CN108441168B - 一种氧化锆纤维增强陶瓷基摩擦材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种氧化锆纤维增强陶瓷基摩擦材料及其制备方法和应用，涉及摩擦材料技术领域。一种氧化锆纤维增强陶瓷基摩擦材料，按重量百分比计，制备氧化锆纤维增强陶瓷基摩擦材料的原料包括：氧化锆纤维10～30％，粉煤灰30～55％，粘结剂8～23％，耐磨剂13～32％以及润滑剂6～17％。该材料性价比高、成本低、摩擦系数稳定，具有较好的耐高温性能、耐磨性和耐酸耐腐蚀性。上述氧化锆纤维增强陶瓷基摩擦材料的制备方法，包括：将原料的混料进行冷压固化和热压固化，再将经过固化的材料进行热处理。该方法操作简单，可控性强，适于工业化生产。
Description
技术领域
本发明涉及摩擦材料技术领域，且特别涉及一种氧化锆纤维增强陶瓷基摩擦材料及其制备方法和应用。
背景技术
汽车制动摩擦材料是汽车刹车片的关键材料，对汽车平稳、安全、可靠运行具有重要影响。添加增强纤维是改善和提高刹车片摩擦材料性能的重要手段。金属纤维具有环保、粉末污染较少等优点，利用金属或少金属纤维增强的树脂基摩擦材料在汽车刹车片中获得了较广泛的应用，但存在易氧化锈蚀、制动噪音大、易刮伤对偶盘等缺陷，同时高温下树脂基体存在热衰退大、耐磨性差等问题，导致这类摩擦材料的应用受到一定程度的限制。采用炭纤维、芳纶纤维和陶瓷晶须等能够进一步有效改善摩擦材料的综合性能，但这些增强纤维价格昂贵，因而这类纤维增强摩擦材料在汽车刹车片中的应用受到很大的限制。发展新型的具有较好摩擦性能和较好稳定性的摩擦材料对刹车片的性能改进具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种氧化锆纤维增强陶瓷基摩擦材料，该材料成本低廉，具有较好的稳定性、耐高温性能、耐磨性和耐酸耐腐蚀性。
本发明的另一目的在于提供上述氧化锆纤维增强陶瓷基摩擦材料的制备方法，该方法操作简单，可控性强，适于工业化生产。
本发明的又一目的在于提供上述氧化锆纤维增强陶瓷基摩擦材料在汽车制造方面的应用。
本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。
本发明提出一种氧化锆纤维增强陶瓷基摩擦材料，按重量百分比计，制备氧化锆纤维增强陶瓷基摩擦材料的原料包括：氧化锆纤维10～30％，粉煤灰30～55％，粘结剂8～23％，耐磨剂13～32％以及润滑剂6～17％。
本发明提出上述氧化锆纤维增强陶瓷基摩擦材料的制备方法，包括：将原料的混料进行冷压固化和热压固化，再将经过固化的材料进行热处理。
上述氧化锆纤维增强陶瓷基摩擦材料在汽车制造方面的应用。
本发明的有益效果是：
本发明以氧化锆纤维、粉煤灰、粘结剂、耐磨剂以及润滑剂作为原料，将粉煤灰作为陶瓷基料，具有较佳的耐高温性能，氧化锆纤维具有高强度、高韧性、高温抗氧化性能、高温稳定性能、耐酸碱腐蚀性能，两者复合使用具有协同增效的作用，在粘结剂、耐磨剂和润滑剂的作用下，形成耐高温、高韧性的共交联体系，调节各组分的配比，使得制得的氧化锆纤维增强陶瓷基摩擦材料具有较优的耐高温性能、耐磨性能、耐酸耐腐蚀性、力学性能和机械强度，可以应用于汽车制造方面，可用于制备汽车刹车片等摩擦材料，使得制备的汽车刹车片耐高温性好、磨损小、制动噪音小。粉煤灰为工业废渣，将废物再利用，减少工业废渣对环境的影响，同时降低生产成本。氧化锆纤维增强陶瓷基摩擦材料的制备方法简单可行，可控性强，适合于工业化生产。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本发明实施例的一种氧化锆纤维增强陶瓷基摩擦材料及其制备方法和应用进行具体说明。
本发明实施例提供的一种氧化锆纤维增强陶瓷基摩擦材料，按重量百分比计，制备氧化锆纤维增强陶瓷基摩擦材料的主要原料包括：氧化锆纤维10～30％，粉煤灰30～55％，粘结剂8～23％，耐磨剂13～32％以及润滑剂6～17％。优选地，氧化锆纤维为15～25％，粉煤灰为35～50％，粘结剂为10～20％，耐磨剂为15～30％以及润滑剂为10～15％。
氧化锆纤维是主要成分为氧化锆的多晶质无机纤维，具有强度高、韧性好、使用温度高、高温抗氧化性能极好、高温性能稳定、无挥发、无污染、经久耐用及绿色环保等特点，同时，氧化锆纤维的耐酸碱腐蚀的能力也大大强于氧化铝纤维和玻璃纤维等。
随着工业的发展，工业废渣粉煤灰排放量逐年增加，成为我国当前排量较大的工业废渣之一。大量的粉煤灰不加处理，会产生扬尘，污染大气；若排入水系会造成河流淤塞，而其中的有毒化学物质还会对人体和生物造成危害。本发明利用粉煤灰作为陶瓷基料，提高材料的陶瓷含量，进而提高材料的耐高温性能、摩擦磨损性能、化学稳定性，降低噪音，并且废物再利用，减少工业废渣对环境的影响，降低生产成本。本发明采用的粉煤灰主要为工业废渣粉煤灰，工业废渣粉煤灰主要包括二氧化硅、氧化锆、氧化亚铁、氧化铁、氧化钙以及二氧化钛等物质。粉煤灰还可以增强制备的氧化锆纤维增强陶瓷基摩擦材料的金属种类和含量，与氧化锆纤维共同作用，具有协同增效的作用，提高材料的机械强度、力学性能以及摩擦磨损性能。
粘结剂是磨料和基体之间粘结强度的保证，粘结剂包括酚醛树脂、丁晴橡胶、苯并噁嗪树脂、环氧树脂中的至少一种。当粘结剂包括两种及以上的化学剂时，充分综合利用不同粘结剂的性能，与氧化锆纤维和粉煤灰形成耐高温、高韧性的共交联体系，进一步提高摩擦材料的机械强度、力学性能以及摩擦磨损性能。优选地，酚醛树脂包括腰果壳油改性酚醛树脂。
摩擦材料需要具有较高的耐磨性能，保证其使用寿命。本发明实施例的耐磨剂包括冰晶石、四氧化三铁以及铜粉中的至少一种。当复合使用冰晶石、四氧化三铁以及铜粉时，在摩擦材料和对偶间形成转移膜，提高摩擦力矩和稳定摩擦系数，减小对对偶件的损伤，耐磨性能得到较大的提升，同时还提高了摩擦材料的热稳定性。
润滑剂辅助耐磨剂提高摩擦材料的耐磨性，减小噪音及降低摩擦系数。本发明中润滑剂包括二硫化钼和石墨中的至少一种。
进一步地，在本发明较优的实施例中，当原料包括：氧化锆纤维10～30％，粉煤灰30～55％，酚醛树脂5～15％，丁晴橡胶3～8％，冰晶石5～10％，二硫化钼1～5％，石墨5～12％，四氧化三铁5～12％以及铜粉3～10％时，制得的氧化锆纤维增强陶瓷基摩擦材料具有较好的耐高温性能、力学性能、耐磨性和机械强度。优选地，氧化锆纤维的含量可以为16％、19％、21％、22％、26％、28％、30％，粉煤灰的含量可以为31％、33％、36％、37％、39％、42％、46％、48％、51％、55％，酚醛树脂的含量可以为6％、7％、9％、12％、15％，丁晴橡胶的含量可以为4％、5％、7％、6％，冰晶石的含量可以为6％、7％、8％、9％，二硫化钼的含量可以为2％、4％，石墨的含量可以为7％、8％、9％、11％，四氧化三铁的含量可以为6％、9％、10％以及铜粉的含量可以为6％、8％、9％。
本发明还提供了上述氧化锆纤维增强陶瓷基摩擦材料的制备方法，包括：
配料：按配比称取原料；
混料：本发明采用混料机混料，将称好的原料投入高速混料机中，混料4～6min。
压制成型：本发明采用冷压成型-热压固化两步法，将混料倒入冷压模中，在140～160MPa的压强下保压10～15s。将经过冷压固化的混料置于热压模中，在155～165℃、30～50MPa的条件下进行保压，保压的过程中根据氧化锆纤维增强陶瓷基摩擦材料的厚度进行放气。优选地，每次放气时间为60s/mm，放气次数为8～12次。该步骤使得各原料结合更加紧密，增强摩擦材料的密度和机械强度。
热处理：将经过固化后的混料在150～170℃的条件下保温3～5h，以3～5℃/min的升温速率升至200～220℃后，保温3～5h。热处理后的材料其稳定性更好，耐高温性能更佳。
本发明提供的氧化锆纤维增强陶瓷基摩擦材料具有较好的耐高温性能、力学性能、耐磨性和机械强度，可以应用于汽车制造方面，可用于制备汽车刹车片等摩擦材料，使得制备的汽车刹车片耐高温性好、磨损小、制动噪音小。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供了一种氧化锆纤维增强陶瓷基摩擦材料及其制备方法，包括：
按重量百分比计，称取氧化锆纤维14％，粉煤灰47％，腰果壳油改性酚醛树脂13％，丁腈橡胶4％，冰晶石5％，二硫化钼1％，石墨6％，四氧化三铁5％，铜粉5％。
按上述重量比例称量各个组分物料，采用冷压成型-热压固化两步法，包括：
将称量好的各物料投入锥形桶混料机中，混料5min；将称取的混合料倒入冷压模中，压强142MPa，保压时间11s；将冷压后的样品放入热压模中，在温度为155℃、压强为30MPa的条件下，保压12min，放气11次；将固化后的陶瓷基摩擦材料样品放入热处理炉中，在150℃的条件下保温3h，以3℃/min的升温速度升温至200℃，保温3h。
实施例2
本实施例提供了一种氧化锆纤维增强陶瓷基摩擦材料及其制备方法，包括：
按重量百分比计，称取氧化锆纤维15％，粉煤灰45％，腰果壳油改性酚醛树脂10％，丁腈橡胶5％，冰晶石6％，二硫化钼3％，石墨5％，四氧化三铁5％，铜粉6％。
按上述重量比例称量各个组分物料，采用冷压成型-热压固化两步法，包括：
将称量好的各物料投入锥形桶混料机中，混料4min；将称取的混合料倒入冷压模中，压强150MPa，保压时间12s；将冷压后的样品放入热压模中，在温度为160℃、压强为40MPa的条件下，保压12min，放气10次；将固化后的陶瓷基摩擦材料样品放入热处理炉中，在160℃的条件下保温4h，以5℃/min的升温速度升温至210℃，保温4h。
实施例3
本实施例提供了一种氧化锆纤维增强陶瓷基摩擦材料及其制备方法，包括：
按重量百分比计，称取氧化锆纤维20％，粉煤灰38％，腰果壳油改性酚醛树脂12％，丁腈橡胶3％，冰晶石6％，二硫化钼2％，石墨7％，四氧化三铁7％，铜粉5％。
按上述重量比例称量各个组分物料，采用冷压成型-热压固化两步法，包括：
将称量好的各物料投入锥形桶混料机中，混料5min；将称取的混合料倒入冷压模中，压强150MPa，保压时间12s；将冷压后的样品放入热压模中，在温度为160℃、压强为40MPa的条件下，保压12min，放气10次；将固化后的陶瓷基摩擦材料样品放入热处理炉中，在160℃的条件下保温4h，以5℃/min的升温速度升温至210℃，保温4h。
实施例4
本实施例提供了一种氧化锆纤维增强陶瓷基摩擦材料及其制备方法，包括：
按重量百分比计，称取氧化锆纤维25％，粉煤灰33％，腰果壳油改性酚醛树脂10％，丁腈橡胶5％，冰晶石7％，二硫化钼3％，石墨5％，四氧化三铁7％，铜粉5％。
按上述重量比例称量各个组分物料，采用冷压成型-热压固化两步法，包括：
将称量好的各物料投入锥形桶混料机中，混料6min；将称取的混合料倒入冷压模中，压强150MPa，保压时间15s；将冷压后的样品放入热压模中，在温度为165℃、压强为50MPa的条件下，保压13min，放气9次；将固化后的陶瓷基摩擦材料样品放入热处理炉中，在160℃的条件下保温5h，以4℃/min的升温速度升温至220℃，保温5h。
实施例5
本实施例提供了一种氧化锆纤维增强陶瓷基摩擦材料及其制备方法，包括：
按重量百分比计，称取氧化锆纤维25％，粉煤灰35％，腰果壳油改性酚醛树脂13％，丁腈橡胶4％，冰晶石7％，二硫化钼2％，石墨5％，四氧化三铁4％，铜粉5％。
按上述重量比例称量各个组分物料，采用冷压成型-热压固化两步法，包括：
将称量好的各物料投入锥形桶混料机中，混料5min；将称取的混合料倒入冷压模中，压强145MPa，保压时间14s；将冷压后的样品放入热压模中，在温度为160℃、压强为50MPa的条件下，保压12min，放气11次；将固化后的陶瓷基摩擦材料样品放入热处理炉中，在170℃的条件下保温3h，以5℃/min的升温速度升温至210℃，保温4h。
对比例1
本对比例提供了一种玻璃纤维增强陶瓷基摩擦材料及其制备方法，包括：
按重量百分比计，称取玻璃纤维60％，腰果壳油改性酚醛树脂12％，冰晶石10％，石墨10％，铜粉8％。
按上述重量比例称量各个组分物料，采用实施例1提供的制备方法进行制备。
对比例2
本对比例提供了一种混合纤维增强陶瓷基摩擦材料及其制备方法，包括：
按重量百分比计，称取按重量百分比计，称取氧化锆纤维15％，芳纶纤维45％，粉煤灰10％，腰果壳油改性酚醛树脂2％，丁腈橡胶3％，冰晶石1％，二硫化钼3％，石墨10％，四氧化三铁1％，铜粉10％。
按上述重量比例称量各个组分物料，采用实施例2提供的制备方法进行制备。
按照国标GB5763-2008，对实施例1～5提供的氧化锆纤维增强陶瓷基摩擦材料和对比例1～2提供的摩擦材料进行定速摩擦试验，获得的结果如表1所示。
表1氧化锆纤维增强陶瓷基摩擦材料定速摩擦试验结果
从表1可以看出，相比于对比例1～2，实施例1～5制备的氧化锆纤维增强陶瓷基摩擦材料在高温下的摩擦系数、磨损率稳定性较好，无明显热衰退现象，均符合国家标准要求。实验后获得的摩擦块表面完整、无裂纹，具有磨损小、无噪音等特点。说明本发明提供的氧化锆纤维增强陶瓷基摩擦材料的制备方法较为科学合理，原料的组分及用量较为科学合理。
以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
Claims (2)
1.一种氧化锆纤维增强陶瓷基摩擦材料，其特征在于，按重量百分比计，制备所述氧化锆纤维增强陶瓷基摩擦材料的原料为：氧化锆纤维14～25％，粉煤灰33～47％，腰果壳油改性酚醛树脂10-13％，丁腈橡胶3-5％，冰晶石5-7％，二硫化钼1-3％，石墨5-7％，四氧化三铁5-7％，铜粉5-6％；
制备方法包括：将所述原料的混料进行冷压成型和热压固化，再将经过固化的材料进行热处理；
冷压成型的方法包括：将所述混料倒入冷压模中，在140～160MPa的压强下保压10～15s；
热压固化的方法包括：将经过冷压固化的所述混料置于热压模中，在155～165℃、30～50MPa的条件下进行保压，保压的过程中根据所述氧化锆纤维增强陶瓷基摩擦材料的厚度进行放气，每次放气时间为60s/mm，放气次数为8～12次；
热处理的方法包括：将经过固化后的所述混料在150～170℃的条件下保温3～5h，以3～5℃/min的升温速率升至200～220℃后，保温3～5h。
2.一种如权利要求1所述的氧化锆纤维增强陶瓷基摩擦材料的制备方法，其特征在于，包括：将所述原料的混料进行冷压成型和热压固化，再将经过固化的材料进行热处理；
冷压成型的方法包括：将所述混料倒入冷压模中，在140～160MPa的压强下保压10～15s；
热压固化的方法包括：将经过冷压固化的所述混料置于热压模中，在155～165℃、30～50MPa的条件下进行保压，保压的过程中根据所述氧化锆纤维增强陶瓷基摩擦材料的厚度进行放气，每次放气时间为60s/mm，放气次数为8～12次；
热处理的方法包括：将经过固化后的所述混料在150～170℃的条件下保温3～5h，以3～5℃/min的升温速率升至200～220℃后，保温3～5h。
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