CN112283273B - 一种一体化石墨烯制动器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种一体化石墨烯制动器及其制备方法，包括制动蹄（1）、摩擦衬片（2）和连接结构（3），制动蹄（1）包括平板状的或弧形的蹄板主体（1.1），所述连接结构（3）设于蹄板主体（1.1）的连接面（1.2），所述连接结构（3）包括交错设置或者重叠设置的凸起阵列（20）、凹坑阵列（10）和粗糙表面结构（30）；所述摩擦衬片（2）通过摩擦材料在所述连接面上压入所述连接结构（3）压制成型为厚度S的片材的同时通过连接结构（3）与制动蹄（1）一体连接。所述一体化石墨烯制动器及其制备方法，利用凹坑阵列、凸起阵列和粗糙表面结构协同作用，大大提高制动蹄与摩擦衬片的结合力的同时具有非常优秀的抗热衰退性能。
Description
技术领域
本发明属于汽车特殊零件制造领域，是一种一体化石墨烯制动器及其制备方法。
背景技术
制动系统是汽车的关键部件之一，而刹车片的综合性能直接影响到制动系统的稳定性和可靠性。汽车高速化要求越来越高，相应对制动摩擦材料以及结构也提出了更加苛刻的要求。高性能刹车片有如下技术要求：①合适的摩擦系数μ，μ在0.35-0.4之间。μ<0.35，刹车时会超过安全制动距离，μ>0.4,刹车容易抱死。②可靠的抗热衰退性能，是指汽车在高速行驶或紧急制动时会产生瞬间300℃左右高温，在此高温状态下，刹车片的摩擦系数不会产生大幅度下降。有一款型号为EQ1094前型3类汽车用刹车片指定摩擦系数为0.40，在低温阶段其摩擦系数0.30，随着温度的升高，摩擦系数逐渐下降，特别是在300℃时，摩擦系数低至0.17。③满意的舒适性，包块制动感觉、噪音、粉尘、异味等，车主最关心刹车噪音。④合理寿命，正常行驶的车辆，前制动器刹车片不低于3万公里，后制动器刹车片不低于8万公里。
在制动蹄上提供摩擦材料，例如用于盘式制动器的制动片和用于鼓式制动器的制动蹄。摩擦材料被压在随车轮旋转的旋转体上，例如盘式转子或制动鼓，该旋转体制动车轮。摩擦材料在压制过程中通过摩擦加热。当摩擦材料由于温度升高而软化或热分解时，摩擦材料的摩擦系数降低，并且制动特性降低，例如制动衰减，从而使制动效果变差。
在结构上，制动器一般有刹车蹄铁和刹车片两部分组成，二者之间经受制动过程的强大剪切力。由于刹车片为未金属复合材料压制而成为片状，摩擦材料的制动表面通常被铆接到刹车块的背板上。因为必须得经受住制动过程中刹车块和刹车蹄之间相当大的剪切力，所以需要12-16个铆钉将刹车块连接到刹车蹄。通常采用与刹车蹄铁粘结固化连接，或者采用由先制好的摩擦材料块，打孔、铆钉铆接在刹车蹄铁上的铆接连接或螺栓连接。如岳阳市金源恒汽车零部件有限公司和南京航空航天大学溧水仿生产业研究院有限公司共同申请人公开的一种高性能无石棉刹车片(CN109488710A，20190319)，将摩擦粒料装载到模具中压制成型制得刹车片，并将刹车片用粘结剂与刹车蹄铁粘合，放入干燥箱中固化热处理，属于粘结固化连接方式。青岛神力制动材料有限公司公开了一种刹车片与刹车蹄铁连接结构(CN206309830U，20170707)，在压制成型刹车片时，刹车片2内预埋螺母3，并通过连接螺栓4将刹车片2与刹车蹄铁1固定连接，属于螺栓固定连接。上述铆钉铆接或螺栓连接的刹车蹄，铆钉磨掉后，就不能使用，摩擦材料浪费严重，因此使用寿命短。长时间制动后，刹车蹄磨损不均匀，铆钉局部磨损后，部分摩擦材料断裂，断裂后的制动器，不但制动性能差，而且断裂后的摩擦材料飞出，很容易给后车驾驶员造成致命伤害，酿成死亡事故。
因此，急需研究一种高性能的制动器，既有改进的连接结构，又有可靠的抗热衰退性能，是制约刹车片行业的瓶颈。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明的目的是提出一种石墨烯制动器及其制备方法，采用石墨烯线改性线材料生产，能够解决制动蹄的摩擦材料连续刹车后，产生的高温导致制动失灵和摩擦材料的摩擦系数衰退和制动器长期使用后的机械性能缺陷造成的安全问题。
本发明是这样实现的，一种一体化石墨烯制动器，包括制动蹄，其特征在于，包括
制动蹄包括平板状的或弧形的蹄板主体，蹄板主体包括相对的底面和连接面；
连接结构，所述连接结构设于所述连接面，所述连接结构包括交错设置或者重叠设置的凸起阵列、凹坑阵列；
摩擦衬片，所述摩擦衬片通过摩擦材料在所述连接面上压入所述连接结构压制成型为厚度S的片材的同时通过连接结构与制动蹄一体连接；
凹坑深度小于S/2，凸起突出连接面的高度小于S/2。
进一步地，所述交错设置为：在蹄板主体连接面一体成型或固定连接n行m列凸起，蹄板主体连接面一体铸造成型有n-1行m-1列的凹坑，n＝2、3，m＝3、5、7、9；凹坑位于四个相邻凸起构成的矩形图形的中心。
进一步地，所述重叠设置为：在蹄板主体连接面上一体成型有n行m列的凹坑，每个凹坑底部向上一体铸造成型有凸起或者蹄板主体的底面正对凹坑设有凸台，铆钉孔从凸台贯通所述凹坑，铆钉孔铆接有铆钉，铆钉另一端突出连接面形成凸起；n＝2、3，m＝3、5、7、9。
进一步地，所述连接结构(3)还包括设于连接面(1.2)上的粗糙表面结构(30)，所述凸起阵列和凹坑阵列在连接面上的垂直投影面积为S凸凹，粗糙表面结构的面积为S糙,连接面总面积为S0，满足条件：(S糙+S凸凹)/S0≈0.382。
进一步地，所述粗糙表面结构包括与蹄板主体一体铸造成型的多个平行的纹理槽，所述纹理槽大致垂直于制动蹄制动时受到的剪切力方向；
或者所述粗糙表面结构包括与蹄板主体一体铸造成型的网格筋，网格筋的高度0.5-2mm；
或者所述粗糙表面结构包括与蹄板主体的连接面一体连接的泡沫金属,摩擦衬片的摩擦材料填充泡沫金属并与泡沫金属和制动蹄主体一体连接；泡沫金属的厚度Sp满足：3mm≤Sp≤S。
进一步地，当粗糙表面结构包括泡沫金属(33)时，泡沫金属33与制动蹄主体1.1的一体连接实现为：将泡沫金属(33)埋入砂型的型腔上方，泡沫金属(33)下方伸入型腔一定距离，铸造法成型蹄板主体(1.1)的同时一体连接所述泡沫金属(33)。
进一步地，固定连接实现为：在蹄板主体机加工n行m列铆钉孔，将铆钉一端铆接于蹄板主体的底面，铆钉另一端凸出连接面形成凸起。
进一步地，铆钉包括压铆部、圆柱体部和倒锥部,倒锥部突出连接面并嵌入性地入一体连接摩擦衬片，倒锥部锥度在1:3-1:5。
一种所述一体化石墨烯制动器的制备方法，
S1制备石墨烯摩擦颗粒
1)准备摩擦材料混合液
麦秸秆改性氧化石墨烯粉末80-90wt％、超精细铜粉3-5wt％、超精细镍粉2-10wt％、静电粉3-5wt％、表面活性剂1-2wt％和触发剂1-2wt％，制成混合液体，加温到70℃，搅拌均匀，得到摩擦材料混合液；
2)棉纤维浸渍摩擦材料
将棉纤维浸泡到摩擦材料混合液体中，采用超声波震动处理，使得摩擦材料完全浸泡透棉纤维，得到浸渍摩擦材料的棉纤维；
3)烘干
将浸渍摩擦材料的棉纤维放进专用烘干容器中，用膨胀阀向容器中注入小量水蒸气；给容器加压4公斤，容器内温度控制在70℃，大约2小时进行缓慢烘干，确保摩擦材料80％以上吸附在棉纤维上；
4)切粒，将吸附摩擦材料的棉纤维进行切断，长度在0.5-1.5厘米左右，制成石墨烯摩擦颗粒；
S2压制一体化制动器
1)刹车蹄浸润石墨烯浸润液
2)一体化压制摩擦材料
a准备下模具、中模具和上模具，将组装好铆钉的刹车蹄放进下模具，落下中模具，在下模和中模之间形成模腔；
b静电积聚
给铆钉通入静电，让石墨烯摩擦颗粒在静电吸附中能够很快聚团在凸起阵列20周围。
c落下上模具，压力机压头及与其连接的上模具插入中模具进行压制，制得一体化制动器；
d排气，渗入麦秸秆改性氧化石墨烯胶水
抬起上模具，将一定量麦秸秆改性氧化石墨烯胶水喷入摩擦衬片表面，二次下压成型，从制动蹄底面、摩擦衬片顶面分别割断所述导热纤维束，顶出，得到一体化制动器毛坯；
S3一体化制动器的高压强化处理
将一体化制动器毛坯放进高压箱中增强处理，高压箱压力9-12MPa，温度70-75℃，时间3h左右；
S4机械加工
根据产品图纸和技术要求进行磨削、防锈、夹套处理。
进一步地，所述摩擦材料混合液为将麦秸秆改性氧化石墨烯粉末87wt％、超精细铜粉5wt％、超精细镍粉2wt％、静电粉3wt％、表面活性剂2wt％和触发剂1wt％混合，机械搅拌的同时施加超声振动，处理时间30-40分钟，制成搅拌均匀的混合液体。
所述一体化石墨烯制动器及其制备方法，利用凹坑阵列、凸起阵列和粗糙表面结构协同作用，大大提高制动蹄与摩擦衬片的结合力的同时具有非常优秀的抗热衰退性能，可兼容用于轻型车和载货汽车制动器。摩擦衬片的有效厚度利用率相比铆接工艺提高约30％，同时可以薄片化；相比铆接工艺，制动蹄与摩擦衬片的结合力提高至少50％，制动噪音却降低30％。
附图说明
图1为本发明一体化石墨烯制动器(用于盘式制动器)的实施例1的俯视图。
图2为本发明一体化石墨烯制动器的实施例1的图1的A-A剖视图。
图3为本发明一体化石墨烯制动器(用于鼓式制动器)的实施例1的主视图。
图4为本发明一体化石墨烯制动器的实施例2的俯视图。
图5为本发明一体化石墨烯制动器的实施例2的图4的A-A剖视图。
图6为本发明一体化石墨烯制动器的实施例3的图1的A-A剖视图。
1制动蹄，2摩擦衬片，3连接结构，4石墨烯胶水
10凹坑阵列，11凹坑
20凸起阵列，21凸起，22铆钉孔，23铆钉
30粗糙表面结构，31纹理槽，32腐蚀凹坑,33泡沫金属
1.1蹄板主体，1.2连接面，1.3底面
23.1压铆部，23.2圆柱体部，23.3倒锥部。
具体实施方式
实施例1
一种一体化石墨烯制动器，包括通过模压成型一体连接的制动蹄1和厚度S的摩擦衬片2，制动蹄1设有连接结构3，所述连接结构3包括交错设置在制动蹄1上的凸起阵列20和凹坑阵列10。凹坑深度小于S/2，凸起突出连接面的高度小于S/2。
所述交错设置为：制动蹄1包括用于盘式制动器的平板形的或用于鼓式制动器的弧形的蹄板主体1.1，蹄板主体包括底面和与摩擦衬片2一体连接的连接面；在蹄板主体1.1连接面一体成型或固定连接n行m列凸起21，蹄板主体1.1连接面一体成型有n-1行m-1列的凹坑11；凹坑11位于四个相邻凸起21形成矩形的中心位置。优选地，n＝2、3，m＝5。
盘式制动器如图1所示，鼓式制动器如图3所示。
凸起21为与蹄板主体1.1一体成型，凸起优选为圆柱体形。
或者凸起21实现为：在蹄板主体1.1机加工n行m列铆钉孔22，将铆钉23铆接在蹄板主体1.1，铆钉23另一端凸出连接面形成凸起。铆钉23包括压铆部23.1、圆柱体部23.2和倒锥部23.3,铆钉孔22底面设有埋头窝，压铆部21.1通过模压机压制变形填充埋头窝。圆柱体部21.2与铆钉孔22间隙配合，圆柱体部21.2负责定位功能，也是承受剪切力的部位。倒锥部21.3埋设于摩擦衬片并通过压制成型与摩擦衬片2一体连接。倒锥部23.3锥度在1:3-1:5。
所述连接结构3还包括设于连接面1.2上的粗糙表面结构30，所述粗糙表面结构30包括多个平行的纹理槽31，所述纹理槽垂直于制动蹄1制动时受到的剪切力方向,纹理槽深度在0.3-1mm、宽度3-6mm。
通过同时交错设置凸起和凹坑，凸起与两侧凹坑在摩擦衬片中形成品字形抗剪结构，使得制动蹄1与摩擦衬片2有效的交联高度为摩擦衬片厚度的前提下，凸起高度相比单纯设有凸起阵列的，可有效降低凸起凸出连接面的高度，同时可减小铆钉直径。
所述凹坑为圆柱形凹坑或倒锥形凹坑，凹坑底面横截面大于位于连接面的凹坑出口横截面。铆钉孔22为圆柱形通孔。凹坑直径是铆钉孔直径至少2倍。
凸起阵列20或凹坑阵列10的行间距L0和列间距L1在30-40mm之间。
连接结构中三者的比例关系：
连接结构3中，凸起阵列、凹坑阵列与粗糙表面结构是有比例的，不是凸起阵列和凹坑阵列越多越好。
凸起阵列20和凹坑阵列10在连接面上的垂直投影面积为S凸凹，连接面总面积为S0，粗糙表面结构30的面积为S糙,则经过实验验证得到：(S糙+S凸凹)/S0≈0.382，或者(S0-(S凸凹+S糙))/S0≈0.618为最佳。该比例保证三者协同作用发挥至最大，使得摩擦衬片与制动蹄之间的结合力大大现有的铆接工艺和粘结工艺。
更为优选的是，摩擦衬片2的外轮廓线具有倒角且摩擦衬片2中间设有至少一道沟槽，沟槽延伸方向大致垂直于制动蹄1制动时受到的剪切力方向。
更为优选的是，连接结构还包括石墨烯胶水4，所述石墨烯胶水4设于连接面。
一种一体化石墨烯制动器的制备方法，包括如下步骤：
S1制备石墨烯摩擦颗粒
1)准备摩擦材料混合液
麦秸秆改性氧化石墨烯粉末80-90wt％、超精细铜粉3-5wt％、超精细镍粉2-10wt％、静电粉3-5wt％、表面活性剂1-2wt％和触发剂1-2wt％，制成混合液体，加温到70℃，搅拌均匀，得到摩擦材料混合液。
其中，麦秸秆改性氧化石墨烯粉末的制备为现有技术，典型的制备方法如下，将小麦秸秆粉碎至1-2mm，在贫氧炉中进行不完全炭化成碳粉；将碳粉活化处理后置于2400℃-2600℃进行石墨化过程，经增强处理后得到人造石墨；将人造石墨加入浓硫酸并置于-5-0℃的环境中搅拌混合5min；加入硝酸钠在3℃环境下反应50min；将混合溶液加热至98-100℃，加入高锰酸钾反应1h并控制温度降至35℃继续反应1h；离心洗涤去除浓硫酸后，在30-45℃的环境中干燥制成麦秸秆改性氧化石墨烯粉末。
2)棉纤维浸渍摩擦材料
将棉纤维浸泡到摩擦材料混合液体中，采用超声波震动处理，使得摩擦材料完全浸泡透棉纤维，得到浸渍摩擦材料的棉纤维；所述棉纤维优选粗绒棉。
3)烘干
将浸渍摩擦材料的棉纤维放进专用烘干容器中，用膨胀阀向容器中注入小量水蒸气；给容器加压4公斤，容器内温度控制在70℃，大约2小时进行缓慢烘干，确保摩擦材料80％以上吸附在棉纤维上，将烘干的吸附摩擦材料的棉纤维取出容器。
4)切粒
将吸附摩擦材料的棉纤维进行切断，长度在0.5-1.5厘米左右，制成石墨烯摩擦颗粒。
S2压制一体化制动器
1)刹车蹄1、铆钉23浸润石墨烯浸润液
a刹车蹄表面去油污和除锈处理；
b石墨烯浸润液准备
氧化石墨烯粉末40wt％，王水46wt％放进反应釜中，温度控制在70℃,搅拌30分钟后开启微波震荡，搅拌60分钟，制得溶液I；
配制溶液I80wt％，加入氢氧化钠溶液20wt％，反应釜温度控制在50℃-60℃，搅拌30分钟后，制得溶液II；
溶液II加入偶联剂2wt％、活性剂5wt％、悬浮剂4.5wt％、导电盐1wt％、缓冲剂1wt％、阳极去极化剂0.5wt％，三价铬盐10wt％、静电粉5wt％，反应釜温度控制中50℃-60℃，搅拌10分钟，制得石墨烯浸润液。
c刹车蹄、铆钉浸润
把刹车蹄、铆钉分别放进不同的浸润槽内的石墨烯浸润液中，浸润槽内温度保持在80±3℃,全程保持超声震荡，浸润1小时后，取出刹车蹄、铆钉和导热纤维束，晾干。
2)一体化压制摩擦材料
a准备下模具、中模具和上模具，将组装好铆钉的刹车蹄放进下模具，落下中模具，在下模和中模之间形成模腔；
b铆钉铆接刹车蹄形成凸起阵列20
铸造成型具有凸起阵列20和凹坑阵列10的蹄主体板1.1；或者把铆钉23一端固定铆接在刹车蹄1的铆钉孔22中，另一端凸出于刹车蹄1形成凸起阵列20。
c静电积聚
给铆钉通入静电，让石墨烯摩擦颗粒在静电吸附中能够很快聚团在凸起阵列20周围。
d落下上模具，压力机压头及与其连接的上模具插入中模具进行压制，制得一体化制动器；模具内温度控制：上模具80-85℃，中模具70-75℃，下模具55-60℃。
e排气，渗入麦秸秆改性氧化石墨烯胶水
抬起上模具，将一定量麦秸秆改性氧化石墨烯胶水喷入摩擦衬片表面，二次下压成型，从制动蹄底面、摩擦衬片顶面分别割断所述导热纤维束，顶出，得到一体化制动器毛坯；
麦秸秆改性氧化石墨烯胶水包括稻麦秸秆石墨烯溶液61.75％，硝酸鈰3.25％，聚醋酸乙烯5％，酚醛树脂20％，酒精5％，丁晴胶粉5％。也可以使用其他粘合剂。
S3一体化制动器的高压强化处理
将一体化制动器毛坯放进高压箱中增强处理，高压箱压力9-12MPa，温度70-75℃，时间3h左右。
S4机械加工
根据产品图纸和技术要求进行磨削、防锈、夹套处理。
最优选的摩擦材料混合液比例如下：将麦秸秆改性氧化石墨烯粉末87wt％、超精细铜粉5wt％、超精细镍粉2wt％、静电粉3wt％、表面活性剂2wt％和触发剂1wt％混合，机械搅拌的同时施加超声振动，处理时间30-40分钟，制成搅拌均匀的混合液体。
实施例2
铆钉和凹坑交错阵列改为铆钉、凹坑重叠，其他结构与实施例1相同。
一种一体化石墨烯制动器，包括通过模压成型一体连接的制动蹄1和厚度S的摩擦衬片2，制动蹄1设有连接结构3，所述连接结构3包括重叠设置在制动蹄1上的凸起阵列20和凹坑阵列10。凹坑深度为S/2，铆钉21一端与制动蹄1底面铆接，另一端凸出连接面的高度为S/2。
所述重叠设置为：制动蹄1包括平板的或弧形的蹄板主体1.1，蹄板主体包括底面和与摩擦衬片2一体连接的连接面；在蹄板主体1.1连接面上一体成型有n行m列的凹坑11，每个凹坑底部向上一体成型有凸起21，或者蹄板主体的底面正对凹坑11设有凸台12，铆钉孔22从凸台贯通所述凹坑11，铆钉孔22铆接有铆钉23，铆钉23另一端突出连接面形成凸起。优选地，n＝2、3，m＝5。
凹坑11的直径为凸起21直径的至少3倍。或者凹坑11的直径为铆钉23的圆柱体部23.2所述粗糙表面结构30包括网格筋32，网格筋32的高度0.5-2mm，网格大小在(1-3)*(1-3)mm2。
实施例3
粗糙表面结构为在制动蹄的连接面一体连接泡沫金属层，其他特征与实施例1相同。
一种一体化石墨烯制动器，包括通过模压成型一体连接的制动蹄1和厚度S的摩擦衬片2，制动蹄1设有连接结构3。所述连接面还包括粗糙表面结构30，粗糙表面结构30包括与制动蹄主体1.1在连接面1.2上的一体连接的泡沫金属33,摩擦衬片2的摩擦材料填充泡沫金属33并与泡沫金属和制动蹄主体1.1一体连接。
泡沫金属33为开孔型泡沫金属，材质为铜或铝或镍及其合金，优选泡沫镍、泡沫镍合金、泡沫铜镍合金或泡沫铜。泡沫金属33的孔隙率96％，平均孔径1.5mm，孔密度PPI：30。连接面以上的泡沫金属的厚度Sp满足：3mm≤Sp≤S。
泡沫金属33与制动蹄主体1.1的一体连接实现为：
一体连接A：将泡沫金属33埋入砂型的型腔上方，泡沫金属33下方伸入型腔一定距离，铸造法成型蹄板主体1.1的同时一体连接所述泡沫金属33。前提是泡沫金属材质熔点高于制动蹄主体的材质熔点。
一体连接B：使用液体石蜡外涂耐高温涂料做型芯填充凹坑阵列10，型芯顶面高出连接面焊剂层厚度H，将制动蹄主体1.1放入模具，模腔中倒入熔融的低熔点合金焊剂，使得低熔点合金焊剂层厚度H在0.5-2mm，将泡沫金属层33放入模腔中并施压使得泡沫金属层33抵接连接面1.2，自然冷却使得合金焊剂层凝固，使得泡沫金属33与制动蹄主体1.1一体焊接。在开水中将石蜡型芯煮出。
最后在步骤2)一体化压制摩擦材料中放入下模具使用。
泡沫金属33的一体连接是利用泡沫金属的高比刚度和良好的导热能力，不但为摩擦衬片2与制动蹄1提供了粗糙表面结构30的连接结构，同时泡沫金属和摩擦材料的一体化，使得摩擦衬片2的导热能力大为增加。
尤其泡沫金属33的厚度达到摩擦衬片2的厚度S时，泡沫金属33充当连接结构的同时，也充当摩擦材料的骨架，泡沫金属暴露在摩擦界面处，一方面，泡沫骨架可以很好地将热量转移至制动蹄主体，明显提供热导率，另一方面，泡沫金属可以为摩擦材料的附着提供良好的载体，消弱因为高温引起的摩擦材料的剪切力作用下的摩擦颗粒的流变损失。
实验数据
本发明按照实施例1-3制备的一体化制动器1#、2#、3#与青岛神力制动材料有限公司CN206309830U公开的铆钉连接结构的传统刹车器的性能对比如表1。其中，3#为泡沫金属层与摩擦衬片2的高度相同，泡沫金属层顶面与摩擦衬片的顶面持平。其中，最大抗剪切力是通过按照制动剪切力方向击打刹车片的摩擦衬片2，直到摩擦衬片掉下一块来的最大击打力。敲下的碎块体积大于5*5*5mm3。此最大抗剪切力检测方法为本发明自创的检测指标，是借鉴生活中零敲牛皮糖法而想出的。
表1 传统刹车器与一体化制动器的性能对比
从表1可以看出，石墨烯改性的刹车片材料具有较好的耐高温、冲击韧性和低热膨胀率，弯曲强度和抗冲击强度分别提高了120％和117％，热膨胀率为传统刹车片的63％，高温下的压缩应变率降低了50％。
原因是石墨烯中的含氧基团可以与树脂中的活性基团在复合过程中发生化学反应，形成了较强的界面结合力，最终提高了刹车片的力学性能。同时，连接结构3在凸起阵列、凹坑阵列和粗糙表面结构的叠加因素，也使得摩擦衬片与制动蹄主体的连接强度增加。
本发明通过如下技术手段解决“提供一种高性能的制动器，既有改进的连接结构，又有可靠的抗热衰退性能”的技术问题，
1、凹坑阵列10、凸起阵列20、粗糙表面结构30三者协同，构建强大的连接结构
(1)凸起阵列和凹坑阵列，交错设置或重叠设置，构建相互伸入对方的连接结构。
制动蹄1的连接面一侧设有凹坑阵列10，同时制动蹄1设有凸起阵列20，凹坑与铆钉孔交错设置。而且凹坑阵列位于在凸起阵列内。也就是说，最外侧一行一列设置的是铆钉，凹坑的行列位于铆钉行列之间。
或者制动蹄1的连接面一侧设有凹坑阵列10，凹坑阵列10重叠设有凸起阵列20，二者行列位置重叠。具体是，凹坑11中心设有铆钉孔22，铆钉孔22中固接有铆钉21。
通过这种相互伸入对方的连接结构，使得制动时该连接结构能够承受强大的剪切力的同时降低了铆钉伸入摩擦衬片的高度，减小了铆钉的直径。
对于厚度20mm的摩擦衬片，铆钉突出连接面高度可以做到5mm，凹坑深度5mm。这对于同时保证连接强度和摩擦衬片的整体性是非常有利的。
(2)配合连接面的粗糙表面结构，更加强了摩擦材料与制动蹄的相互伸入。
连接结构包括设于连接面的粗糙表面结构30，连接面设有多个平行的纹理槽31或者网格筋32或者与制动蹄主体一体连接的泡沫金属层33，进一步增加了相互交错的结构，增强了摩擦衬片与制动蹄的连接强度。
2、泡沫金属33作为骨架，填充石墨烯摩擦材料的骨架，增加了导热能力
尤其泡沫金属33的厚度达到摩擦衬片2的厚度S时，泡沫金属33充当连接结构的同时，也充当摩擦材料的骨架，泡沫金属暴露在摩擦界面处，一方面，泡沫骨架可以很好地将热量转移至制动蹄主体，明显提供热导率，另一方面，麦秸秆改性氧化石墨烯颗粒与铜粉、镍粉构成的摩擦材料，本身的导热性能也是比较好的。两方面，使得摩擦衬片2的热导率优于现有技术。相比其他石墨烯金属复合摩擦材料，300℃的高温摩擦系数能够稳定保持在0.39。
所述一体化石墨烯制动器及其制备方法，利用凹坑阵列、凸起阵列和粗糙表面结构协同作用，大大提高制动蹄与摩擦衬片的结合力的同时具有非常优秀的抗热衰退性能，可兼容用于轻型车和载货汽车制动器。摩擦衬片的有效厚度利用率相比铆接工艺提高约30％，同时可以薄片化；相比铆接工艺，制动蹄与摩擦衬片的结合力提高至少50％，制动噪音却降低30％。
Claims (10)
1.一种一体化石墨烯制动器，包括制动蹄（1），其特征在于，包括
制动蹄（1）包括平板状的或弧形的蹄板主体（1.1），蹄板主体（1.1）包括相对的底面（1.3）和连接面（1.2）；
连接结构（3），所述连接结构（3）设于所述连接面（1.2），所述连接结构（3）包括交错设置或者重叠设置的凸起阵列（20）和凹坑阵列（10）；所述连接结构（3）还包括设于连接面（1.2）上的粗糙表面结构（30）；所述粗糙表面结构（30）包括泡沫金属（33），所述泡沫金属下部与蹄板主体一体连接为连接体；
摩擦衬片（2），所述摩擦衬片（2）包括泡沫金属（33），所述摩擦衬片（2）通过泡沫金属作为骨架填充石墨烯摩擦颗粒压入所述连接结构（3）而压制成型为厚度S的片材；同时，所述摩擦衬片（2）通过连接结构（3）与制动蹄（1）一体连接；泡沫金属贯穿摩擦衬片（2）的厚度S；
凹坑深度小于S/2，凸起突出连接面的高度小于S/2。
2.如权利要求1所述的一体化石墨烯制动器，其特征在于，所述交错设置为：在蹄板主体（1.1）连接面一体铸造成型或固定连接n行m列凸起（21），蹄板主体（1.1）连接面一体成型有n-1行m-1列的凹坑（11），n=2、3，m=3、5、7、9；凹坑（11）位于四个相邻凸起（21）构成的矩形图形的中心。
3.如权利要求1所述一体化石墨烯制动器，其特征在于，所述重叠设置为：在蹄板主体（1.1）连接面上一体铸造成型有n行m列的凹坑（11），每个凹坑底部向上一体成型有凸起（21）或者蹄板主体的底面正对凹坑设有凸台（12），铆钉孔（22）从凸台贯通所述凹坑（11），铆钉孔（22）铆接有铆钉（23），铆钉（23）另一端突出连接面形成凸起；n=2、3，m=3、5、7、9。
4.如权利要求1所述一体化石墨烯制动器，其特征在于，所述凸起阵列和凹坑阵列在连接面上的垂直投影面积为S凸凹，粗糙表面结构的面积为S糙, 连接面总面积为S0，满足条件：（S糙+S凸凹）/S0≈0.382。
5.如权利要求4所述一体化石墨烯制动器，其特征在于， 泡沫金属（33）的熔点高于蹄板主体（1.1）的材质熔点。
6.如权利要求5所述一体化石墨烯制动器，其特征在于，泡沫金属（33）与蹄板主体（1.1）的一体连接实现为：将泡沫金属（33）埋入砂型的型腔上方，泡沫金属（33）下方伸入型腔一定距离，铸造法成型蹄板主体（1.1）的同时一体连接所述泡沫金属（33）。
7.如权利要求1所述一体化石墨烯制动器，其特征在于，固定连接实现为：在蹄板主体（1.1）机加工n行m列铆钉孔（22），将铆钉（23）一端铆接于蹄板主体（1.1）的底面，铆钉（23）另一端凸出连接面形成凸起。
8.一种如权利要求1-7任一所述一体化石墨烯制动器，其特征在于，铆钉（23）包括压铆部（23.1）、圆柱体部（23.2）和倒锥部（23.3）, 倒锥部（23.3）突出连接面并嵌入性地入一体连接摩擦衬片（2），倒锥部（23.3）锥度在1:3-1:5。
9.一种如权利要求1-8任一所述一体化石墨烯制动器的制备方法，其特征在于，
S1制备石墨烯摩擦颗粒
1）准备摩擦材料混合液
麦秸秆改性氧化石墨烯粉末80-90wt%、超精细铜粉3-5wt%、超精细镍粉2-10wt%、静电粉3-5wt%、表面活性剂1-2wt%和触发剂1-2wt%，制成混合液体，加温到70℃，搅拌均匀，得到摩擦材料混合液；
2）棉纤维浸渍摩擦材料
将棉纤维浸泡到摩擦材料混合液体中，采用超声波震动处理，使得摩擦材料完全浸泡透棉纤维，得到浸渍摩擦材料的棉纤维；
3）烘干
将浸渍摩擦材料的棉纤维放进专用烘干容器中，用膨胀阀向容器中注入小量水蒸气；给容器加压4公斤，容器内温度控制在70℃， 2小时进行缓慢烘干，确保摩擦材料80%以上吸附在棉纤维上；
4）切粒，将吸附摩擦材料的棉纤维进行切断，长度在0.5-1.5厘米，制成石墨烯摩擦颗粒；
S2压制一体化制动器
1）刹车蹄浸润石墨烯浸润液
2）一体化压制摩擦材料
a准备下模具、中模具和上模具，将组装好铆钉的刹车蹄放进下模具，落下中模具，在下模和中模之间形成模腔；
b 静电积聚
给铆钉通入静电，让石墨烯摩擦颗粒在静电吸附中能够很快聚团在凸起阵列20周围；
c 落下上模具，压力机压头及与其连接的上模具插入中模具进行压制，制得一体化制动器；
d 排气，渗入麦秸秆改性氧化石墨烯胶水
抬起上模具，将一定量麦秸秆改性氧化石墨烯胶水喷入摩擦衬片表面，二次下压成型，顶出，得到一体化制动器毛坯；
S3一体化制动器的高压强化处理
将一体化制动器毛坯放进高压箱中增强处理，高压箱压力9-12MPa，温度70-75℃，时间3h；
S4 机械加工
根据产品图纸和技术要求进行磨削、防锈、夹套处理。
10.一种如权利要求9所述一体化石墨烯制动器的制备方法，其特征在于，所述摩擦材料混合液为将麦秸秆改性氧化石墨烯粉末87wt%、超精细铜粉5wt%、超精细镍粉2wt%、静电粉3wt%、表面活性剂2wt%和触发剂1wt%混合，机械搅拌的同时施加超声振动，处理时间30-40分钟，制成搅拌均匀的混合液体。
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2020
- 2020-11-13 CN CN202011269232.9A patent/CN112283273B/zh active Active
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| Publication number | Publication date |
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| CN112283273A (zh) | 2021-01-29 |
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