一种晶须增强汽车制动复合摩擦材料及其制备方法

专利名称：：一种晶须增强汽车制动复合摩擦材料及其制备方法
技术领域：
：本发明属于材料
技术领域：
，涉及一种新型晶须增强复合摩擦材料，更具体涉及到作为汽车摩擦制动装置中的制动片材料及其制备方法。
背景技术：
：高性能制动复合材料及制品在航空、汽车、高速列车、摩托车等现代交通领域具有广泛用途。高速发展的汽车工业已成为我国经济发展的一个最具潜力和活力的支柱产业。据中国汽车工业协会预测，到2010年，全国汽车产量在800万1000万辆之间；到2020年，国内汽车需求量及产量在1400万1800万辆之间；可能超过美国，成为全球第一大汽车生产国。随着汽车拥有量激增，初次装配和定期维护更换均为制动材料提供极大市场空间。因此，研制高性能制动材料具有重要的意义和广阔的应用市场。汽车的高速发展和产品的快速更新，其安全、舒适和环保性能不断提高。基于目前国内外差距较大的现状，高性能刹车部件作为汽车安全关键零部件列入国家发改委、科技部发布的"当前优先发展的高技术产业化重点领域指南(2004年度)"，可见开发高性能汽车用制动器衬片非常迫切。制动片是汽车制动系统中通过制动片与制动盘的摩擦将动能转化为热能的关键部件，制动摩擦热引起摩擦副温升，严重影响制动材料的摩擦学性能。我国现有生产的汽车制动材料许多仍以石棉式、低性能刹车片为主，在制动时易出现摩擦性能热衰退，尤其长距离下坡的持续刹车，出现制动性能衰退而发生严重事故，给社会造成极大伤害。随着汽车技术的高速发展，高速重载下制动产生的摩擦热越来越大，对制动材料摩擦学性能提出更高要求，要求耐磨、低噪声、无污染等同时，对显著影响制动安全的摩擦稳定性和抗热衰退性，更要求在广泛的温度范围内及速度、压力与环境改变的情况下摩擦系数达到要求并保持稳定。传统的石棉制动材料，由于摩擦过程石棉受热分解产生热衰退以及石棉毒害性而被许多国家严格限制生产和使用。其后出现的半金属制动片，因金属易锈蚀、高发热以及造价高、摩擦噪声等缺点，并未能完全取代石棉式制动材料。目前出现的许多混杂纤维增强制动摩擦材料，因其性能调控余地大、工艺简单、原材料获取方便而受到肯定。像钢纤维、玻璃纤维、凯夫拉(Kevlar)纤维、碳纤维、铜纤维、钛酸钾纤维、云母纤维、硅酸铝纤维、尼龙纤维等新纤维，为广泛开展混杂纤维摩擦材料的研究提供了原料选择余地。现在市面上比较畅销的国外产品主要有日本和德国产品牌产品，性能比石棉式刹车制动片优良，但这些混杂纤维摩擦材料价格较贵，摩擦系数也不够稳定，有些纤维对对偶件攻击性较强。因此寻求新型的增强纤维，改善性能；寻找适宜的矿物原料作为添加剂和填料，使其发挥缓冲减振、改变热传导、降低成本等作用；成为混杂纤维制动摩擦材料的进一步开发应用的关键。近年来，晶须增强复合材料已成为复合材料研究领域内极为活跃的一个方面，晶须增强复合材料表现出来的优异性能也大大地推动了各种晶须的研制和开发，现己开发出了一百多种不同的晶须。晶须有金属晶须、无机晶须和聚合物晶须。无机晶须又包括陶瓷质晶须、无机盐晶须等。但大部分高品质晶须价格昂贵，极大限制了它们的应用。以钙、镁盐为代表的低成本的无机盐晶须合成以及增强树脂的研究逐渐增多。无机盐晶须作为一种新型的增强才才料，具有十分优异的物理力学性能，还有阻燃、防腐、绝缘、减振、吸波等许多特殊的功能，制成各种耐热、耐腐蚀、高强度的新型复合材料。同时，无机盐本身是土壤、海湖盐的成分，与自然环境协调性好，从生物分解性和环境安全性方面，无机盐晶须与玻纤相比危害要小得多。和其它晶须相比，生产成本大幅度降低(价格仅为碳化硅晶须的1/300-1/200)，在聚合物改性中具有更高的性价比，极具发展前途。碱式硫酸镁(镁盐)晶须是无机盐晶须的一种典型代表，是一种廉价易得的新型高性能的阻燃、增强纤维，在一些通用塑料的力学性能增强改性中得到研究应用。目前关于碱式硫酸镁晶须在摩擦材料尤其汽车制动材料方面的研究和应用还没有报道。
发明内容本发明的目的是提供一种晶须增强汽车制动复合摩擦材料及其制备方法，利用价格极为低廉的碱式硫酸镁晶须[分子式为MgSCV5MgO8H20]增强酚醛树脂，并选用叶腊石[分子式为Al4[SisO20](OH)4]作为混杂纤维制动摩擦材料的填料，再配以适当的增摩、抗磨剂，发挥基体、晶须、填料之间的协同耦合作用，从而获得耐热性好，摩擦系数适中，磨损率小，抗热衰退性高，制动效果好，成本低的新型汽车制动复合材料。本发明的晶须增强汽车制动复合摩擦材料，其特征在于所述复合摩擦材料的原料由碱式硫酸镁晶须、叶腊石粉、酚醛树脂、铜粉、石墨粉、氧化铝、硬脂酸锌组成。本发明的晶须增强汽车制动复合摩擦材料的制备方法按照所述的原料重量配比，制备步骤为a)原料预处理将碱式硫酸镁晶须放置在烘箱内在8(TCl(KrC温度下烘干l2小时，其他原料放置烘箱内在8(TC温度下烘干1小时；b)取步骤a)干燥后的叶腊石粉、酚醛树脂、铜粉、石墨粉、氧化铝和硬脂酸锌放入搅拌机内高速搅拌混合3分钟，再加入碱式硫酸镁晶须搅拌3分钟；搅拌后的混料呈羊绒状，填料和树脂粉末均匀分布其中；c)将步骤b)搅拌后的材料放入15016(TC热压模具模腔内，在2025Mpa压力下热压成型，热压保温时间35分钟或者根据制品的厚度按11.5min/mm确定热压保温时间；在热压开始的20-60秒，必须打开模腔，放气二到三次；d)将步骤c)热压成型后的制品在烘箱中半小时内升温到15(TC，保温12小时，然后随炉降温冷却，得到成品。较之已有技术而言，本发明以碱式硫酸镁晶须为增强剂，基于复合材料设计方法，使用具有层状结构叶腊石粉体作为填料，目的是提供一种耐热性好，摩擦系数适中，磨损率小，抗热衰退性高，制动效果好，成本低的新型晶须增强汽车制动摩擦材料及其制备方法。因此具有下述优点1)碱式硫酸镁晶须具有耐高温、强度高、耐磨耗、抗腐蚀、与聚合物亲和力强等优良综合性能，其尺度界于纤维和纳米颗粒之间，兼有类似纤维的增强作用以及小尺寸颗粒的活性效应，因此，填充碱式硫酸镁晶须后，发挥了晶须对酚醛树脂的显微增强作用，提高了复合材料的承载能力，摩擦过程中晶须部分起承载主要作用，减少了摩擦副表面粘着，阻止了基体树脂的热变形。同时层状结构叶腊石具有良好的润滑性和摩擦系数的稳定性，两者协同作用有利于复合材料在高温摩擦过程中抗热衰退，保持有效的摩擦系数并降低磨损率。2)碱式硫酸镁晶须尺寸细微，其他配料均为粉末，相比其他纤维类增强材料，碱式硫酸镁晶须更容易和酚醛树脂以及填料按合适比例均匀混合，有效减少纤维和粉末材料搅拌过程的结团现象。同时本发明依据"电性混料"原则，采用依次加入树脂、填料及晶须等进行搅拌方法，避免原料与混料机的横筋缠绕并与容器的内壁摩擦并结块，有利于各组分均匀分布，从而得到性质相对均一的材料。有助于提高复合材料摩擦学性能。3)碱式硫酸镁晶须原料丰富、合成工艺简单、成本极为低廉，叶腊石填料不仅成本低廉且具有良好的润滑性和摩擦系数的稳定性，制备的新型汽车制动复合材料具有极高的性价比，大大降低了生产成本，其应用潜力巨大。具体实施方式复合摩擦材料的原料配方按照重量份数为碱式硫酸镁晶须2060份，叶腊石粉530份，酚醛树脂1030份，铜粉12份，石墨粉520份，氧化铝230份，硬脂酸锌010份。最佳原料配比为碱式硫酸镁晶须2040份、叶腊石粉815份、酚醛树脂1830份、铜粉12份、石墨粉510份、氧化铝12份、硬脂酸锌12份。按照所述的原料重量配比，制备步骤为a)原料预处理将碱式硫酸镁晶须放置在烘箱内在8(TC10(rC温度下烘干l2小时，其他原料放置烘箱内在8(TC温度下烘干1小时；b)取步骤a)干燥后的叶腊石粉、酚醛树脂、铜粉、石墨粉、氧化铝和硬脂酸锌放入搅拌机内高速搅拌混合3分钟，再加入碱式硫酸镁晶须搅拌3分钟；搅拌后的混料呈羊绒状，填料和树脂粉末均匀分布其中；c)将步骤b)搅拌后的材料放入15016(TC热压模具模腔内，在2025Mpa压力下热压成型，热压保温时间35分钟或者根据制品的厚度按11.5min/mm确定热压保温时间；在热压开始的20-60秒，必须打开模腔，放气二到三次；d)将步骤c)热压成型后的制品在烘箱中半小吋内升温到150'C，保温12小时，然后随炉降温冷却，得到成品。步骤b)的搅拌机为装有叶片和横筋的搅拌机，旋转速度不小于1000ipm。下面通过实施例和比较对本发明作进一步的说明，但本发明并不仅限于这些例子。实施例l(较佳实施例)取如下成分配比碱式硫酸镁晶须40份、叶腊石粉8份、酚醛树脂20份、铜粉12份、石墨粉5份、氧化铝12份、硬脂酸锌2份。按下述工艺步骤制备摩擦材料(a)原料预处理。将碱式硫酸镁晶须放置在烘箱内在IO(TC温度下烘干1小时，其他原材料放置烘箱内在8(TC温度下烘干1小时。(b)取步骤(a)干燥后的填料、金属粉末、酚醛树脂等原料放入装有叶片和横筋的搅拌机内，在旋转速度不小于1000rpm的转速下高速搅拌混合3分钟，再加入碱式硫酸镁晶须搅拌3分钟。搅拌后的混料呈羊绒状，填料和树脂粉末均匀分布其中。(c)将步骤(b)搅拌后的材料放入16(TC热压模具模腔内，在20Mpa压力下热压成型，热压保温时间3分钟。在热压开始的20-60秒，必须打开模腔，放气三次。(d)将步骤(c)热压成型后的制品在烘箱中半小时内升温到15(TC，保温12小时，然后随炉降温冷却，得到成品。.实施例2(较佳实施例)取如下成分配比碱式硫酸镁晶须35份、叶腊石粉8份、酚醛树脂20份、铜粉12份、石墨粉5份、氧化铝12份、硬脂酸锌2份。按下述工艺步骤制备摩擦材料(a)原料预处理。将碱式硫酸镁晶须放置在烘箱内在8(TC温度下烘干2小时，其他原材料放置烘箱内在8(TC温度下烘干1小时。(b)取步骤(a)干燥后的填料、金属粉末、酚醛树脂等原料放入装有叶片和横筋的搅拌机内，在旋转速度不小于1000rpm的转速下高速搅拌混合3分钟，再加入碱式硫酸镁晶须搅拌3分钟。搅拌后的混料呈羊绒状，填料和树脂粉末均匀分布其中。(c)将步骤(b)搅拌后的材料放入150热压模具模腔内，在25Mpa压力下热压成型，热压保温时间5分钟。在热压开始的20-60秒，必须打开模腔，放气二次。(d)将步骤(c)热压成型后的制品在烘箱中半小时内升温到15(TC，保温12小时，然后随炉降温冷却，得到成品。实施例3(较佳实施例)取如下成分配比碱式硫酸镁晶须30份、叶腊石粉15份、酚醛树脂18份、铜粉12份、石墨粉10份、氧化铝12份、硬脂酸锌2份。按下述工艺步骤制备摩擦材料-(a)原料预处理。将碱式硫酸镁晶须放置在烘箱内在9(TC温度下烘干1.5小时，其他原材料放置烘箱内在8(TC温度下烘干1小时。(b)取步骤(a)干燥后的填料、金属粉末、酚醛树脂等原料放入装有叶片和横筋的搅拌机内，在旋转速度不小于1000rpm的转速下高速搅拌混合3分钟，再加入碱式硫酸镁晶须搅拌3分钟。搅拌后的混料呈羊绒状，填料和树脂粉末均匀分布其中。(c)将步骤(b)搅拌后的材料放入155'C热压模具模腔内，在25Mpa压力下热压成型，热压保温时间4分钟。在热压开始的20-60秒，必须打开模腔，放气三次。(d)将步骤(c)热压成型后的制品在烘箱中半小时内升温到15(TC，保温12小时，然后随炉降温冷却，得到成品。对比实验取实施例一的样品为试样一，实施例二的样品为试样二，实施例三的样品为试样三，另取山东东营信义汽车配件有限公司生产的桑塔纳2000前制动片为试样四，德国ContinentalTevesAG&Co.OHG生产的ATE126FF桑塔纳用无石棉制动片为试样五；日本卜3夕自動車株式会社生产TOYOTA用制动片为试样六，以上制成的复合材料试样，在JF150D-II型定速摩擦实验机上进行摩擦学性能测试，对偶摩擦盘为HT250，珠光体组织，硬度为HB180220，转速480士10r/min。试样尺寸25mmx25mmx(57)mm，承载压力lMPa。按照盘式制动器用衬片国家标准(GB5763-1998)，分别测定升温和降温过程中盘温100°C，150°C，200°C，250°C，300°C，35(TC时对摩5000转的摩擦系数、磨损率。以nmax卞^表征摩擦稳定性，分别以内5()4ll(k)和Mk)o/M35q来表征摩擦系数和耐磨性的抗熟衰退性。六种样品测试结果以及盘式制动器用衬片国家标准许用值分列对比如下:<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>盘式制动器用衬片国家标准(GB5763-1998)<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>1.试验温度指试验机圆盘摩擦面温度。2.摩擦系数范围包括允许偏差在内。3.指定摩擦系数由供需双方商定。本专利研制的新型汽车制动复合材料，室温摩擦系数适中，在10(TC-35(TC温度范围内，Pmax-ymm最小，即变温过程摩擦系数的波动值很小，稳定性最佳。不仅远低于国标GB5763-98允许摩擦系数的波动值，而且也比国内外优质产品的对比试样均小，即摩擦稳定性优于国内外产品。高温摩擦系数保持较高，有所增加，所有样品都没有出现热衰退现象。磨损率远低于国内外品牌产品，尤其是在300'C温度以上，磨损率更低，耐磨性热衰退较小，甚至没有热衰退。摩擦学性能优异，有较强的性价比优势。此外，本发明并不局限于上述的组配与制备方法，同样适用于其他的组配与制备方法，只要利用碱式硫酸镁晶须作为汽车制动摩擦材料的增强纤维并且使用叶腊石粉作为汽车制动摩擦材料的填料组分来组配和制备，均属于本发明的保护范围。权利要求1.一种晶须增强汽车制动复合摩擦材料，其特征在于所述复合摩擦材料的原料由碱式硫酸镁晶须、叶腊石粉、酚醛树脂、铜粉、石墨粉、氧化铝、硬脂酸锌组成。2.根据权利要求1所述的晶须增强汽车制动复合摩擦材料，其特征在于所述复合摩擦材料的原料配方按照重量份数为碱式硫酸镁晶须2060份，叶腊石粉530份，酚醛树脂1030份，铜粉12份，石墨粉520份，氧化铝230份，硬脂酸锌010份。3.根据权利要求2所述的晶须增强汽车制动复合摩擦材料，其特征在于所述复合摩擦材料的原料配方按照重量份数为碱式硫酸镁晶须2040份、叶腊石粉815份、酚醛树月旨1830份、铜粉12份、石墨粉510份、氧化铝12份、硬脂酸锌12份。4.一种如权利要求1、2或3所述的晶须增强汽车制动复合摩擦材料的制备方法，其特征在于按照所述的原料重量配比，制备步骤为-a)原料预处理将碱式硫酸镁晶须放置在烘箱内在80'C10(TC温度下烘干12小时，其他原料放置烘箱内在80'C温度下烘干1小时；b)取步骤a)干燥后的叶腊石粉、酚醛树脂、铜粉、石墨粉、氧化铝和硬脂酸锌放入搅拌机内高速搅拌混合3分钟，再加入碱式硫酸镁晶须搅拌3分钟；搅拌后的混料呈羊绒状，填料和树脂粉末均匀分布其中；c)将步骤b)搅拌后的材料放入15016(TC热压模具模腔内，在2025Mpa压力下热压成型，热压保温时间35分钟或者根据制品的厚度按11.5min/mm确定热压保温时间；在热压开始的20-60秒，必须打开模腔，放气二到三次；d)将步骤c)热压成型后的制品在烘箱中半小时内升温到15(TC，保温12小时，然后随炉降温冷却，得到成品。5.根据权利要求4所述的晶须增强汽车制动复合摩擦材料的制备方法，其特征在于所述步骤b)的搅拌机为装有叶片和横筋的搅拌机，旋转速度不小于1000rpm。全文摘要本发明提供一种晶须增强汽车制动复合摩擦材料及其制备方法，复合摩擦材料的原料由碱式硫酸镁晶须、叶腊石粉、酚醛树脂、铜粉、石墨粉、氧化铝、硬脂酸锌组成；制备步骤包括原料预处理、原料混合搅拌、热压成型和冷却制得到成品。本发明利用价格极为低廉的碱式硫酸镁晶须[分子式为MgSO₄·5MgO·8H₂O]增强酚醛树脂，并选用叶腊石[分子式为Al₄[Si₈O₂₀](OH)₄]作为混杂纤维制动摩擦材料的填料，再配以适当的增摩、抗磨剂，发挥基体、晶须、填料之间的协同耦合作用，从而获得耐热性好，摩擦系数适中，磨损率小，抗热衰退性优、磨损率小、制动效果好、成本低的新型汽车制动复合材料。文档编号C08K3/34GK101514252SQ20091011130公开日2009年8月26日申请日期2009年3月19日优先权日2009年3月19日发明者何福善,叶绍炎,林有希,媛王,高诚辉申请人:福州大学