CN112745802B - 一种无铜nao摩擦材料、刹车片及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种无铜NAO摩擦材料，包括以下原料组分及重量份数：改性酚醛树脂5～10份、橡胶粉末2～5份、芳纶浆粕3～5份、矿物纤维5～10份、碳纤维2～5份、合成石墨5～10份、天然石墨5～10份、钛酸钾6～12份、硅酸锆5～10份、摩擦粉2～5份、硫化亚锡2～5份、硫酸钡10～30份、焦炭5～15份。本发明解决了无铜NAO摩擦材料导热性差、寿命低的难题，采用本发明的摩擦材料制备的刹车片具有较好的热传导性、稳定的摩擦性能及较低的磨损量。本发明的刹车片的制备方法简单，无污染。
Description
技术领域
本发明涉及汽车摩擦制动材料技术领域，具体涉及一种无铜NAO摩擦材料、刹车片及制备方法。
背景技术
随着汽车、火车、飞机等交通运输工具向高速、重载方向发展，人们对安全性、舒适性和清洁性要求的不断提高，对身体健康和环境保护意识的加强，不仅对摩擦材料的制动性能要求更加苛刻，而且对材料的选用更加严格。由于石棉具有优异的性能和低廉的成本，早期的摩擦材料主要是以石棉作为增强材料。但越来越多的资料证明，石棉对人的危害极大，被公认是致癌物质，并且在生产和使用过程中石棉粉尘对环境造成严重污染。
随着摩擦材料的发展，NAO(无石棉有机物型)摩擦材料逐渐取代石棉型摩擦材料。在过去的10多年中，为了满足刹车片的性能需求，NAO摩擦材料中添加高含量的铜成分，因为铜具有优异的导热性能，铜的晶体类型为面心立方结构，使其具有优异的延展性能和较低的莫氏硬度，而含铜摩擦材料在高温和高速条件下的具有优异的摩擦性能和较低的磨损量，同时具有优异的制动舒适性。但是含铜的摩擦材料在制动时，会以磨耗粉的形式排出铜，导致大量铜粉尘随着摩擦材料的磨损而产生，这些铜粉尘最终流入河川、湖泊、海洋等水域并在水中沉积，而造成水体的重金属污染-铜污染。而无铜NAO摩擦材料由于导材料的缺失而导致热传导性和抗磨损性能较差。
因此亟需开发一种摩擦材料即能保持含铜NAO摩擦材料优良的制动性，又不会造成环境污染。
发明内容
针对现有技术中的不足与缺陷，本发明提供一种无铜NAO摩擦材料、刹车片及制备方法，用于解决现有技术中无铜NAO摩擦材料热传导性和抗磨损性能较差的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种无铜NAO摩擦材料，包括以下原料组分及重量份数：
于本发明的一实施例中，所述改性酚醛树脂为芳香烃改性酚醛树脂，所述芳香烃改性酚醛树脂的流动距离为40～45mm，聚合时间为170～230秒。
于本发明的一实施例中，所述合成石墨为热改性高石墨化合成石墨，所述合成石墨的石墨化度大于85％，所述合成石墨为单层片状结构。
于本发明的一实施例中，所述天然石墨为球形天然石墨，所述球形天然石墨的粒度为 20～30μm。
于本发明的一实施例中，所述矿物纤维的纤维长度为0.3～0.7mm。
于本发明的一实施例中，所述硫化亚锡的纯度大于99.5％。
本发明的第二个方面是提供一种包含上述无铜NAO摩擦材料的刹车片。
本发明的第三个方面是提供一种刹车片的制备方法，包括以下步骤：
将无铜NAO摩擦材料的各原料组分按照配比混合搅拌均匀；
将混合均匀的所述无铜NAO摩擦材料的混合料置于热压模具型腔中与钢背热压成型；
对所述热压成型的产品进行热处理；
对所述热处理后的产品进行后处理。
于本发明的一实施例中，热压成型时，压制温度为145-165℃，热压成型的压力为8-20MPa，热压时间为100-500秒。
于本发明的一实施例中，热处理时，将热压成型脱模后的产品依次在180℃下烘烤2～3 小时，200℃下烘烤1～2小时。
本发明提供一种无铜NAO摩擦材料，以改性酚醛树脂和橡胶粉末为粘结剂，芳纶浆粕矿物纤维、碳纤维的组合物为增强纤维，合成石墨、天然石墨、钛酸钾、硅酸锆、摩擦粉硫化亚锡的组合物为摩擦性能调节剂，以硫酸钡和焦炭为填料，通过合理设计各组分之间的比例，各组分发挥协同作用，使无铜NAO摩擦材料具有稳定的摩擦系数，同时具有优异的热传导性及较低磨损量。
本发明选用芳香烃改性酚醛树脂，使摩擦材料在高温制动条件下具有优异的抗磨损性能；选用热改性高石墨化的合成石墨，其微观结构呈现片层状，当其在摩擦材料中均匀分布时可构建特殊的石墨通道，而产生热传递的桥联作用，大幅提高摩擦材料的热传导性能，使摩擦材料在严苛的高温条件下具有优异的摩擦性能；选用球形天然石墨，粒径主要分布在20～30μm，基于球形天然石墨的微观形貌以及较小的粒径，天然石墨在制动过程中会更加均匀的分布在制动对偶表面，提供优异的润滑效果，使摩擦材料具有优异的抗磨损性能，增加刹车片的寿命；选用高纯度的硫化亚锡作为摩擦改性剂，硫化亚锡属于立方晶系，相较于三方晶系的硫化锡具有更加优异的润滑性能，而使摩擦材料具有较长的寿命。
本发明的NAO摩擦材料由单层热改性合成石墨在摩擦材料中构建导热桥联结构，依靠球形天然石墨和高纯度硫化亚锡大幅提高摩擦材料的使用寿命，解决了无铜NAO摩擦材料导热性差、寿命低的难题。
本发明还提供一种包含NAO摩擦材料的刹车片的制备方法，工艺简单、操作方便，且制备过程无污染，优化操作人员的工作环境。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1显示为本发明的刹车片的制备方法的流程图。
图2显示为本发明实施例1制备的刹车片的JASO C427测试图。
图3显示为本发明实施例2制备的刹车片的JASO C427测试图。
图4显示为对比例1制备的刹车片的JASO C427测试图。
图5显示为对比例2制备的刹车片的JASO C427测试图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。还应当理解，本发明实施例中使用的术语是为了描述特定的具体实施方案，而不是为了限制本发明的保护范围。下列实施例中未注明具体条件的试验方法，通常按照常规条件，或者按照各制造商所建议的条件。
当实施例给出数值范围时，应理解，除非本发明另有说明，每个数值范围的两个端点以及两个端点之间任何一个数值均可选用。除非另外定义，本发明中使用的所有技术和科学术语与本技术领域的技术人员对现有技术的掌握及本发明的记载，还可以使用与本发明实施例中所述的方法、设备、材料相似或等同的现有技术的任何方法、设备和材料来实现本发明。
本发明中使用的原料组分均可通过常规的商业渠道得到。
本发明提供一种无铜NAO摩擦材料，包括以下原料组分及重量份数：改性酚醛树脂5～10份、橡胶粉末2～5份、芳纶浆粕3～5份、矿物纤维5～10份、碳纤维2～5份、合成石墨5～10份、天然石墨5～10份、钛酸钾6～12份、硅酸锆5～10份、摩擦粉2～5份、硫化亚锡2～5份、硫酸钡10～30份、焦炭5～15份。
其中，改性酚醛树脂可为芳香烃改性酚醛树脂，其流动长度为40～45mm，聚合时间为 170～230秒，在一些实施例中，芳香烃改性酚醛树脂的重量份数(相对于无铜NAO摩擦材料的总重量而言)可选择5份、8份、9份或10份等，在5～10重量份的范围内的任一数值均可选择。
橡胶粉末例如可选择粉末丁腈橡胶，其粒径小于0.4mm，粉末丁腈橡胶可提高摩擦材料的热稳定性，增加其柔软性和抗冲击性。在一些实施例中橡胶粉末的重量份数(相对于无铜NAO摩擦材料的总重量而言)可选择2份、4份或者5份等，在2～5重量份的范围内的任一数值均可选择。
芳纶浆粕长径比可选择为55～70，矿物纤维的纤维长度为0.3～0.70mm，在一些实施例中，芳纶浆粕的重量份数(相对于无铜NAO摩擦材料的总重量而言)可选择3份、4份或者5份，矿物纤维的重量份数(相对于无铜NAO摩擦材料的总重量而言)可选择为5份、 8份或者10份等；碳纤维的重量份数(相对于无铜NAO摩擦材料的总重量而言)可选择为2份、4份或者5份，上述数值范围内的任一数值均可选择。
合成石墨为热改性高石墨化合成石墨，其微观形貌为单层的片状结构，按照QJ2507-93 标准的测试方法得出该合成石墨的石墨化程度大于85％，天然石墨为球形天然石墨，其粒径范围在20～30μm范围内，钛酸酸钾、硅酸锆均为粉末状颗粒，钛酸钾粒径为5～30μm，硅酸锆粒径为1～5μm，摩擦粉的粒径为150～450μm，硫化亚锡为高纯度的粉末状颗粒，其纯度高达99.5％。在一些实施例中，合成石墨的重量份数(相对于无铜NAO摩擦材料的总重量而言)可选择5份、8份或者10份等；天然石墨的重量份数(相对于无铜NAO摩擦材料的总重量而言)；钛酸钾的重量份数相对于(相对于无铜NAO摩擦材料的总重量而言) 可选择为6份、9份或者12份等；硅酸锆的重量份数(相对于无铜NAO摩擦材料的总重量而言)可选择为5份、8份或10份等；摩擦粉的重量份数(相对于无铜NAO摩擦材料的总重量而言)可选择为2份、3份或者5份等；硫化亚锡的重量份数(相对于无铜NAO 摩擦材料的总重量而言)可选择为2份、3份或者5份等，以上数值范围内的任一数字均可选取。
硫酸钡及焦炭均为颗粒状结构，硫酸钡的粒径为10～30μm，焦炭的粒径为30～60μm，在一些实施例中，硫酸钡的重量份数(相对于无铜NAO摩擦材料的总重量而言)可选择为10份、20份或者30份等，焦炭的重量份数(相对于无铜NAO摩擦材料的总重量而言)可选择为5份、10份或者15份等，上述范围内的任一数值均可选取。
本发明提供的刹车片包括上述无铜NAO摩擦材料，本发明的刹车片具有高的热传导性能，同时还具有优异的摩擦性能及较低的磨损量。
参见附图1，本发明还公开了刹车片的制备方法，包括以下步骤：
S1、将无铜NAO摩擦材料的各原料组分按照上述配比混合搅拌均匀；
S2、将混合均匀的所述无铜NAO摩擦材料的混合料置于热压模具型腔中与钢背热压成型；
S3、对所述热压成型的产品进行热处理；
S4、对所述热处理后的产品进行后处理。
具体地，步骤S1是将无铜NAO摩擦材料的各原料组分按照各自的配比放入犁耙式混料机混合搅拌一段时间，使原料组分混合均匀，例如搅拌5分钟、8分钟或10分钟。
具体地，步骤S2是将步骤S1中搅拌均匀的摩擦材料的混合料倒入热压模具型腔中，摊平，放置钢背，在热压温度为145～165℃、压力为8～20MPa下热压成型，其中压制时间为100～500秒。
具体地，步骤S3将步骤S2热压成型的刹车片半成品进行热处理，即将刹车片半成品依次在180℃下烘烤2～3小时，200℃下烘烤1～2小时。
具体地，步骤S4对热处理后的产品进行后处理，包括磨削、开槽、倒角、喷涂等工序，均属于本领域内常规工艺。
下面列举一些实施例具体说明一下本发明。
实施例1
本实施例提供一种无铜NAO摩擦材料，包括以下原料组分和重量份数：
芳香烃改性树脂8份、橡胶粉末4份、芳纶浆粕3份、碳纤维5份、矿物纤维8份、天然石墨5份、合成石墨7份、钛酸钾9份、硅酸锆10份、摩擦粉3份、硫酸钡25份、硫化亚锡5份、焦炭8份。
本实施例中刹车片的制备方法为包括以下步骤：
将上述原料组分投入犁耙式混料机中混合搅拌10分钟，使其混合均匀；然后将混合均匀的混合料倒入热压模具的型腔中摊平，放置钢背，热压成型，其中热压温度为145℃，热压压力为15MPa，压制时间为500秒；热压成型后脱模，接着将脱模后的产品依次放置在180℃下烘烤3小时、200℃下烘烤1小时；热处理结束，对产品进行磨削、开槽、倒角、喷涂等工序制得刹车片。
实施例2
本实施例提供一种无铜NAO摩擦材料，包括以下原料组分和重量份数：
芳香烃改性树脂10份、橡胶粉末5份、芳纶浆粕4份、碳纤维3份、矿物纤维6份、天然石墨7份、合成石墨5份、钛酸钾12份、硅酸锆8份、摩擦粉2份、硫酸钡30份、硫化亚锡3份、焦炭5份。
本实施例中刹车片的制备方法为包括以下步骤：
将上述原料组分投入犁耙式混料机中混合搅拌10分钟，使其混合均匀；然后将混合均匀的混合料倒入热压模具的型腔中摊平，放置钢背，热压成型，其中热压温度为165℃，热压压力为8MPa，压制时间为300秒；热压成型后脱模，接着将脱模后的产品依次放置在180℃下烘烤2小时、200℃下烘烤2小时；热处理结束，对产品进行磨削、开槽、倒角、喷涂等工序制得刹车片。
实施例3
本实施例提供一种无铜NAO摩擦材料，包括以下原料组分和重量份数：
芳香烃改性树脂5份、橡胶粉末2份、芳纶浆粕5份、碳纤维2份、矿物纤维10份、天然石墨10份、合成石墨10份、钛酸钾6份、硅酸锆5份、摩擦粉5份、硫酸钡10份、硫化亚锡2份、焦炭15份。
本实施例中刹车片的制备方法为包括以下步骤：
将上述原料组分投入犁耙式混料机中混合搅拌10分钟，使其混合均匀；然后将混合均匀的混合料倒入热压模具的型腔中摊平，放置钢背，热压成型，其中热压温度为150℃，热压压力为20MPa，压制时间为100秒；热压成型后脱模，接着将脱模后的产品依次放置在180℃下烘烤2小时、200℃下烘烤1小时；热处理结束，对产品进行磨削、开槽、倒角、喷涂等工序制得刹车片。
对比例1
对比例1提供一种含铜NAO摩擦材料如下原料组分及重量分数：树脂8份，芳纶3份、橡胶粉末4份、铜纤维10份、天然石墨5份、合成石墨7份、碳纤维5份、矿物纤维8份、钛酸钾9份、硅酸锆10份、摩擦粉3份、硫酸钡15份、硫化亚锡5份、焦炭8份。
对比例1中的树脂为未改性酚醛树脂，天然石墨为鳞片状天然石墨，粒径同样分布在 20～30μm，合成石墨为颗粒状合成石墨。对比例1中刹车片的制备工艺同实施例1。
对比例2
对比例2提供一种无铜NAO摩擦材料，包括以下原料组分及重量份数：
改性酚醛树脂8份、芳纶3份、橡胶粉末4份、天然石墨5份、合成石墨7份、碳纤维5份、矿物纤维8份、钛酸钾9份、硅酸锆10份、摩擦粉3份、硫酸钡25份、硫化锡5 份、焦炭8份。
对比例2相较于实施例1的不同之处是：- 对比例 2 中使用的是硫化锡。对比例2中刹车片的制备方法同实施例1。
分别对实施例1-3和对比例1-2的刹车片进行热传导实验及磨损实验，其中，热传导试验参照ISO22007-2:2008(E)标准，热传导实验时，每个实施例和对比例分别取4个样品进行热传导试验，然后对四个样品的热传导系数取平均值，测试结果参见表1；磨损实验参照JASO C427标准执行，实验结果参照表2和表3及图2-5，附图2-5中的横坐标代表JASOC427机台试验的不同测试章节，左侧纵坐标代表刹车片的厚度磨损量，右侧纵坐标代表刹车片的质量磨损量。
表1：实施例1-3和对比例1-2的刹车片的热传导系数
表2：实施例1-2的JASO C427磨损试验测试结果
表3：对比例1-2的JASO C427磨损试验测试结果
表2和表3中，Post Fir200℃(500)是指在制动盘的温度为200℃，减速度为0.3g的条件下开始刹车，使车速由50km/h刹至0，重复500次，得到刹车片(内、外片)的厚度和质量磨损量；Post Sec200℃(250)是进行第二次200℃的制动测试，测试条件与之前相同；Burnish&Burnish-2制动条件为制动盘温度为100℃，减速度为0.3g，使车速由50km/h 刹至0，重复200次；High Speed(100)制动条件为制动盘温度为100℃，减速度为0.3g，使车速由100km/h刹至0，重复100次。
表1的结果显示，实施例1-3的热传导系数明显大于对比例1-2的热传导系数，说明本发明的刹车片的导热性优于对比例1-2；表2-3及图2-5的结果显示，实施例1-2的厚度磨损量及质量磨损量均小于对比例1-2，说明本发明的刹车片具有较低的磨损量。
综上所述，本发明提供一种无铜NAO摩擦材料，利用单层热改性合成石墨在摩擦材料中构建导热桥联结构，依靠球形天然石墨和高纯度硫化亚锡大幅提高摩擦材料的使用寿命，解决了无铜NAO摩擦材料导热性差、寿命低的难题。采用本发明的摩擦材料具有较好的热传导性、稳定的摩擦性能及较低的磨损量。本发明的刹车片的制备方法简单，无污染。所以，本发明有效克服了现有技术中的一些实际问题从而有很高的利用价值和使用意义。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明，本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。
Claims (8)
1.一种无铜NAO摩擦材料，其特征在于，包括以下原料组分及重量份数：
其中，所述合成石墨为热改性高石墨化合成石墨，所述合成石墨的石墨化度大于85％，所述合成石墨为单层片状结构；所述天然石墨为球形天然石墨，所述球形天然石墨的粒度为20～30μm。
2.根据权利要求1所述的无铜NAO摩擦材料，其特征在于，所述改性酚醛树脂为芳香烃改性酚醛树脂，所述芳香烃改性酚醛树脂的流动距离为40～45mm，聚合时间为170～230秒。
3.根据权利要求1所述的无铜NAO摩擦材料，其特征在于，所述矿物纤维的纤维长度为0.3～0.7mm。
4.根据权利要求1所述的无铜NAO摩擦材料，其特征在于，所述硫化亚锡的纯度大于99.5％。
5.一种刹车片，其特征在于，包括权利要求1-4任一所述的无铜NAO摩擦材料。
6.一种权利要求5所述的刹车片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将无铜NAO摩擦材料的各原料组分按照配比混合搅拌均匀；
将混合均匀的所述无铜NAO摩擦材料的混合料置于热压模具型腔中与钢背热压成型；
对所述热压成型的产品进行热处理；
对所述热处理后的产品进行后处理。
7.根据权利要求6所述的刹车片的制备方法，其特征在于，热压成型时，压制温度为145～165℃，热压成型的压力为8～20MPa，热压时间为100～500秒。
8.根据权利要求6所述的刹车片的制备方法，其特征在于，热处理时，将热压成型脱模后的产品依次在180℃下烘烤2～3小时，200℃下烘烤1～2小时。
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