一种抗热衰减摩擦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，特别涉及一种抗热衰减摩擦材料的制备方法。

背景技术：

汽车刹车装置用摩擦材料是汽车制动器的关键材料。刹车过程中，摩擦材料与汽车摩擦副相接触，在一定压力下相互摩擦，从而实现汽车的制动刹车。在复杂的路况和连续下坡路段，由于频繁的刹车，刹车片与摩擦副的连续摩擦，使得接触部位迅速升温，当温度达到一定值后，摩擦材料出现摩擦系数迅速下降，制动失灵的，这种现象叫做摩擦材料的热衰减。摩擦材料的热衰减严重影响汽车的制动效果和车内乘客的安全，因此，必须抑制摩擦材料的热衰减。

刹车用摩擦材料要求具有高的摩擦系数和低的磨损率。为了保证良好的耐磨性，使用各种无机颗粒作为填料，提高摩擦材料的耐磨性。除了无机填料外，添加各种增强纤维用用以提高摩擦材料的力学性能，各种填料和纤维添加在一起需要有效的粘结剂进行粘结，形成块体材料。通常使用酚醛树脂作为粘结剂，在一定温度下，酚醛树脂形成熔融态，将各种填料和增强纤维粘结在一起，并赋予摩擦材料良好的力学性能。但是，由于使用了酚醛树脂粘结剂，当摩擦升温时，不可避免的产生热衰减现象。温度越高，热衰减越严重，从而限制了摩擦材料在苛刻环境下的使用，尤其影响在复杂路况下和连续坡道路面下汽车的制动效果。除此之外，针对重型机车，比如重型卡车、坦克和各种大型工程机械的以及大型拖拉机的制动，要求刹车摩擦系数稳定，高温制动效果好。对摩擦材料提出了更高的要求。

为了保证良好的高温摩擦性能，在传统的酚醛树脂和各种填料、纤维的混合料中植入耐高温的多孔硬质骨架。多孔硬质骨架自身有良好的的导热系数，可将摩擦过程中产生的热量快速导出，从而很好地抑制了摩擦材料的热衰减。高温下，即使填料和粘结剂软化，由于硬质骨架的支持作用，能够很好地保证摩擦材料的高温力学性能。多孔硬质骨架材料中含有石墨相，石墨具有良好的减摩和自润滑性能，保证摩擦材料具有良好的抗磨损性能，显著提高摩擦材料的使用寿命。将多孔硬质骨架植入到材料内部制备摩擦材料具有的优势是：抑制了热衰减，增强了摩擦材料的高温力学性能，增加摩擦材料的抗磨损性能从而显著增加了使用寿命。

技术实现要素：

针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种抗热衰减摩擦材料的制备方法，其制备简单，本制备材料抑制了热衰减，增强了摩擦材料的高温力学性能，增加摩擦材料的抗磨损性能从而显著增加了使用寿命。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种抗热衰减摩擦材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，多孔碳骨架的制备：

1.1选取粒度为50-100um的石墨粉作为原料a；

1.2将聚乙烯醇倒入到去离子水中，加热至40-50℃范围内搅拌，形成的聚乙烯醇水溶液b；

1.3将原料a倒入到溶液b中，搅拌均匀后形成具有良好塑性的碳泥c；通过调节聚乙烯醇水溶液b的用量，使得碳泥的黏度控制在20-25帕·秒；

1.4使用蜂窝陶瓷挤压机将碳泥c挤出成型，形成直径为3mm，壁厚为2mm的圆形蜂孔碳骨架，在温度60℃的环境下，缓慢干燥碳骨架；

1.5将干燥的碳支架置于400℃下在n2和h2混合气体保护下热处理24小时，让聚乙烯醇充分碳化；

1.6将碳化后的碳支架在1800℃下热处理2小时，使得碳化后的聚乙烯醇变成石墨形态，赋予碳骨架足够的强度，获得石墨化的碳骨架d；

步骤2，摩擦材料的制备：

将秤取适量的酚醛树脂、铝矾土、硅酸铝、丁腈橡胶、碳酸钙晶须、碳酸钡、云母、蛭石、氧化铝、钢棉和铬铁矿等原材料置于搅拌机中混合均匀；

步骤3，摩擦混合料和多孔碳骨架的复合：

将步骤1所制备的碳支架d裁成高度为10mm的片，置于金属模具中，将步骤2所获得的摩擦材料的混合物倒入金属模具中并填满模具，抹平粉料后，将模具置于温度为160℃的热压机中，并施加50mpa的压力，保持20分钟，然后冷却脱模形成复合材料；

步骤4，摩擦材料的热处理：

将步骤3所形成的复合材料置于温度为120℃的热处理炉中热处理12小时，然后随炉冷却，形成最终的摩擦材料成品。

进一步，所述步骤1中溶液b中聚乙烯醇的浓度为25～30g/l。

进一步，所述步骤1中溶液b中的六偏磷酸钠的浓度为4～6g/l。

进一步，所述步骤1中碳泥c中pva的质量百分比为10～20%。

进一步，所述步骤1碳骨架挤出成型的压力控制在200-200mpa。

本发明的有益效果为：

本发明使用多孔碳骨架作为摩擦材料的内置增强骨架材料。传统的摩擦材料由于没有整体的骨架支撑，材料的强度仅仅依靠颗粒之间的粘结剂和增强纤维起主要贡献，这种结构在低温下可以保持良好的力学性能。但是，随着温度的逐渐升高，由于没有整体性的支持，高温下粘结剂软化使得颗粒于颗粒之间，颗粒与纤维之间以及纤维之间丧失了强有力的支持，因此高温力学性能和高温耐磨性变差，产生热衰减现象。本发明在摩擦材料内部植入整体性的多孔碳骨架，碳骨架在高温下保持良好的强度，克服了传统的配方中热衰减，同时保证了良好的高温力学性能。整体性的碳骨架具有良好的导热性能，可以进一步抑制热衰减。碳骨架中的石墨成分有效地增加了润滑性，大幅提高了摩擦材料的摩擦寿命，减少了磨损，尤其是减少了高温磨损。

附图说明

图1是植入碳骨架后摩擦材料的摩擦系数与磨损时间关系图；

图2是植入碳骨架后摩擦材料的摩擦系数与温度关系图；

图3是内置碳骨架后摩擦材料的磨损率与没有内置碳骨架磨损率对比图。

具体实施方式

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，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。

实施例1：

本发明一种抗热衰减摩擦材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，多孔碳骨架的制备：

1.1选取粒度为50-100um的石墨粉作为原料a；

1.2将聚乙烯醇倒入到去离子水中，加热至40-50℃范围内搅拌，形成的聚乙烯醇水溶液b；

1.3将原料a倒入到溶液b中，搅拌均匀后形成具有良好塑性的碳泥c；通过调节聚乙烯醇水溶液b的用量，使得碳泥的黏度控制在20-25帕·秒；

1.4使用蜂窝陶瓷挤压机将碳泥c挤出成型，形成直径为3mm，壁厚为2mm的圆形蜂孔碳骨架，在60℃下缓慢干燥碳骨架；

1.5将干燥的碳支架置于400℃下在n2和h2混合气体保护下热处理24小时，让聚乙烯醇充分碳化；

1.6将碳化后的碳支架于1800℃下热处理2小时，使得碳化后的聚乙烯醇变成石墨形态，赋予碳骨架足够的强度，获得石墨化的碳骨架d；

步骤2，摩擦材料混合料的制备：

将秤取的酚醛树脂、铝矾土、硅酸铝、丁腈橡胶、碳酸钙晶须、碳酸钡、云母、蛭石、氧化铝、钢棉和铬铁矿等原材料置于搅拌机中混合均匀；

步骤3，摩擦混合料和多孔碳骨架的复合：

将步骤1所制备的碳支架d裁成高度为10mm的片，置于金属模具中，将步骤2所获得的摩擦材料的混合物倒入金属模具中并填满模具，抹平粉料后，将模具置于温度为160℃的热压机中，并施加50mpa的压力，保持20分钟，然后冷却脱模形成复合材料；

步骤4，摩擦材料的热处理：

将步骤3所形成的复合材料置于温度为120℃的热处理炉中热处理12小时，然后随炉冷却，形成最终的摩擦材料成品；

步骤1中溶液b中聚乙烯醇的浓度为25～30g/l。步骤1中碳泥c中pva的质量百分比为10～20%。步骤1碳骨架挤出成型的压力控制在200-200mpa。步骤1中碳化保护气氛中h2的含量为2-5%；

步骤2中具体为：酚醛树脂含量为10-12%，硅酸铝含量为8-10%，丁腈橡胶含量为8-10%，铝矾土含量为10-12%，碳酸钙晶须含量为8-10%，碳酸钡含量为8-10%，云母含量为5-7%，蛭石含量为10-12%，钢棉含量为7-8%，氧化铝含量为10-12%，铬铁矿含量为8-10%。

步骤3中热处理是将混合均匀的粉料置于模具中，电阻加热至160℃，以10～15℃/min的速率升温至160℃，在模具上施加50mpa的压力保温20min。

通过以上步骤获得的摩擦材料，摩擦系数在0.38-0.42范围内，如图1所示，在室温-350℃范围内，摩擦系数保持稳定，在0.37-0.42范围内，如图2所示，磨损率在0.14-0.35×10-7cm3/nm，如图3所示。

实施例2：

步骤1，多孔陶瓷骨架的制备：

1.1选取粒度为50-100um的铝矾土粉作为原料a，粘土作为原料b；

1.2将聚乙烯醇倒入到去离子水中，加热至40-50℃范围内搅拌，形成的聚乙烯醇水溶液c；

1.3将原料a和b混合均匀，倒入到溶液c中，搅拌均匀后形成具有良好塑性的铝矾土泥料d；通过调节聚乙烯醇水溶液c的用量，使得碳泥的黏度控制在20-25帕·秒；

1.4使用蜂窝陶瓷挤压机将碳泥d挤出成型，形成直径为3mm，壁厚为2mm的圆形蜂孔碳骨架，在60℃下缓慢干燥陶瓷骨架；

1.5将干燥的碳支架置于400℃下在空气下热处理24小时，让聚乙烯醇充分碳化和分解；

1.6将热处理后的陶瓷骨架在1600℃下热处理2小时，使得陶瓷粉料烧结在一起，赋予陶瓷骨架架足够的强度，获得陶瓷骨架e；

步骤2，摩擦材料混合料的制备：

将秤取的酚醛树脂、铝矾土、硅酸铝、丁腈橡胶、碳酸钙晶须、碳酸钡、云母、蛭石、氧化铝、钢棉和铬铁矿等原材料置于搅拌机中混合均匀；

步骤3，摩擦混合料和多孔碳骨架的复合：

将步骤1所制备的碳支架e裁成高度为10mm的片，置于金属模具中。将步骤2所获得的摩擦材料的混合物倒入金属模具中并填满模具，抹平粉料后，将模具置于温度为160℃的热压机中，并施加50mpa的压力，保持20分钟，然后冷却脱模形成复合材料；

步骤4，摩擦材料的热处理：

将步骤3所形成的复合材料置于温度为120℃的热处理炉中热处理12小时，然后随炉冷却，形成最终的摩擦材料成品；

步骤1中溶液c中聚乙烯醇的浓度为25～30g/l。步骤1中碳泥c中pva的质量百分比为10～20%。步骤1碳骨架挤出成型的压力控制在200-200mpa。

步骤2中具体为：酚醛树脂含量为10-12%，硅酸铝含量为8-10%，丁腈橡胶含量为8-10%，铝矾土含量为10-12%，碳酸钙晶须含量为8-10%，碳酸钡含量为8-10%，云母含量为5-7%，蛭石含量为10-12%，钢棉含量为7-8%，氧化铝含量为10-12%，铬铁矿含量为8-10%。

步骤3中热处理是将混合均匀的粉料置于模具中，电阻加热至160℃，以10～15℃/min的速率升温至160℃，在模具上施加50mpa的压力保温20min。

通过以上步骤获得了陶瓷骨架增强摩擦材料，摩擦系数在0.36-0.41范围内，磨损率在0.23-0.3×10-7cm3/nm。

实施例3：

步骤1，多孔碳陶骨架的制备：

1.1选取粒度为50-100um的铝矾土粉作为原料a，粘土作为原料b，石墨粉作为原料c；

1.2将聚乙烯醇倒入到去离子水中，加热至40-50℃范围内搅拌，形成的聚乙烯醇水溶液d；

1.3将原料a、b和c混合均匀，倒入到溶液d中，搅拌均匀后形成具有良好塑性的碳陶泥料e；通过调节聚乙烯醇水溶液d的用量，使得碳陶泥的黏度控制在20-25帕·秒；

1.4使用蜂窝陶瓷挤压机将碳陶泥e挤出成型，形成直径为3mm，壁厚为2mm的圆形蜂孔碳骨架，在60℃下缓慢干燥碳陶骨架；

1.5将干燥的碳陶支架置于400℃下在n2下热处理24小时，让聚乙烯醇充分碳化；

1.6将热处理后的碳陶骨架在1800℃下热处理2小时，使得陶瓷粉料和碳粉完全烧结在一起，赋予碳陶骨架架足够的强度，获得陶瓷骨架f；

步骤2，摩擦材料混合料的制备：

将秤取的酚醛树脂、铝矾土、硅酸铝、丁腈橡胶、碳酸钙晶须、碳酸钡、云母、蛭石、氧化铝、钢棉和铬铁矿等原材料置于搅拌机中混合均匀；

步骤3，摩擦混合料和多孔碳骨架的复合：

将步骤1所制备的碳支架f裁成高度为10mm的片，置于金属模具中。将步骤2所获得的摩擦材料的混合物倒入金属模具中并填满模具，抹平粉料后，将模具置于温度为160℃的热压机中，并施加50mpa的压力，保持20分钟，然后冷却脱模形成复合材料；

步骤4，摩擦材料的热处理：

将步骤3所形成的复合材料置于温度为120℃的热处理炉中热处理12小时，然后随炉冷却，形成最终的摩擦材料成品；

步骤1中溶液d中聚乙烯醇的浓度为25～30g/l。步骤1中碳泥e中pva的质量百分比为10～20%。步骤1碳骨架挤出成型的压力控制在200-200mpa。

步骤2中具体为：酚醛树脂含量为10-12%，硅酸铝含量为8-10%，丁腈橡胶含量为8-10%，铝矾土含量为10-12%，碳酸钙晶须含量为8-10%，碳酸钡含量为8-10%，云母含量为5-7%，蛭石含量为10-12%，钢棉含量为7-8%，氧化铝含量为10-12%，铬铁矿含量为8-10%。

步骤3中热处理是将混合均匀的粉料置于模具中，电阻加热至160℃，以10～15℃/min的速率升温至160℃，在模具上施加50mpa的压力保温20min。

通过以上步骤获得了陶瓷骨架增强摩擦材料，摩擦系数在0.38-0.43范围内，磨损率在0.21-0.23×10-7cm3/nm。

以上所述仅为本发明专利的较佳实施例而已，并不用以限制本发明专利，凡在本发明专利的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明专利的保护范围之内。