CN113929353B - 一种制动衬垫及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种制动衬垫及其制备方法和应用，属于制动系统技术领域。所述制动衬垫包括如下重量份的组分：酚醛树脂13～20份、增摩剂0.5～2份、碳纤维5～10份、玄武岩纤维5～10份、芳纶浆粕2～4份、玻璃纤维8～10份、纤维素纤维2～5份、鳞片石墨8～10份、橡胶粉3～5份、二硫化钼5～8份、二硫化钨5～10份、氧化镁1～3份和硫酸钙晶须5～10份。本发明提供的制动衬垫具备制动、自润滑的功能，且湿摩擦系数在0.07～0.10，压缩强度≥200Mpa。

Description

一种制动衬垫及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于制动系统技术领域，尤其涉及一种制动衬垫及其制备方法和应用。
背景技术
风能蕴量巨大，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。风能作为绿色清洁且可再生的能源，不仅使用清洁环保，且成本低，是一种潜力巨大的新能源。因此，开发新能源利用风能进行发电已经受到越来越多国家的重视。
风力发电机发电过程中，需要因风力方向的改变而调整叶片的方向，将风力发电机的叶片固定朝向风力最理想的方向，从而保证风力发电机的工作效率最大化。调整风力发电机叶片的方向是靠偏航系统来实现的。偏航系统是风力发电机必不可少的组成系统之一，对风电机组利用风能起着巨大作用。而制动器是偏航系统的关键，在第一代偏航系统中，大都采用滚动轴承。但因滚动轴承存在制造困难，成本高，承载能力小，易损坏，维修费用高等缺点，进而逐渐被滑动轴承替代。而滑动轴承因制动衬垫与偏航齿圈的接触形式为面接触，相对于滚动轴承，会造成偏航过程噪音过大、偏航摩擦对偶划伤等问题。严重影响风机的正常工作。因此，提供高性能的制动衬垫已成为行业的迫切需求。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种制动衬垫及其制备方法和应用，该制动衬垫的湿摩擦系数在0.07～0.10之间，且压缩强度高。
本发明提供了一种制动衬垫，包括如下重量份的组分：酚醛树脂13～20份、增摩剂0.5～2份、碳纤维5～10份、玄武岩纤维5～10份、芳纶浆粕2～4份、玻璃纤维8～10份、纤维素纤维2～5份、鳞片石墨8～10份、橡胶粉3～5份、二硫化钼5～8份、二硫化钨5～10份、氧化镁1～3份和硫酸钙晶须5～10份。
优选的，所述增磨剂为棕刚玉、白刚玉、铬铁矿粉、三氧化二铝和二氧化硅中的一种或几种。
优选的，所述酚醛树脂为热固性酚醛树脂；所述橡胶粉为丁腈橡胶。
优选的，所述酚醛树脂的粒度≥200目；所述增摩剂的粒度≥500目；所述橡胶粉的粒度为60～80目；所述碳纤维、玄武岩纤维、玻璃纤维和纤维素纤维的纤维长度独立分别为2～3mm。
优选的，按质量百分比计，所述鳞片石墨中的石墨含量≥95％。
优选的，所述制动衬垫的湿摩擦系数在0.07～0.10，压缩强度≥200Mpa。
本发明还提供了一种上述任意一项方案所述的制动衬垫的制备方法，包括如下步骤：
将酚醛树脂、增摩剂、碳纤维、玄武岩纤维、芳纶浆粕、玻璃纤维、纤维素纤维、鳞片石墨、橡胶粉、二硫化钼、二硫化钨、氧化镁和硫酸钙晶须混合，得到混合物料；
将所述混合物料依次模压成型、干燥，得到制动衬垫。
优选的，所述模压成型的条件为：温度185～195℃，压力300～350kg/mm2，保压时间20～30min。
优选的，采用三段式升温的方式进行干燥，第一次升温至138～142℃，保温1.8～2.2h；第二次升温至158～162℃，保温1.8～2.2h；第三次升温至168～172℃，保温11～13h。
本发明还提供了一种上述任意一项方案所述的制动衬垫在风电偏航滑动制动器中的应用。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
本发明提供了一种制动衬垫，通过控制制动衬垫的组分及添加量，各组分间协同配合，从而使制动衬垫具备制动、自润滑的功能，且湿摩擦系数在0.07～0.10，压缩强度≥200Mpa。在实际使用过程中，成为实现替代轴承的一种被动式滑动制动衬垫。
而且，本发明采用有机纤维、无机纤维替代金属纤维，避免了金属及重金属化合物的使用，更加环保。
进一步的，本发明提供了该制动衬垫的制备方法，采用模压的方式成型，并采用三段式升温的方式进行干燥，不仅节约能耗，且可以使制动衬垫的性能更加稳定。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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。
本发明提供了一种制动衬垫，包括如下重量份的组分：酚醛树脂13～20份、增摩剂0.5～2份、碳纤维5～10份、玄武岩纤维5～10份、芳纶浆粕2～4份、玻璃纤维8～10份、纤维素纤维2～5份、鳞片石墨8～10份、橡胶粉3～5份、二硫化钼5～8份、二硫化钨5～10份、氧化镁1～3份和硫酸钙晶须5～10份。
本发明提供的制动衬垫包括酚醛树脂，按重量份计，包括13～20份，优选为17～19.5份。在本发明中，所述酚醛树脂优选为热固性酚醛树脂。在本发明中，所述酚醛树脂的粒度优选≥200目，更优选为300～350目。本发明实施例中所用酚醛树脂为武汉福斯特科技有限公司生产的型号为6601的酚醛树脂。
本发明提供的制动衬垫包括橡胶粉，按重量份计，包括3～5份，优选为4～4.5份。在本发明中，所述橡胶粉优选为丁腈橡胶。在本发明中，所述橡胶粉的粒度优选为60～80目。在本发明中，添加了13～20重量份的树脂并添加了3～5重量份的粉末橡胶来增加硬度和韧性，使其具备足够的压缩强度。
本发明提供的制动衬垫包括增磨剂，按重量份计，包括0.5～2份，优选为1.5～1.6份。在本发明中，所述增磨剂优选为棕刚玉、白刚玉、铬铁矿粉、三氧化二铝和二氧化硅中的一种或几种。在本发明中，所述增摩剂的粒度优选≥500目，更优选为600～700目。
本发明提供的制动衬垫包括碳纤维，按重量份计，包括5～10份，优选为7～8份。在本发明中，所述碳纤维的纤维长度优选为2～3mm。在本发明中，碳纤维在实现低摩擦系数的同时，极大增强了材料强度，同时降低了磨损。
本发明提供的制动衬垫包括芳纶浆粕，按重量份计，包括2～4份，优选为3.5～3.8份。在本发明中，芳纶浆粕具有良好的颗粒材料包容性，其磨损碎屑可以形成摩擦膜为材料提供良好的磨损性能。
本发明提供的制动衬垫包括玻璃纤维，按重量份计，包括8～10份，优选为9～9.5份。在本发明中，所述玻璃纤维的纤维长度优选为2～3mm。在本发明中，玻璃纤维提高了材料的冲击强度和耐热性能。
本发明提供的制动衬垫包括玄武岩纤维，按重量份计，包括5～10份，优选为7～8份。在本发明中，所述玄武岩纤维的纤维长度优选为2～3mm。
本发明提供的制动衬垫包括纤维素纤维，按重量份计，包括2～5份，优选为4～4.5份。在本发明中，所述纤维素纤维的纤维长度优选为2～3mm。在本发明中，将玄武岩纤维和纤维素纤维混杂使用，可以在保证材料强度的同时降低成本。
本发明提供的制动衬垫包括鳞片石墨，按重量份计，包括8～10份，优选为9.5～9.6份。在本发明中，按质量百分比计，所述鳞片石墨中的石墨含量优选≥95％。在本发明中，所述鳞片石墨作为固体润滑剂，发挥润滑的功效。
本发明提供的制动衬垫包括二硫化钼，按重量份计，包括5～8份，优选为7～7.5份。在本发明中，所述二硫化钼作为固体润滑剂，发挥润滑的功效。
本发明提供的制动衬垫包括二硫化钨，按重量份计，包括5～10份，优选为9～9.7份。在本发明中，所述二硫化钨作为固体润滑剂，发挥润滑的功效。
本发明提供的制动衬垫包括氧化镁，按重量份计，包括1～3份，优选为2.5～2.7份。在本发明中，按重量百分比计，所述氧化镁的纯度在98％以上。
本发明提供的制动衬垫包括硫酸钙晶须，按重量份计，包括5～10份，优选为8.8～9.6份。
本发明提供的制动衬垫中添加较高含量的树脂并适量的粉末橡胶来增加硬度和韧性，使制动衬垫具备足够的压缩强度；将适宜比例的碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、纤维素纤维和氧化镁、鳞片石墨、二硫化钼、二硫化钨、硫酸钙晶须共混实现低摩擦系数，并使材料具备较高的摩擦系数稳定性，同时降低磨损。可以理解的是，本发明通过控制制动衬垫的组分及添加量，从而使制动衬垫具备制动、自润滑、低摩擦系数及高压缩强度的特点。
而且，本发明采用有机纤维、无机纤维替代金属纤维，避免了金属及重金属化合物的使用，符合环保要求，更具备了稳定的摩擦系数，制动噪音低，高强度，低磨损，制动时不伤对偶等优点。
本发明对所述增摩剂、碳纤维、玄武岩纤维、芳纶浆粕、玻璃纤维、纤维素纤维、鳞片石墨、橡胶粉、二硫化钼、二硫化钨、氧化镁和硫酸钙晶须的具体来源没有特殊限定，采用本领域常规市售产品即可。
本发明还提供了一种上述任意一项方案所述的制动衬垫的制备方法，包括如下步骤：
将酚醛树脂、增摩剂、碳纤维、玄武岩纤维、芳纶浆粕、玻璃纤维、纤维素纤维、鳞片石墨、橡胶粉、二硫化钼、二硫化钨、氧化镁和硫酸钙晶须混合，得到混合物料；
将所述混合物料依次模压成型、干燥，得到制动衬垫。
将酚醛树脂、增摩剂、碳纤维、玄武岩纤维、芳纶浆粕、玻璃纤维、纤维素纤维、鳞片石墨、橡胶粉、二硫化钼、二硫化钨、氧化镁和硫酸钙晶须混合，得到混合物料。在本发明中，所述混合的方式优选为搅拌。所述搅拌的时间优选为3～5min，更优选为4min。所述搅拌的转速优选为1400～1600r/min，更优选为1500r/min。在本发明中，优选采用摩擦材料专用的高速混料机进行混合。
得到混合物料后，本发明将所述混合物料依次模压成型、干燥，得到制动衬垫。在本发明中，所述模压成型的条件优选为：温度185～195℃，压力300～350kg/mm2，保压时间20～30min。
在本发明中，优选采用三段式升温的方式进行干燥，第一次升温至138～142℃，保温1.8～2.2h；第二次升温至158～162℃，保温1.8～2.2h；第三次升温至168～172℃，保温11～13h，更优选为第一次升温至140℃，保温2h；第二次升温至160℃，保温2h；第三次升温至170℃，保温12h。在本发明中，第一次升温去除水分；第二次升温至中温度，使树脂达到基本固化；第三次升温至高温度，使树脂完全固化。本发明采用三段式升温的方式进行干燥，节约能耗，且可以使制动衬垫的性能更加稳定。
本发明还提供了一种上述任意一项方案所述的制动衬垫在风电偏航滑动制动器中的应用。
为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
制动衬垫的配方为：酚醛树脂17.5kg、增摩剂(棕刚玉)1.5kg、碳纤维8kg、玄武岩纤维10kg、芳纶浆粕4kg、玻璃纤维10kg、纤维素纤维5kg、鳞片石墨10kg、橡胶粉5kg、二硫化钼7.7kg、二硫化钨9.7kg、氧化镁2.8kg、硫酸钙晶须8.8kg。
其中：酚醛树脂的粒度为200目，增摩剂的粒度为500目；碳纤维中纤维长为2.2mm；玄武岩纤维中纤维长为2.5mm；玻璃纤维中纤维长为2.6mm；纤维素纤维中纤维长为2.1mm；鳞片石墨中的石墨质量百分比含量为95％；橡胶粉的粒度为70目；氧化镁的纯度为98％。
(1)按上述配方称量各组分物料，将称量好的各物料投入摩擦材料专用高速混料机中以1500r/min的转速以1500r/min的转速混合3.5分钟。
(2)模压成型：将得到的混合物料放入模具中进行模压，模具温度190℃，压力300kg/mm2，保压时间20min，得到制动衬垫半成品。
(3)将步骤(2)得到的制动衬垫半成品放入烘箱，第一次升温至140℃,保温2h；第二次升温至160℃，保温2h；第三次升温至170℃，保温12h，得到制动衬垫成品。
实施例2
制动衬垫的配方为：酚醛树脂18.5kg、增摩剂(二氧化硅)1.6kg、碳纤维7.5kg、玄武岩纤维10kg、芳纶浆粕3.5kg、玻璃纤维10kg、纤维素纤维5kg、鳞片石墨9.6kg、橡胶粉5kg、二硫化钼7.5kg、二硫化钨9.2kg、氧化镁3kg、硫酸钙晶须9.6kg。
其中：酚醛树脂的粒度为200目，增摩剂的粒度为500目；碳纤维中纤维长为2.2mm；玄武岩纤维中纤维长为2.5mm；玻璃纤维中纤维长为2.6mm；纤维素纤维中纤维长为2.1mm；鳞片石墨中的石墨质量百分比含量为95％；橡胶粉的粒度为70目；氧化镁的纯度为98％。
(1)按上述配方称量各组分物料，将称量好的各物料投入摩擦材料专用高速混料机中以1500r/min的转速混合4分钟。
(2)模压成型：将得到的混合物料放入模具中进行模压，模具温度190℃，压力320kg/mm2，保压时间25min，得到制动衬垫半成品。
(3)将步骤(2)得到的制动衬垫半成品放入烘箱，第一次升温至140℃,保温2h；第二次升温至160℃，保温2h；第三次升温至170℃，保温12h，得到制动衬垫成品。
实施例3
制动衬垫的配方为：酚醛树脂19.5kg、增摩剂(三氧化二铝)2kg、碳纤维7.3kg、玄武岩纤维10kg、芳纶浆粕3.5kg、玻璃纤维9.3kg、纤维素纤维5kg、鳞片石墨9.5kg、橡胶粉5kg、二硫化钼7.3kg、二硫化钨9kg、氧化镁3kg、硫酸钙晶须9.6kg。
其中：酚醛树脂的粒度为200目，增摩剂的粒度为500目；碳纤维中纤维长为2.2mm；玄武岩纤维中纤维长为2.5mm；玻璃纤维中纤维长为2.6mm；纤维素纤维中纤维长为2.1mm；鳞片石墨中的石墨质量百分比含量为95％；橡胶粉的粒度为70目；氧化镁的纯度为98％。
(1)按上述配方称量各组分物料，将称量好的各物料投入摩擦材料专用高速混料机中以1500r/min的转速混合4分钟。
(2)模压成型：将得到的混合物料放入模具中进行模压，模具温度190℃，压力350kg/mm2，保压时间30min，得到制动衬垫半成品。
(3)将步骤(2)得到的制动衬垫半成品放入烘箱，第一次升温至140℃,保温2h；第二次升温至160℃，保温2h；第三次升温至170℃，保温12h，得到制动衬垫成品。
对比例1
制备方法同实施例1，区别在于，橡胶粉的含量为2kg。
具体配方为：酚醛树脂17.5kg、增摩剂(棕刚玉)1.5kg、碳纤维8kg、玄武岩纤维10kg、芳纶浆粕4kg、玻璃纤维10kg、纤维素纤维5kg、鳞片石墨10kg、橡胶粉2kg、二硫化钼7.7kg、二硫化钨9.7kg、氧化镁2.8kg、硫酸钙晶须8.8kg。
对比例2
制备方法同实施例1，区别在于，鳞片石墨的含量为6kg。
具体配方为：酚醛树脂17.5kg、增摩剂(棕刚玉)1.5kg、碳纤维8kg、玄武岩纤维10kg、芳纶浆粕4kg、玻璃纤维10kg、纤维素纤维5kg、鳞片石墨6kg、橡胶粉5kg、二硫化钼7.7kg、二硫化钨9.7kg、氧化镁2.8kg、硫酸钙晶须8.8kg。
对比例3
制备方法同实施例1，区别在于，二硫化钨的含量为4kg。
具体配方为：酚醛树脂17.5kg、增摩剂(棕刚玉)1.5kg、碳纤维8kg、玄武岩纤维10kg、芳纶浆粕4kg、玻璃纤维10kg、纤维素纤维5kg、鳞片石墨10kg、橡胶粉5kg、二硫化钼7.7kg、二硫化钨4kg、氧化镁2.8kg、硫酸钙晶须8.8kg。
对比例4
制备方法同实施例1，区别在于，未添加橡胶粉。
具体配方为：酚醛树脂17.5kg、增摩剂(棕刚玉)1.5kg、碳纤维8kg、玄武岩纤维10kg、芳纶浆粕4kg、玻璃纤维10kg、纤维素纤维5kg、鳞片石墨10kg、二硫化钼7.7kg、二硫化钨9.7kg、氧化镁2.8kg、硫酸钙晶须8.8kg。
对比例5
制备方法同实施例1，区别在于，未添加氧化镁。
具体配方为：酚醛树脂17.5kg、增摩剂(棕刚玉)1.5kg、碳纤维8kg、玄武岩纤维10kg、芳纶浆粕4kg、玻璃纤维10kg、纤维素纤维5kg、鳞片石墨10kg、橡胶粉5kg、二硫化钼7.7kg、二硫化钨9.7kg、硫酸钙晶须8.8kg。
性能测试
分别对实施例1～3及对比例1～5制备得到的制动衬垫的性能进行测试，具体结果如表1所示。
表1制动衬垫的性能测试结果
Figure BDA0003276772690000091
Figure BDA0003276772690000101
由表1可以看出，本发明提供的制动衬垫湿摩擦系数在0.07～0.09，摩擦系数低且稳定，同时压缩强度在205Mpa以上，压缩强度高，在实际使用过程中，消除了制动噪音，耐磨损耐腐蚀，不伤害对偶，从而延长了使用寿命，降低使用成本。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种制动衬垫，其特征在于，由如下重量份的组分组成：酚醛树脂13～20份、增摩剂0.5～2份、碳纤维5～10份、玄武岩纤维5～10份、芳纶浆粕2～4份、玻璃纤维8～10份、纤维素纤维2～5份、鳞片石墨8～10份、橡胶粉3～5份、二硫化钼5～8份、二硫化钨5～10份、氧化镁1～3份和硫酸钙晶须5～10份；所述增摩剂为棕刚玉、白刚玉、铬铁矿粉、三氧化二铝和二氧化硅中的一种或几种；所述酚醛树脂为热固性酚醛树脂；所述橡胶粉为丁腈橡胶；所述制动衬垫的湿摩擦系数在0.07～0.10，压缩强度≥200Mpa。
2.根据权利要求1所述的制动衬垫，其特征在于，所述酚醛树脂的粒度≥200目；所述增摩剂的粒度≥500目；所述橡胶粉的粒度为60～80目；所述碳纤维、玄武岩纤维、玻璃纤维和纤维素纤维的纤维长度独立分别为2～3mm。
3.根据权利要求1所述的制动衬垫，其特征在于，按质量百分比计，所述鳞片石墨中的石墨含量≥95％。
4.权利要求1～3任意一项所述的制动衬垫的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
将酚醛树脂、增摩剂、碳纤维、玄武岩纤维、芳纶浆粕、玻璃纤维、纤维素纤维、鳞片石墨、橡胶粉、二硫化钼、二硫化钨、氧化镁和硫酸钙晶须混合，得到混合物料；
将所述混合物料依次模压成型、干燥，得到制动衬垫。
5.权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述模压成型的条件为：温度185～195℃，压力300～350kg/mm2，保压时间20～30min。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，采用三段式升温的方式进行干燥，第一次升温至138～142℃，保温1.8～2.2h；第二次升温至158～162℃，保温1.8～2.2h；第三次升温至168～172℃，保温11～13h。
7.权利要求1～3任意一项所述的制动衬垫在风电偏航滑动制动器中的应用。
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