CN111410936A - 一种复合纤维高性能摩擦材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于摩擦材料技术领域，公开了一种复合纤维高性能摩擦材料及其制备方法。该摩擦材料按照质量百分比包含如下组分：改性酚醛树脂8～15％，芳纶浆粕纤维6～10％，改性碳纤维7～12％，膨胀蛭石11～15％，余量填料；所述摩擦材料的各组分百分含量之和为100％。本发明的复合纤维高性能摩擦材料在高温下仍然具有稳定的摩擦系数，在高温下仍然具有较低的磨损率，且在高温下还具有较稳定的洛氏硬度和冲击强度，即说明其在高温下仍然具有较好的力学性能。
Description
技术领域
本发明属于摩擦材料技术领域，具体涉及一种复合纤维高性能摩擦材料及其制备方法。
背景技术
摩擦副是机械传动和制动部分的重要组件，它涉及到车辆动力传递和控制的可靠性。摩擦副由摩擦片和对偶片组成，其中摩擦副的性能主要取决于摩擦片的摩擦磨损性能。现有国产摩擦片在使用过程中，依然存在摩擦性能不稳定、磨损率高和耐热性能低等问题，严重制约了总成优良机动性能的发挥。因此，研制与高负荷、高能量、高速传动系统相匹配的、使用寿命长、可靠性高的新型摩擦片及摩擦副十分迫切和必要。
摩擦材料是组成摩擦副的关键材料，其性能的优劣将直接影响到车辆行驶安全性、稳定性和舒适性。摩擦材料通常由粘结剂、增强纤维、摩擦性能调节剂和填料等材料构成，需满足稳定的摩擦因数、低磨损率、低噪音等要求。但是目前的摩擦材料在高温下无法同时满足摩擦系数，以及力学性能的要求。
发明内容
有鉴于此，为了解决目前的摩擦材料在高温下存在的摩擦系数不稳定，或者较脆，低强度的问题，本发明提供一种复合纤维高性能摩擦材料及其制备方法。
本发明采用如下方法实现：一种复合纤维高性能摩擦材料，按照质量百分比包含如下组分：改性酚醛树脂8～15％，芳纶浆粕纤维6～10％，改性碳纤维7～12％，膨胀蛭石11～15％，余量填料；所述摩擦材料的各组分百分含量之和为100％。
优选的，按照质量百分比包含如下组分：改性酚醛树脂10％，芳纶浆粕纤维8％，改性碳纤维10％，膨胀蛭石13％，余量填料；所述摩擦材料的各组分百分含量之和为100％。
优选的，所述填料包括铬铁矿粉3～5％，硫铁矿粉3～5％，人造石墨2～10％，泡沫铁粉1～3％，石油焦1～3％，余量重碳酸钙。
优选的，所述改性酚醛树脂的改性剂为双酚A。
优选的，所述改性酚醛树脂由以下方法制成：
(1)将苯酚、甲醛和催化剂混合，温度升至60～80℃反应2～5h，并不停搅拌，其中所述苯酚和所述甲醛的摩尔比为1：0.7～0.9；其中催化剂可以为氢氧化钠、氢氧化钡、氢氧化铵、氢氧化钙或乙胺。
(2)加入双酚A升温至90～100℃，反应2～4h，其中，所述双酚A和所述甲醛的摩尔比为1：0.1～0.2；
(3)升温至110～120℃脱水0.5～1h，冷却至室温，得到改性酚醛树脂。
优选的，所述改性碳纤维由以下方法制成：
(1)将碳纤维剪短成3～5mm的短切碳纤维；
(2)将短切碳纤维置于在400～500℃煅烧炉中，氧气气氛下氧化处理4～6h，随后，随所述煅烧炉冷却至室温，得到改性碳纤维。
本发明还提供一种复合纤维高性能摩擦材料的制备方法，该方法包括如下步骤：
S1、按照质量百分比，称取所述摩擦材料的各组分：酚醛树脂8～15％，芳纶浆粕纤维6～10％，改性碳纤维7～12％，膨胀蛭石6～10％，余量填料；所述摩擦材料的各组分百分含量之和为100％；
S2、将所述S1中的各组分混合均匀，得到混合料；
S3、将所述混合料通过热压机压制、热处理，得到复合纤维高性能摩擦材料。
优选的，所述压制压力为4～18MPa，压制的温度为250～300℃，保压时间为100～150s。
优选的，所述保压的具体工艺为：分两段进行保压，第一段保压10～15s放气15～20s；第二段保压15～20s放气20～25s，随后保压到所述保压时间结束。
优选的，所述热处理包括4个阶段，分别为：70～75℃保温0.5～1h、95～100℃保温1.5～2h、110～120℃保温3.5～4.5h和180～200℃保温1～2h。
与现有技术相比，采用上述方案本发明的有益效果为：
本发明的复合纤维高性能摩擦材料在高温下仍然具有稳定的摩擦系数，在高温下仍然具有较低的磨损率，且在高温下还具有较稳定的洛氏硬度和冲击强度，即说明其在高温下仍然具有较好的力学性能。
本发明的复合纤维高性能摩擦材料的制备方法易于操作，便于工业化生产。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
以下实施例中采用的改性酚醛树脂由以下方法制成：
(1)将苯酚、甲醛和催化剂(例如氢氧化钠、氢氧化钡、氢氧化铵、氢氧化钙或乙胺)混合，温度升至70℃反应3h，并不停搅拌，其中苯酚和甲醛的摩尔比为1：0.8；
(2)加入双酚A升温至95℃，反应3h，其中，双酚A和甲醛的摩尔比为1：0.15；
(3)升温至115℃脱水0.8h，冷却至室温，得到改性酚醛树脂。
以下实施例中采用的改性碳纤维由以下方法制成：
(1)将碳纤维剪短成3～5mm的短切碳纤维；
(2)将短切碳纤维置于在450℃煅烧炉中，氧气气氛下氧化处理5h，随后，随所述煅烧炉冷却至室温，得到改性碳纤维。
通过扫描电镜可以看出，改性碳纤维的表面存在明显的凹凸，这说明经过上述方法处理后的改性碳纤维的表面粗糙度增加，从而有利于碳纤维与基体的紧密结合。
实施例1
本实施例提供一种复合纤维高性能摩擦材料，按照质量百分比包含如下组分：改性酚醛树脂8％，芳纶浆粕纤维6％，改性碳纤维7％，膨胀蛭石11％，铬铁矿粉3％，硫铁矿粉3％，人造石墨2％，泡沫铁粉1％，石油焦1％，余量重碳酸钙，摩擦材料的各组分百分含量之和为100％。
本实施例的复合纤维高性能摩擦材料通过如下方法制备得到的：
S1、按照质量百分比，称取摩擦材料的各组分；
S2、将S1中的各组分混合均匀，得到混合料；
S3、将混合料通过热压机压制、热处理，得到复合纤维高性能摩擦材料；
其中，压制压力为4MPa，压制的温度为250℃，保压时间为100s；
其中，保压的具体工艺为：分两段进行保压，第一段保压10s放气15s；第二段保压15s放气20s，随后保压到所述保压时间结束，即第二段保压结束后，继续保压40s；
热处理包括4个阶段，分别为：70℃保温0.5h、95℃保温1.5h、110℃保温3.5h和180℃保温2h。
实施例2
本实施例提供一种复合纤维高性能摩擦材料，按照质量百分比包含如下组分：改性酚醛树脂10％，芳纶浆粕纤维8％，改性碳纤维10％，膨胀蛭石13％，铬铁矿粉4％，硫铁矿粉4％，人造石墨6％，泡沫铁粉2％，石油焦2％，余量重碳酸钙；摩擦材料的各组分百分含量之和为100％。
本实施例的复合纤维高性能摩擦材料通过如下方法制备得到的：
S1、按照质量百分比，称取摩擦材料的各组分；
S2、将S1中的各组分混合均匀，得到混合料；
S3、将混合料通过热压机压制、热处理，得到复合纤维高性能摩擦材料；
其中，压制压力为10MPa，压制的温度为275℃，保压时间为125s；
其中，保压的具体工艺为：分两段进行保压，第一段保压13s放气17s；第二段保压17s放气23s，随后保压到所述保压时间结束，即第二段保压结束后，继续保压55s；
热处理包括4个阶段，分别为：72℃保温0.75h、97℃保温1.75h、115℃保温4h和190℃保温1.5h。
实施例3
本实施例提供一种复合纤维高性能摩擦材料，改性酚醛树脂15％，芳纶浆粕纤维10％，改性碳纤维12％，膨胀蛭石15％，铬铁矿粉5％，硫铁矿粉5％，人造石墨10％，泡沫铁粉3％，石油焦3％，余量重碳酸钙，摩擦材料的各组分百分含量之和为100％。
本实施例的复合纤维高性能摩擦材料通过如下方法制备得到的：
S1、按照质量百分比，称取摩擦材料的各组分；
S2、将S1中的各组分混合均匀，得到混合料；
S3、将混合料通过热压机压制、热处理，得到复合纤维高性能摩擦材料；
其中，压制压力为18MPa，压制的温度为300℃，保压时间为150s；
其中，保压的具体工艺为：分两段进行保压，第一段保压15s放气20s；第二段保压20s放气25s，随后保压到所述保压时间结束，即第二段保压结束后，继续保压70s；
热处理包括4个阶段，分别为：75℃保温1h、100℃保温2h、120℃保温4.5h和200℃保温1h。
对比例1
本对比例提供一种摩擦材料，按照质量百分比包含如下组分：酚醛树脂10％，芳纶浆粕纤维8％，改性碳纤维10％，膨胀蛭石13％，铬铁矿粉4％，硫铁矿粉4％，人造石墨6％，泡沫铁粉2％，石油焦2％，余量重碳酸钙；摩擦材料的各组分百分含量之和为100％。
本对比例的摩擦材料的制备方法与实施例2的制备方法相同。
对比例2
本对比例提供一种摩擦材料，按照质量百分比包含如下组分：改性酚醛树脂10％，芳纶浆粕纤维8％，碳纤维10％，膨胀蛭石13％，铬铁矿粉4％，硫铁矿粉4％，人造石墨6％，泡沫铁粉2％，石油焦2％，余量重碳酸钙；摩擦材料的各组分百分含量之和为100％。
本对比例的摩擦材料的制备方法与实施例2的制备方法相同。
对比例3
本对比例提供一种摩擦材料，按照质量百分比包含如下组分：改性酚醛树脂10％，芳纶浆粕纤维3％，改性碳纤维10％，膨胀蛭石13％，铬铁矿粉4％，硫铁矿粉4％，人造石墨6％，泡沫铁粉2％，石油焦2％，余量重碳酸钙；摩擦材料的各组分百分含量之和为100％。
本对比例的摩擦材料的制备方法与实施例2的制备方法相同。
对比例4
本对比例提供一种摩擦材料，按照质量百分比包含如下组分：改性酚醛树脂10％，芳纶浆粕纤维13％，改性碳纤维10％，膨胀蛭石13％，铬铁矿粉4％，硫铁矿粉4％，人造石墨6％，泡沫铁粉2％，石油焦2％，余量重碳酸钙；摩擦材料的各组分百分含量之和为100％。
本对比例的摩擦材料的制备方法与实施例2的制备方法相同。
对比例5
本对比例提供一种摩擦材料，按照质量百分比包含如下组分：改性酚醛树脂10％，芳纶浆粕纤维8％，改性碳纤维10％，膨胀蛭石5％，铬铁矿粉4％，硫铁矿粉4％，人造石墨6％，泡沫铁粉2％，石油焦2％，余量重碳酸钙；摩擦材料的各组分百分含量之和为100％。
本对比例的摩擦材料的制备方法与实施例2的制备方法相同。
对比例6
本对比例提供一种摩擦材料，按照质量百分比包含如下组分：改性酚醛树脂10％，芳纶浆粕纤维8％，改性碳纤维10％，膨胀蛭石18％，铬铁矿粉4％，硫铁矿粉4％，人造石墨6％，泡沫铁粉2％，石油焦2％，余量重碳酸钙；摩擦材料的各组分百分含量之和为100％。
本对比例的摩擦材料的制备方法与实施例2的制备方法相同。
对比例7
本对比例提供一种摩擦材料，按照质量百分比包含如下组分：改性酚醛树脂10％，改性碳纤维10％，铬铁矿粉4％，硫铁矿粉4％，人造石墨6％，泡沫铁粉2％，石油焦2％，余量重碳酸钙；摩擦材料的各组分百分含量之和为100％。
本对比例的摩擦材料的制备方法与实施例2的制备方法相同。
对比例8
本对比例提供一种摩擦材料，按照质量百分比包含如下组分：改性酚醛树脂10％，芳纶浆粕纤维8％，改性碳纤维10％，铬铁矿粉4％，硫铁矿粉4％，人造石墨6％，泡沫铁粉2％，石油焦2％，余量重碳酸钙；摩擦材料的各组分百分含量之和为100％。
本对比例的摩擦材料的制备方法与实施例2的制备方法相同。
对比例9
本对比例提供一种摩擦材料，按照质量百分比包含如下组分：改性酚醛树脂10％，改性碳纤维10％，膨胀蛭石18％，铬铁矿粉4％，硫铁矿粉4％，人造石墨6％，泡沫铁粉2％，石油焦2％，余量重碳酸钙；摩擦材料的各组分百分含量之和为100％。
本对比例的摩擦材料的制备方法与实施例2的制备方法相同。
上述实施例与对比例的组分与含量如表1。
表1实施例与对比例各组分及其含量百分比
注：表1中的D代表对比例；且实施例与对比例中相同组分均未在表1中示出
一、摩擦系数和磨损率性能检测
采用MM-W1A立式万能摩擦磨损试验机(济南试金集团有限公司)测试摩擦磨损性能，测试条件为摩擦压力200N，转速500r/min，试验时间40min，检测不同温度下摩擦材料试样的摩擦系数和磨损率，结果如表2和表3。
表2实施例和对比例的摩擦材料试样在不同温度下的摩擦系数
注：表1中的D代表对比例
从表2的数据可知，随着温度由100℃升高至500℃：
(1)实施例1～实施例3样品的摩擦系数没有显著变化。
(2)对比例1～对比例9样品的摩擦系数随着温度的增加发生显著的递减，说明对比文件1的样品具有明显的高温衰退现象。
表3实施例和对比例的摩擦材料试样在不同温度下的磨损率
注：表1中的D代表对比例
从表3的数据可知，随着温度由100℃升高至500℃：
(1)实施例1～实施例3样品的磨损率变化不大。
(2)对比例1～对比例9样品的磨损率随着温度的增加发生显著的递增。
二、冲击强度和洛氏硬度检测
参照标准GB5766-2007利用塑料洛氏硬度计测试材料在不同温度下的硬度,结果如表4。参照标准GB5765-2008采用XJJ-50型简支梁式冲击试验机测试不同温度的样品的冲击强度(J/cm2)，结果如表5。
表4实施例和对比例的摩擦材料试样在不同温度下的洛氏硬度
注：表1中的D代表对比例
从表4的数据可知，随着温度由100℃升高至500℃：
(1)实施例1～实施例3样品的洛氏硬度变化不大。
(2)将实施例与对比例5～对比例9比较，可得到如下结论：膨胀蛭石能够增加摩擦材料的洛氏硬度；膨胀蛭石的含量对摩擦材料的洛氏硬度有显著的影响。总而言之，只有实施例中记载的百分比含量的膨胀蛭石才能确保摩擦材料的洛氏硬度不会随着温度的升高发生较大的变化。
表5实施例和对比例的摩擦材料试样在不同温度下的冲击强度(J/cm2)
注：表1中的D代表对比例
从表5的数据可知，随着温度由100℃升高至500℃：
(1)实施例1～实施例3样品的洛氏硬度变化不大。
(2)将实施例与对比例3，对比例4，对比例7～对比例9比较，可得到如下结论：芳纶浆粕纤维能够增加摩擦材料的冲击强度；芳纶浆粕纤维在摩擦材料中的含量对摩擦材料的冲击强度具有不可忽视的影响。总而言之，只有实施例中记载的百分比含量的芳纶浆粕纤维，才能够确保摩擦材料的冲击强度不会随着温度的升高发生较大的变化。
综上所述，本发明实施例提供的复合纤维高性能摩擦材料在高温下仍然具有稳定的摩擦系数，在高温下仍然具有较低的磨损率，且在高温下还具有较稳定的洛氏硬度和冲击强度，即说明其在高温下仍然具有较好的力学性能。
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，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种复合纤维高性能摩擦材料，其特征在于，按照质量百分比包含如下组分：改性酚醛树脂8～15％，芳纶浆粕纤维6～10％，改性碳纤维7～12％，膨胀蛭石11～15％，余量填料；所述摩擦材料的各组分百分含量之和为100％。
2.如权利要求1所述的复合纤维高性能摩擦材料，其特征在于，按照质量百分比包含如下组分：改性酚醛树脂10％，芳纶浆粕纤维8％，改性碳纤维10％，膨胀蛭石13％，余量填料；所述摩擦材料的各组分百分含量之和为100％。
3.如权利要求1或2所述的复合纤维高性能摩擦材料，其特征在于，所述填料包括铬铁矿粉3～5％，硫铁矿粉3～5％，人造石墨2～10％，泡沫铁粉1～3％，石油焦1～3％，余量重碳酸钙。
4.如权利要求1或2所述的复合纤维高性能摩擦材料，其特征在于，所述改性酚醛树脂的改性剂为双酚A。
5.如权利要求4所述的复合纤维高性能摩擦材料，其特征在于，所述改性酚醛树脂由以下方法制成：
(1)将苯酚、甲醛和催化剂混合，温度升至60～80℃反应2～5h，并不停搅拌，其中所述苯酚和所述甲醛的摩尔比为1：0.7～0.9；
(2)加入双酚A升温至90～100℃，反应2～4h，其中，所述双酚A和所述甲醛的摩尔比为1：0.1～0.2；
(3)升温至110～120℃脱水0.5～1h，冷却至室温，得到改性酚醛树脂。
6.如权利要求1或2所述的复合纤维高性能摩擦材料，其特征在于，所述改性碳纤维由以下方法制成：
(1)将所述碳纤维剪短成3～5mm的短切碳纤维；
(2)将所述短切碳纤维置于在400～500℃煅烧炉中，氧气气氛下氧化处理4～6h后，随所述煅烧炉冷却至室温，得到所述改性碳纤维。
7.一种权利要求1-6任一项所述的复合纤维高性能摩擦材料的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
S1、按照质量百分比，称取所述摩擦材料的各组分：酚醛树脂8～15％，芳纶浆粕纤维6～10％，改性碳纤维7～12％，膨胀蛭石6～10％，余量填料；所述摩擦材料的各组分百分含量之和为100％；
S2、将所述S1中的各组分混合均匀，得到混合料；
S3、将所述混合料通过热压机压制、热处理，得到复合纤维高性能摩擦材料。
8.如权利要求7所述的所述的复合纤维高性能摩擦材料的制备方法，其特征在于，所述压制的压力为4～18MPa，压制的温度为250～300℃，保压时间为100～150s。
9.如权利要求8所述的所述的复合纤维高性能摩擦材料的制备方法，其特征在于，所述保压的具体工艺为：分两段进行保压，第一段保压10～15s放气15～20s；第二段保压15～20s放气20～25s，随后保压到所述保压时间结束。
10.如权利要求7所述的所述的复合纤维高性能摩擦材料的制备方法，其特征在于，所述热处理包括4个阶段，分别为：70～75℃保温0.5～1h、95～100℃保温1.5～2h、110～120℃保温3.5～4.5h和180～200℃保温1～2h。
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