本发明涉及刹车片技术领域，尤其涉及一种用于刹车片的摩擦材料、刹车片以及刹车片制备方法。
背景技术：
目前，随着人们对现代化生活质量的追求，汽车成为家庭生活中必不可少的生活用品，在激烈的市场竞争体系中，汽车制动的安全性和可靠性成为大众选择汽车时重要的一个考量标准，而汽车制动最重要的一环为刹车片的制动能力。
事实上，现有的刹车片中，普通的酚醛树脂存在热烧蚀性差的缺点，在制动的时候，刹车片由于摩擦变热，容易引起酚醛树脂产生物理化学变化，从而使得刹车片在高温状态的制动性能发生变化，热稳定性变差；再者，在一些低钢配方的摩擦材料中，常加入铜纤维，含有铜纤维的摩擦材料制成的刹车片，刹车片在制动摩擦的过程中容易产生含铜粉尘，这些含铜粉尘会通过空气、雨水、悬浮颗粒物等进入环境中，造成环境污染，进而引起安全隐患；此外，在使用石棉制成的刹车片中，石棉刹车片在刹车温度达到1000度以上的情况下，会释放有毒气体，而且石棉刹车片在长期的使用过程中，因为石棉本身具有致癌作用，也存在潜在的安全问题；另外，在半金属刹车片摩擦材料的使用过程中，不仅容易出现损伤刹车片、刹车片与刹车碟(鼓)发生锈粘、刹车片的摩擦性能不稳定的情况，从而造成摩擦性能不够优良的问题，而且容易出现耐高温特性变差和对温度变化变敏感的情况，从而造成热稳定性不够的问题。
因此，亟须一种热稳定性强、使用安全无毒以及摩擦性能优良的用于刹车片的摩擦材料，此外，还亟须一种使用上述热稳定性强、使用安全无毒以及摩擦性能优良的用于刹车片的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，本发明提供一种热稳定性强、使用安全无毒以及摩擦性能优良的用于刹车片的摩擦材料、刹车片及其制备方法。
(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：
本发明提供用于刹车片的摩擦材料，由以下重量份的原料组成：
4-8份萘酚改性酚醛树脂、6-11份钛酸酯偶联剂、9-15份芳酰胺纤维、1-5份炭芯硼纤维、0.7-1.8份钛酸钙纤维、1.5-2份聚丙烯腈纤维、0.3-1份氧化铍晶须、1.3-1.8份氮化硅晶须、3-9份石墨晶须、1.6-2份硅化物晶须、0.1-0.5份二氧化钛晶须、10-17份氮化硼粉、16-23份重晶石粉、0.2-0.6份透闪石粉、0.2-0.7份文石粉以及0.1-0.5份煤精石粉。
进一步地，本发明的用于刹车片的摩擦材料，由以下重量份的原料组成：
5-7份萘酚改性酚醛树脂、7-10份钛酸酯偶联剂、10-13份芳酰胺纤维、2-4份炭芯硼纤维、0.8-1.6份钛酸钙纤维、1.6-1.8份聚丙烯腈纤维、0.4-0.8份氧化铍晶须、1.4-1.7份氮化硅晶须、5-8份石墨晶须、1.7-1.9份硅化物晶须、0.2-0.4份二氧化钛晶须、11-15份氮化硼粉、17-20份重晶石粉、0.3-0.5份透闪石粉、0.3-0.6份文石粉以及0.2-0.4份煤精石粉。
进一步地，本发明的用于刹车片的摩擦材料，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、11份芳酰胺纤维、3份炭芯硼纤维、0.9份钛酸钙纤维、1.7份聚丙烯腈纤维、0.5份氧化铍晶须、1.5份氮化硅晶须、7份石墨晶须、1.8份硅化物晶须、0.3份二氧化钛晶须、12份氮化硼粉、18份重晶石粉、0.4份透闪石粉、0.4份文石粉以及0.3份煤精石粉。
进一步地，硅化物晶须为二硅化钼晶须或二硅化钛晶须。
进一步地，氮化硼粉、重晶石粉、透闪石粉、文石粉以及煤精石粉的粒径为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，摩擦材料为上述用于刹车片的摩擦材料。
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：选取上述用于刹车片的摩擦材料的原料混合形成摩擦材料；
s2：将摩擦材料和刹车片背板送入压力机内进行压制，获得刹车片半成品；
s3：将刹车片半成品放入热处理箱中，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320-380rpm，混合时间为0.2h-0.3h；
优选地，混合速度为340rpm，混合时间为0.25h。
进一步地，在步骤s2中，压制温度设置为160℃-165℃，压力设置为30mpa-35mpa，压制时间设置为0.2h-0.3h；
优选地，压制温度设置为163℃，压力设置为32mpa，压制时间设置为0.2h。
进一步地，在步骤s3中，热处理温度为170℃-175℃，热处理时间为5h-8h；
优选地，热处理温度为173℃，热处理时间为7h。
(三)有益效果
本发明的有益效果是：
本发明的用于刹车片的摩擦材料中，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；
芳酰胺纤维、炭芯硼纤维、钛酸钙纤维、聚丙烯腈纤维、氧化铍晶须、氮化硅晶须、石墨晶须、硅化物晶须以及二氧化钛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；
透闪石粉、文石粉以及煤精石粉作为填料使用，用于继续优化摩擦材料的整体性能。
本发明的刹车片，采用上述用于刹车片的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，用于刹车片的摩擦材料和背板利用压力机压制之后，经过热处理工艺处理，再经尺寸加工得到刹车片成品，这种刹车片制备方法工艺简单。
综上所述，本发明的用于刹车片的摩擦材料和刹车片具有热稳定性强、使用安全无毒以及摩擦性能优良的优点。本发明的刹车片制备方法工艺简单。
具体实施方式
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、11g芳酰胺纤维、3g炭芯硼纤维、0.9g钛酸钙纤维、1.7g聚丙烯腈纤维、0.5g氧化铍晶须、1.5g氮化硅晶须、7g石墨晶须、1.8g二硅化钼晶须、0.3g二氧化钛晶须、12g氮化硼粉、18g重晶石粉、0.4g透闪石粉、0.4g文石粉以及0.3g煤精石粉。
具体地，本实施例的刹车片制备方法，包括如下步骤：
s1：选取上述质量的用于刹车片的摩擦材料的原料混合形成摩擦材料；
s2：将摩擦材料和刹车片背板送入压力机内进行压制，获得刹车片半成品；
s3：将刹车片半成品放入热处理箱中，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。
其中，优选地，在步骤s1中，混合速度为340rpm，混合时间为0.25h。
优选地，在步骤s2中，压制温度设置为163℃，压力设置为32mpa，压制时间设置为0.2h。
优选地，在步骤s3中，热处理温度为173℃，热处理时间为7h。
本实施例中，上述二硅化钼晶须可以替换成二硅化钛晶须。
本实施例中，氮化硼粉、重晶石粉、透闪石粉、文石粉以及煤精石粉的粒径为20-40微米。
本实施例中，氧化铍晶须、氮化硅晶须、石墨晶须、二硅化钼晶须或二硅化钛晶须以及二氧化钛晶须中，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热稳定性更强、比采用铜纤维或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性能更好，经研究，萘酚改性酚醛树脂和钛酸酯偶联剂对热稳定性的影响更显著，炭芯硼纤维、钛酸钙纤维、氧化铍晶须、氮化硅晶须、石墨晶须、二硅化钼晶须、二氧化钛晶须、氮化硼粉、重晶石粉、透闪石粉、文石粉以及煤精石粉对摩擦性能的影响更显著，具体地，采用实施例1制备的刹车片，刹车片的热稳定性、安全性和摩擦性能综合最好，采用实施例5和实施例6生产的刹车片，刹车片的热稳定性、安全性和摩擦性能综合较好。
本发明的用于刹车片的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。在本发明的用于刹车片的摩擦材料中，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。
本发明的用于刹车片的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。在本发明的用于刹车片的摩擦材料中，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。
本发明的用于刹车片的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。在本发明的用于刹车片的摩擦材料中，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。
本发明的用于刹车片的摩擦材料中炭芯硼纤维是一种超强无机纤维。本发明的刹车片，由于使用了炭芯硼纤维，从而增加了刹车片的硬度和耐高温性。
本发明的用于刹车片的摩擦材料中钛酸钙纤维的一种现有制备方法包括以下步骤：(1)将钛酸丁酯和柠檬酸溶于乙醇中，钛的摩尔浓度为0.3m，钛酸丁酯和柠檬酸的摩尔比为1∶3；(2)搅拌溶解后，向步骤1制得的钛酸丁酯和柠檬酸的混合溶液中加入硝酸钙，钛酸丁酯和硝酸钙的摩尔比为1∶1；(3)搅拌状态下，向步骤2制得的混合溶液中滴加二甲基甲酰胺溶液，乙醇和二甲基甲酰胺的体积比为4∶1；(4)搅拌状态下，向步骤3制得的混合溶液中加入烷基酚聚氧乙烯醚，烷基酚聚氧乙烯醚的摩尔浓度为1.0mm；(5)搅拌状态下，向步骤4制得的混合溶液中加入聚乙烯吡咯烷酮，聚乙烯吡咯烷酮的摩尔浓度为0.03mm，搅拌3小时，得到稳定的透明溶胶；(6)将步骤5配制的溶胶装入静电纺丝装置的注射器中，在静电作用下收集钛酸钙纳米纤维；(7)将步骤6中收集到的钛酸钙纳米纤维置于烘箱内78℃烘焙11h，干燥后的纤维在管式炉中以1℃/min的升温速率升温到700℃，热处理3h后自然降温至室温取出，得到钛酸钙纳米纤维。在本发明的用于刹车片的摩擦材料中，钛酸钙纤维作为增强纤维使用。本发明的刹车片，由于使用了钛酸钙纤维，从而提高了刹车片的耐高温性。
本发明的用于刹车片的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，用常规的湿法纺丝进行纺丝，得到阻燃聚丙烯腈纤维。在本发明的用于刹车片的摩擦材料中，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。
本发明的用于刹车片的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，由于使用了氧化铍晶须，从而增加了刹车片的耐高温性和防火性。
本发明的用于刹车片的摩擦材料中氮化硅晶须它是一种超硬物质，本身具有润滑性，并且耐磨损，为原子晶体，高温时抗氧化，而且它还能抵抗冷热冲击，在空气中加热到1000℃以上，急剧冷却再急剧加热，也不会碎裂。氮化硅晶须属高温难溶化合物，抗高温蠕变能力强，莫氏硬度为9-9.5，弹性模量为28420-46060mpa，耐压强度为490mpa，抗弯强度为147mpa，可由硅粉在氮气中加热或卤化硅与氨反应而制得。在本发明的用于刹车片的摩擦材料中，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腐蚀性和高温抗氧化性。
本发明的用于刹车片的摩擦材料中石墨晶须，又称高模量碳晶须，它具有碳-碳原子六角网络层叠堆积结构。耐热性、导电性和抗燃性优良。制法有：(1)气固生长法，先在一氧化碳中将孪晶β-sic加热至1800℃以上，使高活性热解硕在其上堆积成长，再加热至2000℃而得；(2)气相反应法，以低沸点烃为碳源，在氩或氮或超细过渡金属(例如，fe、co、ni)催化剂存在下于500-1000℃反应而得。在本发明的用于刹车片的摩擦材料中，石墨晶须作为增强纤维使用。本发明的刹车片，由于使用了石墨晶须，从而增加了刹车片的耐腐蚀性和耐高温性。
本发明的用于刹车片的摩擦材料中二硅化钼晶须作为增强纤维使用。本发明的刹车片，由于使用了二硅化钼晶须，从而增加了刹车片的耐高温性。
本发明的用于刹车片的摩擦材料中二氧化钛晶须的一种现有制备方法包括以下步骤：(1)称取1.68g二氧化钛、27.35g氢氧化钾以及17ml去离子水，装入四氟乙烯内衬的高压釜中，均速升温4℃/min至220℃，水热反应3小时，随炉冷却至室温，卸釜，反复洗涤反应产物多遍，待溶液为中性止，经过滤、烘干所得反应物为白色粉末；(2)称取2.13g二氧化钛、23.45g氢氧化钾以及21ml去离子水，装入四氟乙烯内衬的高压釜中，均速升温4℃/min至220℃，水热反应3小时，随炉冷却至室温，卸釜，反复洗涤反应产物多遍，待溶液为中性止，经过滤、烘干所得反应物为白色粉末；(3)称取6.52g二氧化钛、12.11g氢氧化钾以及23ml去离子水，装入四氟乙烯内衬的高压釜中，均速升温4℃/min至220℃，水热反应3小时，随炉冷却至室温，卸釜，反复洗涤反应产物多遍，待溶液为中性止，经过滤、烘干所得反应物为白色粉末，从而制成二氧化钛晶须。在本发明的用于刹车片的摩擦材料中，二氧化钛晶须作为增强纤维使用。本发明的刹车片，由于使用了二氧化钛晶须，从而提高了刹车片的耐气候性、分散性和稳定性。
在本发明的用于刹车片的摩擦材料中，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。
本发明的用于刹车片的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。在本发明的用于刹车片的摩擦材料和刹车片中，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。
本发明的用于刹车片的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。在本发明的用于刹车片的摩擦材料中，重晶石粉的使用可以使得摩擦材料的耐磨性得到提高。在使用本发明的用于刹车片的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。
本发明的用于刹车片的摩擦材料中透闪石粉，作为填料使用。透闪石是角闪石的一种，外观为绿黑至黑色，摩氏硬度5-6，比重3.0-3.4。在本发明的用于刹车片的摩擦材料中，加入透闪石粉可以增加摩擦材料的摩擦系数。在使用本发明的用于刹车片的摩擦材料制成的刹车片中，透闪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。
本发明的用于刹车片的摩擦材料中文石粉，作为填料使用。文石通常呈白色、黄白色，玻璃光泽，莫氏硬度3.5-4.5，比重2.9-3.0。在本发明的用于刹车片的摩擦材料中，加入文石粉可以增加摩擦材料的摩擦系数。在使用本发明的用于刹车片的摩擦材料制成的刹车片中，文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。
本发明的用于刹车片的摩擦材料中煤精石粉，作为填料使用。煤精石又称煤玉、黑碳石、黑宝石、雕漆煤，是褐煤的一个变种，为不透明，光泽强的黑色有机宝石，煤玉是由碳和有机质组成的，其集合体呈致密的块状，煤精的莫氏硬度为2.5-4。在实际使用中，可以提高摩擦材料的耐磨性，然而，煤精可燃烧，在刹车片制动的过程中，容易引起安全隐患，所以在具体的原料上，经过配比研究，保证在使用了本发明的用于刹车片的摩擦材料制成的刹车片，在紧急制动和高速制动的时候，不会引起安全隐患，而且能够确切的增加本发明的使用了用于刹车片的摩擦材料的刹车片的耐磨性。
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。
本发明的刹车片，在高速行驶或紧急制动产生的高温状态下，具有优良的热稳定性。
本发明的用于刹车片的摩擦材料和刹车片，原料配方科学，不存在对人类身体健康构成威胁的原料，使用安全无毒。
因此，本发明的用于刹车片的摩擦材料和刹车片具有热稳定性强、使用安全无毒以及摩擦性能优良的优点。本发明的刹车片制备方法工艺简单。