一种微弧碳氮化钢纤维增强复合材料的制备方法与流程

本发明涉及摩擦材料的制备技术领域，具体是一种微弧碳氮化钢纤维增强复合材料的制备方法。

背景技术：

摩擦材料中普遍使用钢纤维作为增强纤维，钢纤维在摩擦材料中起到两个作用：1.能够起到增强摩擦材料的作用，保证摩擦材料具有良好的抗弯强度；2.能够快速将摩擦过程中所产生的热量传输到摩擦材料外面，从而降低摩擦材料的温度，减少摩擦材料高温所形成的热衰减。目前，使用钢纤维普遍存在如下问题：钢纤维表面相对光滑，对于摩擦材料的增强效果不明显；钢纤维裸漏在外面的部分很容易被空气中的水蒸气氧化，形成氧化层，破坏摩擦材料的摩擦性能。汽车刹车片放置一段时间后往往在表明形成一层铁锈层，这主要是钢纤维的氧化所致。为了保证摩擦材料在摩擦制动过程中低的噪音，摩擦材料通常具有一定的孔隙率，使用过程中水蒸气与空气一起进入气孔，对钢纤维进行氧化，破坏了钢纤维与摩擦材料的界面，从而降低了钢纤维的增强作用，使得摩擦片的强度降低。

对钢纤维表明进行处理，可以显著提高其耐腐蚀性能。通过化学腐蚀的方法可以在钢纤维表明形成一层致密的氧化层，氧化层具有良好的耐腐蚀性能，有效地提高了钢纤维的抗氧化能力。但是，常规的化学腐蚀在钢纤维表明只能形成薄薄一层氧化物层，厚度较低，难以形成致密且具有一定厚度的耐腐蚀阻挡层。本发明采用钢纤维在电解液中微弧碳氮化工艺，通过钢纤维在电解液中与电解液发生化学反应，在表明形成一层较厚的硬质层。由于在电场左右下发生的化学反应，电场可以促进表面硬质层的快速生成和生长。因此，生成的硬质层厚度可以达到10微米左右。

汽车用摩擦材料是一种聚合物基复合材料，要求材料具有高的摩擦系数和低的磨损率，良好的摩擦稳定性。为了保证材料的耐磨性，通常在混料过程中添加耐磨性好和高硬度的陶瓷颗粒，陶瓷颗粒主要有铝矾土、石英、高岭土等。颗粒与颗粒之间使用高分子树脂粘结起来。摩擦材料在摩擦过程中产生的热量会导致高分子树脂粘结剂软化，使得摩擦系数减小，制动效果降低。随着温度的升高，摩擦力衰减，这种情况叫做“热衰减”。为了降低热衰减，保证良好的摩擦性能，在摩擦材料中添加各种热导纤维，增加摩擦过程中热导能力，抑制热衰减。目前，主要钢纤维作为热导纤维。钢纤维的添加还可以显著增加摩擦材料的力学性能。但是，钢纤维的摩擦系数较小，难以保证良好的摩擦性能。为了增加钢纤维的耐磨性能和钢纤维与树脂基体粘结能力，对钢纤维表明进行电化学处理，其作用有3个：1增加钢纤维表面的耐磨性能，保证摩擦材料的耐磨性；2钢纤维表面生成化合物可以与高分子树脂之间有紧密结合，从而显著增加摩擦材料的强度；3钢纤维表面生产的化合物层致密，可以显著提高抗氧化能力，避免钢纤维表面生锈。

为了获得抵抗摩擦材料摩擦过程中产生的热衰减，保证良好的制动效果效果，本发明采用微弧碳氮化处理钢纤维，使用处理后的钢纤维作为摩擦材料的增强纤维。处理后钢纤维纤表面形成的碳氮化合物具有高的导热率，可以将摩擦中产生的热量迅速导出，抑制热衰减。碳氮化合物还可以保证钢纤维与金属摩擦副在摩擦过程中不产生刺耳的噪音。微弧碳氮化处理后的钢纤维，在其表面原位生长出的碳氮化合物层与钢基体结合牢固，不易脱落。并且碳氮化合物表面能够与高分子粘结剂很好的浸润和与连接，产生了良好的界面粘结，显著地增加了钢纤维的增强作用。在摩擦过程中，钢纤维表面生成的碳氮化合物具有较高的硬度能够有效地抵抗磨损，提高摩擦材料耐磨性能。通过对钢纤维表面进行微弧碳氮化合物处理，既可以保证钢纤维在空气中不被氧化，又能改善摩擦材料的摩擦性能和力学性能。提升摩擦材料的综合使用性能

技术实现要素：

1、要解决的问题

针对现有摩擦材料中钢纤维容易氧化生锈，磨损过快，摩擦过程中产生噪音和摩擦过程中造成的热衰减等问题，本发明的目的在于提供一种微弧碳氮化钢纤维增强复合材料的制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、技术方案

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种微弧碳氮化钢纤维增强复合材料的制备方法，包括以下步骤，

s1：微弧碳氮化电解质溶液的制备，

首先将氯化钾溶解到去离子水中，氯化钾的浓度为8g/l或者10g/l，搅拌后形成澄清的溶液a，

然后选用三乙醇胺和甲酰胺作为碳和氮的来源电解质，将三乙醇胺和甲酰胺以体积比为1：1比例混合均匀，获得溶液b，

最后将溶液a缓慢倒入到溶液b中，搅拌澄清后获得溶液c，溶液c中溶液a的体积含量控制在5-10％范围内；

s2：钢纤维表面的碳氮化处理，

首先将钢纤维在浓度为20％的硫酸溶液或丙酮中浸泡30min，除去表面的油脂等杂物，

然后利用s1获得的溶液c作为电解质，用铜电线将钢纤维与电源的正极相连接，将正极与钢纤维一起浸入到溶液c中进行微弧碳氮化处理，处理时间为20min；

s3：微弧碳氮化处理后金属钢纤维的截段处理，

将s2处理过的钢纤维截成长度为1.5cm或者2.2cm或者2.8cm的长度，此长度利于钢纤维在摩擦材料中均匀分布，且不影响摩擦材料的其他性能；

s4：摩擦材料的制备，

秤取酚醛树脂含量为10％，丁腈橡胶含量为8％，铝矾土含量为10％，石英砂含量为2％，碳酸钙晶须含量为10％，碳酸钡含量为10％，云母含量为5％，蛭石含量为8％，轮胎粉含量为2％，炭黑含量为10％，石油焦含量为5％，氧化铝含量为10％，铬铁矿含量为10％，以及上面所述微弧碳氮化处理的钢纤维，置于搅拌机中搅拌均匀，然后将混合后的粉料倒入钢模具中直到粉料填满模具，对模具施加100mpa压力，并加热至150℃保温20min进行热处理，使得酚醛树脂充分软化并对各种粉料和纤维进行浸润包裹，冷却凝固后形成摩擦材料。

作为本发明进一步的方案：微弧碳氮化处理采用等离子氧化处理，等离子氧化处理的电源参数为：电压230-250v，电流密度8a-10/dm²，频率300hz，占空比为30％。

作为本发明再进一步的方案：s4中使用的热处理工艺是将混合均匀的粉料置于模具中，将模具以10～15℃/min的速率升温至150℃，同时在模具上施加100mpa的压力保温30min。

作为本发明再进一步的方案：施加压力过程中需要经过施加压力至50mpa后保持10秒后立即释放压力，如此反复三次，用以释放高分子材料加热和固化释放的气体，保证摩擦材料的致密性和钢纤维之间的紧密接触。

3、有益效果

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明使用微弧碳氮化后的钢纤维作为摩擦材料的增强纤维，以氯化钾水溶液、三乙醇胺和甲酰胺的混合溶液作为电解液，通过高电流下金属钢纤维表面与电解质发生等离子化学和电化学反应，在钢纤维表面生长一层铁的碳氮化合物涂层，由于涂层具高的硬度，和致密性保证了钢纤维良好的耐磨性和抗氧化腐蚀性能。微弧碳氮化后的钢，在金属纤维表面引入了高硬度耐磨的陶瓷膜，陶瓷膜良好的浸润性可与基体树脂良好的结合，大大提高了钢纤维的增强效果，赋予摩擦材料良好的力学性能。钢纤维表面的碳氮化层硬度高，致密度大，化学性质稳定，能够显著提高钢纤维的抗腐蚀氧化性能，放置摩擦材料在潮湿空气中氧化生锈。钢纤维在摩擦材料中的主要作用是导热。摩擦过程中的热量通过钢纤维及时导出，可以有效地降低摩擦材料的热量，防止摩擦材料的高温热衰减。但是钢纤维热导率是没有办法改变的，在钢纤维表面生长一层碳氮化合物层，这种陶瓷层具有较高的热导率，可以及时有效地将摩擦产生的热量导出材料表面，进一步提高了摩擦材料在高温下的性能。保证摩擦材料良好的高温性能，使其在连续摩擦过程中摩擦性能不下降，制动效果不衰减，高温下可长时间使用。

附图说明

图1为一种微弧碳氮化钢纤维增强复合材料的制备方法中微弧碳氮化后的钢纤维增强摩擦材料与没有碳氮化处理的摩擦材料在不同温度下磨损率对比图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本发明实施例中，一种微弧碳氮化钢纤维增强复合材料的制备方法，包括以下步骤：

s1：微弧碳氮化电解质溶液的制备，

首先将氯化钾溶解到去离子水中，氯化钾的浓度为8g/l或者10g/l，搅拌后形成澄清的溶液a，

然后选用三乙醇胺和甲酰胺作为碳和氮的来源电解质，将三乙醇胺和甲酰胺以体积比为1：1比例混合均匀，获得溶液b，

最后将溶液a缓慢倒入到溶液b中，搅拌澄清后获得溶液c，溶液c中溶液a的体积含量控制在5-10％范围内；

s2：钢纤维表面的碳氮化处理，

首先将钢纤维在浓度为20％的硫酸溶液或丙酮中浸泡30min，除去表面的油脂等杂物，

然后利用s1获得的溶液c作为电解质，用铜电线将钢纤维与电源的正极相连接，将正极与钢纤维一起浸入到溶液c中进行微弧碳氮化处理，处理时间为20min，

优选的，微弧碳氮化处理采用等离子氧化处理，等离子氧化处理的电源参数为：电压230-250v，电流密度8a-10/dm²，频率300hz，占空比为30％；

s3：微弧碳氮化处理后金属钢纤维的截段处理，

将s2处理过的钢纤维截成长度为1.5cm或者2.2cm或者2.8cm的长度，此长度利于钢纤维在摩擦材料中均匀分布，且不影响摩擦材料的其他性能；

s4：摩擦材料的制备，

秤取酚醛树脂、铝矾土、石英砂、丁腈橡胶、碳酸钙晶须、碳酸钡、云母、蛭石、炭黑、石焦油、氧化铝、洛铁矿和轮胎粉等原材料以及上面所述微弧碳氮化处理的钢纤维，置于搅拌机中搅拌均匀，然后将混合后的粉料倒入钢模具中直到粉料填满模具，对模具施加100mpa压力，并加热至150℃保温20min进行热处理，使得酚醛树脂充分软化并对各种粉料和纤维进行浸润包裹，冷却凝固后形成摩擦材料，施加压力过程中需要经过施加压力至50mpa后保持10秒后立即释放压力，如此反复三次，用以释放高分子材料加热和固化释放的气体，保证摩擦材料的致密性和钢纤维之间的紧密接触；

优选的，酚醛树脂含量为10％，丁腈橡胶含量为8％，铝矾土含量为10％，石英砂含量为2％，碳酸钙晶须含量为10％，碳酸钡含量为10％，云母含量为5％，蛭石含量为8％，轮胎粉含量为2％，炭黑含量为10％，石油焦含量为5％，氧化铝含量为10％，铬铁矿含量为10％；

优选的s4中的热处理工艺是将混合均匀的粉料置于模具中，将模具以10～15℃/min的速率升温至150℃，同时在模具上施加100mpa的压力保温30min；

为了确保摩擦材料具有良好的摩擦性能，将微弧碳氮化处理后的钢纤维(直径为150微米)按照每平方分米上钢纤维质量为200g添加到摩擦材料中，并对摩擦材料的磨损率进行测试。为了对比起见，对没有碳氮化处理的钢纤维制备的摩擦材料进行了相同磨损率的测试，结果如图1所示，可以看出，经过碳氮化处理后的钢纤维增强摩擦材料，在任何温度情况下，磨损率显著下降，尤其是高温磨损率与没有处理的钢纤维试样相比，下降明显，这主要是因为碳氮化处理后热导率增加，摩擦材料没有因为受热而软化，导致磨损大幅减少。

实施例2

本发明实施例中，一种微弧碳氮化钢纤维增强复合材料的制备方法，包括以下步骤：

s1：微弧碳氮化电解质溶液的制备，

首先将氯化钾溶解到去离子水中，氯化钾的浓度为8g/l或者10g/l，搅拌后形成澄清的溶液a，

然后选用三乙醇胺和甲酰胺作为碳和氮的来源电解质，将三乙醇胺和甲酰胺以体积比为1：1比例混合均匀，获得溶液b，

最后将溶液a缓慢倒入到溶液b中，搅拌澄清后获得溶液c，溶液c中溶液a的体积含量控制在5-10％范围内；

s2：钢纤维表面的碳氮化处理，

首先将钢纤维在浓度为20％的硫酸溶液或丙酮中浸泡30min，除去表面的油脂等杂物，

然后利用s1获得的溶液c作为电解质，用铜电线将钢纤维(直径为50微米)与电源的正极相连接，将正极与钢纤维一起浸入到溶液c中进行微弧碳氮化处理，处理时间为30min，

优选的，微弧碳氮化处理采用等离子氧化处理，等离子氧化处理的电源参数为：电压230-250v，电流密度8-10a/dm²，频率300hz，占空比为30％；

s3：微弧碳氮化处理后金属钢纤维的截段处理，

将s2处理过的钢纤维截成长度为1.5cm或者2.2cm或者2.8cm的长度，此长度利于钢纤维在摩擦材料中均匀分布，且不影响摩擦材料的其他性能；

s4：摩擦材料的制备，

秤取酚醛树脂、铝矾土、石英砂、丁腈橡胶、碳酸钙晶须、碳酸钡、云母、蛭石、炭黑、石焦油、氧化铝、洛铁矿和轮胎粉等原材料以及上面所述微弧碳氮化处理的钢纤维，置于搅拌机中搅拌均匀，然后将混合后的粉料倒入钢模具中直到粉料填满模具，对模具施加100mpa压力，并加热至150℃保温20min进行热处理，使得酚醛树脂充分软化并对各种粉料和纤维进行浸润包裹，冷却凝固后形成摩擦材料，施加压力过程中需要经过施加压力至50mpa后保持10秒后立即释放压力，如此反复三次，用以释放高分子材料加热和固化释放的气体，保证摩擦材料的致密性和钢纤维之间的紧密接触；

优选的，酚醛树脂含量为10％，丁腈橡胶含量为8％，铝矾土含量为10％，石英砂含量为2％，碳酸钙晶须含量为10％，碳酸钡含量为10％，云母含量为5％，蛭石含量为8％，轮胎粉含量为2％，炭黑含量为10％，石油焦含量为5％，氧化铝含量为10％，铬铁矿含量为10％；

优选的s4中的热处理工艺是将混合均匀的粉料置于模具中，将模具以10～15℃/min的速率升温至150℃，同时在模具上施加100mpa的压力保温30min；

为了确保微弧碳氮化处理后的不同直径钢纤维对摩擦材料具有良好的增强效果和耐磨性能，将钢纤维的直径减小到50微米，钢纤维的密度不变，为200g/dm3，并对摩擦材料的摩擦系数进行测试，摩擦系数保持在0.38-0.43范围内，说明摩擦材料具有良好的摩擦性能，降低钢纤维的密度至100g/dm3，摩擦系数下降到0.36-0.40范围内，说明相同直径钢纤维密度对摩擦系数影响较大；

实施例3

本发明实施例中，一种微弧碳氮化钢纤维增强复合材料的制备方法，包括以下步骤：

s1：微弧碳氮化电解质溶液的制备，

首先将氯化钾溶解到去离子水中，氯化钾的浓度为8g/l或者10g/l，搅拌后形成澄清的溶液a，

然后选用三乙醇胺和甲酰胺作为碳和氮的来源电解质，将三乙醇胺和甲酰胺以体积比为1：1比例混合均匀，获得溶液b，

最后将溶液a缓慢倒入到溶液b中，搅拌澄清后获得溶液c，溶液c中溶液a的体积含量控制在5-10％范围内；

s2：钢纤维表面的碳氮化处理，

首先将钢纤维在浓度为20％的硫酸溶液或丙酮中浸泡30min，除去表面的油脂等杂物，

然后利用s1获得的溶液c作为电解质，用铜电线将钢纤维(直径为150微米)与电源的正极相连接，将正极与钢纤维一起浸入到溶液c中进行微弧碳氮化处理，处理时间为60min，

优选的，微弧碳氮化处理采用等离子氧化处理，等离子氧化处理的电源参数为：电压230-250v，电流密度8-10a/dm²，频率300hz，占空比为30％；

s3：微弧碳氮化处理后金属钢纤维的截段处理，

将s2处理过的钢纤维截成长度为1.5cm或者2.2cm或者2.8cm的长度，此长度利于钢纤维在摩擦材料中均匀分布，且不影响摩擦材料的其他性能；

s4：摩擦材料的制备，

秤取酚醛树脂、铝矾土、石英砂、丁腈橡胶、碳酸钙晶须、碳酸钡、云母、蛭石、炭黑、石焦油、氧化铝、洛铁矿和轮胎粉等原材料以及上面所述微弧碳氮化处理的钢纤维，置于搅拌机中搅拌均匀，然后将混合后的粉料倒入钢模具中直到粉料填满模具，对模具施加100mpa压力，并加热至150℃保温20min进行热处理，使得酚醛树脂充分软化并对各种粉料和纤维进行浸润包裹，冷却凝固后形成摩擦材料，施加压力过程中需要经过施加压力至50mpa后保持10秒后立即释放压力，如此反复三次，用以释放高分子材料加热和固化释放的气体，保证摩擦材料的致密性和钢纤维之间的紧密接触；

优选的，酚醛树脂含量为10％，丁腈橡胶含量为8％，铝矾土含量为10％，石英砂含量为2％，碳酸钙晶须含量为10％，碳酸钡含量为10％，云母含量为5％，蛭石含量为8％，轮胎粉含量为2％，炭黑含量为10％，石油焦含量为5％，氧化铝含量为10％，铬铁矿含量为10％；

优选的s4中的热处理工艺是将混合均匀的粉料置于模具中，将模具以10～15℃/min的速率升温至150℃，同时在模具上施加100mpa的压力保温30min；

为了确保摩擦材料具有良好的耐磨性能，将微弧碳氮化处理的时间延长至60分钟，并将纤维混入摩擦材料中，钢纤维的密度确定为300g/dm³，并对摩擦材料的摩擦系数进行测试，结果显示摩擦系数再0.38-0.43范围内，摩擦材料具有良好摩擦性能，由于微弧碳氮化时间显著增加，钢纤维表面的碳氮化层厚度增加，摩擦材料的耐磨性显著增高，磨损率下降至0.03×10^-7cm³/n×m(100℃)，耐磨性提高的原因是增强纤维表面形成较硬的耐摩层，显著提高了摩擦材料的耐磨性。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。