CN114151479A - 一种摩擦系数与温度同向变化的磁性稀土摩擦材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种摩擦系数与温度同向变化的磁性稀土摩擦材料，包括以下组份：顺磁性稀土材料15～30％、纤维15～25％、树脂4～8％、摩擦调整材料10～20％、石墨8％～15％、填料20％～30％；其制备步骤为：混料，热压，热处理，尺寸加工。本发明采用顺磁性稀土材料，与纤维材料、耐高温的树脂、摩擦调整材料，润滑材料，填充材料的组合物进行压制成形；根据顺磁性稀土材料的磁化率与温度成反比的原理，顺磁性稀土材料在温度升高时，磁化率降低，润滑性降低，材料摩擦系数增加，从而实现摩擦系数与温度同向变化；通过树脂、摩擦调整材料、石墨、填料调整摩擦材料的整体性能，使其具有良好的摩擦性能、机械性能、物理性能，进而确保刹车功能的有效性、安全性、稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及摩擦材料领域，具体涉及一种摩擦系数与温度同向变化的磁性稀土摩擦材料及其制备方法。
背景技术
刹车片是车辆制动***中的一个重要的组成部分，最关键的安全零部件，对刹车效果的好坏起决定性作用。刹车片摩擦材料的性能是影响制动器制动性能的重要因素。摩擦材料主要是用在动力机械上，由于材料的微观表面结构不平整，它会对与之相接触并处于相对运动状态的对偶材料有一定阻碍作用，这种作用可以驱使摩擦材料与对偶材料最终处于一种相对静止的状态，同时将这一过程的动能吸收和传导并转化为摩擦材料的热能。
随着制动压力和制动初速度的升高，制动次数的频繁，摩擦材料温度逐渐升高，导致：(1)热量渗透到材料基体内部，使树脂等粘结剂软化甚至烧焦，减小了增强纤维与基体的粘结强度，使纤维从基体中拔出而剥落；(2)在热应力作用下，表层摩擦材料会发生变形、破裂、脱落，形成细小磨屑，减弱了与基体的粘结强度，增大了磨损，降低了摩擦稳定性，容易产生剧烈振动和噪声；(3)当摩擦表面温度超过热分解温度，摩擦材料会发生热衰退。所谓“热分解温度”是指热影响表面层的温度上升到某一数值时引起摩擦因数急剧下降的临界温度。基体和摩擦层发生热分解会放出气体，产生“气蚀”现象，出现疲劳裂纹，基体和摩擦层裂纹在制动压力作用下生长和扩展，形成粒状或片状磨屑脱落，降低了制动力矩，影响制动器的制动性能。
所以，一般情况下，随着刹车片温度的升高，摩擦系数先是不稳定地增大，到达一定温度时，摩擦系数骤然减小，极易造成“刹车失灵”而导致事故的发生。传统的刹车片采用的摩擦材料在中、常温的工作表现尚能稳定摩擦系数，一旦刹车温度提高到300℃左右，则其摩擦系数就会降低造成刹车制动力下降，极易发生交通事故。所以，研发一种可随刹车片工作温度的增加而提高摩擦系数的摩擦材料是解决此问题的最佳方案。
中国发明专利CN201310182211.7公开了一种用离子型稀土渣作为填充料的汽车制动片，包括离子型稀土渣10～15％、矿物纤维20～30％、粘结剂10～15％、石墨15～25％、高温粘结剂2～5％、芳纶增强纤维1～3％、增摩材料5～10％。该发明采用稀土渣取代传统的矿物填料，在一定程度上提高了制动片的摩擦系数稳定性及高温性能，但是摩擦系数仍然会随温度的升高而发生一定的下降。
发明内容
针对上述问题，本发明的首要目的是提供一种摩擦系数与温度同向变化的磁性稀土摩擦材料及其制备方法，根据顺磁性稀土材料的磁化率与温度成反比的原理，研制出摩擦系数随温度增加而提高的磁性稀土摩擦材料，克服现有技术中刹车片摩擦系数不稳定、摩擦系数随温度升高而降低的不足，从而提高刹车***的有效性和安全性。
一种摩擦系数与温度同向变化的磁性稀土摩擦材料，包括以下组份：顺磁性稀土材料15％～30％、纤维15％～25％、树脂4％～8％、摩擦调整材料10％～20％、石墨8％～15％、填料20％～30％。
优选地，所述顺磁性稀土材料包含氧化钆、氧化钐、氧化镝、氧化钬、氧化铒，氧化铈、氟化铈、氧化铕，氟化铕中的一种或几种；优选氧化钆33％+氟化铕33％+氧化铒34％，亦可采用氧化铽、氟化铽、氧化镧、金属镧粉，氧化镱、镱粉、氧化钕，氟化钕等稀土材料。
优选地，所述顺磁性稀土材料采用磁化处理过纳米级顺磁性稀土材料，通过粉料磁化器将纳米级顺磁性稀土的顺磁强度提升至10-4～10-1emu/g。
优选地，所述纤维材料包含石英纤维、芳纶纤维、丙烯晴纤维、陶瓷纤维、铜纤维、黏胶纤维、玻璃纤维中的一种或几种；优选石英纤维25％+芳纶纤维30％+玻璃纤维20％+铜纤维15％+黏胶纤维10％，亦可采用矿物纤维、碳纤维、玄武岩纤维、麻纤维等纤维材料。
优选地，所述树脂包含酚醛树脂、改性环氧树脂、改性丙烯酸树脂、改性酚醛树脂中的一种或几种；优选酚醛树脂，亦可采用硅橡胶、硅树脂。
优选地，所述摩擦调整材料包含二硫化钼、硫化锑、滑石粉、云母粉、橡胶粉、腰果壳粉的一种或几种；优选滑石粉35％+二硫化钼15％+云母粉25％+腰果壳粉25％。
优选地，所述石墨包含鳞片石墨、膨胀石墨、石墨烯、晶体石墨的一种或几种；优选膨胀石墨30％+鳞片石墨35％+石墨烯35％。
优选地，所述填料包含钾长石、重晶石、方解石、氧化铝、氧化铜、棕刚玉、硅藻土、冰晶石、石英粉、铝矾土、蛭石的一种或几种。优选钾长石18％+石英粉33％+铝矾土17％+重晶石32％。
一种摩擦系数与温度同向变化的磁性稀土摩擦材料的制备方法，采用干压成型工艺，按以下4个步骤进行：
(1)混料：按比例称取顺磁性稀土材料、纤维、树脂、摩擦调整材料、石墨、填料，把所有材料按顺序放入高速混料机中，搅拌8～10分钟，完成材料的混料搅拌；
(2)热压：将完成混料的材料均匀放入模具中，模具温度控制在150±5℃，压制压力30±2MPa，保温保压时间20-30s/mm的条件下进行热压，热压开始15S排气，以后间隔10S，每次排气5S，排气3～5次；
(3)热处理：将热压后的材料进行热处理；
(4)尺寸加工：将热处理后的材料采用专用的磨削设备进行尺寸加工，使摩擦片平面度控制在0.2mm以内。
优选地，步骤(3)中热处理的具体过程为：从室温至80℃，等速升温40分钟，保温20分钟；从80℃～130℃，等速升温40分钟，保温20分钟；从130℃～160℃等速升温40分钟，保温20分钟；从160℃～190℃等速升温40分钟，190℃保温150分钟，最后以20℃/小时的速度降温至室温。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明采用顺磁性稀土材料，与纤维材料、耐高温的树脂、摩擦调整材料，润滑材料，填充材料的组合物进行压制成形，具有良好的摩擦性能、机械性能、物理性能和降低噪音，有效提高了摩擦材料的耐高温性、耐磨性、抗蠕变性，使得摩擦系数随温度增加而提高，能有效防止因刹车温度过高，导致摩擦系数下降，造成刹车失灵的意外状况。
2、采用磁化处理过、具有强磁性特性的稀土材料，根据相关研究得知，磁性稀土的顺磁性越强，在常温状态下，越能表现出较高的摩擦润滑性能；且，磁性稀土材料的顺磁性随着温度的升高而降低。
本发明采用磁化处理过纳米级顺磁性稀土材料，在常温状态下，稀土材料的顺磁强度较高，表现出较高的润滑性能，此时，稀土材料的润滑性有效降低了纤维摩擦材料的高摩擦性，使刹车片的摩擦系数控制在合理范围内，避免摩擦系数太高而发生车轮突然抱死的情况；
随着刹车操作导致刹车片温度逐渐上升，稀土材料的顺磁强度逐渐降低，使得稀土材料的润滑性能也随之下降，此时，稀土材料的润滑性能逐渐衰退，纤维摩擦材料较为稳定的高摩擦性逐渐凸显，从而表现出摩擦系数随温度增加而提高，从而提高刹车***的有效性和安全性。
3、稀土材料的加入使得树脂与纤维的界面起到中间介质的作用，从而改善了界面结合性能，改善了各成分间的熔合状态，起到精炼、深层净化和细化增强等作用，从而改善了材料的摩擦性能、机械性能和物理性能。
4、采用具有耐高温及高摩擦系数稳定性的纤维摩擦材料，如：石英纤维、芳纶纤维、玻璃纤维等等，尤其高质量的石英纤维的高温耐受性可达1500℃以上，亦能同时维持高摩擦系数的稳定性。
5、采用耐高温的树脂材料作为粘结剂并合理控制其配比，可有效改善刹车片的热衰退性能、恢复性能、磨损性能和机械性能，并可显著提高刹车片的耐高温性能；
6、在稳定的纤维摩擦材料的基础上，通过顺磁性稀土材料实现摩擦系数与温度同向变化，通过树脂、摩擦调整材料、石墨、填料调整摩擦材料的整体性能，使其具有良好的摩擦性能、机械性能、物理性能，进而确保刹车功能的有效性、安全性、稳定性，不会发生热衰退现象。
7、本发明工艺简单，可控性强，成本较低，实用性强，具有良好的应用前景。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：
一种摩擦系数与温度同向变化的磁性稀土摩擦材料，包括以下组份：顺磁性稀土材料20％、纤维20％、树脂5％、摩擦调整材料10％、石墨15％、填料30％。
其中，所述顺磁性稀土材料为氧化钆33％+氟化铕33％+氧化铒34％；均采用磁化处理过纳米级顺磁性稀土材料，通过粉料磁化器将纳米级顺磁性稀土的顺磁强度提升至10-4～10-1emu/g；
所述纤维材料为石英纤维25％+芳纶纤维30％+玻璃纤维20％+铜纤维15％+黏胶纤维10％；
所述树脂材料为酚醛树脂；
所述摩擦调整材料为滑石粉35％+二硫化钼15％+云母粉25％+腰果壳粉25％；
所述石墨为膨胀石墨30％+鳞片石墨35％+石墨烯35％；
所述填料为钾长石18％+石英粉33％+铝矾土17％+重晶石32％。
一种摩擦系数与温度同向变化的磁性稀土摩擦材料的制备方法，采用干压成型工艺，按以下4个步骤进行：
(1)混料：按比例称取顺磁性稀土材料、纤维、树脂、摩擦调整材料、石墨、填料，把所有材料按顺序放入高速混料机中，搅拌8～10分钟，完成材料的混料搅拌；
(2)热压：将完成混料的材料均匀放入模具中，模具温度控制在150±5℃，压制压力30±2MPa，保温保压时间25s/mm的条件下进行热压，热压开始15S排气，以后间隔10S，每次排气5S，排气3～5次；
(3)热处理：从室温至80℃，等速升温40分钟，保温20分钟；从80℃～130℃，等速升温40分钟，保温20分钟；从130℃～160℃等速升温40分钟，保温20分钟；从160℃～190℃等速升温40分钟，190℃保温150分钟，最后以20℃/小时的速度降温至室温；
(4)尺寸加工：将热处理后的材料采用专用的磨削设备进行尺寸加工，使摩擦片平面度控制在0.2mm以内。
实施例2：
本实施例2与实施例1的不同之处仅在于：
一种摩擦系数与温度同向变化的磁性稀土摩擦材料，包括以下组份：顺磁性稀土材料23％、纤维18％、树脂8％、摩擦调整材料16％、石墨12％、填料23％。
实验数据：
按实施例1、实施例2的配方及制备工艺值得配方一、配方二的样品，根据《GB5763-2008汽车用制动器衬片》执行标准，进行温度与摩擦系数变动的验证测试，测试结果如以下表格所示。
从摩擦性能测试结果得知，随着温度的升高，配方一，配方二均能稳定的提升摩擦系数，进而确保刹车功能的有效性及安全性，即使在降温阶段，本发明摩擦材料的摩擦系数也能略高于升温阶段，不会发生热衰退现象，能保证刹车性能的稳定性。
实施例3：
本实施例3与实施例1的不同之处仅在于：
一种摩擦系数与温度同向变化的磁性稀土摩擦材料，包括以下组份：顺磁性稀土材料15％、纤维15％、树脂8％、摩擦调整材料20％、石墨14％、填料28％。
具体的，所述顺磁性稀土材料为氧化钐、氧化铒，氧化铈、氟化铕的组合；均采用磁化处理过纳米级顺磁性稀土材料，通过粉料磁化器将纳米级顺磁性稀土的顺磁强度提升至10-4～10-1emu/g
所述纤维材料为石英纤维、芳纶纤维、丙烯晴纤维、陶瓷纤维、铜纤维、黏胶纤维、玻璃纤维的组合。
所述树脂为酚醛树脂、改性环氧树脂、改性丙烯酸树脂、改性酚醛树脂的组合；
所述摩擦调整材料为硫化锑、滑石粉、云母粉、橡胶粉的组合；
所述石墨为石墨烯和晶体石墨的组合；
所述填料为方解石、氧化铝、氧化铜、蛭石的组合。
实施例4：
本实施例4与实施例1的不同之处仅在于：
一种摩擦系数与温度同向变化的磁性稀土摩擦材料，包括以下组份：顺磁性稀土材料30％、纤维25％、树脂7％、摩擦调整材料10％、石墨8％、填料20％。
具体的，所述顺磁性稀土材料为氧化钆、氧化镝、氧化钬的组合，均采用磁化处理过纳米级顺磁性稀土材料，通过粉料磁化器将纳米级顺磁性稀土的顺磁强度提升至10-4～10-1emu/g；
所述纤维材料为石英纤维、芳纶纤维、丙烯晴纤维、陶瓷纤维的组合；
所述树脂为改性环氧树脂、改性酚醛树脂的组合；
所述摩擦调整材料为二硫化钼、硫化锑、滑石粉、云母粉的组合；
所述石墨烯为膨胀石墨、石墨烯的组合；
所述填料为棕刚玉、硅藻土、冰晶石、铝矾土的组合。
实施例5：
本实施例5与实施例1的不同之处仅在于：
一种摩擦系数与温度同向变化的磁性稀土摩擦材料，包括以下组份：顺磁性稀土材料25％、纤维20％、树脂4％、摩擦调整材料15％、石墨11％、填料25％。
所述顺磁性稀土材料为氧化钆、氧化钐、氟化铕的组合；均采用磁化处理过纳米级顺磁性稀土材料，通过粉料磁化器将纳米级顺磁性稀土的顺磁强度提升至10-4～10-1emu/g；
所述纤维材料为陶瓷纤维、铜纤维、黏胶纤维、玻璃纤维的组合；
所述树脂为酚醛树脂、改性酚醛树脂的组合；
所述摩擦调整材料为二硫化钼、硫化锑、滑石粉、云母粉的组合；
所述石墨为石墨烯；
所述填料为重晶石、方解石、氧化铝、氧化铜的组合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、组合、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种摩擦系数与温度同向变化的磁性稀土摩擦材料，其特征在于：按重量百分比计，所述高磁性稀土摩擦材料包括以下组份：顺磁性稀土材料15％～30％、纤维15％～25％、树脂4％～8％、摩擦调整材料10％～20％、石墨8％～15％、填料20％～30％。
2.根据权利要求1所述的一种摩擦系数与温度同向变化的磁性稀土摩擦材料，其特征在于：所述顺磁性稀土材料包含氧化钆、氧化钐、氧化镝、氧化钬、氧化铒，氧化铈、氟化铈、氧化铕，氟化铕中的一种或几种。
3.根据权利要求1或2所述的一种摩擦系数与温度同向变化的磁性稀土摩擦材料，其特征在于：所述顺磁性稀土材料采用磁化处理过纳米级顺磁性稀土材料，通过粉料磁化器将纳米级顺磁性稀土的顺磁强度提升至10-4～10-1emu/g。
4.根据权利要求1所述的一种摩擦系数与温度同向变化的磁性稀土摩擦材料，其特征在于：所述纤维材料包含石英纤维、芳纶纤维、丙烯晴纤维、陶瓷纤维、铜纤维、黏胶纤维、玻璃纤维中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的一种摩擦系数与温度同向变化的磁性稀土摩擦材料，其特征在于：所述树脂包含酚醛树脂、改性环氧树脂、改性丙烯酸树脂、改性酚醛树脂中的一种或几种。
6.根据权利要求1所述的一种摩擦系数与温度同向变化的磁性稀土摩擦材料，其特征在于：所述摩擦调整材料包含二硫化钼、硫化锑、滑石粉、云母粉、橡胶粉、腰果壳粉的一种或几种。
7.根据权利要求1所述的一种摩擦系数与温度同向变化的磁性稀土摩擦材料，其特征在于：所述石墨包含鳞片石墨、膨胀石墨、石墨烯、晶体石墨的一种或几种。
8.根据权利要求1所述的一种摩擦系数与温度同向变化的磁性稀土摩擦材料，其特征在于：所述填料包含钾长石、重晶石、方解石、氧化铝、氧化铜、棕刚玉、硅藻土、冰晶石、石英粉、铝矾土、蛭石的一种或几种。
9.如权利要求1～8任一所述摩擦系数与温度同向变化的磁性稀土摩擦材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)混料：按比例称取顺磁性稀土材料、纤维、树脂、摩擦调整材料、石墨、填料，把所有材料按顺序放入高速混料机中，搅拌8～10分钟，完成材料的混料搅拌；
(2)热压：将完成混料的材料均匀放入模具中，模具温度控制在150±5℃，压制压力30±2MPa，保温保压时间20-30s/mm的条件下进行热压，热压开始15S排气，以后间隔10S，每次排气5S，排气3～5次；
(3)热处理：将热压后的材料进行热处理；
(4)尺寸加工：将热处理后的材料采用专用的磨削设备进行尺寸加工，使摩擦片平面度控制在0.2mm以内。
10.根据权利要求9所述的高性能抗裂减缩型混凝土减水剂的制备方法，其特征在于：步骤(3)中热处理的具体过程为：从室温至80℃，等速升温40分钟，保温20分钟；从80℃～130℃，等速升温40分钟，保温20分钟；从130℃～160℃等速升温40分钟，保温20分钟；从160℃～190℃等速升温40分钟，190℃保温150分钟，最后以20℃/小时的速度降温至室温。
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