包括：铝粉85份，镁粉5份，锰粉4份，铜粉2份，镍粉1.5份，碳化硅4份，石墨烯5份，类石墨相氮化碳0.7份，偶联剂0.6份，分散剂3份，聚吡咯7份。
其中，所述分散剂为十二烷基三甲基氯化铵；所述偶联剂为钛酸酯偶联剂。
上述掺杂石墨烯的铝基刹车盘材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，将分散剂、碳化硅、类石墨相氮化碳加至2倍重量的水中，分散，得到分散液；
步骤2，将石墨烯加至分散液中，研磨，再加入偶联剂，继续研磨，得到混合液；
步骤3，将混合液置于马弗炉中，按5℃/min程序升温至100℃进行干燥，得到增强颗粒；
步骤4，将增强颗粒置于聚吡咯中浸泡，浸泡条件为60℃、2h，取出后在80℃干燥，得到聚吡咯包覆的改性增强颗粒；
步骤5，将铝粉、镁粉、锰粉、铜粉、镍粉混合，熔炼，得到铝合金基体；
步骤6，将改性增强颗粒高温烘焙，烘焙条件为200℃、1h，加至预热的铝合金基体中，进行熔炼，压制，即得。
对照例3
CN105671353A中的铝基刹车盘。
将实施例1至5以及对照例1所得的铝基材料制成汽车刹车盘，将刹车材料按照GB228测试其室温拉伸性能，采用导热率测试仪测定其导热率（200℃下）。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，本发明的铝基材料用于制成汽车刹车盘，具有较高的硬度和耐磨性。石墨烯和碳化硅偶联后经过聚吡咯的包覆，可大大提高刹车盘的硬度和耐磨性。通过实施例2和对照例1可以看出，通过三聚氰胺在高温下生成多孔氮化碳材料，可以使材料之间相互之间融合性更好，提高了刹车盘的耐磨性。通过实施例2和对照例2对比可以看出，直接加入类石墨相碳化氮材料在刹车盘中，无法通过三聚氰胺的原位生成高比表面积的材料得到的刹车盘效果好，这是由于直接原位生成时，能够及时与其它的材料相容，提高了材料耐磨性。
重复上述的刹车将上述所得刹车盘模拟正常刹车使用100次后，再次测定硬度和磨损量，结果如下：
由上表可知，本发明的铝基材料用于制成汽车刹车盘，经过多次使用后，仍具有较高的硬度和耐磨性。
Claims (6)
1.一种掺杂石墨烯的铝基刹车盘材料的制备方法，其特征在于：原料以重量份计包括：铝粉80-100份，镁粉4-8份，锰粉2-5份，铜粉1-3份，镍粉1-2份，碳化硅2-5份，石墨烯3-7份，三聚氰胺0.5-1份，偶联剂0.5-1份，分散剂2-4份，聚吡咯5-10份；
包括以下步骤：
步骤1，将分散剂、碳化硅、三聚氰胺加至2-5倍重量的水中，分散，得到分散液；
步骤2，将石墨烯加至分散液中，研磨，再加入偶联剂，继续研磨，得到混合液；
步骤3，将混合液置于马弗炉中，程序升温进行干燥，得到增强颗粒；
步骤4，将增强颗粒置于聚吡咯中浸泡，取出后干燥，得到聚吡咯包覆的改性增强颗粒；
步骤5，将铝粉、镁粉、锰粉、铜粉、镍粉混合，熔炼，得到铝合金基体；
步骤6，将改性增强颗粒高温烘焙，加至预热的铝合金基体中，进行熔炼，压制，即得。
2.根据权利要求1所述的掺杂石墨烯的铝基刹车盘材料的制备方法，其特征在于：所述分散剂选自十二烷基苯磺酸钠、油酸钠、十二烷基三甲基氯化铵。
3.根据权利要求1所述的掺杂石墨烯的铝基刹车盘材料的制备方法，其特征在于：所述偶联剂为硅烷偶联剂或钛酸酯偶联剂。
4.根据权利要求1所述的掺杂石墨烯的铝基刹车盘材料的制备方法，其特征在于：步骤3中程序升温是按3-5℃/min升温至80-100℃。
5.根据权利要求4所述的掺杂石墨烯的铝基刹车盘材料的制备方法，其特征在于：步骤4中浸泡条件为50-60℃、2-3h，干燥温度为70-80℃。
6.根据权利要求4所述的掺杂石墨烯的铝基刹车盘材料的制备方法，其特征在于：步骤6中烘焙条件为200℃、1h。
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