CN111022535A

CN111022535A - 一种风电偏航制动器用改性聚酰亚胺摩擦材料及其制备方法

Info

Publication number: CN111022535A
Application number: CN201911374624.9A
Authority: CN
Inventors: 张新瑞; 陈守兵; 谢海; 陶立明; 王齐华; 王廷梅
Original assignee: Lanzhou Institute of Chemical Physics LICP of CAS
Current assignee: Lanzhou Institute of Chemical Physics LICP of CAS
Priority date: 2019-12-27
Filing date: 2019-12-27
Publication date: 2020-04-17
Anticipated expiration: 2039-12-27
Also published as: CN111022535B

Abstract

本发明提供了一种风电偏航制动器用改性聚酰亚胺摩擦材料，是将聚酰亚胺、聚四氟乙烯、碳纤维、玄武岩纤维、二硫化钼、陶瓷粉、纳米银粉、纳米碳化铌混合均匀，放入金属模具，水平放置在液压机上预压制得到预成型毛坯；再将预成型毛坯放入柔性硅橡胶套中，于冷等静压机中压制，得到冷等静压毛坯；然后将冷等静压毛坯装入包套，抽真空密封后于热等静压机中压制，自然降温去除包套，即得聚酰亚胺摩擦材料。本发明制备的改性聚酰亚胺摩擦材料是兼具耐温性好、高承载、低摩擦、高耐磨的聚合物树脂基摩擦材料，在风电制动及其它制动领域具有广泛的应用前景。

Description

一种风电偏航制动器用改性聚酰亚胺摩擦材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种改性聚酰亚胺摩擦材料，尤其涉及一种风电偏航制动器用改性聚酰亚胺摩擦材料及其制备方法，属于复合材料技术领域。

背景技术

风电偏航制动***是风电机组安全控制中最重要的保护装置，是其他保护装置赖以实现的物理基础。由于风电偏航制动器具有制动时间短、夹紧力大等特点，因此摩擦材料的要求非常高，不仅要有良好的力学性能，还应有高的摩擦因数与低的磨损率。风电偏航制动器用摩擦材料主要包含铜基粉末冶金摩擦材料、改性酚醛树脂摩擦材料、改性聚醚醚酮摩擦材料、改性聚酰亚胺摩擦材料等。当前国内风电摩擦材料主要以铜基为主，该材料中硬质点使用偏多，虽然硬度、耐磨性能达到使用要求，但是对制动盘会造成很大的损伤，风电机组偏航时还会发出刺耳的噪声可达110dB或者更高，风电机组甚至还因低频抖动而报警，随之停止运行发电，严重影响风力发电的安全性与工作效率。

聚合物树脂基摩擦材料因具有比重小、对对偶盘损伤小、制动噪音低、生产工艺简单以及价格低廉等特点其作为风电制动摩擦片得到了广泛的应用。聚合物树脂高温分解被认为是摩擦材料摩擦系数热衰退的主要原因。传统的风电制动酚醛摩擦材料热分解温度＜450℃，在高速、高载和高温条件下存在衰退现象严重。此外，以往聚合物树脂基摩擦材料热压成型加压方式多采用上下双向加压，但是模具四周的加压只能依靠模具自身产生的挤压，因此各个方向上的受压并不均一而无法实现真正意义上的均一致密化。该类成型工艺压制材料高度一般小于70mm。

聚酰亚胺树脂是综合性能最佳的有机高分子材料之一，作为摩擦材料的树脂基体，能够长期服役于-200～300℃的温度范围下，并且具有优异的机械强度与抗蠕变性能，其巨大的应用前景已经得到充分的认识，被称为是“解决问题的能手”。然而纯的聚酰亚胺树脂基体通常表现出高的磨损率，摩擦系数波动性大，在实际应用中必须经过改性才能实现稳定的高摩擦系数以及低磨损率。目前聚酰亚胺作为摩擦材料主要应用于超声电机上，由于超声电机特殊的应用要求，要求摩擦材料摩擦系数高、低磨损，装配使用时必须具有一定的微变形才能驱动转子，其承载能力要求不高，否则会产生打滑现象，其难以满足风电制动摩擦片要求的高承载能力要求。因此，聚酰亚胺摩擦材料还没有作为风电制动摩擦片使用。

发明内容

本发明的目的是提供一种改性聚酰亚胺摩擦材料的制备方法，主要用于风电偏航制动器的制作。

本发明改性聚酰亚胺摩擦材料，是由以下原料和工艺制备而成：

原料配比：以重量份计：聚酰亚胺55~70份，聚四氟乙烯5~20份，碳纤维5~15份，玄武岩纤维5~15份，二硫化钼10~25份，陶瓷粉5~15份，纳米银粉5~10份，纳米碳化铌1~3份。其中原料聚酰亚胺的粒径为75~150μm；聚四氟乙烯粒径为5~38μm；碳纤维直径为7±1μm，径长比1:5~1:10；玄武岩纤维直径为13±1μm，长度6±0.5mm；二硫化钼粒径为2.5~10μm；陶瓷粉粒径为38~50μm；纳米碳化铌粒径为40~60nm；纳米银粉粒径为50~150nm。

制备工艺：将上述各原料混合均匀，放入金属模具，水平放置在液压机上预压制得到预成型毛坯；再将预成型毛坯放入柔性硅橡胶套中，于冷等静压机中压制，得到冷等静压毛坯；然后将冷等静压毛坯装入包套，抽真空至1×10^-2Pa~1×10^-3Pa密封后于热等静压机中压制，自然降温至100℃以下，去除包套，即得聚酰亚胺摩擦材料。其中预压制成型条件：是在5~10MPa的压力下压制3~5分钟；冷等静压成型条件为；以水为介质，在25~50MPa压力下保持时间10~15分钟；热等静压成型条件为：介质为氩气，初始压力为10MPa~20MPa，升温速率为5℃/min~15℃/min，平衡温度为360℃~390℃，平衡压力为20MPa~40MPa，平衡时间为1h~5h。

本发明的原料中，聚酰亚胺树脂作为摩擦材料的树脂基体，具有优异的机械强度与抗蠕变性能；超细聚四氟乙烯粉末，可有效提高聚酰亚胺的耐磨损能力、并调控摩擦系数，并且粒径减小有利于其与其他组分的均匀混合。碳纤维因为其强度高，可同时提高聚合物材料的机械强度和抗磨损性能。短切玄武岩纤维，是一种新型的无机环保绿色高性能材料，耐高温性能佳、机械强度高且性价比高，其填充聚合物后，可增加材料的强度以及摩擦系数，可代替部分增摩填料。二硫化钼，其低温下减摩、高温下增摩，可提高摩擦材料在苛刻环境下的可靠性与寿命，并且可提高摩擦材料机加表面光洁度。陶瓷粉，具有增加摩擦系数和高导热作用，可有效提高材料的摩擦系数，并降低摩擦生热。纳米银粉，在宽温域范围内具有良好的摩擦系数稳定作用，并且导热性好，可一定程度上降低摩擦升温；纳米碳化铌，高熔点、高硬度，可以提高摩擦转移膜的承载能力，并且可缩短摩擦材料到达“稳态阶段”的时间，减少磨损。本发明在聚酰亚胺基体中加入聚四氟乙烯、碳纤维、玄武岩纤维、二硫化钼、陶瓷粉、纳米银粉及纳米碳化铌，各组分间互相协同，有效提高了摩擦材料的各项综合性能，使改性聚酰亚胺摩擦材料在复杂工况下具有相对稳定的高摩擦系数，较低的磨损率。另外，本发明采用混料-冷等静压-热等静压成型制备聚酰亚胺树脂基摩擦材料，各个方向均匀受力，显著提高了材料的均一致密化程度。

经检测，本发明制备的改性聚酰亚胺摩擦材料热分解温度＞550℃，有效提高了摩擦材料的使用温度；通过多种功能填料复合填充，兼具耐温性好、高承载、低摩擦、高耐磨的聚合物树脂基摩擦材料，在复杂工况下具有相对稳定的高摩擦系数，较低的磨损率，在风电制动及其它制动领域具有广泛的应用前景。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明改性聚酰亚胺摩擦材料的原料配比，制备工艺以及性能等作进一步的说明。

实施例1

原料配比：聚酰亚胺70g，聚四氟乙烯10g，碳纤维10g，玄武岩纤维5g，二硫化钼20g，陶瓷粉15g，纳米碳化铌2g，纳米银粉10g。

制备工艺：包括以下步骤：

（1）预成型：按上述原料混合均匀，放入金属模具，水平放置在液压机上，在10MPa的压力下，压制4分钟，脱模后得到预成型毛坯；

（2）冷等静压成型：将预成型毛坯放入柔性硅橡胶套中，放入冷等静压机中压制，得到冷等静压毛坯；冷等静压成型条件：介质：水；压强：25MPa；保持时间：15分钟；

（3）热等静压成型：将冷等静压毛坯装入包套，然后将带有抽气管的包套（包套采用纯铝材质制造，其外形为一端封闭一端开口的空心薄壁圆筒；）盖焊接在所述包套的开口端，并通过所述抽气管抽真空度1×10^-2Pa~1×10^-3Pa，然后用液压封口钳将所述抽气管密封，然后经热等静压机压制后自然降温至100℃以下，去除包套，即得聚酰亚胺摩擦材料。热等静压成型条件：介质：氩气，初始压力为10MPa，升温速率为5℃/min，平衡温度为360℃，平衡压力为20MPa，平衡时间为5h。

聚酰亚胺摩擦材料性能指标：压缩强度：155/Mpa。摩擦性能（GB3960）：在 200N、0.43m/s下摩擦系数为0.32，磨痕宽度为5.8mm；在1000N、0.43m/s下摩擦系数为0.11，磨痕宽度为10mm。

实施例2

原料配比：聚酰亚胺60g，聚四氟乙烯5g，碳纤维5g，玄武岩纤维15g，二硫化钼15g，陶瓷粉10g，纳米碳化铌3g，纳米银粉8g。

制备工艺：包括以下步骤：

（2）冷等静压成型：将预成型毛坯放入柔性硅橡胶套中，放入冷等静压机中压制，得到冷等静压毛坯；冷等静压成型条件：介质：水；压强：30MPa；保持时间：15分钟；

（3）热等静压成型：将冷等静压毛坯装入包套，然后将带有抽气管的包套（包套采用纯铝材质制造，其外形为一端封闭一端开口的空心薄壁圆筒；）盖焊接在所述包套的开口端，并通过所述抽气管抽真空度1×10^-2Pa~1×10^-3Pa，然后用液压封口钳将所述抽气管密封，然后经热等静压机压制后自然降温至100℃以下，去除包套，即得聚酰亚胺摩擦材料。热等静压成型条件：介质：氩气，初始压力为15MPa，升温速率为10℃/min，平衡温度为370℃，平衡压力为30MPa，平衡时间为4h。

聚酰亚胺摩擦材料性能指标：压缩强度：180Mpa。摩擦性能（GB3960）：在 200N、0.43m/s下摩擦系数为0.40，磨痕宽度为5.3mm；在1000N、0.43m/s下摩擦系数为0.15，磨痕宽度为9.0mm。

对比例1：原料中没有玄武岩纤维，其他与实施例1相同。所得聚酰亚胺摩擦材料性能指标：压缩强度：145Mpa。摩擦性能（GB3960）：在 200N、0.43m/s下摩擦系数为0.27，磨痕宽度为6.0mm；在1000N、0.43m/s下摩擦系数为0.09，磨痕宽度为11.2mm。

通过与对照例的对比可以发现，玄武岩纤维的加入，提高了聚酰亚胺摩擦材料的承载能力和抗磨损能力。

实施例3

原料配比：聚酰亚胺65g，聚四氟乙烯15g，碳纤维10g，玄武岩纤维10g，二硫化钼25g，陶瓷粉5g，纳米碳化铌3g，纳米银粉5g。

制备工艺：包括以下步骤：

（1）预成型：按上述原料混合均匀，放入金属模具，水平放置在液压机上，在15MPa的压力下，压制3分钟，脱模后得到预成型毛坯；

（2）冷等静压成型：将预成型毛坯放入柔性硅橡胶套中，放入冷等静压机中压制，得到冷等静压毛坯；冷等静压成型条件：介质：水；压强：35MPa；保持时间：10分钟；

（3）热等静压成型：将冷等静压毛坯装入包套，然后将带有抽气管的包套（包套采用纯铝材质制造，其外形为一端封闭一端开口的空心薄壁圆筒；）盖焊接在所述包套的开口端，并通过所述抽气管抽真空度1×10^-2Pa~1×10^-3Pa，然后用液压封口钳将所述抽气管密封，然后经热等静压机压制后自然降温至100℃以下，去除包套，即得聚酰亚胺摩擦材料。热等静压成型条件：介质：氩气，初始压力为20MPa，升温速率为15℃/min，平衡温度为380℃，平衡压力为40MPa，平衡时间为3h。

聚酰亚胺摩擦材料性能指标：压缩强度：165Mpa。摩擦性能（GB3960）：在 200N、0.43m/s下摩擦系数为0.36，磨痕宽度为5.5mm；在1000N、0.43m/s下摩擦系数为0.13，磨痕宽度为9.9mm。

对比例3：原料中没有玄武岩纤维、陶瓷粉、纳米碳化铌、纳米银粉，其他与实施例1相同。所得聚酰亚胺摩擦材料性能指标：压缩强度：130Mpa。摩擦性能（GB3960）：在 200N、0.43m/s下摩擦系数为0.15，磨痕宽度为4.5mm；在1000N、0.43m/s下摩擦系数为0.07，磨痕宽度为8.4mm。

通过与对照例的对比可以发现，玄武岩纤维、陶瓷粉、纳米碳化铌可以增加摩擦系数；纳米银粉纳米银粉主要作用是稳定摩擦系数和增加抗磨损特性。

Claims

1.一种风电偏航制动器用改性聚酰亚胺摩擦材料，是由以下原料和工艺制备而成：

原料配比：以重量份计：聚酰亚胺55~70份，聚四氟乙烯5~20份，碳纤维5~15份，玄武岩纤维5~15份，二硫化钼10~25份，陶瓷粉5~15份，纳米银粉5~10份，纳米碳化铌1~3份；

制备工艺：将上述各原料混合均匀，放入金属模具，水平放置在液压机上预压制得到预成型毛坯；再将预成型毛坯放入柔性硅橡胶套中，于冷等静压机中压制，得到冷等静压毛坯；然后将冷等静压毛坯装入包套，抽真空至1×10^-2Pa~1×10^-3Pa密封后于热等静压机中压制，自然降温至100℃以下，去除包套，即得聚酰亚胺摩擦材料。

2.如权利要求1所述一种风电偏航制动器用改性聚酰亚胺摩擦材料，其特征在于：所述原料聚酰亚胺的粒径为75~150μm；聚四氟乙烯粒径为5~38μm；碳纤维直径为7±1μm，径长比1:5~1:10；玄武岩纤维直径为13±1μm，长度6±0.5mm；二硫化钼粒径为2.5~10μm；陶瓷粉粒径为38~50μm；纳米碳化铌粒径为40~60nm；纳米银粉粒径为50~150nm。

3.如权利要求1所述一种风电偏航制动器用改性聚酰亚胺摩擦材料，其特征在于：预压制成型是在5~10MPa的压力下压制3~5分钟。

4.如权利要求1所述一种风电偏航制动器用改性聚酰亚胺摩擦材料，其特征在于：所述冷等静压成型是以水为介质，在25~50MPa压力下保持时间10~15分钟。

5.如权利要求1所述一种风电偏航制动器用改性聚酰亚胺摩擦材料，其特征在于：所述热等静压成型条件为：介质为氩气，初始压力为10MPa~20MPa，升温速率为5℃/min~15℃/min，平衡温度为360℃~390℃，平衡压力为20MPa~40MPa，平衡时间为1h~5h。