CN106051006A - 稀土氧化物改性树脂基汽车制动摩擦材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种稀土氧化物改性树脂基汽车制动摩擦材料及其制备方法，稀土氧化物以掺杂方式均匀地分散到制动摩擦材料中，制成汽车制动摩擦材料；制动摩擦材料由稀土氧化物、增强纤维、酚醛树脂与摩擦性能调节剂组成；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。本发明利用我国极其重要战略资源的稀土氧化物来改性树脂基制动摩擦材料，提高树脂基体的耐高温性能及抗热衰退性能，大幅提高摩擦材料的综合性能，使其性能接近陶瓷基摩擦材料性能，可推动高性价比制动摩擦材料的发展，具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及材料学领域，更具体涉及一种稀土氧化物改性树脂基汽车制动摩擦材料及其制备方法。
背景技术
随着全球汽车工业的高速发展以及对安全、舒适和环保性能的要求进一步提高，开发高综合性能、无石棉、无污染的摩擦制动材料成为摩擦材料行业与汽车工业发展的重要问题。摩擦材料传统配方中许多“有益”的组分（如石棉）逐渐被认识到其生态危害性，已日益退出制动摩擦材料市场。随后，人们又发现摩擦材料在生产和使用过程中形成的颗粒中含有一定的重金属元素，对人类和自然界的动植物存在着威胁和伤害。因此，摩擦材料的无石棉化、无金属化是未来制动材料的趋势。无石棉汽车制动摩擦材料按其材质可分为树脂基摩擦材料、粉末冶金摩擦材料、碳/碳复合摩擦材料和陶瓷基摩擦材料。树脂基摩擦材料是以树脂作为粘结剂采用热压工艺成型，因其生产工艺简单、价格低、性能优良，是目前应用最为广泛的汽车制动摩擦材料。由于酚醛树脂耐热性有限，而作为基体的树脂粘结剂其耐高温性能对制动材料的抗热衰退性能起着决定性的作用。因此，如何提高树脂基体的耐高温性能是获得高性能汽车制动摩擦材料的关键。粉末冶金摩擦材料采用高温烧结工艺制成，解决了树脂基摩擦材料高温摩擦系数不稳定、热衰退及高温磨损率大的问题。但粉末冶金刹车材料制造工艺复杂、成本大、制动噪声大及对对偶材料磨损大等缺点又制约其不能在汽车制动摩擦材料上获得广泛应用。碳/碳复合摩擦材料成本高、对使用环境要求高等不足限制了其应用推广，目前主要用于飞机刹车片。陶瓷基摩擦材料结合了粉末冶金刹车材料的高温烧结及碳/碳复合刹车材料的低密度和耐高温性能，其制品成本较高，目前主要应用于高速列车、坦克上。综上所述，开发一种具有陶瓷基摩擦材料性能的树脂基摩擦材料，不仅可大大降低制品的成本，同时可大幅提高摩擦材料的综合性能，使其在汽车、飞机、高速列车等领域获得广泛应用。
稀土有工业“工业维生素”之称，因其具有优良的光电磁等物理特性，能与其他材料组成性能各异、品种繁多的新型材料，其最显著的作用就是大幅度提高其他产品的质量和性能，如钢材、铝合金、镁合金、钛合金等。稀土元素是表面活性物质，具有独特的电子组态和突出的化学活性及优异的界面性能，它与许多金属及非金属材料的吉布斯自由能的变化值均为较大的负值，有很强的化学亲合力。鉴于稀土独特的电子组态和突出的化学活性，可用稀土来改性树脂基制动摩擦材料，提高树脂基体的耐高温性能，改善制动摩擦材料的摩擦磨损性能及高温摩擦学性能。稀土氧化物熔点高、耐热性好，可部分替代或取代传统树脂基制动摩擦材料中的金属填料的作用，对研发少或无金属化的高性能汽车制动摩擦材料具有突破性意义。用稀土氧化物来改性树脂基汽车制动摩擦材料，可起到三个作用：一是使复合材料摩擦系数增加，尤其是高温摩擦系数；二是有效降低复合材料的磨损率，提高刹车片的使用寿命；三是用稀土氧化物替代传统树脂基制动摩擦材料中的金属填料的作用，对研发少或无金属化的高性能汽车制动摩擦材料具有突破性意义。因此，用稀土氧化物来改性树脂基摩擦材料，可提高树脂基体的耐高温性能及抗热衰退性能。
发明内容
本发明提供了一种稀土氧化物改性树脂基汽车制动摩擦材料及其制备方法，通过运用我国极其重要战略资源的稀土氧化物来改性树脂基制动摩擦材料，提高树脂基体的耐高温性能及抗热衰退性能，使其性能接近陶瓷基摩擦材料性能，不仅可大大降低制品的成本，同时可大幅提高摩擦材料的综合性能，对实现汽车行业的自主创新和技术升级有重要的意义，可推动高性能绿色制动材料的发展，具有良好的应用前景。
本发明是通过如下技术方案实施的：
一种稀土氧化物改性树脂基汽车制动摩擦材料，其原料组成按重量份数计为：稀土氧化物5～40份、增强纤维5～20份、酚醛树脂10～25份和摩擦性能调节剂30～65份。
本发明的稀土氧化物改性树脂基汽车制动摩擦材料的制备方法：
a）原料预处理：将稀土氧化物、增强纤维、摩擦性能调节剂放置在烘箱内，在100～120℃下烘干1～2h，酚醛树脂则在50～60℃下烘干0.5～1h；
b）取步骤a）中干燥的增强纤维、酚醛树脂、稀土氧化物及摩擦性能调节剂，按重量配比将各原料混合后，加入混料机中，混料5～25min后，出料；搅拌后的混料外观呈羊绒状，增强纤维相互交错，填料和树脂粉末均匀分布其中；
c）将步骤b）搅拌后的材料放入150～160℃热压模具模腔内，在10～30MPa压力下热压成型，热压保温时间7～10min；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10～60s，必须打开模腔，放气3～5次；
d）将步骤c）热压成型后的制品在烘箱中30min内升温到160℃，保温12h，然后随炉降温冷却，得到成品。
所述的稀土氧化物包括元素周期表中原子序数为57 到71 的15种镧系元素氧化物：镧（La）、铈（Ce）、镨（Pr）、钕（Nd）、钷（Pm）、钐（Sm）、铕（Eu）、钆（Gd）、铽（Tb）、镝（Dy）、钬（Ho）、铒（Er）、铥（Tm）、镱（Yb）、镥（Lu），以及与镧系元素化学性质相似的钪（Sc）和钇（Y）共17 种元素的氧化物中的一种或几种混合物。
所述增强纤维包括竹纤维、剑麻纤维等天然纤维，碳纤维、玻璃纤维、硅酸铝纤维、无机晶须等无机纤维，芳纶纤维、聚丙烯纤维等合成纤维，钢纤维、铜纤维、铝纤维等金属纤维，海泡石纤维、矿渣棉、岩棉、硅灰石等矿物纤维中的一种或几种纤维。
所述摩擦性能调节剂包括氧化铝、重晶石、铜粉、轮胎粉、石墨、长石粉、叶蜡石粉、蛭石、粉煤灰、硬脂酸锌中的一种或几种。
更优的，所述摩擦性能调节剂为氧化铝、重晶石、轮胎粉、石墨、长石粉、叶蜡石粉、蛭石、粉煤灰、硬脂酸锌中的一种或几种；稀土氧化物可替代传统树脂基制动摩擦材料中的金属填料的作用；在此基础上，优选的，稀土氧化物改性树脂基汽车制动摩擦材料，其原料组成按重量份数计为：稀土氧化物15～40份、增强纤维5～20份、酚醛树脂10～25份和摩擦性能调节剂30～50份。
步骤b）中混料机混料时的转速为200～2830 r/min。
步骤b）所用的混料机购自于吉林省吉大机电设备有限公司，型号为JF810S。
本发明的有益效果在于：本发明采用熔点高、耐热性好的稀土氧化物来改性树脂基汽车制动摩擦材料，相比于稀土改性的摩擦材料，可起到三个作用：一是使复合材料摩擦系数增加，尤其是高温摩擦系数；二是有效降低复合材料的磨损率，提高刹车片的使用寿命；三是用稀土氧化物替代传统树脂基制动摩擦材料中的金属填料的作用，对研发少或无金属化的高性能汽车制动摩擦材料具有突破性意义。因此，用稀土氧化物来改性树脂基摩擦材料，可显著改善树脂基体的耐高温性能及抗热衰退性能，同时使摩擦材料真正实现少或无金属化，促进绿色摩擦材料的发展。
具体实施方式
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
一种稀土氧化物改性树脂基汽车制动摩擦材料，取如下成分配比：稀土氧化物5份、酚醛树脂25份、陶瓷纤维10份、摩擦性能调节剂65份（氧化铝25份、重晶石17份、铜粉15份、轮胎粉5份、石墨3份）。
按下述工艺步骤制备摩擦材料：
a）原料预处理：将稀土氧化物、增强纤维、摩擦性能调节剂放置在烘箱内在120℃下烘干1h，酚醛树脂放在60℃烘干0.5h；
b）取步骤a）中干燥的各原料，按重量配比投入混料机中，混料20min，混料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10MPa压力下热压成型，热压保温时间7min；在热压开始的10～60s，必须打开模腔，放气4次；
d）将步骤c）热压成型后的制品在烘箱中30min内升温到160℃，保温12小h，然后随炉降温冷却，得到成品。
实施例2
一种稀土氧化物改性树脂基汽车制动摩擦材料，取如下成分配比：稀土氧化物10份、酚醛树脂25份、陶瓷纤维10份、摩擦性能调节剂55份（氧化铝25份、重晶石17份、铜粉5份、轮胎粉5份、石墨3份）。
按下述工艺步骤制备摩擦材料：
a）原料预处理：将稀土氧化物、增强纤维、摩擦性能调节剂放置在烘箱内在100℃下烘干2h，将酚醛树脂放在60℃烘干1h；
b）取步骤a）中干燥的各原料，按重量配比投入混料机中，混料15min，混料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℃热压模具模腔内，在15MPa压力下热压成型，热压保温时间8min；在热压开始的10～60s，必须打开模腔，放气5次；
d）将步骤c）热压成型后的制品在烘箱中30min内升温到160℃，保温12小时，然后随炉降温冷却，得到成品。
实施例3
一种稀土氧化物改性树脂基汽车制动摩擦材料，取如下成分配比：稀土氧化物15份、酚醛树脂25份、陶瓷纤维10份、摩擦性能调节剂50份（氧化铝25份、重晶石17份、轮胎粉5份、石墨3份）。
按下述工艺步骤制备摩擦材料：
a）原料预处理：将稀土氧化物、增强纤维、摩擦性能调节剂放置在烘箱内在110℃下烘干1h，将酚醛树脂放在60℃烘干0.5h；
b）取步骤a）中干燥的各原料，按重量配比投入混料机中，混料25min，混料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20MPa压力下热压成型，热压保温时间9min；在热压开始的10～60s，必须打开模腔，放气3次；
d）将步骤c）热压成型后的制品在烘箱中30min内升温到160℃，保温12h，然后随炉降温冷却，得到成品。
实施例4
一种稀土氧化物改性树脂基汽车制动摩擦材料，取如下成分配比：稀土氧化物15份、酚醛树脂20份、竹纤维7份、摩擦性能调节剂53份（氧化铝20份、重晶石15份、长石粉10份、轮胎粉5份、石墨3份）。
按下述工艺步骤制备摩擦材料：
a）原料预处理：将稀土氧化物、增强纤维、摩擦性能调节剂放置在烘箱内在120℃下烘干1h，将酚醛树脂放在60℃烘干0.5h；
b）取步骤a）中干燥的各原料，按重量配比投入混料机中，混料15min，混料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10MPa压力下热压成型，热压保温时间10min；在热压开始的10～60s，必须打开模腔，放气5次；
d）将步骤c）热压成型后的制品在烘箱中30min内升温到160℃，保温12h，然后随炉降温冷却，得到成品。
实施例5
一种稀土氧化物改性树脂基汽车制动摩擦材料，取如下成分配比：稀土氧化物15份、酚醛树脂25份、芳纶纤维10份、摩擦性能调节剂58份（氧化铝15份、镁盐晶须10份、硫酸钙晶须10份、重晶石15份、轮胎粉5份、石墨3份）。
按下述工艺步骤制备摩擦材料：
a）原料预处理：将稀土氧化物、增强纤维、摩擦性能调节剂放置在烘箱内在120℃下烘干2h，将酚醛树脂放在60℃烘干1h；
b）取步骤a）中干燥的各原料，按重量配比投入混料机中，混料15min，混料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10MPa压力下热压成型，热压保温时间9min；在热压开始的10～60s，必须打开模腔，放气5次；
d）将步骤c）热压成型后的制品在烘箱中30min内升温到160℃，保温12h，然后随炉降温冷却，得到成品。
对比实验：
取实施例1的样品为试样一，实施例2的样品为试样二，实施例3的样品为试样三，另取由国产东营科力汽配有限责任公司生产的夏利盘式制动片为试样四；日产轿车用日本原产制动片为试样五，以上制成的复合材料试样，在X-DM型调压变速摩擦试验机（直流）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HB209。试样尺寸25mm×25mm×（5～7）mm。按照盘式制动器用衬片国家标准（GB5763-2008）中第四类制动器用衬片要求，分别测定升温和降温过程中盘温100℃、150℃、200℃、250℃、300℃和350℃时对磨5000转的摩擦系数、磨损率。
五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：
汽车盘式制动器用衬片国家标准（GB5763-2008）
本发明研制的新型汽车制动摩擦材料，各个温度段的摩擦系数都处于较高水平。同国内外优质产品的试样对比，试样在各个温度段的摩擦系数均明显高于国内外优质产品，特别是在200℃、250℃、300℃和350℃较高温度时摩擦系数都较高，说明本专利研制的产品具有良好的高温摩擦性能及抗热衰退性能。本专利研制产品的整体磨损率及试样总磨损率较国内产品低，与日本品牌产品的磨损率相当。试样一至试样三，随着稀土氧化物含量的增加，相应铜粉含量的减少，试样整体摩擦系数都得到提升，同时磨损率也降低，试样三用稀土氧化物全部取代金属填料铜粉后，试样摩擦系数仍然维持在较高水平，同时试样磨损率也较低，说明稀土氧化物可替代传统树脂基制动摩擦材料中金属填料铜粉，实现制动摩擦材料的无金属化。综上所述，本专利研制的新型汽车制动摩擦材料具有良好的摩擦磨损性能，尤其是高温摩擦性能和抗热衰退性能，同时用稀土氧化物替代传统树脂基制动摩擦材料中金属填料，真正实现制动摩擦材料的无金属化。稀土氧化物的加入，不仅提高树脂基体的耐高温性能及抗热衰退性能，同时大幅提高摩擦材料的综合性能，用稀土氧化物替代金属填料，实现制动摩擦材料的无金属化，使制品极具性价比，具有良好的应用前景。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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，只要利用稀土氧化物来改性树脂基汽车制动摩擦材料，均属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种稀土氧化物改性树脂基汽车制动摩擦材料，其特征在于：其原料组成按重量份数计为：稀土氧化物5～40份、增强纤维5～20份、酚醛树脂10～25份和摩擦性能调节剂30～65份。
2.根据权利要求1所述的稀土氧化物改性树脂基汽车制动摩擦材料，其特征在于：所述增强纤维包括天然纤维、无机纤维、合成纤维和矿物纤维中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的稀土氧化物改性树脂基汽车制动摩擦材料，其特征在于：所述摩擦性能调节剂包括氧化铝、重晶石、铜粉、轮胎粉、石墨、长石粉、叶蜡石粉、蛭石、粉煤灰、硬脂酸锌中的一种或几种。
4.根据权利要求3所述的稀土氧化物改性树脂基汽车制动摩擦材料，其特征在于：所述摩擦性能调节剂为氧化铝、重晶石、轮胎粉、石墨、长石粉、叶蜡石粉、蛭石、粉煤灰、硬脂酸锌中的一种或几种。
5.根据权利要求4所述的稀土氧化物改性树脂基汽车制动摩擦材料，其特征在于：其原料组成按重量份数计为：稀土氧化物15～40份、增强纤维5～20份、酚醛树脂10～25份和摩擦性能调节剂30～50份。
6.根据权利要求1-3任一项所述的稀土氧化物改性树脂基汽车制动摩擦材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
a）原料预处理：将稀土氧化物、增强纤维、摩擦性能调节剂放置在烘箱内，在100～120℃下烘干1～2h，酚醛树脂在50～60℃下烘干0.5～1h；
b）原料混制：取步骤a）中干燥的增强纤维、酚醛树脂、稀土氧化物及摩擦性能调节剂，按重量配比将各原料混合后，加入混料机中，混料5～25min后，出料；
c）材料热压成型：将步骤b）搅拌后的材料放入150～160℃热压模具模腔内，在10～30MPa压力下热压成型，热压保温时间7～10min；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10～60s，必须打开模腔，放气3～5次；
d）材料热处理：将步骤c）热压成型后的制品在烘箱中30min内升温到160℃，保温12h，然后随炉降温冷却，得到成品。
7.根据权利要求6所述的稀土氧化物改性树脂基汽车制动摩擦材料的制备方法，其特征在于：步骤b）中混料机混料时的转速为200～2830 r/min。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20161026 |