专利名称：不锈钢/碳纤维增强聚醚醚酮复合摩擦材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种复合摩擦材料，尤其是一种不锈钢/碳纤维增强聚醚醚酮复合摩 擦材料及其制备方法，应用于制造各种高速重载的摩擦部件，如汽车离合器与制动器等。
背景技术：
摩擦材料是交通运输工具和动力机械摩擦制动器和离合器的关键材料，如刹车片 和离合器片等，因此，摩擦材料必须具有足够高的机械强度和优异的摩擦磨损性能，以保证 摩擦副工作的可靠性和耐久性。摩擦材料的发展过程经历了三个阶段天然材料阶段、合成 材料阶段和多种材料复合使用阶段。按使用条件可分为干式和湿式两种。干式摩擦材料主 要采用无石棉有机摩擦材料和烧结摩擦材料；湿式摩擦材料主要采用纸基摩擦材料、石墨 基摩擦材料和烧结摩擦材料。从材料的结构、组成及历史发展的角度来划分，目前使用的摩 擦材料可分为石棉有机摩擦材料、碳纤维摩擦材料、半金属摩擦材料、粉末冶金金属摩擦 材料等。由于石棉的原材料来源、结构、性能与价格均能比较全面的满足摩擦材料的要求， 使之在摩擦材料中得到了广泛应用，自从1890年以来一直被用作摩擦材料的增强材料，从 二十世纪70年代开始，以石棉和酚醛树脂为主要原料制成的石棉摩擦材料，是性能较好、 生产量最大、应用最广的摩擦材料。此时的汽车制动系统还多为鼓式制动方式，多采用石棉 摩擦材料。随着现代材料和制造技术的飞速发展和社会环保意识的提高，交通运输工具和 动力机械的速度、负荷越来越高，摩擦材料的运行条件越来越苛刻，使制动器表面温度达 300 500°C。曾获广泛应用的石棉摩擦材料导热性和耐热性差，在400°C左右将失去结晶 水，550°C时结晶水完全丧失，失去增强效果。石棉脱水后会造成摩擦性不稳定、工作层变 质、磨损加剧，出现明显的热衰退现象，不能满足高速重载的工作需要。为保证制动系统及 摩擦传动系统的可靠性，对摩擦材料的综合性能提出了越来越高的要求足够而稳定的摩 擦系数，动、静摩擦系数之差小；良好的导热性、较大的热容量和一定的高温机械强度；良 好的耐磨性和抗粘着性，不易擦伤对偶件，无噪声；低成本，对环境无污染等。因此，急需开 发具有高耐热性、适当而稳定的摩擦系数、高的耐磨性、无污染的摩擦材料。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种摩擦系数稳定、磨损率低、承载能力强的不 锈钢/碳纤维增强聚醚醚酮复合摩擦材料；
为此本发明还提供一种上述复合摩擦材料的制备方法。为解决上述技术问题，本发明产品所采取的技术方案是一种不锈钢/碳纤维增 强聚醚醚酮复合摩擦材料，所述复合摩擦材料由下述重量份数的原料制成
基体粘接剂聚醚醚酮(PEEK) 15 25份； 增强纤维不锈钢纤维3 15份，碳纤维5 15份；填料腰果壳粉5 15份，重晶石粉7 15份，铬铁矿粉2 10份，石墨和硫化锑为 5 15份，铝粉4 10份，高岭土和萤石5 15份，轻钙1 5份。其中上述材料当中，增磨填料为重晶石粉，铬铁矿粉，高岭土，萤石；减磨填料为石 墨，硫化锑；摩擦性能调节剂为腰果壳粉(有机填料)，轻钙，铝粉。上述原料中，控制石墨和硫化锑总量为5 15份即可，控制高岭土和萤石总量为 5 15份即可，因石墨和硫化锑所起的作用相同，高岭土和萤石所起的作用也相同。本发明制备方法所采取的步骤为
1)将各原料在80 100°C温度下干燥1 2小时，先将碳纤维、不锈钢纤维和各种填 料放入搅拌机内高速搅拌混合1 lOmin，再加入聚醚醚酮基体在低速搅拌混料0. 5 2小 时；
2)在300 380°C热压，压力20 30MPa，保压时间按试样厚度确定3 6. 5 min/mm, 待随模具降温至IOCTC以下时，脱模冷却至室温；
3)固化处理采用阶梯升温固化工艺，80V保温30 min,150 °C保温30 min，220 250 °C 保温 0. 5 lh，280 340 °C 保温 10 20 h。本发明原理本复合摩擦材料的配方决定着最终性能，因此本发明从材料配方入 手，采用均勻设计方法，通过调整成型工艺，结合摩擦磨损和机械性能测试与机理分析，研 制具有摩擦系数稳定、磨损率低、承载能力强的新型高强度复合摩擦材料。树脂基体在摩擦材料中起粘结剂的作用，树脂基体的耐磨性决定着整个体系的耐 磨状况。本发明选用高耐热性树脂，以耐热性高聚物聚醚醚酮(即PEEK)为基体粘结剂。如 果其含量过低，不能形成一个完整的基体，无法保证组份间的有机结合；含量太多，在压制 和固化过程中会放出气体，导致发泡、膨胀、开裂等问题。本发明中增强纤维起增强骨架作用，决定着材料的强度指标。本发明选用不锈钢 纤维和碳纤维为增强纤维。不锈钢纤维强度和导热性高，提高摩擦材料整体的导热性，使摩 擦界面上不形成过高的温度梯度，克服一般碳钢纤维易生锈的缺点；碳纤维有高的强度和 模量，具有优良的耐热性，能形成稳定的界面膜，可稳定摩擦系数。这2种纤维无污染，能自 然降解。增强纤维混杂后在摩擦材料中结织成网状，若纤维含量过少，起不到增强作用；金 属纤维含量过多时，摩擦材料密度、硬度及导热率等增大，冲击韧性降低，对对偶盘的损伤 增大。填料的最主要作用是调节材料的摩擦磨损性能，获得所要求的摩擦系数与磨损 率。重晶石粉能使摩擦系数稳定，磨耗小，特别在高温下，它能形成稳定的摩擦界面层，能防 止对偶材料表面擦伤，使对偶表面磨的更光洁；高岭土可改善摩擦材料的工艺性能，降低制 品的收缩率；萤石具有良好的低温和高温增摩效果；铬铁矿粉具有较好的低温和高温增摩 效果。石墨起减摩和润滑作用，减少摩擦材料的热衰退，提高摩擦稳定性，防止摩擦材料对 偶的表面金属转移。硫化锑属熔点较低的软金属硫化物，可减少有机粘接剂用量，减少摩擦 系数的热衰退，降低制品的高温磨损。此外，石墨和硫化锑在高速混料中带正电性，可中和 其他纤维和填料的负电性，有利于分散均勻。铝粉在低温和高温均有一定的减摩作用，提高热传导性，降低摩擦表面的温度。腰 果壳粉在成型固化过程中与树脂发生交联反应，可改善材料的柔韧性，在高温时，表面上可 形成柔软的韧性碳化膜，稳定摩擦性能。此外，轻钙的表面活性高，与有机基体相容性较好，
4可改善材料的综合性能。磨损机理分析表明在增摩填料重晶石(BaS04)、减摩填料硫化锑(Sb2S3)以及铬 铁矿粉(FeCr204)、钢纤维和灰铸铁对偶盘等的共同作用下，经过复杂的机械一热一化学作 用，在摩擦表面形成了钡和铁的硫化物。在表面形成的均勻、致密、连续而稳定的表面膜有 利于稳定摩擦系数，减小磨损。因此，本发明复合摩擦材料选用耐热性高的树脂基体，配合增强纤维和各种填料 的共同作用，获得高而稳定的摩擦系数、良好的耐磨性及机械性能。同时，应尽可能减少铁 粉、钢纤维等金属组份的用量，克服较多的金属组份造成的材料密度大、对对偶攻击性大、 易生锈等缺点。采用上述技术方案所产生的有益效果在于本发明复合摩擦材料通过不同材料的 优化选择及配比，从而达到了摩擦系数稳定、磨损率低、承载能力强的特点，其可应用于制 作多种高速重载的摩擦部件，普遍具有摩擦系数稳定、热衰退小、热恢复性好、磨损率低等 优点，并且其具有优异的摩擦磨损性能及良好的抗弯强度和冲击韧性；本发明的成型工艺 对各种工艺参数进行了优化设计，达到了良好的效果。
具体实施例方式下面结合具体实施方式
对本发明作进一步详细的说明。实施例1
1)按表1选取各组份的重量份。表1摩擦材料配方
2)将各原料在80 100°C温度下干燥1小时，先将碳纤维、不锈钢纤维和各种填料放 入搅拌机内高速搅拌混合lmin，再加入聚醚醚酮基体在低速搅拌混料0. 5小时。3)热压温度320°C，压力22 MPa，试样厚度为5 7 mm，保压时间按试样厚度确定 为30 min，随模具降温至100°C以下时，脱模冷却至室温。4)固化处理采用阶梯升温固化工艺，80 °C保温30 min, 150 °C保温30 min, 240°C 保温 0. 5h，310°C保温 12h。5)制备试样的摩擦磨损性能试验参照GB5763-98标准，在D-MS定速式摩擦试验机 上进行。试样从同一制品中取两个，尺寸为25mmX25mmX5 7mm(厚度)，对偶盘为灰铸铁 HT250。正压力为0. 98MPa。摩擦盘转速恒定在400 500 r/min。分别在150°C、20(TC、 250°C、300°C和350°C时，测定圆盘旋转5000转期间的摩擦力及试片的厚度。试验结果参见 表2。材料在100 350°C时摩擦系数稳定在0. 39 0. 48，具有很好的热恢复性。材料的磨 损率在 350 °C 时为 0. 310X10-7 cm3(N*m)_l。密度 2. 0 2. 2g/cm3，硬度 90 110HRR， 抗压强度75Mpa，冲击韧性> 0. 3J/cm2。
表2试样在不同温度下的摩擦系数和磨损率
权利要求
一种不锈钢/碳纤维增强聚醚醚酮复合摩擦材料，其特征在于所述复合摩擦材料由下述重量份数的原料制成基体粘接剂聚醚醚酮 15～25份；增强纤维不锈钢纤维3～15份，碳纤维5～15份；填料腰果壳粉5～15份，重晶石粉7～15份，铬铁矿粉2～10份，石墨和硫化锑为5～15份，铝粉4～10份，高岭土和萤石5～15份，轻钙1～5份。
2.—种权利要求1所述的不锈钢/碳纤维增强聚醚醚酮复合摩擦材料的制备方法，其 特征在于所述制备方法的步骤为1)将各原料在80 100°C温度下干燥1 2小时，先将碳纤维、不锈钢纤维和各种填 料放入搅拌机内高速搅拌混合1 lOmin，再加入聚醚醚酮基体在低速搅拌混料0. 5 2小 时；2)在300 380°C热压，压力20 30MPa，保压时间按试样厚度确定3 6. 5 min/mm, 待随模具降温至IOCTC以下时，脱模冷却至室温；3)固化处理采用阶梯升温固化工艺，80V保温30 min,150 °C保温30 min，220 250 °C 保温 0. 5 lh，280 340 °C 保温 10 20 h。
全文摘要
本发明公开了一种不锈钢/碳纤维增强聚醚醚酮复合摩擦材料，由下述重量份数的原料制成聚醚醚酮15～25份；不锈钢纤维3～15份，碳纤维5～15份，腰果壳粉5～15份，重晶石粉7～15份，铬铁矿粉2～10份，石墨和硫化锑5～15份，铝粉4～10份，高岭土和萤石5～15份，轻钙1～5份。本发明还公开了上述材料的制备方法1)将原料在80～100℃温度下干燥1～2小时，先将碳纤维、不锈钢纤维和填料放入搅拌机内搅拌，再加入聚醚醚酮基体搅拌；2)在300～380℃热压，压力20～30MPa，脱模冷却至室温；3)阶梯升温固化处理。本发明复合摩擦材料摩擦系数稳定、承载能力强，用于制作刹车和离合装置。
文档编号C04B26/10GK101973725SQ20101052477
公开日2011年2月16日 申请日期2010年10月29日 优先权日2010年10月29日
发明者付丽, 付华, 刘爱萍, 孙宝臣, 廖波, 张光磊 申请人:石家庄铁道大学