CN101514251A

CN101514251A - 一种天然纤维与晶须混杂增强的汽车制动复合材料及其制备方法

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Publication number: CN101514251A
Application number: CNA2009101113044A
Authority: CN
Inventors: 高诚辉; 林有希; 何福善; 叶绍炎; 王媛
Original assignee: Fuzhou University
Current assignee: Fuzhou University
Priority date: 2009-03-19
Filing date: 2009-03-19
Publication date: 2009-08-26
Anticipated expiration: 2029-03-19
Also published as: CN101514251B

Abstract

本发明提供一种由天然纤维与无机盐晶须混杂增强汽车制动复合摩擦材料及其制备方法，复合摩擦材料的原料由竹纤维、酚醛树脂、碱式硫酸镁晶须、钢纤维、铜粉、石墨粉、叶蜡石粉、氧化铝、氧化铁、硫酸钡、硬脂酸锌组成；制备步骤包括原料预处理、原料混合搅拌、热压成型和热处理得到成品。本发明利用价格极为低廉的竹纤维增强酚醛树脂，再配以适当的增摩、抗磨剂及填料，发挥基体、纤维/晶须、填料之间的协同耦合作用，从而获得在不同温度下摩擦系数稳定、磨损率小、抗热衰退性高，制动效果好、减震降噪、成本低廉的新型汽车制动复合材料。

Description

一种天然纤维与晶须混杂增强的汽车制动复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种由天然纤维与无机盐晶须混杂增强树脂基摩擦材料，特别是涉及到作为汽车摩擦制动装置、摩擦传动装置中混杂摩擦材料及其制备。

背景技术

汽车工业的高速发展，以及安全、舒适和环保性能的要求进一步提高，对高性能制动材料的研制开发提出新的迫切要求。制动摩擦材料一方面要求要有高且稳定的制动力，即要求在广泛的温度范围内(-40～600℃)及速度、压力与环境改变的情况下摩擦系数保持稳定；另一方面要有良好的耐磨性以保证合适的使用寿命和制动稳定性；还应有良好的导热性、小振动、无噪声、对环境无污染和一定的高温机械强度。

传统的石棉基摩擦材料由于热衰退性及石棉毒害性等问题已日益退出制动摩擦材料市场。目前作为较多的有半金属摩擦材料，主要应用于轿车和重型汽车的盘式刹车片，具有耐热性好，单位面积吸收功率高，导热系数大，能适用于汽车在高速、重负荷运行时的制动工况要求，但其存在制动噪音大、边角脆裂等缺点；NAO摩擦材料，系非石棉混合纤维摩擦材料，通常刹车片为短切纤维型摩擦块，离合器片为连续纤维型摩擦片；粉末冶金摩擦材料，系将铁基、铜基粉状物料经混合、压型，并在在高温下烧结而成，适用于较高温度下的制动与传动工况条件如飞机、载重汽车、重型工程机械的制动与传动，使用寿命长，但制品价格高，制动噪音大，重而脆性大，对偶磨损大；以及碳纤维摩擦材料，具有最佳的摩擦磨损性能，碳纤维摩擦片的单位面积吸收功率高及比重轻，特别适合生产飞机刹车片，国外有些高档轿车的刹车片也使用，但其价格昂贵，应用范围受到限制，产量较少。在以上四种摩阻材料中，NAO型混杂纤维增强制动摩擦材料因其性能调控余地大、工艺简单、原材料获取方便而受到肯定。像钢纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、碳纤维、铜纤维、钛酸钾纤维、云母纤维、硅酸铝纤维、尼龙纤维等新纤维，为广泛开展混杂纤维摩擦材料的研究提供了原料选择余地。但这些混杂纤维摩擦材料价格较贵，且摩擦系数也不够稳定，而寻找适宜的廉价增强相来进一步降低成本，改善性能，成为混杂纤维制动摩擦材料的进一步推广应用的关键因素。

竹纤维是近年来由我国自行开发研制并产业化的新型再生纤维素纤维，被称为“生态纤维”、“天然玻璃纤维”，具有很高的绿色环保性，良好的透气性，独特的回弹性，瞬间吸水性，优良的耐磨性、抗菌性及较强的纵向和横向强度。同时其原料丰富、制备工艺简单，成本极为低廉，尤其是较高的比强度和比模量使其作为新型树脂基复合材料增强材料具有极高的性价比，应用潜力巨大。目前水泥复合材料、复合板材、增强塑料及纺织业等领域中已有应用，但对于高性能工程塑料，尤其是是制动摩擦材料的增强改性方面的应用未见报道。

发明内容

本发明的目的是将竹纤维添加到树脂基摩擦材料中，并与碱式硫酸镁晶须和钢纤维混杂增强，提供一种摩擦系数适中、磨损率低、减震降噪、成本低的新型高性能摩擦复合材料及其制备方法；利用价格极为低廉的竹纤维和碱式硫酸镁晶须混杂增强改性酚醛树脂，发挥竹纤维室温耐磨性好，碱式硫酸镁晶须高温耐磨性佳的特点，配以适当的增摩、抗磨剂及填料等，发挥基体、纤维/晶须、填料之间的协同耦合作用，从而获得在不同温度下摩擦系数适中、稳定，磨损率低，噪音、震动小，具有较好的抗热衰退性，制动效果好、成本低的新型汽车制动复合材料；显著提高复合摩擦材料的摩擦学、热、机械等综合性能并降低成本，为汽车、机械、化工、生物等高新民用工程领域提供适应特殊工况要求的高性能摩擦材料。

本发明的天然纤维与无机盐晶须混杂增强汽车制动复合材料，其特征在于：所述复合摩擦材料的原料由竹纤维、碱式硫酸镁晶须、钢纤维、酚醛树脂、铜粉、石墨粉、叶蜡石粉、氧化铝、氧化铁、硫酸钡、硬脂酸锌组成。

本发明的天然纤维与无机盐晶须混杂增强汽车制动复合材料的制备方法：按照所述的原料重量配比，制备步骤为：

a)原料预处理：将竹纤维放置在烘箱内在100～120℃温度下烘干1～1.5小时，酚醛树脂放在50～60℃烘干0.5小时，其他原料放置烘箱内在120℃温度下烘干1小时；

b)依据“电性混料”原则，取步骤a)中干燥的酚醛树脂、钢纤维、碱式硫酸镁晶须及除竹纤维外的其它各种原料，搅拌4～5分钟，再投入竹纤维，搅拌3～4分钟后出料。搅拌后的混料外观呈羊绒状，各种纤维相互交错，填料和树脂粉末分布其中；

c)将步骤b)搅拌后的材料放入150～160℃热压模具模腔内，在20～25Mpa压力下热压成型，热压保温时间7～10分钟或者根据制品的厚度按1～1.5min/mm确定热压保温时间；在热压开始的20～60秒，必须打开模腔，放气二到三次；

d)将步骤c)热压成型后的制品在烘箱中半小时内升温到150℃，保温12小时，并保持烘箱通风，然后随炉降温冷却得到成品。

较之已有技术而言，本发明基于复合材料设计方法，以竹纤维、碱式硫酸镁晶须、钢纤维为混杂增强剂，目的是提供一种在不同温度下摩擦系数稳定、磨损率低、噪音和震动小、制动效果好、成本低的新型天然纤维增强汽车制动摩擦材料及其制备方法。因此具有下述优点：

1)竹纤维、碱式硫酸镁晶须和钢纤维在摩擦材料起增强作用，提高了基体的承载能力，有效地提高复合材料的比强度和比刚度。同时低温下竹纤维具有较好的耐磨性，对材料的减震降噪，改善耐摩擦磨损性能起十分重要的作用；高温下碱式硫酸镁晶须具有很好的摩擦学性能，而竹纤维的碳化有助于摩擦副间转移膜的形成，减少了摩擦副表面粘着。竹纤维、碱式硫酸镁晶须与钢纤维三者之间明显的混杂效应对制动材料的摩擦学性能有着显著的影响。

2)竹纤维是利用我国广泛生产的竹子为原料，经特殊的高科技工艺处理制取的再生纤维素纤维。其化学成分主要是纤维素、半纤维素和木素，另含有少量灰分等其它物质。其中纤维素是竹纤维最主要的成分。我国竹材资源丰富，成才期较木材短得多，属可再生资源；竹子在生长的过程中，没有任何的污染源，完全来自于自然，制成的竹纤维可自然降解，不会对环境构成负担；同时竹纤维合成工艺也在日益改善，使其成本不断降低，不会因为原料问题而对生产产生影响。

3)由竹纤维与碱式硫酸镁晶须混杂增强的摩擦材料，摩擦系数适中、磨损率低、减震降噪、抗热衰退性能好，成本又低，有很大的应用前景。

具体实施方式

复合摩擦材料的原料配方按照重量份数为：竹纤维4～20份、碱式硫酸镁晶须15～30份、钢纤维5～15份、酚醛树脂20～30份、铜粉5～12份、石墨粉5～15份、氧化铝5～12份、硬脂酸锌1～2份、叶蜡石粉5～10份、氧化铁3～8份、硫酸钡5～20份。

最佳原料配比为：竹纤维4～10份、碱式硫酸镁晶须20～30份、钢纤维5～10份、酚醛树脂18～25份、铜粉5～10份、石墨粉8～15份、氧化铝8～11份、硬脂酸锌1～2份、叶蜡石粉7～10份、氧化铁3～5份、硫酸钡5～15份。

按照所述的原料重量配比，制备步骤为：

b)取步骤a)中干燥的树脂、钢纤维、碱式硫酸镁晶须及除竹纤维外的其它各种原料，搅拌4～5分钟，再投入竹纤维，搅拌3～4分钟后出料。搅拌后的混料外观呈羊绒状，各种纤维相互交错，填料和树脂粉末分布其中；

c)将步骤b)搅拌后的材料放入150～160℃热压模具模腔内，在25～30Mpa压力下热压成型，热压保温时间7～10分钟或者根据制品的厚度按1～1.5min/mm确定热压保温时间；在热压开始的20～60秒，必须打开模腔，放气二到三次；

d)将步骤c)热压成型后的制品在烘箱中半小时内升温到150℃，保温12小时，然后随炉降温冷却，得到成品。

下面通过实施例和比较对本发明作进一步的说明，但本发明并不仅限于这些例子。

实施例1(较佳实施例)

取如下成分配比：竹纤维7份、碱式硫酸镁晶须25份、钢纤维5份、氧化铝11份、石墨6份、酚醛树脂22份、叶蜡石粉10份、氧化铁8份、铜粉10份、硫酸钡15份、硬脂酸锌1份。按下述工艺步骤制备摩擦材料：

a)原料预处理：将竹纤维和其他原料放置在烘箱内在120℃温度下烘干1小时，树脂放在60℃烘干0.5小时；

b)取步骤a)中干燥的酚醛树脂、钢纤维、碱式硫酸镁晶须及除竹纤维外的其它各种原料，搅拌4分钟，再投入竹纤维，搅拌3分钟后出料。搅拌后的混料外观呈羊绒状，各种纤维相互交错，填料和树脂粉末分布其中；

c)将步骤b)搅拌后的材料放入160℃热压模具模腔内，在25Mpa压力下热压成型，热压保温时间9分钟；在热压开始的20～60秒，必须打开模腔，放气二到三次；

实施例2(较佳实施例)

取如下成分配比：竹纤维4份、碱式硫酸镁晶须25份、钢纤维5份、氧化铝8份、石墨12份、酚醛树脂22份、叶蜡石粉10份、氧化铁3份、铜粉10份、硫酸钡10份、硬脂酸锌2份。按下述工艺步骤制备摩擦材料：

a)原料预处理：将竹纤维放置在烘箱内在110℃温度下烘干1.5小时，酚醛树脂放在60℃烘干0.5小时，其他原料放置烘箱内在120℃温度下烘干1小时；

c)将步骤b)搅拌后的材料放入160℃热压模具模腔内，在30Mpa压力下热压成型，热压保温时间8分钟；在热压开始的20～60秒，必须打开模腔，放气二到三次；

实施例3(较佳实施例)

取如下成分配比：竹纤维6份，碱式硫酸镁晶须25份，钢纤维5份，氧化铝11份，石墨10份，酚醛树脂20份，叶腊石粉10份，氧化铁4份，铜粉10份，硫酸钡12份、硬脂酸锌1份。按下述工艺步骤制备摩擦材料：

a)原料预处理：将竹纤维放置在烘箱内在100℃温度下烘干1.5小时，酚醛树脂放在60℃烘干0.5小时，其他原料放置烘箱内在120℃温度下烘干1小时；

b)取步骤a)中干燥的树脂、钢纤维、碱式硫酸镁晶须及除竹纤维外的其它各种原料，搅拌4分钟，再投入竹纤维，搅拌3分钟后出料。搅拌后的混料外观呈羊绒状，各种纤维相互交错，填料和树脂粉末分布其中；

c)将步骤b)搅拌后的材料放入160℃热压模具模腔内，在27Mpa压力下热压成型，热压保温时间9分钟；在热压开始的20～60秒，必须打开模腔，放气二到三次；

对比实验：

取实施例一的样品为试样一，实施例二的样品为试样二，实施例三的样品为试样三，另取山东东营信义汽车配件有限公司生产的桑塔纳2000前制动片为试样四，德国ContinentalTeves AG&Co.OHG生产的ATE126FF桑塔纳用无石棉制动片为试样五；日本トヨタ自動車株式会社生产TOYOTA用制动片为试样六，以上制成的复合材料试样，在JF150D-II型定速摩擦实验机上进行摩擦学性能测试，对偶摩擦盘为HT250，珠光体组织，硬度为HB180～220，转速480±10r/min。试样尺寸25mm×25mm×(5～7)mm，承载压力1MPa。按照盘式制动器用衬片国家标准(GB5763-1998)，分别测定升温和降温过程中盘温100℃，150℃，200℃，250℃，300℃，350℃时对摩5000转的摩擦系数、磨损率。以μ_max-μ_min表征摩擦系数的稳定性，分别以μ₃₅₀/μ₁₀₀和M₁₀₀/M₃₅₀来表征摩擦系数和耐磨性的抗热衰退性。

六种样品测试结果以及盘式制动器用衬片国家标准许用值分列对比如下：

盘式制动器用衬片国家标准(GB5763-1998)

本专利研制的新型汽车制动复合材料，室温摩擦系数适中，在100℃-350℃温度范围内，μ_max-μ_min最小，即变温过程摩擦系数的波动值很小，稳定性最佳。不仅远低于国标GB5763-98允许摩擦系数的波动值，而且也比国内外优质产品的对比试样均小，即摩擦稳定性优于国内外产品。高温摩擦系数略高于低温摩擦系数，所有样品都没有出现热衰退现象。磨损率除略高于德国产的品牌外，均低于其他两种国内外品牌产品。耐磨性热衰退较小，其值还略高于国内外品牌产品。尤其是本实施例3，在300℃温度以下，磨损率都很低，350℃耐磨性也还不错。说明本专利研制的新型汽车制动复合材料摩擦学性能优于国内外产品。同时，与其它同类材料相比，竹纤维增强的制动摩擦材料在服役过程中具有减震和降噪的突出优势，这对制备“环境友好”的摩擦材料有积极的意义。

此外，本发明并不局限于上述的组配与制备方法，同样适用于其他的组配与制备方法，只要利用竹纤维作为增强相及其与碱式硫酸镁晶须混杂来组配和制备汽车制动摩擦材料，均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种由天然纤维与无机盐晶须混杂增强的汽车制动复合材料，其特征在于：所述复合摩擦材料的原料由竹纤维、碱式硫酸镁晶须、钢纤维、树脂、铜粉、石墨粉、叶蜡石粉、氧化铝、氧化铁、硫酸钡、硬脂酸锌组成。

2.根据权利要求1所述的由天然纤维与无机盐晶须混杂增强的汽车制动复合材料，其特征在于：所述树脂为酚醛树脂。

3.根据权利要求2所述的由天然纤维与无机盐晶须混杂增强的汽车制动复合材料，其特征在于：所述复合摩擦材料的原料配方按照重量份数为：竹纤维4～20份、碱式硫酸镁晶须15～30份、钢纤维5～15份、酚醛树脂20～30份、铜粉5～12份、石墨粉5～15份、氧化铝5～12份、硬脂酸锌1～2份、叶蜡石粉5～10份、氧化铁3～8份、硫酸钡5～20份。

4.根据权利要求3所述的由天然纤维与无机盐晶须混杂增强汽车制动复合材料，其特征在于：所述复合摩擦材料的原料配方按照重量份数为：竹纤维4～10份、碱式硫酸镁晶须20～30份、钢纤维5～10份、酚醛树脂18～25份、铜粉5～10份、石墨粉8～15份、氧化铝8～11份、硬脂酸锌1～2份、叶蜡石粉7～10份、氧化铁3～5份、硫酸钡5～15份。

5.一种如权利要求1、2、3或4所述的由天然纤维与无机盐晶须混杂增强汽车制动复合材料的制备方法，其特征在于：按照所述的原料重量配比，制备步骤为：

a)原料预处理：将竹纤维放置在烘箱内在100～120℃温度下烘干1～1.5小时，树脂放在50～60℃烘干0.5小时，其他原料放置烘箱内在120℃温度下烘干1小时；

b)依据“电性混料”原则，取步骤a)中干燥的树脂、钢纤维、碱式硫酸镁晶须及除竹纤维外的其它各种原料，搅拌4～5分钟，再投入竹纤维，搅拌3～4分钟后出料；搅拌后的混料外观呈羊绒状，各种纤维相互交错，填料和树脂粉末分布其中；

6.根据权利要求4所述的由天然纤维与无机盐晶须混杂增强汽车制动复合摩擦材料的制备方法，其特征在于：所述步骤b)的搅拌机为装有叶片和横筋的搅拌机，旋转速度不小于1000rpm。