本发明涉及刹车片技术领域，尤其涉及一种垫层料及其制备方法和用途。
背景技术：
自从世界上出现动力机械和机动车辆后，在其传动和制动机构中就要使用摩擦材料，依靠摩擦作用来执行制动和传动功能。根据摩擦材料材质或基体的不同，可以把摩擦材料分为树脂基摩擦材料、金属基摩擦材料、炭炭复合材料和陶瓷基摩擦材料四类。而对于大部分的乘用车、商用车型，树脂基摩擦材料仍占有绝对地位。
摩擦材料的优劣不仅决定着汽车制动性能的高低，还关系着驾驶员和乘客的生命安全。对于树脂基摩擦材料，由于有机树脂粘结剂的存在往往其在高温极易氧化分解等因素，会导致制动片在高温制动过程中各项性能的衰减。因此，随着行业内技术的发展，摩擦材料中酚醛树脂等有机粘结剂的添加量正逐渐减少，有机粘结剂含量的降低，使得摩擦材料与背板之间的粘接强度进而降低，尤其在高温高速制动条件下(制动末温度可达400℃～600℃，甚至更高)制动片的散热性较差，长时间的高温会造成粘接强度迅速降低，进而摩擦材料衬片极易从背板上脱落，成为了当前提升制动安全性能的新难题。
专利cn202937707u中公开了一种耐高温隔热功能的刹车片，即在摩擦材料靠近钢背板的一侧增加了一个4mm的耐高温隔热层，从阻隔热量传递的角度，防止制动过程产生的制动片高温易损耗、工作效率低等缺点，该专利并未涉及其隔热层与钢背板和摩擦材料层粘接强度的问题，且4mm的隔热层中含有机酚醛树脂占比47％，改性酚醛树脂占比21％，摩擦粉10％，其中共有78％的有机物，在高温条件下极易氧化分解，尤其在高温高速制动条件下将迅速丧失粘接力，存在极大的制动安全隐患；另外，由于不同车型的制动片总成结构、厚度等不尽相同，因此4mm的厚度并不能满足所有车型对于制动安全性的要求。
技术实现要素：
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种垫层料及其制备方法和用途，克服现有技术中所存在的垫层料存在安全隐患，无法满足所有车型的制动要求。
为了实现上述目的或者其他目的，本发明是通过以下技术方案实现的。
一种垫层料，以垫层料的原料组分的总质量为基准计，所述垫层料包括以下原料组分及质量百分含量：有机粘结剂5％-15％、碳素材料1％-5％、纤维材料40％-55％、填料25％-40％。
优选地，所述有机粘结剂的质量百分含量为5％-10％。
优选地，所述有机粘结剂选自酚醛树脂(未改性)或改性酚醛树脂的一种或多种。
更优选地，所述有机粘结剂选自酚醛树脂、硼改性酚醛树脂、有机硅改性酚醛树脂、环氧改性树脂中的一种或多种。
优选地，所述有机粘结剂的凝胶时间为10s-150s(150℃)。
优选地，所述碳素材料选自粉体石墨烯、片状石墨烯、改性石墨烯的一种或多种。
石墨烯是一种强度较大、导热导电性能较好的纳米材料，可参与树脂的固化交联过程，对固化后的树脂强度增强效果明显；其中石墨烯按照其层数可分为单层石墨烯(由1层苯环结构的碳原子组成的碳材料)、双层石墨烯(由2层苯环结构的碳原子组成的碳材料)、少层石墨烯(由3～10层苯环结构的碳原子组成的碳材料)和多层石墨烯(由10层以上苯环结构的碳原子组成的碳材料)。优选地，改性石墨烯选自硅烷偶联剂改性石墨烯，以提高石墨烯在垫层料中的分散性和结合强度等。
本发明中优选单层石墨烯、双层石墨烯、少层石墨烯中的一种或多种，石墨烯的片层尺寸为5～20μm；石墨烯或改性石墨烯纯度为60～100％。
更优选地，所述碳素材料选自单层石墨烯和双层石墨烯，片层尺寸为5～10μm，石墨烯或改性石墨烯纯度为70-90％，添加量1％-5％。
优选地，所述纤维材料选自无机纤维或金属纤维的一种或多种。所述纤维材料可选自除石棉之外安全环保材料中的任意一种。优选地，所述纤维材料选自硅酸铝纤维、陶瓷纤维、玻璃纤维、岩棉、钢纤维、铝纤维中的一种或几种。
优选地，所述填料可选自行业内常规填料。优选地，所述填料选自硫酸钡、碳酸钙、硫酸钙、钛酸盐、高岭土、长石粉、蛭石粉、沸石、硅藻土、凹凸棒土、氧化铁红、氧化铁黑、氧化铁黄、氧化镁、二氧化钛、氧化铝、硅酸锆、氧化锆、莫来石、铝矾土、轮胎粉、炭黑中的一种或多种。
本发明还提供了一种所述垫层料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将碳素材料、有机粘结剂、纤维材料混合搅拌，使碳素材料和有机粘结剂均匀涂覆在纤维材料表面；
(2)加入填料，混合均匀，即得垫层料。
步骤(1)中搅拌时间为3-5min，搅拌速度为3000转/分钟。
步骤(2)中搅拌时间为5-10min，搅拌速度为3000转/分钟。
本发明还提供了一种所述垫层料在制动片中的用途。
使用时，将摩擦材料层置于热压模具型腔中，摊平后，加入垫层料，摊平，放置钢背，热压成型，脱模，热处理并后处理获得制动片。
具体地，采用常规的模压成型工艺，将摩擦材料层混合料进行预成型后置于热压模具型腔中或直接置于热压磨具型腔并进行充分搅拌，摊平，然后加入垫层料，对垫层料搅拌并摊平，放置背板，热压成型，脱模，热处理，继续进行磨削、烧蚀、喷塑等常规后处理工序获得制动片成品。
优选地，所述垫层料厚度为1-2mm或2.5-3.5mm。更优选地，当摩擦材料层混合料用量小于垫层料用量的2倍时，垫层料厚度为1-2mm；当摩擦材料层混合料用量大于垫层料用量的2倍时，垫层料厚度为2.5-3.5mm。
其中，所述摩擦材料层选用行业内常规的摩擦材料。优选地，所述摩擦材料层所选用材料包括有机树脂粘结剂、增强纤维、摩擦性能调节剂、填料。其中，增强纤维、摩擦性能调节剂、填料均选自本行业内常规材料。
但是本发明中应保证垫层料中所采用的有机粘结剂，在相同聚合温度下，垫层料中酚醛树脂的聚合时间要小于或等于摩擦材料层中有机树脂粘结剂的聚合时间。更优选地，垫层料中树脂的聚合时间小于摩擦材料层中有机树脂粘结剂的聚合时间。
其中，摩擦材料层中有机树脂粘结剂可选用未改性酚醛树脂及改性酚醛树脂中的一种及多种，且凝胶时间为20s-200s(150℃)。
聚合时间又称为凝胶时间，其时间的长短可表征在相同温度条件下聚合速度的快慢，其中凝胶时间可参考gb/t24411-2009标准中附录a4方法测得。
优选地，优选地，热压成型温度为140-165℃。
优选地，热处理是指将脱模后的制动片在180-200℃下烘烤2.0-3.0h，冷却至室温。
综合以上，相对于传统制动片，本发明所提供的垫层料添加了石墨烯，石墨烯可参与垫层料中树脂的固化交联进而提升垫层的机械强度，同时提升垫层料的散热性能；在与树脂基摩擦材料层匹配使用时，除具有阻隔热量传递的功能外，还可大大提升制动片的常温和高温剪切强度，并能提供一定的制动效力；同时，本发明针对不同类型的制动片规定了垫层料的使用厚度，降低了制动安全隐患；为了保护环境，本发明的垫层料中无铜等重金属成分且不含石棉，符合全球刹车片行业环保无铜化发展的趋势。
附图说明
图1为制动片结构示意图；
图2为图1的剖视图。
元件标号说明
1钢背2摩擦材料层3垫层料。
具体实施方式
以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。还应当理解，本发明实施例中使用的术语是为了描述特定的具体实施方案，而不是为了限制本发明的保护范围。下列实施例中未注明具体条件的试验方法，通常按照常规条件，或者按照各制造商所建议的条件。
当实施例给出数值范围时，应理解，除非本发明另有说明，每个数值范围的两个端点以及两个端点之间任何一个数值均可选用。除非另外定义，本发明中使用的所有技术和科学术语与本技术领域的技术人员对现有技术的掌握及本发明的记载，还可以使用与本发明实施例中所述的方法、设备、材料相似或等同的现有技术的任何方法、设备和材料来实现本发明。
本发明实施例中所采用的原料均为本领域技术人员所熟知的常规物料，可通过一般商业途径获得，其中，实施例中选用粉体氧化石墨烯，该氧化石墨烯使用hummers法，通过氧化-剥离-还原的方式加工获得。
本发明实施例中摩擦材料层2为本领域内常规配方，其中有机树脂粘结剂选用未改性酚醛树脂a，其在150℃下的聚合时间为130s，(其聚合速度可通过控制树脂固化添加剂的添加量来实现，此处使用a代码以区分垫层3中同为未改性酚醛树脂却有不同聚合速度的b)，实施例中的垫层料3的有机粘合剂随机选取以下树脂中一种或几种：未改性酚醛树脂b，150℃下的聚合时间为90s；硼改性酚醛树脂，150℃下的聚合时间为75s；环氧改性酚醛树脂，150℃下的聚合时间为80s；有机硅改性酚醛树脂，150℃下的聚合时间为60s。纤维材料选自岩棉、陶瓷纤维、钢纤维中的一种或几种。填料选自硫酸钡、氧化镁、高岭土、二氧化钛、硫酸钙、蛭石粉、氧化铝中的一种或几种。
其中，本发明实施例中垫层料的制备方法为：
将上述氧化石墨烯、有机粘结剂与纤维材料在罗迪格犁耙式高速搅拌机中混合3min，其中主轴转速为300转/min，飞刀转速为3000转/min；加入填料至罗迪格犁耙式高速搅拌机中，设定主轴转速为300转/min，飞刀转速为3000转/min，继续搅拌5min，使垫层料混合均匀。
将制备好的垫层料用于树脂基制动片中，其中摩擦材料层中所采用的树脂为未改性酚醛树脂a。制备方法为：采用常规的模压成型工艺，将摩擦材料层混合料进行预成型后置于热压模具型腔中，摊平，然后加入垫层料，对垫层料搅拌并摊平，放置背板，热压成型，脱模，热处理，继续进行磨削、烧蚀、喷塑等常规后处理工序获得制动片成品。其中，本实施例摩擦材料层混合料用量为120g，垫层混合料用量为30g，摩擦材料层混合料用量大于垫层混合料用量的2倍，因此，垫层厚度应在为2.5mm-3.5mm范围。
其中，实施例及对比例中所选用的材料及配比如表1所示。
表1
其中，评价指标中所进行的测试具体为：
常温、高温剪切强度：剪切强度为失效载荷与剪切面积之比，用以评价在常温和高温条件下摩擦材料层与背板之间的粘接力大小，按照iso6312-2010标准中规定的测试方法进行检测。
垫层摩擦系数：摩擦系数为摩擦力与加在试片上的法向力的比值，用以评价制动片磨损至垫层厚度时垫层能产生的制动效力大小，按照saej661-2012标准中规定的测试方法对垫层料进行常温、高温摩擦系数的表征。
由表1可以看到，含垫层料的实施例1-4与无垫层料的对比例2相比，常温、高温剪切强度明显增强；同时，垫层料中含氧化石墨烯的实施例2与无氧化石墨烯的对比例3相比，常温、高温剪切强度增强效果明显，且常温、高温摩擦系数有明显提升；另外，实施例垫层厚度满足制动片摩擦材料层用料量大于垫层料用料量的2倍时，垫层厚度控制在2.5mm～3.5mm之间的要求，与不满足本发明使用方法的对比例1相比，剪切强度有明显提升。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。