本发明涉及刹车片技术领域，尤其涉及一种刹车片用摩擦材料、刹车片以及刹车片制备方法。
背景技术：
目前，随着科技的进步，人们的生活质量得到了很大的改善，汽车做为人们出行必不可少的工具，其使用安全性直接由其制动能力决定，而刹车片作为汽车制动中最重要的零部件，刹车片的好坏直接关系到汽车制动的效果。
一般地，刹车片由钢板、粘接隔热层和摩擦块构成。摩擦块由摩擦材料和粘合剂组成，刹车时摩擦块被挤压在刹车盘或刹车鼓上与其产生摩擦，从而达到令车辆减速刹车的目的。可见，摩擦块决定刹车片在高速高温制动条件下的性能，而摩擦材料是摩擦块在制造过程和使用过程中很重要的组成部分。
摩擦材料可以采用合成材料普通热压法制得，热压温度在200℃以下。其中，摩擦材料的原材料一般分为粘结剂、增强纤维、摩擦性能调节剂和填料四大部分：
粘结剂是摩擦材料中的重要组元，它可以影响材料的热衰退性能、恢复性能、磨损性能和机械性能，汽车摩擦材料中一般采用的是酚醛树脂。
增强纤维在摩擦材料中起增强剂的作用，传统材料用的是石棉等矿物纤维，半金属刹车片摩擦材料中使用的是钢纤维，同时加入少量铜纤维及少量矿物纤维。
摩擦性能调节剂可以分为两类，一类是莫氏硬度一般小于2的减摩材料，它的加入可提高材料的耐磨性，减小噪音及降低摩擦系数，这类材料主要有：石墨、二硫化钼、铅和铜等；另一类摩擦性能调节剂为莫氏硬度一般大于4的摩阻材料，它的加入可以增加材料的摩擦系数。
填料主要以粉末的形式加入。
事实上，衡量刹车片好坏主要从以下四个方面出发：第一，摩擦系数，摩擦系数决定基本的刹车片制动力矩，太高会造成制动过程中的车轮抱死、方向失控和烧片，太低则制动距离过长；第二，安全性，刹车片在制动时会产生瞬时高温，尤其在高速行驶或紧急制动时，高温状态下，摩擦片摩擦系数会下降；第三，是否舒适，包括制动感觉、噪音、粉尘、冒烟、异味等，是摩擦性能的直接体现；第四，使用寿命，通常刹车片能保证3万公里的使用寿命。
现有的刹车片中，普通的酚醛树脂存在热烧蚀性差和磨耗高的缺点，在紧急制动和高速制动的时候，刹车片由于摩擦变热，容易使得酚醛树脂产生物理化学变化，最终造成刹车片寿命的减少；再者，利用石棉作为增强纤维的刹车片中，石棉的导热能力差，反复使用后制动器会使热量在刹车片中堆积起来，刹车片变热后，它的制动性能就要发生改变，甚至导致制动失灵，引起安全隐患；此外，在半金属刹车片摩擦材料的使用过程中，容易出现刹车片的摩擦系数不稳定的情况，例如，钢纤维和铁纤维的使用，会使得摩擦系数不够稳定。
因此，亟须一种寿命更长、安全性更高以及摩擦系数更稳定的刹车片用摩擦材料，此外，还亟须一种使用上述寿命更长、安全性更高以及摩擦系数更稳定的刹车片用摩擦材料制成的刹车片。
技术实现要素：
(一)要解决的技术问题
为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种寿命更长、安全性更高以及摩擦系数更稳定的刹车片用摩擦材料。
本发明还提供一种使用上述寿命更长、安全性更高以及摩擦系数更稳定的刹车片用摩擦材料制成的刹车片。
本发明还提供一种使用上述寿命更长、安全性更高以及摩擦系数更稳定的刹车片用摩擦材料的刹车片制备方法。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
本发明的刹车片用摩擦材料，由以下重量份的原料组成：
3-8份萘酚改性酚醛树脂、6-11份钛酸酯偶联剂、0.3-0.9份硼纤维、0.4-1份二硼化钛纤维、1.2-1.8份碳硅纤维、0.9-1.5份芳酰胺纤维、1.4-2份聚丙烯腈纤维、0.1-1.2份破缕石纤维、0.3-0.9份氧化铍晶须、1.2-1.8份氮化硅晶须、1.2-1.9份硼化物晶须、1-1.8份氮化硼粉、16-20份重晶石粉、0.3-0.8份橄榄石粉以及0.2-0.7份煤矸石粉。
进一步地，本发明的刹车片用摩擦材料，由以下重量份的原料组成：
5-7份萘酚改性酚醛树脂、7-9份钛酸酯偶联剂、0.4-0.7份硼纤维、0.5-0.9份二硼化钛纤维、1.3-1.7份碳硅纤维、1-1.3份芳酰胺纤维、1.6-1.9份聚丙烯腈纤维、0.3-0.8份破缕石纤维、0.4-0.8份氧化铍晶须、1.3-1.6份氮化硅晶须、1.4-1.7份硼化物晶须、1.2-1.5份氮化硼粉、17-19份重晶石粉、0.4-0.6份橄榄石粉以及0.3-0.5份煤矸石粉。
进一步地，本发明的刹车片用摩擦材料，由以下重量份的原料组成：
6份萘酚改性酚醛树脂、8份钛酸酯偶联剂、0.5份硼纤维、0.6份二硼化钛纤维、1.4份碳硅纤维、1.2份芳酰胺纤维、1.8份聚丙烯腈纤维、0.6份破缕石纤维、0.6份氧化铍晶须、1.4份氮化硅晶须、1.6份硼化物晶须、1.4份氮化硼粉、18份重晶石粉、0.5份橄榄石粉以及0.4份煤矸石粉。
进一步地，硼化物晶须指二硼化镁晶须或硼化铬晶须。
进一步地，氮化硼粉、重晶石粉、橄榄石粉和煤矸石粉的粒径为20-40微米。
本发明同时还提供了一种刹车片，包括刹车片背板和压制在刹车片背板上的摩擦材料，摩擦材料为上述刹车片用摩擦材料。
本发明同时还提供了一种刹车片制备方法，包括以下步骤：
S1：选取上述刹车片用摩擦材料的原料混合形成摩擦材料，混合速度为320-390rpm，混合时间为0.1h-0.2h；
S2：将摩擦材料和刹车片背板送入压力机内进行压制，压制温度设置为162℃-168℃，压力设置为28Mpa-34Mpa，压制时间设置为0.2h-0.3h，获得刹车片半成品；
S3：将刹车片半成品放入热处理箱中，热处理温度为174℃-179℃，热处理时间为4h-6h，获得热处理半成品；
S4：将热处理半成品，按照刹车片尺寸进行加工，获得刹车片成品。
进一步地，在步骤S1中，混合速度为340rpm，混合时间为0.15h。
进一步地，在步骤S2中，压制温度设置为164℃，压力设置为31Mpa，压制时间设置为0.25h。
进一步地，在步骤S3中，热处理温度为176℃，热处理时间为5h。
(三)有益效果
本发明的有益效果是：
本发明的刹车片用摩擦材料中，萘酚改性酚醛树脂作为粘结剂使用，具有优良的热衰退性能、恢复性能以及磨损性能；
钛酸酯偶联剂作为一种改性剂使用，可以增加萘酚改性酚醛树脂粘结其他原料的粘结性；
硼纤维、二硼化钛纤维、碳硅纤维、芳酰胺纤维、聚丙烯腈纤维、破缕石纤维、氧化铍晶须、氮化硅晶须以及硼化物晶须，作为增强纤维使用，可以使材料具有更高的强度、韧性以及耐冲击性，受剪力和/或拉伸等机械作用而不至于出现裂纹、断裂、崩缺等机械损伤；
氮化硼粉和重晶石粉作为摩擦性能调节剂使用，从而平衡材料的耐磨性、摩擦系数和噪音等；
橄榄石粉和煤矸石粉作为填料使用，一定程度上继续优化摩擦材料的整体性能。
本发明的刹车片，采用本发明的刹车片用摩擦材料和背板制成，刹车片的整体摩擦性能得到优化。
本发明的刹车片制备方法中，刹车片用摩擦材料和背板利用压力机压制之后，再经过热处理工艺处理而成，这种刹车片制备方法工艺简单。
综上所述，本发明的刹车片用摩擦材料具有寿命更长、安全性更高以及摩擦系数更稳定的优点。本发明的刹车片具有寿命更长、制动更舒适、安全性更高以及摩擦系数更稳定的优点。本发明的刹车片制备方法工艺简单。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
实施例1
选取以下原料：6g萘酚改性酚醛树脂、8g钛酸酯偶联剂、0.5g硼纤维、0.6g二硼化钛纤维、1.4g碳硅纤维、1.2g芳酰胺纤维、1.8g聚丙烯腈纤维、0.6g破缕石纤维、0.6g氧化铍晶须、1.4g氮化硅晶须、1.6g二硼化镁晶须、1.4g氮化硼粉、18g重晶石粉、0.5g橄榄石粉以及0.4g煤矸石粉。
具体地，本实施例的刹车片制备方法，包括如下步骤：
S1：选取上述质量的刹车片用摩擦材料的原料混合形成摩擦材料，混合速度340rpm，混合时间为0.15h；
S2：将摩擦材料和刹车片背板送入压力机内进行压制，压制温度设置为164℃，压力设置为31Mpa，压制时间设置为0.25h，获得刹车片半成品；
S3：将刹车片半成品放入热处理箱中，热处理温度为176℃，热处理时间为5h，获得热处理半成品；
S4：将热处理半成品，按照刹车片尺寸进行加工，获得刹车片成品。
本实施例中，氮化硼粉、重晶石粉、橄榄石粉和煤矸石粉的粒径为20-40微米。
本实施例中，二硼化镁晶须可以替换为硼化铬晶须。
本实施例，氧化铍晶须、氮化硅晶须以及二硼化镁晶须或硼化铬晶须中，晶须是一种不含品格缺陷的完全结晶，直径约为0.05-10微米，长几毫米，结构中容纳不下会削弱晶体的较大缺陷，故力学强度极高，基本接近原子间的力。
同实施例1的制备步骤类似，实施例2-9是通过调整制备过程中的各原料的质量、S1中的混合速度、S1中的混合时间、S2中的压制温度、S2中的压力、S2中的压制时间、S3中的热处理温度以及S3中的热处理时间来制备刹车片。实施例2-9对刹车片的制备情况具体如表1所示。
表1：实施例2-9对刹车片的制备情况
上述实施例1-9制备的刹车片比采用普通酚醛树脂制成的刹车片的寿命更长、比采用石棉纤维制成的刹车片更安全，比采用半金属刹车片的摩擦系数更稳定，经研究，萘酚改性酚醛树脂和钛酸酯偶联剂对寿命的影响更显著，硼纤维、二硼化钛纤维、碳硅纤维、破缕石纤维、氧化铍晶须、氮化硅晶须、二硼化镁晶须、氮化硼粉、重晶石粉、橄榄石粉以及煤矸石粉对摩擦系数的影响更显著，具体地，采用实施例1制备的刹车片，刹车片的寿命、安全性以及摩擦系数综合最好，采用实施例5和实施例6生产的刹车片，刹车片的寿命、安全性以及摩擦系数综合较好。
本发明的刹车片用摩擦材料中的萘酚改性酚醛树脂指采用萘酚对酚醛树脂进行改性，合成的环保型萘酚改性酚醛树脂。萘酚改性酚醛树脂的耐热性很高，其中，当萘酚的质量分数为10％时，萘酚改性酚醛树脂的综合性能最好，拉伸强度、弯曲强度和冲击强度分别提高了2.46倍、1.62倍和1.34倍，与酚醛树脂相比，萘酚改性酚醛树脂热分解第一阶段的活化能降低了10kJ/mol，热分解第二阶段的活化能提高了20kJ/mol。在本发明的刹车片用摩擦材料中，萘酚改性酚醛树脂作为粘接剂使用，用于将摩擦材料的其他原料粘结在一起。在本发明的刹车片刹车过程中，由于萘酚改性酚醛树脂的耐热性明显提高，使得刹车片在高温的时候粘接能力同样得到保证，其他原料不易剥离，继而使得刹车片在制动造成的高温环境中，依然安全可靠。
本发明的刹车片用摩擦材料中的钛酸酯偶联剂，是一种能够改善合成树脂与无机填充剂或增强材料的界面性能的一种添加剂。它可以降低合成树脂熔体的粘度，改善填充剂的分散度以提高加工性能，进而使制品获得良好的表面质量、机械性能和热性能。偶联剂一般由两部分组成：一部分是亲无机基团，可与无机填充剂或增强材料作用；另一部分是亲有机基团，可与合成树脂作用。更具体地，本发明中钛酸酯偶联剂为单烷氧基焦磷酸酯型或螯合型，该类偶联剂适用于树脂基多种复合材料体系，具有非常好的水解稳定性。在本发明的刹车片用摩擦材料中，钛酸酯偶联剂作为改性剂使用，用于进一步改善摩擦材料中萘酚改性酚醛树脂粘结其他原料的粘接性能。在本发明的刹车片的刹车过程中，由于单烷氧基焦磷酸酯型和螯合型的钛酸酯偶联剂具有很好的水解稳定性，从而使得刹车片处于湿度较大的环境时，萘酚改性酚醛树脂的粘接能力依然得到相应的提高，制动的整体性能得到保障。
本发明的刹车片用摩擦材料中的硼纤维是在金属丝上沉积硼而形成的无机纤维。硼纤维的强度高，室温下的断裂强度为2744-3430MPa；弹性模量也高，为392000-411600MPa；但相对密度只有钢材的四分之一。在惰性气体中，高温性能良好。硼纤维的制法采用化学气相沉积法，将氯化硼与氢气反应，还原出的硼在经电化学清洗过的直径10μm左右的钨丝上沉积(钨丝加热到1200℃左右，加热方式可用自身电热或高频感应加热)。硼纤维是很好的增强材料，但活性大，在制作复合材料时易与基体相互作用，影响使用，这时可在纤维上涂敷碳化硅涂层，以提高惰性。在本发明的刹车片用摩擦材料中，硼纤维作为增强纤维使用。本发明的刹车片，由于使用了硼纤维，从而增加了刹车片的耐磨性和耐高温性能。
本发明的刹车片用摩擦材料中的二硼化钛纤维作为增强纤维使用。本发明的刹车片，由于使用了二硼化钛纤维，从而增加了刹车片的耐磨性和耐高温性能。
本发明的刹车片用摩擦材料中的碳硅纤维，可以为短纤维或长纤维，其制作方法主要为化学气相沉积法、先驱体转化法和活性炭纤维法。具体地，化学气相沉积法制备碳硅纤维就是通过甲基氯硅烷(例如：甲基三氯硅烷)类化合物气体与氢气混合，在一定的温度下发生化学反应，生成的碳硅微晶沉积在细钨丝或碳纤维上，再经过热处理进而获得碳硅纤维。先驱体转化法是以有机聚合物(一般为有机金属聚合物)为先驱体，利用其可溶、可熔等特性成型后，经过高温热分解处理，使之从有机化合物转变为无机陶瓷材料的方法，碳硅纤维就是用聚碳硅烷作为先驱体，通过在250-350℃下熔融纺丝成形，并经空气不熔化(在160-250℃下)处理、高温裂解而制得。活性炭纤维法的原理为利用气态的一氧化硅与多孔活性碳反应转化生成碳硅纤维。在本发明的刹车片用摩擦材料中，碳硅纤维作为增强纤维使用。本发明的刹车片，由于使用了碳硅纤维，从而增加了刹车片的耐高温性能和散热性。
本发明的刹车片用摩擦材料中芳酰胺纤维指全间位芳酰胺纤维或含甲基取代基等间位芳酰胺共聚纤维，全间位芳酰胺纤维或含甲基取代基等间位芳酰胺共聚纤维，属耐高温难燃纤维，在实际应用于摩擦材料的时候，继而在刹车片刹车时，刹车片的温度甚至可以达到1000度左右，而使用耐高温的难燃纤维，可以使得刹车片的制动稳定性得到保证。在本发明的刹车片用摩擦材料中，芳酰胺纤维作为增强纤维使用。本发明的刹车片，由于使用了芳酰胺纤维，从而增加了刹车片的耐冲击性、耐磨性、耐化学性以及耐热降解性。
本发明的刹车片用摩擦材料中聚丙烯腈纤维的一种现有制备方法包括以下步骤：将27g的工业纺丝级聚丙烯腈、15g的丙烯腈、28g的尿素和11g的含磷阻燃剂混合均匀形成混合物；将混合物在零下60℃至零下50℃低温冷冻80-110小时；将冷冻后的混合物分散在液氮中进行Co60γ射线辐照，辐射剂量为4-20kGy；辐照后在零下50℃至零下60℃的环境中使混合物中的丙烯腈进行聚合15-18小时；聚合反应后，用水反复洗涤混合物除去尿素和未反应的丙烯腈单体，过滤干燥，溶解在浓度为51wt％-53wt％的硫氰酸钠水溶液中，混合15-20分钟得到纺丝原液；用纺丝原液在40-70℃下真空静置脱泡15-18分钟，过滤后，用常规的湿法纺丝法进行纺丝，得到阻燃聚丙烯腈纤维。在本发明的刹车片用摩擦材料中，聚丙烯腈纤维作为增强纤维使用。本发明的刹车片，由于使用了聚丙烯腈纤维，从而提高了刹车片的耐化学性、耐冲击性、分散均匀性以及耐酸碱性。
本发明的刹车片用摩擦材料中破缕石纤维作为增强纤维使用。本发明的刹车片，由于使用了破缕石纤维，从而增加了刹车片的耐磨性。
本发明的刹车片用摩擦材料中氧化铍晶须作为增强纤维使用。本发明的刹车片，由于使用了氧化铍纤维，从而增加了刹车片的耐高温性和防火性。
本发明的刹车片用摩擦材料中氮化硅晶须的一种现有制备方法为：将氮化硅粉和硅粉在干燥系统中进行干燥处理，干燥温度为82℃，干燥时间为7小时，去除粉料中吸附的水；按照氮化硅粉和硅粉的质量比为1∶8的比例加入10％氯化铵作添加剂，其中，氮化硅粉和硅粉的细度为1-8微米；在原料混合系统中充分混合，使原料均匀分布；将混合物料送入氮化炉中，加入经过脱水脱氧的氮气和氢气，其中，氮气和氢气的体积比为3∶1，在0MPa、1400℃条件下氮化28小时，之后冷却得到氮化硅晶须。在本发明的刹车片用摩擦材料中，氮化硅晶须作为增强纤维使用。本发明的刹车片，由于使用了氮化硅晶须，从而增加了刹车片的耐磨性、耐高温性、耐化学性以及防火性，降低了对温度的敏感性。
本发明的刹车片用摩擦材料中二硼化镁晶须作为增强纤维使用。本发明的刹车片，由于使用了二硼化镁晶须，从而增加了刹车片的耐磨性和抗冲击性。
在本发明的刹车片用的摩擦材料中，作为增强纤维使用的原料应满足以下性能要求：(1)具有足够的强度和模量以及较好的韧性；(2)良好的摩擦性能，在一定的温度范围内具有稳定的摩擦系数及适当的摩擦损耗；(3)较高的热分解温度，在一定温度范围内不发生热分解、脱水、相变等；(4)易于分解且与基体有较好的相溶性；(5)适当的硬度，不产生严重的噪音。
本发明的刹车片用摩擦材料中氮化硼粉中，在摩擦材料中作为摩阻材料使用。氮化硼是由氮原子和硼原子所构成的晶体，具有四种不同的变体：六方氮化硼、菱方氮化硼、立方氮化硼和纤锌矿氮化硼。现有的一种制备氮化硼的方法为硼砂氯化铵法，具体地，将硼砂在450℃和压力79993Pa下进行脱水，氯化铵预先在110-120℃下烘干，分别粉碎到40目细度，按无水硼砂和氯化铵质量比为1∶0.59进行配料，混合并加压成型，然后送入反应炉中，并通入过量的氨，在1050℃下进行反应，生成氮化硼粗晶，经粉碎、过筛、水洗、过滤、干燥后，制得氮化硼粉成品。在本发明的刹车片用摩擦材料中，氮化硼粉的使用可以使得摩擦材料的摩擦系数得到快速的提高。在使用本发明的刹车片用摩擦材料制成的刹车片中，氮化硼的使用可以减少刹车片制动时间，进而增加摩擦材料的制动整体性能。
本发明的刹车片用摩擦材料中重晶石粉，作为摩阻材料使用。重晶石粉，又称硫酸钡粉，莫氏硬度3-3.5，比重4.5。现有的一种制备重晶石粉的方法，包括以下步骤：(1)将开采的重晶石矿石平铺于水泥地上，用水管冲洗矿，洗去矿石表面的泥土，将矿石色泽明显不符合要求的选出；(2)再把粗选后的重晶石矿输送入选矿机进行冲洗精选；(3)烘干后进行破碎，破碎颗粒直径在2厘米以下；(4)用提升机把矿放进主机，然后就在主机里碾磨，在碾磨的同时，把颗粒直径小于40微末的重晶石粉，用分级机分出来，经过下料口进行打包。在本发明的刹车片用摩擦材料中，重晶石粉的使用可以使得摩擦材料的耐磨性得到提高。在使用本发明的刹车片用摩擦材料制成的刹车片中，重晶石粉的使用可以使得刹车片在紧急制动和高速制动的时候，减少制动距离和制动时间。
本发明的刹车片用摩擦材料中橄榄石粉，作为填料使用。橄榄石是镁橄榄石和铁橄榄石系列的中间品种。颜色多为橄榄绿、黄绿、金黄绿或祖母绿色，硬度6.5-7.0，密度3.27-3.48克/立方厘米。在本发明的刹车片用摩擦材料中，加入橄榄石粉可以增加摩擦材料的摩擦系数。在使用本发明的刹车片用摩擦材料制成的刹车片中，橄榄石粉的使用能够减少紧急制动和高速制动的制动距离和制动时间。
本发明的刹车片用摩擦材料中煤矸石粉，作为填料使用。煤矸石是采煤过程和洗煤过程中排放的固体废物，是一种在成煤过程中与煤层伴生的一种含碳量较低、比煤坚硬的黑灰色岩石，包括巷道掘进过程中的掘进矸石，采掘过程中从顶板、底板及夹层里采出的矸石以及洗煤过程中挑出的洗矸石。在本发明中，煤矸石指掘进矸石和水洗矸石的混合物，混合比例不做要求，掘进矸石块度在200-300mm，莫氏硬度3-6，水洗矸石块度一般小于200mm，莫氏硬度2-4。煤矸石粉加工过程中通常用到的加工设备有颚式破碎机、反击式破碎机、雷蒙磨粉机、超压梯形磨粉机、立式磨粉机、振动筛、振动给料机。在本发明的刹车片用摩擦材料中，煤矸石粉可以提高摩擦材料的耐磨性。在使用本发明的刹车片用摩擦材料制成的刹车片中，煤矸石粉的使用能够减少紧急制动和高速制动的制动距离和制动时间。
本发明的刹车片，摩擦系数得到优化。事实上，优化后的摩擦系数使得刹车片制动力矩更加合理。
本发明的刹车片，工作安全可靠，在制动产生的瞬时高温状态下，尤其在高速行驶或紧急制动产生的高温状态下，刹车片摩擦系数下降不明显。
本发明的刹车片，制动舒适，直接体现为制动过程中噪音、粉尘、冒烟、异味等问题的进一步减弱。
本发明的刹车片，制动寿命较长，刹车片能保证5万公里的使用寿命。
因此，本发明的刹车片用摩擦材料具有寿命更长、安全性更高以及摩擦系数更稳定的优点。本发明的刹车片具有寿命更长、制动更舒适、安全性更高以及摩擦系数更稳定的优点。本发明的刹车片制备方法工艺简单。
以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。