CN112032227B - 一种摩擦片材料及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种摩擦片材料及其制备方法和应用，该摩擦片材料的原料中，碳纳米管占2‑6wt.％，球形石墨占0.5‑1wt.％，增摩填料占6‑10wt.％，减摩填料占6‑10wt.％，偶联剂占0.1‑0.50wt.％，生胶占8‑10wt.％，树脂占8‑10wt.％，连续纤维占45～55wt.％，余量为添加剂。将碳纳米管和球形石墨表面修饰偶联剂之后加入常规填料中，通过缠绕成型的方法制成摩擦片毛胚；再将摩擦片毛胚热压成摩擦片半成品，最后对摩擦片半成品进行热处理，得到硫化后的摩擦片材料。碳纳米管、球形石墨、偶联剂三者的协同作用使得基体的导热散热性能大大提升，降低了摩擦片的高温磨损率，避免了摩擦过程中基体积累过多的热量导致基体分解，进而使摩擦片产生“打滑”现象或断裂现象。该方法工艺简单，易于工业化批量生产。

Description

一种摩擦片材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及汽车发动机领域，特别涉及一种摩擦片材料及其制备方法和应用。

背景技术

重型卡车离合器摩擦副包括主动盘、从动盘以及主动盘和从动盘之间的带有波形片的摩擦片，当卡车处于半离合状态下，飞轮旋转最快，摩擦片次之，压盘最慢，摩擦片与飞轮和压盘之间均有相对运动，属滑动摩擦，此时摩擦片发热量最大，摩擦片的摩擦系数随着温度的升高而明显降低，重型卡车在高原地区行驶时，经常需要连续刹车，造成了离合器摩擦片温度高于350℃，导致了离合器出现高温“打滑”的现象，进而影响行车的安全，所以提高离合器摩擦片的导热系数至关重要。

卡车离合器摩擦片主要是由增摩填料、减摩填料、树脂、橡胶、铜丝、玻璃纤维、芳纶纤维组成，连续纤维如铜丝、玻璃纤维、芳纶纤维组成摩擦片的骨架，摩擦片使用过程中结合摩擦所产生的冲击力、剪切力，对偶件的压力、旋转产生的离心力主要靠连续纤维骨架承担；增摩填料、减摩填料、添加剂一般为粉体粒料，它们之间以一定的比例填充在骨架之中，为摩擦片提供稳定的摩擦系数，从而为摩擦片提供较高的耐磨损性能；树脂和橡胶为基体，填充在骨架、填料的空隙，将整个摩擦片连接成整体，树脂和橡胶的耐高温性能是摩擦片高温摩擦系数稳定的重要指标。

现有技术中，为了避免离合器摩擦片过热而产生的“打滑”现象，连续纤维复合的摩擦片，主要采用通过提高摩擦片中片状石墨与铜丝的添加量，来提高摩擦片导热系数。但是随着重载卡车使用的工况越来越恶劣，摩擦片由于热导性能不够，产生的热量累积使基体分解，进而使摩擦片产生“打滑”现象，或者由于热应力产生断裂现象。

发明内容

本发明提供一种摩擦片材料及其制备方法和应用，以解决相关技术中离合器摩擦片容易因过热而产生“打滑”现象的问题。

第一方面，本发明提供一种摩擦片材料，其原料中，碳纳米管占2-6wt.％，球形石墨占0.5-1wt.％，增摩填料占6-10wt.％，减摩填料占6-10wt.％，偶联剂占0.1-0.50wt.％，生胶占8-10wt.％，树脂占8-10wt.％，连续纤维占45～55wt.％，余量为添加剂。

作为上述技术方案的优选，碳纳米管为石墨化程度大于90％的多壁碳纳米管或碳纳米管阵列。

作为上述技术方案的优选，多壁碳纳米管的外径为30-200nm；碳纳米管阵列为取向碳纳米管阵列，外径为7-11nm。

作为上述技术方案的优选，球形石墨的粒径为20-200nm。

作为上述技术方案的优选，增摩填料为金刚玉粉、氧化铝粉、铬铁矿粉、长石粉中的一种或其混合物；减摩填料为片状石墨、二硫化钼粉、铜粉、铅粉中的一种或其混合物；添加剂为橡胶防老剂、消泡剂中的至少一种。

作为上述技术方案的优选，生胶为丁苯橡胶生胶或丁腈橡胶生胶；树脂为酚醛树脂或其改性树脂。

作为上述技术方案的优选，偶联剂为γ-氨丙基三甲氧基硅烷(KH540)、γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)、γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷(KH560)、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(KH570)、γ-巯丙基三乙氧基硅烷(KH580)、γ-巯丙基三甲氧基硅烷(KH590)、双(γ-三乙氧基硅丙基)-四硫化物(Si69)、双(γ-三乙氧基硅丙基)-二硫化物(Si75)、γ-巯丙基乙氧基双(丙烷基-六乙氧基-硅氧烷)(Si747)中的一种或几种。

作为上述技术方案的优选，连续纤维为铜丝、芳纶纤维、玻璃纤维中的一种或多种，或其改性纤维。

第二方面，本发明提供了一种制备上述摩擦片材料的方法，包括以下步骤：

(1)取碳纳米管和球形石墨与偶联剂混匀，得到混合粉体A；

(2)将混合粉体A与增摩填料、减摩填料、添加剂混合均匀，得到混合粉体B；

(3)通过在线浸渍缠绕成型工艺将混合粉体B、生胶、树脂浸渍在连续纤维上，80-120℃烘干，得到纤维预浸带；使纤维预浸带缠绕形成摩擦片毛胚；在180-200℃、10-25Mpa条件下对摩擦片毛胚进行压制，成型后得到摩擦片半成品；

(4)将摩擦片半成品于180-230℃热处理20-25h，即得到摩擦片材料。

第三方面，本发明提供了上述摩擦片材料在制备重型卡车离合器摩擦片中的应用。

本发明具有以下优点和有益效果：

与传统的摩擦片材料相比，本发明采用导热性好的碳纳米管和填充性好的球形石墨替代部分片状石墨，当碳纳米管均匀分散在树脂和橡胶复合的基体中后，一维线性结构的碳纳米管会交织成三维导热网络，提高基体在各方向的导热能力；而纳米微球状的球形石墨则填充在碳纳米管形成的三维网络结构和基体的填料之中，以减少基体中的大孔，进一步提高基体在各方向的导热能力以及摩擦片的耐磨损能力；偶联剂不仅使碳纳米管和球形石墨均匀分散到基体中，且将基体、连续纤维、碳纳米管和球形石墨四者连接起来，提高了四者之间的结合力和导热能力。碳纳米管、球形石墨、偶联剂三者的协同作用使得基体的导热性能和散热性能大大提升，避免了摩擦过程中基体积累过多的热量导致基体分解，进而使摩擦片产生“打滑”现象或断裂现象。该方法工艺简单，易于工业化批量生产，具有较大的实用性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1制备的成品摩擦片的SEM图；

图2为本发明实施例1制备的成品摩擦片的SEM图；

图3为本发明实施例1制备的成品摩擦片的SEM图；

图4为本发明实施例1制备的成品摩擦片的金相图；

图5为本发明对比例1制备的成品摩擦片的SEM图；

图6为本发明对比例1制备的成品摩擦片的金相图；

图7为本发明实施例1～3以及对比例1～3制备的成品摩擦片的热扩散系数与温度的关系图；

图8为本发明实施例1以及对比例1制备的成品摩擦片的磨损率与温度的关系图；

图9为本发明制备的摩擦片毛胚的图片；

图10为本发明制备的成品摩擦片的图片。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供的摩擦片材料的原料中，碳纳米管占2-6wt.％，球形石墨占0.5-1wt.％，增摩填料占6-10wt.％，减摩填料占6-10wt.％，偶联剂占0.1-0.50wt.％，生胶占8-10wt.％，树脂占8-10wt.％，连续纤维占45～55wt.％，余量为添加剂。

碳纳米管为线性结构，具有较好的力学性能和导热性能，根据类型不同，碳纳米管的热导率介于30-1000W/(m·K)之间；球形石墨为微球结构，具有良好的填充性能。

本发明提供的制备上述摩擦片材料的方法，包括以下步骤：

(1)取碳纳米管和球形石墨与偶联剂混匀，得到混合粉体A；

(2)将混合粉体A与增摩填料、减摩填料、添加剂混合均匀，得到混合粉体B；

(3)通过在线浸渍缠绕成型工艺将混合粉体B、生胶、树脂浸渍在连续纤维上，80-120℃烘干，得到纤维预浸带；使纤维预浸带缠绕形成摩擦片毛胚；在180-200℃、10-25Mpa条件下对摩擦片毛胚进行压制，成型后得到摩擦片半成品；

(4)将摩擦片半成品于180-230℃热处理20-25h，即得到摩擦片材料。

作为上述技术方案的优选，碳纳米管和球形石墨的重量比为7:3-9:1，偶联剂添加量为碳纳米管和球形石墨总量的1-10wt.％

作为上述技术方案的优选，将偶联剂溶于少量乙醇中后与碳纳米管和球形石墨混合，其中，乙醇和硅烷偶联剂的重量比为1：5～10。

作为上述技术方案的优选，混合粉体A占混合粉体B的5-20wt.％。

作为上述技术方案的优选，混合粉体B占粒料C的60-75wt.％。

作为上述技术方案的优选，纤维预浸带中连续纤维和胶浆的重量比为1：0.9-1.1。

为了保证碳纳米管能够在基体中形成三维导热网络，本发明一方面控制碳纳米管的含量不小于5wt.％，另一方面选择外径为30-200nm的大管径多壁碳纳米管或者外径为7-11nm的取向碳纳米管阵列，保证了碳纳米管在基体中的分散均匀性，另外由于碳纳米管石墨化程度高，电子越活跃，导热性能也相对较好，本发明采用石墨化程度大于90％的多壁碳纳米管或取向碳纳米管阵列。有必要说明的是，使用强酸、强碱、强氧化剂等处理过的碳纳米管虽然也容易分散在基体中形成三维导热网络，但是强酸、强碱、强氧化剂等处理的过程中破坏了碳纳米管的结构，影响了碳纳米管的导热性能，并不能达到显著提升基体导热性能的目的。为进一步提高多壁碳纳米管或者取向碳纳米管阵列在基体中的分散性，本发明在多壁碳纳米管或者取向碳纳米管阵列上修饰偶联剂，偶联剂可选择KH560、KH570、KH580、KH590等常见的硅烷偶联剂。

为了对基体的摩擦性能进行调节，本发明在基体中添加了增摩填料、减摩填料等常规填料，增摩填料可采用硬度大于5HB的硬质填料，例如金刚玉粉、氧化铝粉、铬铁矿粉或长石粉；减摩填料可采用片状石墨、二硫化钼粉、铜粉的至少一种。

为了改善基体性能，本发明在基体中添加了炭黑进行补强，添加重晶石粉以提高基体的强度及耐久性，添加橡胶防老剂以防止基体高温疲劳老化。

本发明采用的连续纤维可选自铜丝、玻璃纤维、芳纶纤维或其混合纤维，优选直径为0.15-0.19mm的铜丝，300-3000tex的芳纶纤维，或300-2000tex的玻璃纤维。

以下通过具体实施例来说明本发明的技术方案。

实施例1

未详述参数均为常规工艺参数。

(1)先将41.25gKH560溶解在206.25g乙醇中，再加入825g外径为7-11nm的取向碳纳米管阵列和400g粒径为20-200nm的球形石墨，用高速搅拌机搅拌180min，得到混合粉体A；

(2)按重量比1:3将混合粉体A加入由氧化铝粉、片状石墨、炭黑、重晶石粉和橡胶防老剂按常规配比混合制成的混合物中，在分散机中混合得到混合粉体B；

(3)通过在线浸渍缠绕成型工艺将重量比为4：1：1的混合粉体B、丁腈橡胶生胶和酚醛树脂浸渍在连续纤维上，100℃烘干，得到纤维预浸带；纤维预浸带上基体与连续纤维的重量比约为1：1；

(4)将纤维预浸带通过正弦交叉的方式缠绕，形成摩擦片毛胚；

(5)将摩擦片毛胚在200℃、7Mpa条件下压制3min，成型后得到摩擦片半成品；

(6)将摩擦片半成品在230℃热处理20h，得到硫化后的摩擦片；

(7)对硫化后的摩擦片进行磨削加工，得到符合尺寸要求的成品摩擦片。

经测试，实施例1得到的成品摩擦片在350℃时的摩擦系数为0.3。

利用扫描电子显微镜拍摄实施例1制备成品摩擦片在不同放大倍数下的SEM图，如图1～图3所示，图1显示了碳纳米管在基体中分散均匀，图2显示了在偶联剂的作用下碳纳米管与基体中的玻璃纤维粘接良好，图3显示了添加碳纳米管和球形石墨的基体压实率高、孔隙率小，图4显示了添加碳纳米管和球形石墨的基体不存在大孔。

对比例1

与实施例1不同的是，混合粉体A全部替换为等重量的片状石墨。

用扫描电子显微镜拍摄对比例1制备成品摩擦片在不同放大倍数下的SEM图，图5显示了未添加碳纳米管和球形石墨的基体压实率低、孔隙率大，图6显示了未添加碳纳米管和球形石墨的基体存在大孔。将图3～图5进行对比发现，基体在掺杂碳纳米管和球形石墨后大孔变少，变的更加密实。

实施例2

未详述参数均与实施例1相同。

(1)先将41.25gKH580溶解在206.25g乙醇中，再加入825g外径为30-200nm的多壁碳纳米管和300g粒径为20-200nm的球形石墨，用高速搅拌机搅拌30min，得到混合粉体A；

(2)按重量比1:3将混合粉体A加入由氧化铝粉、片状石墨、炭黑、重晶石粉和橡胶防老剂按常规配比混合制成的混合物中，在分散机中混合得到混合粉体B；

(3)通过在线浸渍缠绕成型工艺将重量比为4：1：1的混合粉体B、丁腈橡胶生胶和酚醛树脂浸渍在连续纤维上，100℃烘干，得到纤维预浸带；纤维预浸带上基体与连续纤维的重量比约为1：1；

(4)将纤维预浸带通过正弦交叉的方式缠绕，形成摩擦片毛胚；

(5)将摩擦片毛胚在200℃、17Mpa条件下压制3min，成型后得到摩擦片半成品；

(6)将摩擦片半成品在230℃热处理20h，得到硫化后的摩擦片；

(7)对硫化后的摩擦片进行磨削加工，得到符合尺寸要求的成品摩擦片。

经测试，实施例2得到的成品摩擦片在350℃时的摩擦系数为0.29。

对比例2

与实施例2不同的是，混合粉体A全部替换为等重量的片状石墨。

实施例3

未详述参数均与实施例1相同。

(1)先将41.25gKH570溶解在206.25g乙醇中，再加入825g外径为7-11nm的取向碳纳米管阵列和200g粒径为20-200nm的球形石墨，用高速搅拌机搅拌100min，得到混合粉体A；

(2)按重量比1:3将混合粉体A加入由氧化铝粉、片状石墨、炭黑、重晶石粉和橡胶防老剂按常规配比混合制成的混合物中，在分散机中混合得到混合粉体B；

(3)通过在线浸渍缠绕成型工艺将重量比为4：1：1的混合粉体B、丁腈橡胶生胶和酚醛树脂浸渍在连续纤维上，100℃烘干，得到纤维预浸带；纤维预浸带上基体与连续纤维的重量比约为1：1；

(4)将纤维预浸带通过正弦交叉的方式缠绕，形成摩擦片毛胚；

(5)将摩擦片毛胚在200℃、17Mpa条件下压制3min，成型后得到摩擦片半成品；

(6)将摩擦片半成品在230℃热处理20h，得到硫化后的摩擦片；

(7)对硫化后的摩擦片进行磨削加工，得到符合尺寸要求的成品摩擦片。

经测试，实施例3得到的成品摩擦片在350℃时的摩擦系数为0.27。

对比例3

与实施例3不同的是，混合粉体A全部替换为等重量的片状石墨。性能测试试验：

1、闪光法测试热扩散系数

将实施例1-3以及对比例1-3制备的成品摩擦片制成1cm×1cm×3mm的试样，采用热导率仪测试。该热导率测试仪的测试原理为：将同样功率的激光打在不同温度的试样下表面上，测试试样上表面的温度和时间，热导率仪自动计算出试样的热扩散系数。结果如表1所示：。

表1成品摩擦片在不同温度下的热扩散系数

	50℃	100℃
			实施例1	0.423	0.317
实施例2	0.377	0.284
			实施例3	0.449	0.345
对比例1	0.217	0.193
			对比例2	0.235	0.19
对比例3	0.237	0.185

图7展示了实施例1-3以及对比例1-3的成品摩擦片试样在50℃～100℃下的热扩散系数，数据显示，在50℃条件下，实施例1-3制备的成品摩擦片试样相对于对比例1-3制备的成品摩擦片试样的热扩散系数提高了100％，在100℃条件下，实施例1-3制备的成品摩擦片试样相对于对比例1-3制备的成品摩擦片试样的热扩散系数提高了超过60％，证实了掺杂了碳纳米管和球形石墨之后成品摩擦片的热扩散系数明显变好。

2、定速摩擦测试

将实施例1和对比例1制备的成品摩擦片制成一个1cm×1cm×3mm的试样，采用GB5763-2008《汽车用制动器衬片》所述方法，检测实施例1以及对比例1制备的成品摩擦片试样的耐摩擦性能。

对比例1制备的成品摩擦片的摩擦系数随着温度的升高会降低，对比例1制备的成品摩擦片小于300℃时的摩擦系数在0.3-0.6之间，大于300℃时，由于成品摩擦片中的有机物分解，对比例1制备的成品摩擦片的摩擦系数下降到0.2以下，从而会出现高温打滑的现象。而实施例1-3制备的成品摩擦片的50-300℃的摩擦系数在0.3-0.6之间；实施例1-3制备的成品摩擦片在大于300℃时的摩擦系数大于0.25。虽然实施例1-3制备的成品摩擦片的摩擦系数随着温度的升高而降低，但又维持摩擦系数大于0.25，保证了成品摩擦片不易打滑。

实施例1以及对比例1制备的成品摩擦片的磨损率测试结果如表2所示：

表2成品摩擦片在不同温度下的磨损率

温度	100℃	150℃	200℃	300℃	350℃
						实施例1	0.07	0.09	0.28	0.22	0.22
对比例1	0.08	0.10	0.27	0.7	0.39

从表2的测试结果可以看出，对比例1制备的成品摩擦片试样在200℃以上时磨损率较高，而实施例1制备的成品摩擦片试样在200℃以上时则表现出比较理想的摩擦性能。图8展示了表2中磨损率随温度变化的趋势。实施例1制备的成品摩擦片在350℃的磨损率为0.22，较对比例1制备的成品摩擦片在350℃的磨损率下降了43.5％，取得了显著的技术进步。

在同样的滑摩功下，测得实施例1制备的成品摩擦片试样能到达的最高温度为299℃，而对比文件1制备的成品摩擦片试样能到达的最高温度约为350℃，证实了在同样的滑摩功下，热扩散系数高的成品摩擦片试样的温升会变小，也证实了实施例1制备的成品摩擦片不会出现高温打滑的现象。实施例1制备的成品摩擦片试样在300℃的磨损率为0.22，远小于对比例1制备的成品摩擦片试样在350℃的磨损率0.39，证实了实施例1制备的成品摩擦片的高温磨损率远小于对比例1制备的成品摩擦片。

以上所述的仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种摩擦片材料，其特征在于：碳纳米管占2-6wt.％，球形石墨占0.5-1wt.％，增摩填料占6-10wt.％，减摩填料占6-10wt.％，偶联剂占0.1-0.50wt.％，生胶占8-10wt.％，树脂占8-10wt.％，连续纤维占45～55wt.％，余量为添加剂。

2.根据权利要求1所述的摩擦片材料，其特征在于：所述的碳纳米管为石墨化程度大于90％的多壁碳纳米管或碳纳米管阵列。

3.根据权利要求2所述的摩擦片材料，其特征在于：所述的多壁碳纳米管的外径为30-200nm；所述的碳纳米管阵列为取向碳纳米管阵列，外径为7-11nm。

4.根据权利要求1所述的摩擦片材料，其特征在于：所述的球形石墨的粒径为20-200nm。

5.根据权利要求1所述的摩擦片材料，其特征在于：所述的增摩填料为金刚玉粉、氧化铝粉、铬铁矿粉、长石粉中的一种或其混合物；所述的减摩填料为片状石墨、二硫化钼粉、铜粉中的一种或其混合物；所述的添加剂为橡胶防老剂、消泡剂中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的摩擦片材料，其特征在于：所述的生胶为丁苯橡胶或丁腈橡胶；所述的树脂为酚醛树脂或其改性树脂。

7.根据权利要求1所述的摩擦片材料，其特征在于：所述的偶联剂为γ-氨丙基三甲氧基硅烷、γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、γ-巯丙基三乙氧基硅烷、γ-巯丙基三甲氧基硅烷、双(γ-三乙氧基硅丙基)-四硫化物、双(γ-三乙氧基硅丙基)-二硫化物、γ-巯丙基乙氧基双(丙烷基-六乙氧基-硅氧烷)中的一种或几种。

8.根据权利要求1所述的摩擦片材料，其特征在于：所述的连续纤维为铜丝、芳纶纤维、玻璃纤维中的一种或多种，或所述芳纶纤维、玻璃纤维中的一种或两种的改性纤维。

9.一种制备权利要求1-8任一项所述的摩擦片材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)取碳纳米管和球形石墨与偶联剂混匀，得到混合粉体A；

(2)将混合粉体A与增摩填料、减摩填料、添加剂混合均匀，得到混合粉体B；

(3)通过在线浸渍缠绕成型工艺将混合粉体B、生胶、树脂浸渍在连续纤维上，80-120℃烘干，得到纤维预浸带；使纤维预浸带缠绕形成摩擦片毛胚；在180-200℃、10-25Mpa条件下对摩擦片毛胚进行压制，成型后得到摩擦片半成品；

(4)将摩擦片半成品于180-230℃热处理20-25h，即得到摩擦片材料。

10.权利要求1-8任一项所述的摩擦片材料用于制备重型卡车离合器摩擦片。

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