一种重型卡车刹车片及其制备方法
【专利摘要】一种重型卡车刹车片及其制备方法，其特征在于：其组分包括荨麻纤维，碳纤维，芳纶原纤，聚酰亚胺改性环氧树脂，硅烷偶联剂，超细氧化铁粉，氧化锆-氧化镁，鳞片石墨，柔性焦粉，软质超细碳酸钙，空心微球粉，蛭石，硫酸钙晶须，重晶石粉。所述各组分的重量分数：增强纤维15～20份，粘合剂10～15份，摩擦性能调节剂10～15份，填料40～50份。首先将天然荨麻纤维与碳纤维混纺制备竹节纱，然后编织成三维整体织物并作为增强骨架，再采用模塑工艺注入树脂、填料和摩擦性能调节剂等，最后通过挤压铸造工艺形成刹车片。所制备的高性能刹车片具有强度高、韧性好、制动时磨损率小等优点，其各项性能均达到载重卡车的使用要求。
【专利说明】一种重型卡车刹车片及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及重型汽车制动用刹车片【技术领域】，具体涉及一种重型卡车刹车片及其制备方法。
【背景技术】
[0002]随着汽车向重载化和高速化发展，人们对汽车的摩擦制动材料的性能要求越来越高。重型载重卡车的特点是高负荷、大运量、起步频繁、低速下坡时频繁刹车、高速行驶时紧急刹车，属刹车系统中的“高技术含量”产品。载重卡车运输工作条件苛刻，目前应用的重型卡车刹车片在上述条件下易产生断裂或表面龟裂，急需高强度刹车片，以满足重型汽车刹车片的需要。
[0003]刹车片属于复合材料，其性能直接受其组分的性能、含量、配比、几何尺寸等因素影响。特别是增强纤维，粘结剂等主要成分与摩擦材料的性能关系最为密切。从使用棉线作为增强纤维的第一片制动摩擦片诞生，到石棉制动摩擦片、半金属摩擦材料，再到NAO摩擦材料，高性能的碳纤维增强摩擦材料，都是伴随着新型增强材料的研发和应用。而载重车刹车片研制的重点是使增强纤维充分发挥增强骨架作用，减少刹车片加工及使用过程中的裂缝、龟裂现象。
[0004]荨麻是主产于中国北方的野生天然纤维，属于麻类纤维的一种。荨麻纤维中间粗，两头细，呈哑铃型，其木质素含量高，具有纤维刚性大、断裂强度高、断裂伸长小、初始模量大等特点。以天然荨麻纤维作为增强纤维制备摩擦材料，可以有效提高刹车片的韧性，延长刹车盘的使用寿命，不产生或少产生有害的摩擦粉尘，符合现代环保要求，代表目前摩擦材料的发展方向。此外，我国十二五规划将开发利用再生生物质资源放到国家发展战略的优先地位，开发荨麻可以充分利用天然绿色资源、发展生物质产业，符合当前国家政策。
[0005]碳纤维具有比强度高、比模量高等优点，抗拉强度是是钢的7?9倍，在航空航天领域已得到广泛应用。但是，碳纤维作为摩擦材料的增强体主要存在三方面问题:一是原材料价格高；二是碳纤维比较脆、失效应变低、抗冲击性能差；三是碳纤维表面活性低，比表面积小，与基体树脂相容性差。如果将碳纤维与天然荨麻纤维混杂使用，可以使两种纤维的特性得到复合、优化、互补，从而改善摩擦材料的性能。
[0006]三维编织技术是自20世纪末发展起来的一种新型高性能复合材料制备技术，发展它的目的是为了解决传统复合材料很难用于制作主承力的结构件和高功能制件的缺点。而普通的纤维增强刹车片是典型的脆性基体复合材料，其界面是材料内部的薄弱环节，纤维与基体、填料的界面结构和性能极大地影响着材料的机械性能。
【发明内容】
[0007]本发明的第一个目的是针对现有重型卡车刹车片的缺点而提供的一种强度高、韧性好的一种重型卡车刹车片。一方面，采用仿生结构设计，将荨麻纤维和碳纤维混纺制备竹节纱，同时利用荨麻纤维的哑铃状结构，端部球可以使纤维在刹车片中的轴向应力分布均匀化，同时降低界面剪切力；另一方面，采用三维编织技术将竹节纱纺制成三维立体结构，改善了力的传递，使复合材料性能较少依赖界面，显著提升刹车片的冲击韧性和抵抗裂纹扩展的能力，使得材料的强度和冲击韧性大大提高。
[0008]其优点是竹节纱可显著改善纤维的增强效果，使复合材料的性能较少的依赖界面强度，其拉伸强度达到普通刹车片的5?8倍，弯曲强度是普通刹车片的1.5倍；采用竹节纱制备的三维编织复合材料作为增强骨架，其作用类似于建筑物中的螺纹钢结构框架，可以提高刹车片的强度和韧性，有效减少刹车片使用过程中的龟裂现象，满足重型卡车刹车制动所必需的性能要求。
[0009]本发明的第二个目的是充分利用现有的天然荨麻纤维，制备一种金属含量低，制动时磨损率小、振颤较小，制动过程中无噪音，不产生有害气体和粉末，对环境友好的载重卡车刹车片的制备方法。
[0010]本发明的实现方法如下:
[0011]为实现本发明的第一个目的，本发明采用三维编织复合材料作为增强骨架，首先将天然荨麻纤维与碳纤维混纺制备竹节纱，采用三维编织机编制成预成型体，再采用模塑工艺注入树脂、填料和摩擦性能调节剂等，最后利用挤压铸造工艺固化形成高性能的重型卡车刹车片。
[0012]为实现本发明的第二个目的，一种重型卡车刹车片的主要组分如下:荨麻纤维，碳纤维，芳纶原纤，聚酰亚胺改性环氧树脂，硅烷偶联剂，超细氧化铁粉，氧化锆-氧化镁，鳞片石墨，柔性焦粉，软质超细碳酸钙，空心微球粉，蛭石，硫酸钙晶须，重晶石粉。
[0013]具体工艺流程如下:
[0014]1、荨麻纤维预处理:荨麻使用前要经过化学方法和超声波联合预处理:将荨麻纤维浸泡于质量分数为5 %的NaOH溶液中，煮沸处理3h，再放置到超声波发生器中，频率为28kHz，功率2000W，每次处理200g，温度控制范围50?60°C，然后将分离成单根纤维的荨麻用去离子水冲洗呈中性，烘干备用。
[0015]2、纤维混纺制备竹节纱:竹节纱的纺制方法是在细纱机的PLC上配置固定的纺纱程序，来控制电机改变工艺参数，生产出符合要求的竹节纱。其中荨麻纤维和碳纤维的混纺比为75/25，节长10?15mm，竹节倍粗为3倍，最终制得细度为72tex的竹节纱。从而使两种纤维的特性得到复合、优化、互补，从而改善摩擦材料强度和韧性。
[0016]3、纺制三维立体结构:以荨麻纤维和碳纤维混纺制得的竹节纱为原料，利用三维编织机编制成预成型体，用做刹车片的增强骨架。其尺寸与普通刹车片接近，其制件厚度约为35mm，孔隙率为84%。三维纺织预成型体内纤维在三维方向上相互交织，形成一个整体的空间网状结构，因而从结构上强化了复合材料，避免刹车片产生断裂或龟裂现象。
[0017]4、原料混和:在自动配料系统中进行配料，按照配方的比例将物料放入自制搅拌器中搅拌5?8min,转速为400?600r/min。试验制备过程中,根据刹车片的强度、磨擦系数及噪音值的大小，对原料的比例分配进行调整。
[0018]5、原料注入:将三维编织预成型体放到闭模的模腔内，利用压注机将混合好的原料注入模腔，同时利用真空泵抽真空，使原料充分进入三维编织预成型体，并初步固化成型。其中注射压力为2Mpa。
[0019]6、挤压铸造成型:将原料注入到装有三维编织预成型体的模腔内后，在压头作用使原料固化，使用的挤压设备为YA32-100型挤压机，其中加压速度为7mm/s，压力为60MPa左右，热压温度为170°C，压加压时间为6?lOmin。
[0020]7、热处理阶段:为使刹车片材质能更加稳定、耐热性更高，因此需要进行热处理，，将摩擦材料置于温度保持在200°C的环境下加热长达5h以上。
[0021]8、研磨切割阶段:热处理后的刹车片，其表面还是有需多毛边，因此需经过研磨切割才能使平整。
[0022]所述的增强纤维包含荨麻纤维、碳纤维、芳纶原纤。
[0023]其中荨麻纤维使用前要经过化学方法和超声波联合预处理。处理后的荨麻纤维平均单纤维长度36mm,平均单纤维细度0.7tex,单纤维断裂强度5.5cN/dtex。开发荨麻可以充分利用天然绿色资源、发展生物质产业，符合当前国家政策。
[0024]其中的碳纤维为国产T-700高强度碳纤维,抗拉可达到4.9Gpa,密度1.8g/cm3。具有比强度高、比模量高等优点，抗拉强度是是钢的7?9倍等特点，重适合生产用于载重汽车、列车等制动频繁的车型所用的刹车片。将荨麻纤维和碳纤维一定比例混纺，采用竹节纱纺制技术制备增强材料。两种纤维的特性得到复合、优化、互补。
[0025]其中的芳纶原纤为研磨成原纤的绒状纤维，表面呈蓬松的毛羽状，在摩擦材料中呈现出摩擦系数稳定，磨损率低，强度好的优点。本发明使用的芳纶原纤的性能指标如下:纤维长度0.5?2.2mm,抗拉强度16?20 X 103K/cm2。
[0026]本发明所使用的粘合剂为聚酰亚胺改性环氧树脂。聚酰亚胺环氧树脂由美国3M公司生产，采用聚酰亚胺来改性环氧树脂制备，从而改善环氧树脂的耐热性和韧性。该粘合剂对金属、硅石粉、石墨等均有优异的粘接性能，其热分解温度达到600°C，其抗张强度可以达到400Mpa，所制备出的刹车片在高温下摩擦性能稳定性好，抗热衰退性强。
[0027]本发明中使用的摩擦性能调节剂为超细氧化铁粉，氧化锆-氧化镁，鳞片石墨，柔性焦粉，。
[0028]超细氧化铁粉为黑色粉末，是选用硬度低的熟铁基材经过特别的工艺加工而成，具有硬度低、高气孔率、耐高温、耐氧化、成本低的特点，能降低制动时的噪音和抖动。
[0029]氧化锆与氧化镁的混合材料具有高硬度，高强度，高韧性，极高的耐磨性及耐化学腐蚀性等优良的物化性能。将其应用于摩擦材料，有利于刹车片高温摩擦性能的稳定，提高增摩效果，降低刹车片的磨损率，延长使用寿命。
[0030]柔性焦粉是选用硬度低、气孔率高的石油焦炭经过高温焙烧后再进行柔化处理而得，可以提高摩擦材料的摩擦性能、减轻高温时摩擦材料的热衰退性。
[0031 ] 本发明专利中使用填料为空心微球粉，蛭石，硫酸钙晶须。
[0032]其中的空心微球粉主要组成为硼硅酸盐，平均粒径:35μπι，相对密度为0.70g/cm3，熔点:700°C。作为填料，颗粒球状形态有助于提高刹车片的尺寸稳定性，降低产品重量。
[0033]硫酸钙晶须是纤维状单晶体，具有高强度、高模量、高韧性、高绝缘性、耐磨耗、耐高温、价廉等诸多优良的理化性能。本发明专利中使用硫酸钙晶须的指标:长度约为150um，直径7?8um，熔点:1000°C以上。
【专利附图】
【附图说明】[0034]图1是本发明专利中三维编织预成型体的结构示意图【具体实施方式】:
[0035]一种重型卡车刹车片采用荨麻纤维和碳纤维混纺竹节纱制备的三维编织复合材料作为增强骨架，首先将天然荨麻纤维与碳纤维混纺制备竹节纱，编织成与刹车片尺寸一致的三维整体织物，再采用模塑工艺注入树脂、填料和摩擦性能调节剂等，最后利用挤压铸造工艺固化形成高性能的重型卡车刹车片。产品不仅可满足载重卡车对摩擦系数、磨损率、硬度、冲击韧性等各项性能的要求，而且具有制动无噪音，不污染环境等优点。
[0036]本发明经过多次试验得到的的最佳配方比例为:
【权利要求】
1.一种重型卡车刹车片及其制备方法，其特征在于:其组分包括荨麻纤维，碳纤维，芳纶原纤，聚酰亚胺改性环氧树脂，硅烷偶联剂，超细氧化铁粉，氧化锆-氧化镁，鳞片石墨，柔性焦粉，软质超细碳酸钙，空心微球粉，蛭石，硫酸钙晶须，重晶石粉。所述各组分的重量分数:增强纤维15~20份，粘合剂10~15份，摩擦性能调节剂10~15份，填料40~50份。
2.根据权利要求1所述的一种重型卡车刹车片及其制备方法，其特征在于首先将荨麻纤维与碳纤维混纺制备竹节纱，利用其哑铃型结构改善纤维的增强效果。其中荨麻纤维和碳纤维的混纺比为75/25，节长10~15mm，竹节倍粗为2倍，竹节纱的细度为72tex。
3.根据权利要求1所述的一种重型卡车刹车片及其制备方法，其特征在在于将荨麻纤维与碳纤维混纺制备的竹节纱编织成三维整体织物，并作为刹车片的增强骨架，再采用模塑工艺注入树脂、填料和摩擦性能调节剂等，最后利用挤压铸造工艺固化形成高性能的重型卡车刹车片。
【文档编号】F16D69/02GK103899694SQ201410037601
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2014年1月19日 优先权日:2014年1月19日
【发明者】姜著川 申请人:姜著川