CN117307640B - 一种用于碳陶制动盘的摩擦材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于碳陶制动盘的摩擦材料，所述摩擦材料包括以下重量份数的组成成分：硼改性树脂8‑12份，碳纤维7‑10份，陶瓷纤维14‑18份，天然植物纤维10‑15份，芳纶浆粕1‑3份，石油焦5‑9份，天然石墨3‑5份，改性腰果壳油摩擦粉3‑6份，硫化锑7‑10，铬铁矿5‑8份，碳化硅4‑8份，硅酸锆6‑10份、萤石粉2‑5份和黑滑石粉2‑5份；并且还公开了该摩擦材料的制备方法。本发明通过对酚醛树脂、碳纤维、腰果壳油摩擦粉等原料进行改性，各个原料组分之间的协同作用，制备得到综合性能优异且环保的用于碳陶制动盘的摩擦材料，且该摩擦材料能够与碳陶制动盘具有良好的匹配性。而且，该摩擦材料的制备方法简单，易操作，适合工业化生产。
Description
技术领域
本发明属于摩擦材料的技术领域，具体涉及一种用于碳陶制动盘的摩擦材料及其制备方法。
背景技术
摩擦材料(刹车材料)是依靠其摩擦作用来执行制动和传动功能的材料，其目的旨在提高摩擦磨损性能和热稳定性。碳陶制动盘摩擦材料是一种碳纤维增强碳-碳化硅复合材料，是目前制动材料应用较广泛的材料，作为制动摩擦材料，其优势在于密度低、耐热性好、摩擦性能高且稳定，磨损量小等，克服了碳/碳制动摩擦材料湿态环境适应性差的不足，是公认的一种新型制动材料，在飞机、高速列车、汽车等高能制动、刹车领域具有广泛的应用及前景。
作为一种新型的摩擦制动材料，与其匹配的对偶材料的研发同样也是至关重要的。目前，已有众多人对树脂基摩擦材料进行研究，并针对铸铁、钢或铝等各类金属制动盘开发匹配的对偶材料，已达到性能可靠、广泛应用的成熟阶段。但是，由于陶瓷制动盘与金属类制动盘的制造材料是不同的，导致目前与碳陶制动盘匹配的对偶材料研究较少。然而，随着碳陶制动盘的不断推广，如何充分发挥碳陶制动盘各方面的优异特性，其对偶材料的研发也是必不可少的一步。
公开号为CN110628216A的中国专利公开了提供一种摩擦材料、摩擦衬片及其制
备方法。一种摩擦材料，其特征在于，以重量份数计，包括如下原料：陶瓷微珠2-4份、钢纤维8-12份、复合矿物纤维5-7份、双马来酰胺树脂6-10份、橡胶弹性颗粒3-7份、颗粒石墨5-9份、氟化钙5-9份、芳纶浆粕2-5份、钛酸盐片晶3-7份、轻质碳酸钙5-10份、碳化硅3-7份、煅烧氧化铝3-6份、紫铜纤维10-16份、紫铜粉6-10份、硫化亚铁3-7份、煅烧石油焦炭5-8份、锆英砂8-10份。该专利通过合理设置各组分含量，使各组分之间产生协同作用，当用于摩擦衬片时，实现了以下有益效果：本发明摩擦衬片额定制动力矩27000N·m，额定压力1.0MPa，长下坡路段展现出优异的耐热性能，摩擦系数变化小，与制动盘、制动器组成的制动系统具有高而稳定的制动力矩，适用于重型卡车使用。公开号为CN107725648A的中国专利具体涉及一种摩擦材料及由其制备形成的碳陶刹车片及其制备方法。摩擦材料以重量份数计包括：碳陶纤维8-16份，钢纤维1-6份，矿物纤维3-12份，丁腈橡胶改性酚醛树脂8-16份，粉末丁腈橡胶5-11份，石油焦炭4-11份，硫酸钡9-22份，聚丙烯腈纤维1-5份，重质氧化镁6-16份，高岭土4-12份和二氧化硅2-8份，将上述各原料混合形成混合料，放于模具中压制固化得到毛坯，其加热固化得到碳陶刹车片。该刹车片具有磨损厚度小、使用寿命长的优点，而且摩擦材料的耐受温度高，避免了频繁刹车时刹车片温度高致使刹车失灵的问题，确保了行车的安全性。但是上述现有技术的摩擦材料中树脂基材料与其他材料之间的结合力低下，导致树脂基摩擦材料与制动盘之间产生不匹配的问题，而且使用的钢纤维比重大、表面容易氧化锈蚀、对制动盘对偶件有较大的伤害。
发明内容
为了解决现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种用于碳陶制动盘的摩擦材料及其制备方法。本发明通过对摩擦材料中各个原料组分进行合理的选择，制备得到树脂基与其他原料结合力良好、摩擦系数大、磨损率小且与碳陶制动盘的相匹配的摩擦材料，从而提高了摩擦副的耐磨性和性能稳定性，解决了树脂基摩擦材料与碳陶制动盘之间不匹配的问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于碳陶制动盘的摩擦材料，所述摩擦材料包括以下重量份数的组成成分：硼改性树脂8-12份，碳纤维7-10份，陶瓷纤维14-18份，天然植物纤维10-15份，芳纶浆粕1-3份，石油焦5-9份，天然石墨3-5份，改性腰果壳油摩擦粉3-6份，硫化锑7-10，铬铁矿5-8份，碳化硅4-8份，硅酸锆6-10份、萤石粉2-5份和黑滑石粉2-5份。
优选地，所述硼改性树脂为硼改性酚醛树脂。
具体地，硼改性酚醛树脂的具体合成方法如下：
先将苯酚加入三口烧瓶中，边搅拌边升温至90℃，加入硼酸，碱性催化剂的存在的情况下，在90-100℃反应1.5-3h，得到硼酸酚酯；然后边搅拌边加入甲醛，升温至100-110℃反应2.5-4h，反应完成后停止加热并进行真空脱水，脱水时的温度控制在100-130℃，脱水时间控制在40-60min，脱水完成后，冷却出料，最后用去离子水对出料的产物进行清洗5-6次，洗掉多余的硼酸，得产物硼改性酚醛树脂。其中，苯酚与硼酸的摩尔比为1:0.2-0.4；苯酚与甲醛的摩尔比为1:1.1-1.5；碱性催化剂为氢氧化钠，其质量为苯酚质量的2.5-4%。该合成方法通过苯酚中苯环上的邻、对为氢与硼酸发生化学反应，从而将B-O键引入到酚醛树脂结构中。
硼改性酚醛树脂由于在酚醛树脂中引入硼元素，且形成了含硼的三向交联网结构，提高了酚醛树脂的交联密度，因而极大的提高了酚醛树脂的耐热性能。此外，硼改性酚醛树脂是通过B-O键连接苯环，而B-O键的键能（523kJ/mol）远大于C-C键的键能（345kJ/mol），且硼改性酚醛树脂在高温条件下还会发生分解在其表面形成碳化硼绝热层，碳化硼绝热层能有效的保护酚醛树脂内部结构，提高酚醛树脂的耐热性能；而且，改性后的酚醛树脂中硼原子还能够与摩擦材料中其他原料成分之间形成硼酸键，从而提高摩擦材料的机械性能。
优选地，所述天然植物纤维为竹笋壳纤维。
具体地，竹笋壳纤维作为一种天然的植物纤维，来源广泛、价格低廉，环保友好，而且可以减轻摩擦材料使用带来的环境问题和资源短缺带来的不利影响。同时，竹笋壳纤维主要由纤维素和半纤维素组成的一种典型的天然植物纤维素纤维，由于纤维素分子的重复单元简单而均一，没有支链结构，使其易于向长度方向伸展，其葡萄糖环上有多个羟基，有利于形成分子内和分子间的氢键，氢键是一种分子之间的作用力，是一种无机键，可以使分子紧密结合，所以，竹笋壳纤维与酚醛树脂基等原料之间容易形成氢键，使竹笋壳纤维与树脂基等原料之间的结合更加紧密，提高了摩擦材料的耐磨性和稳定性，从而更好地使摩擦材料与碳陶制动盘之间的匹配。
优选地，所述改性改性腰果壳油摩擦粉为纳米炭黑改性腰果壳油摩擦粉，所述纳米炭黑改性腰果壳油摩擦粉的制备方法包括以下步骤：
在装有搅拌器、冷凝器的不锈钢反应釜内，加入腰果壳油、催化剂和纳米炭黑颗粒，然后升温至220℃-280℃反应2-3h，反应结束后将物料从不锈钢反应釜倒入玻璃器皿中，加入酚醛树脂固化剂在室温下进行固化，待物料凝胶化形成固体后将固体送入粉碎机中进行粗粉碎处理，向粉碎后的物料中再加入与第一次相同质量的酚醛树脂固化剂，然后将其置入170-200℃的烘箱中进行高温固化4-6h，最后再用粉碎对高温固化后的物料进行细粉碎，得纳米炭黑改性腰果壳油摩擦粉；其中腰果壳油、催化剂、纳米炭黑颗粒和酚醛树脂固化剂的质量比为1:(0.08:-0.6):(1.5-3):(0.05-0.1)；所述催化剂为浓硫酸和乙酸的混合物，所述浓硫酸和乙酸的质量比为1:(1-8)。
具体地，腰果壳油摩擦粉是一种以腰果壳油为原料的高分子化合物，腰果壳油从腰果壳中柔软的蜂窝状结构中提取，是一种天然生物材料，主要含有腰果酸和少量的腰果（间）二酚以及甲基衍生物。腰果酸经过热处理脱羧可得到腰果酚，腰果酚间位上带有一不饱和15个碳原子烃基侧链，侧链上双键可发生聚合反应，受羟基和不饱和烃基链共轭作用影响，腰果酚核上羟基和烃基邻位及对位反应活性位点得以保留，腰果酚经化学聚合反应、固化及高温处理，可得到具有优异黏弹性的腰果壳油摩擦粉。腰果壳油摩擦粉加入摩擦材料中，能够降低摩擦材料的硬度，增加摩擦材料的润湿性以及酚醛树脂与增强纤维之间的结合力，同时还能够稳定摩擦材料的摩擦因数；但是腰果壳油摩擦粉的耐热性较差，在350℃后就会发生逐渐分解，从而会降低酚醛树脂与增强纤维之间的结合力，从而影响摩擦材料与碳陶制动盘的匹配性。
由于纳米炭黑的特殊小尺寸效应、表面的微孔结构、大的比表面积以及本身具有良好的耐高温性能，而且纳米炭黑也是一种良好的热导体，本发明通过纳米炭黑对腰果壳油摩擦粉进行改性后，摩擦材料在高温下可将产生的热量通过纳米炭黑导出，有利于摩擦面热量的扩散，降低了摩擦材料的局部高温，从而使腰果壳油摩擦粉的耐热性和稳定性增加，从而增强了摩擦材料表面的硬度和耐磨性；同时由于纳米炭黑具有的小尺寸和大的比表面积，纳米炭黑改性后的腰果壳油摩擦粉可以增加摩擦材料表面接触面积，提高摩擦系数，使摩擦材料各原料成分之间接触更均匀、更紧密；而且纳米炭黑表面具有微孔结构，微孔结构的孔隙率大，可以进一步降低摩擦材料的硬度，使摩擦材料表面摩擦时的热量和噪音减少，同时降低磨损率。
优选地，所述碳纤维在使用前进行表面化处理；所述表面化处理的具体方法如下：
首先，将碳纤维置入无水乙醇中浸泡24-36h，然后在真空干燥箱中进行75℃干燥5h，备用；然后在室温条件下将表面清洗干燥后的碳纤维置于过硫酸钠和硝酸银的混合溶液中，升温至65℃保温2h后，取出碳纤维用去离子水清洗后，再置入真空干燥箱中进行75℃干燥5h，得表面氧化处理的碳纤维；其次，将氧化处理的碳纤维置入氢化铝锂的四氢呋喃溶液中进行氮气回流3h处理，再用去离子水清洗后抽提1.5h，放入真空干燥箱中进行75℃干燥3h，得表面还原处理的碳纤维；最后，在45mL的四氢呋喃溶液中加入0.5g三聚氰胺和0.6mLN，N-二异丙基乙胺，在惰气氛围下加入表面还原处理后的碳纤维并在室温下反应25-30h，结束后用去多次离子水清洗，放入真空干燥箱中进行75℃干燥3-5h，得接枝三聚氰胺的碳纤维。
具体地，三聚氰胺是一种具有3个氨基活性位点的三嗪分子结构材料，能够在碳纤维表面改性过程中形成以三聚氰胺为活性中心的三嗪类树枝状分子，并改善碳纤维与酚醛树脂等原料之间的结合能力。通过氧化还原的方法将三聚氰胺接枝到碳纤维表面，碳纤维表面的沟槽会被三聚氰胺填充，从而使碳纤维表面活性位点得到增加，碳纤维浸润性得到改善，可以使碳纤维与酚醛树脂基等原料更好的浸润而增强它们之间的界面结合能力。而且经过三聚氰胺接枝改性后的碳纤维能够很容易的与竹笋壳纤维之间形成氢键，使两者之间的结合力增强，从而使增强纤维与酚醛树脂之间的结合更加紧密，提高摩擦材料的耐磨性能。
优选地，所述碳纤维的直径为5-8μm，长度为2.5-5㎜；所述陶瓷纤维的直径为30-50μm，长度为2-3.5㎜；所述天然植物纤维的直径为6-10μm，长度为1.5-2mm。
优选地，一种上述用于碳陶制动盘的摩擦材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1、按照上述重量份数称取各原料，混合均匀，得混合物料；
步骤S2，将步骤S1中所得混合物料进行热压处理，得热压胚体；
步骤S3，将步骤S2中所得的热压胚体进行固化处理，得所述摩擦材料。
优选地，所述步骤S1中混合的转速为2200-3200r/min，混合时间为20-30min。
优选地，所述步骤S2中热压的温度为155-170℃，热压压力为15-45MPa，热压时间为30-80min。
优选地，所述步骤S3中固化处理的具体方法为:先在室温下经过20-30min升温至80-100℃，在80-100℃下保温1-2h；然后经过40-60min升温至155-170℃，在155-170℃下保温2-4h；再经过40-60min升温至220-270℃，在220-270℃下保温3-5h。
萤石粉在剪切力和载荷的作用下，被压碎成更小的颗粒，一部分压入摩擦材料基体中作为锚点，产生大量次级平台，提高摩擦材料的摩擦系数；萤石表面为层状结构，层间结合能及剪切强度较小，能够对摩擦材料起到润滑作用，同时，萤石表面疏水，能够与改性后酚醛树脂之间形成紧密结合，增加摩擦材料的稳定性，从而能够有效降低摩擦材料的磨损和噪音的产生。黑滑石具有良好的热稳定性和具有层状结构，黑滑石的层状结构能够在很快的形成接触面并减少其变化，且在高温是会发生相变，提高摩擦材料的硬度，降低热衰退，从而提高摩擦材料的稳定性。萤石粉和黑滑石粉复合使用，发挥协同增效作用，两者的增磨和减磨共同作用，能够进一步提高摩擦材料的综合性能，使摩擦材料与碳陶制动盘产生良好的匹配性。
与现有技术相比，本发明具备的积极有益效果在于：
本发明中用于碳陶制动盘的摩擦材料包括以下组成成分：硼改性酚醛树脂、碳纤维、陶瓷纤维、天然植物纤维、芳纶浆粕、石油焦、天然石墨、改性腰果壳油摩擦粉、硫化锑、铬铁矿、碳化硅、硅酸锆、萤石粉和黑滑石粉。硼改性酚醛树脂作为摩擦材料的基体粘结剂，在提高组分间结合力的同时还提高了组分间的耐温性；本发明使用竹笋壳纤维来代替钢纤维，能够减轻摩擦材料的比重以及因钢纤维易氧化腐蚀给碳陶制动盘的对偶件造成的损害，同时竹笋壳纤维表面含有大量羟基，易与酚醛树脂基等原料之间容易形成氢键，改性后的碳纤维使碳纤维表面活性位点得到增加，提高了碳纤维浸润性，可以使碳纤维与酚醛树脂、竹笋壳纤维以及其他原料更好的浸润而增强它们之间的界面结合能力，将改性后的碳纤维、陶瓷纤维和竹笋壳纤维作为增强纤维复合使用，增加了增强纤维与硼改性酚醛树脂及其他原料组分之间的结合力，提高了摩擦材料的整体强度；采用芳纶浆粕具有较大比表面积，表面呈毛绒状，毛羽丰富具有分散聚合性和韧性好的特点，改性后的碳纤维和天然植物纤维具有优良的浸润性，芳纶浆粕与改性后的碳纤维和天然植物纤维复合可避免在摩擦材料混料过程中产生相互缠结、起球的现象 ,使摩擦材料具有优异的综合性能。通过对腰果壳油摩擦粉进行改性，提高了腰果壳油摩擦粉的耐热性和稳定性，纳米炭黑改性后的腰果壳油摩擦粉可以增加摩擦材料表面接触面积，提高摩擦系数，使摩擦材料各原料成分之间接触更均匀、更紧密，进一步降低摩擦材料的硬度，使摩擦材料表面摩擦时的热量和噪音减少，同时降低磨损率；石油焦、天然石墨、改性腰果壳油摩擦粉、硫化锑、铬铁矿、碳化硅、硅酸锆、萤石粉和黑滑石粉作为摩擦调节剂和填料，通过高、中、低不同硬度的摩擦调节剂和填料复合使用，增加摩擦材料的耐磨性和摩擦系数稳定性。本发明通过对酚醛树脂、碳纤维、腰果壳油摩擦粉等原料进行改性，各个原料组分之间的协同作用，制备得到综合性能优异且环保的用于碳陶制动盘的摩擦材料，且该摩擦材料能够与碳陶制动盘具有良好的匹配性。而且，该摩擦材料的制备方法简单，易操作，适合工业化生产。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
以下实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商，均为可以通过市购获得的常规产品。
硼改性酚醛树脂的合成方法具体如下：
先将苯酚加入三口烧瓶中，边搅拌边升温到90℃，加入硼酸，碱性催化剂氢氧化钠存在的情况下，在90-100℃反应1.5-3h，得到硼酸酚酯；然后边搅拌边向所得的硼酸酚酯中加入甲醛，将反应温度升至100-110℃反应2.5-4h，反应完成后停止加热并进行真空脱水，脱水时的温度控制在100-130℃，脱水时间控制在40-60min，脱水完成后，冷却出料，最后用去离子水对出料的产物进行清洗5-6次，洗掉产物表面多余的硼酸，即得产物硼改性酚醛树脂。其中，苯酚与硼酸的摩尔比为1:0.2-0.4；苯酚与甲醛的摩尔比为1:1.1-1.5；碱性催化剂氢氧化钠的质量为苯酚质量的2.5-4%。
所述纳米炭黑改性腰果壳油摩擦粉的制备方法包括以下步骤：
在装有搅拌器、冷凝器的不锈钢反应釜内，加入腰果壳油、催化剂和纳米炭黑颗粒，然后升温至220℃-280℃反应2-3h，反应结束后将物料从不锈钢反应釜倒入玻璃器皿中，加入酚醛树脂固化剂在室温下进行固化，待物料凝胶化形成固体后将固体送入粉碎机中进行粗粉碎处理，向粉碎后的物料中再加入与第一次相同质量的酚醛树脂固化剂，然后将其置入170-200℃的烘箱中进行高温固化4-6h，最后再用粉碎对高温固化后的物料进行细粉碎，得纳米炭黑改性腰果壳油摩擦粉；其中腰果壳油、催化剂、纳米炭黑颗粒和酚醛树脂固化剂的质量比为1:(0.08:-0.6):(1.5-3):(0.05-0.1)；所述催化剂为浓硫酸和乙酸的混合物，所述浓硫酸和乙酸的质量比为1:(1-8)。
碳纤维表面化处理的具体方法如下：
首先，将碳纤维置入无水乙醇中浸泡24-36h，然后在真空干燥箱中进行75℃干燥5h，备用；然后在室温条件下将表面清洗干燥后的碳纤维置于过硫酸钠和硝酸银的混合溶液中，升温至65℃保温2h后，取出碳纤维用去离子水清洗后，再置入真空干燥箱中进行75℃干燥5h，得表面氧化处理的碳纤维；其次，将氧化处理的碳纤维置入氢化铝锂的四氢呋喃溶液中进行氮气回流3h处理，再用去离子水清洗后抽提1.5h，放入真空干燥箱中进行75℃干燥3h，得表面还原处理的碳纤维；最后，在45mL的四氢呋喃溶液中加入0.5g三聚氰胺和0.6mLN，N-二异丙基乙胺，在惰气氛围下加入表面还原处理后的碳纤维并在室温下反应25-30h，结束后用去多次离子水清洗，放入真空干燥箱中进行75℃干燥3-5h，得接枝三聚氰胺的碳纤维。
在本发明的各实施例和对比例中所用的碳纤维的直径为 5-8μm，长度为2.5-5㎜；陶瓷纤维的直径为30-50μm，长度为2-3.5㎜，竹笋壳纤维的直径为6-10μm，长度为1.5-2mm。
实施例1
一种用于碳陶制动盘的摩擦材料，包括以下重量分数的原料：
硼改性酚醛树脂8份，接枝三聚氰胺的碳纤维10份，陶瓷纤维16份，竹笋壳纤维13份，芳纶浆粕2份，石油焦5份，天然石墨4份，纳米炭黑掺杂腰果壳油摩擦粉6份，硫化锑8份，铬铁矿5份，碳化硅6份，硅酸锆6份、萤石粉4份和黑滑石粉3份。
一种用于碳陶制动盘的摩擦材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1、按照上述重量份数称取各原料，放入混料机中在转速2200r/min下混合30min，得混合物料；
步骤S2，将步骤S1中所得混合物料置入模具中进行热压成型，热压的温度为155℃，热压的压力为15MPa，热压时间为80min，得热压胚体；
步骤S3，将步骤S2中所得的热压胚体进行固化处理，得所述摩擦材料；固化处理的具体条件为：先在室温下经过20min升温至80℃，在80℃下保温2h；然后经过40min升温至155℃，在155℃下保温4h；再经过40min升温至220℃，在220℃下保温5h。
实施例2
一种用于碳陶制动盘的摩擦材料，包括以下重量分数的原料：
硼改性酚醛树脂10份，接枝三聚氰胺的碳纤维9份，陶瓷纤维14份，竹笋壳纤维15份，芳纶浆粕1份，石油焦9份，天然石墨3份，纳米炭黑掺杂腰果壳油摩擦粉5份，硫化锑10份，铬铁矿6份，碳化硅4份，硅酸锆8份、萤石粉2份和黑滑石粉5份。
一种用于碳陶制动盘的摩擦材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1、按照上述重量份数称取各原料，放入混料机中在转速2800r/min下混合25min，得混合物料；
步骤S2，将步骤S1中所得混合物料置入模具中进行热压成型，热压的温度为160℃，热压的压力为30MPa，热压时间为50min，得热压胚体；
步骤S3，将步骤S2中所得的热压胚体进行固化处理，得所述摩擦材料；固化处理的具体条件为：先在室温下经过25min升温至90℃，在90℃下保温1.5h；然后经过50min升温至160℃，在160℃下保温3h；再经过50min升温至250℃，在250℃下保温4h。
实施例3
一种用于碳陶制动盘的摩擦材料，包括以下重量分数的原料：
硼改性酚醛树脂12份，接枝三聚氰胺的碳纤维7份，陶瓷纤维18份，竹笋壳纤维10份，芳纶浆粕3份，石油焦7份，天然石墨5份，纳米炭黑掺杂腰果壳油摩擦粉4份，硫化锑7份，铬铁矿8份，碳化硅10份，硅酸锆10份、萤石粉5份和黑滑石粉2份。
一种用于碳陶制动盘的摩擦材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1、按照上述重量份数称取各原料，放入混料机中在转速3200r/min下混合20min，得混合物料；
步骤S2，将步骤S1中所得混合物料置入模具中进行热压成型，热压的温度为170℃，热压的压力为45MPa，热压时间为30min，得热压胚体；
步骤S3，将步骤S2中所得的热压胚体进行固化处理，得所述摩擦材料；固化处理的具体条件为：先在室温下经过30min升温至100℃，在100℃下保温1h；然后经过60min升温至170℃，在170℃下保温2h；再经过60min升温至270℃，在270℃下保温3h。
对比例1
本对比例中的树脂采用的是未改性的通用型酚醛树脂，摩擦材料中其他原料成分及摩擦材料的制备方法与实施例1相同。
对比例2
本对比例中的碳纤维采用的是未经过表面处理的通用型碳纤维，摩擦材料中其他原料成分及摩擦材料的制备方法与实施例1相同。
对比例3
本对比例中的竹笋壳纤维替换为钢纤维，摩擦材料中其他原料成分及摩擦材料的制备方法与实施例1相同。
对比例4
本对比例中的纳米炭黑掺杂腰果壳油摩擦粉采用的是未经过掺杂的通用型腰果壳油摩擦粉，摩擦材料中其他原料成分及摩擦材料的制备方法与实施例1相同。
对比例5
本对比例将实施例2中的萤石粉2份和黑滑石粉5份替换为萤石粉7份，摩擦材料中其他原料成分及摩擦材料的制备方法与实施例1相同。
对比例6
本对比例将实施例2中的萤石粉2份和黑滑石粉5份替换为黑滑石粉7份，摩擦材料中其他原料成分及摩擦材料的制备方法与实施例1相同。
试验例
将实施例1-3与对比例1-4所制备的摩擦材料分别进硬度、气孔率、常温剪切、常温压缩、常温弯曲及摩擦测试，具体测试结果如表1所示。其中，硬度测试的试验标准为GB/T3398.2-2008，硬度标准为洛氏硬度HRL；常温剪切试验的试验标准为GB/T22309；常温压缩试验的试验标准为GB/T34559-2017；常温弯曲试验的试验标准为GB/T6569-2006；摩擦测试采用AK Master试验，其试验标准为SAE J2522-2014。
表1 实施例1-3与对比例1-4所得摩擦材料的物理性能测试数据
从表1中的数据可以看出，由实施例1-3可知，本发明的摩擦材料通过对原料中的组分进行改性和筛选，各个组分之间协同发挥作用，可以实现摩擦材料各项性能的调节，从而能够与不同的碳陶制动盘产品具有良好的匹配性。
由对比例1与实施例2数据对比说明了，本发明采用硼改性后的酚醛树脂可以提高摩擦材料的综合性能。硼改性酚醛树脂形成了 B-0 键，而 B-0 键的键能(523kJ/mol)远大于 C-C 键的键能(345kJ/mol),且硼改性酚醛树脂在高温条件下还会发生分解在其表面形成碳化硼绝热层，碳化硼绝热层能有效的保护酚醛树脂内部结构，提高酚醛树脂的耐热性能，从而使酚醛树脂更好发挥粘结剂作用；改性后的酚醛树脂中硼原子还能够与摩擦材料中其他原料成分之间形成硼酸键，从而提高摩擦材料的综合性能。
由对比例2与实施例2数据对比说明了通过三聚氰胺对碳纤维进行表面改性，三聚氰胺填充了碳纤维表面的沟槽，使碳纤维表面活性位点得到增加，碳纤维浸润性得到改善，可以使碳纤维与酚醛树脂基等原料更好的浸润而增强它们之间的界面结合能力，而且经过三聚氰胺接枝改性后的碳纤维能够很容易的与竹笋壳纤维之间形成氢键，使两者之间的结合力增强，从而使增强纤维与酚醛树脂之间的结合更加紧密，提高摩擦材料的耐磨性能。
由对比例3与实施例2数据对比说明了本发明采用竹笋壳纤维替换钢纤维，由于竹笋壳纤维表面存在大量羟基，容易与酚醛树脂基、三聚氰胺接枝改性后的碳纤维等原料之间形成氢键，使竹笋壳纤维与树脂基、碳纤维等原料之间的结合更加紧密，提高了摩擦材料的耐磨性和稳定性，从而更好地使摩擦材料与碳陶制动盘之间的匹配。
由对比例4与实施例2数据对比说明了纳米炭黑对腰果壳油摩擦粉进行改性后，可以增加腰果壳油摩擦粉的耐热性和稳定性，从而增强了摩擦材料表面的硬度和耐磨性，同时由于纳米炭黑具有的小尺寸和大的比表面言摩擦系数积，纳米炭黑改性后的腰果壳油摩擦粉可以增加摩擦材料表面接触面，使摩擦材料各原料成分之间接触更均匀、更紧密，而且纳米炭黑表面具有微孔结构，微孔结构的孔隙率大，可以进一步降低摩擦材料的硬度，使摩擦材料表面摩擦时的热量和噪音减少，同时降低磨损率。
由对比例5、6与实施例2数据对比说明了萤石粉和黑滑石粉复合使用，能够发挥协同增效作用，两者的增磨和减磨共同作用，能够进一步提高摩擦材料的综合性能。
综上所述，本发明通过对酚醛树脂、碳纤维、腰果壳油摩擦粉等原料进行改性，各个原料组分之间的协同作用，制备得到了树脂基与其他原料结合力良好、摩擦系数较大、磨损率小等综合性能优良且能够与碳陶制动盘具有良好的匹配性的摩擦材料。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本申请的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本申请的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本申请的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.一种用于碳陶制动盘的摩擦材料，其特征在于，所述摩擦材料包括以下重量份数的组成成分：硼改性树脂8-12份，碳纤维7-10份，陶瓷纤维14-18份，天然植物纤维10-15份，芳纶浆粕1-3份，石油焦5-9份，天然石墨3-5份，改性腰果壳油摩擦粉3-6份，硫化锑7-10，铬铁矿5-8份，碳化硅4-8份，硅酸锆6-10份，萤石粉2-5份和黑滑石粉2-5份；
所述改性腰果壳油摩擦粉为纳米炭黑改性腰果壳油摩擦粉，所述纳米炭黑改性腰果壳油摩擦粉的制备方法具体如下：
在装有搅拌器、冷凝器的不锈钢反应釜内，加入腰果壳油、催化剂和纳米炭黑颗粒，然后升温至220℃-280℃反应2-3h，反应结束后将物料从不锈钢反应釜倒入玻璃器皿中，加入酚醛树脂固化剂在室温下进行固化，待物料凝胶化形成固体后将固体送入粉碎机中进行粗粉碎处理，向粉碎后的物料中再加入与第一次相同质量的酚醛树脂固化剂，然后将其置入170-200℃的烘箱中进行高温固化4-6h，最后再用粉碎机对高温固化后的物料进行细粉碎，得纳米炭黑改性腰果壳油摩擦粉；其中腰果壳油、催化剂、纳米炭黑颗粒和酚醛树脂固化剂的质量比为1:(0.08-0.6):(1.5-3):(0.05-0.1)；所述催化剂为浓硫酸和乙酸的混合物，所述浓硫酸和乙酸的质量比为1:(1-8)；
所述碳纤维在使用前进行表面化处理；所述表面化处理的具体方法如下：
首先，将碳纤维置入无水乙醇中浸泡24-36h，再在真空干燥箱中进行75℃干燥5h，备用；然后在室温条件下将表面清洗干燥后的碳纤维置于过硫酸钠和硝酸银的混合溶液中，升温至65℃保温2h后，取出碳纤维用去离子水清洗后，再置入真空干燥箱中进行75℃干燥5h，得表面氧化处理的碳纤维；其次，将氧化处理的碳纤维置入氢化铝锂的四氢呋喃溶液中进行氮气回流3h处理，再用去离子水清洗后抽提1.5h，放入真空干燥箱中进行75℃干燥3h，得表面还原处理的碳纤维；最后，在45mL的四氢呋喃溶液中加入0.5g三聚氰胺和0.6mLN，N-二异丙基乙胺，在惰性气体氛围下加入表面还原处理后的碳纤维并在室温下反应25-30h，结束后用去多次离子水清洗，放入真空干燥箱中进行75℃干燥3-5h，得接枝三聚氰胺的碳纤维。
2.根据权利要求1所述一种用于碳陶制动盘的摩擦材料，其特征在于，所述硼改性树脂为硼改性酚醛树脂。
3.根据权利要求1所述一种用于碳陶制动盘的摩擦材料，其特征在于，所述天然植物纤维为竹笋壳纤维。
4.根据权利要求1所述一种用于碳陶制动盘的摩擦材料，其特征在于，所述碳纤维的直径为 5-8μm，长度为2.5-5mm；所述陶瓷纤维的直径为30-50μm，长度为2-3.5mm；所述天然植物纤维的直径为6-10μm，长度为1.5-2mm。
5.一种如权利要求1-4任一项所述用于碳陶制动盘的摩擦材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、按照上述重量份数称取各原料，混合均匀，得混合物料；
步骤S2，将步骤S1中所得混合物料进行热压处理，得热压胚体；
步骤S3，将步骤S2中所得的热压胚体进行固化处理，得所述摩擦材料。
6.根据权利要求5所述用于碳陶制动盘的摩擦材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中混合的转速为2200-3200r/min，混合时间为20-30min。
7.根据权利要求5所述用于碳陶制动盘的摩擦材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中热压的温度为155-170℃，热压压力为15-45MPa，热压时间为30-80min。
8.根据权利要求5所述用于碳陶制动盘的摩擦材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中固化处理的具体方法为:先在室温下经过20-30min升温至80-100℃，在80-100℃下保温1-2h；然后经过40-60min升温至155-170℃，在155-170℃下保温2-4h；再经过40-60min升温至220-270℃，在220-270℃下保温3-5h。
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