一種重型卡車剎車片及其制備方法
【專利摘要】一種重型卡車剎車片及其制備方法，其特征在于：其組分包括蕁麻纖維，碳纖維，芳綸原纖，聚酰亞胺改性環(huán)氧樹(shù)脂，硅烷偶聯(lián)劑，超細(xì)氧化鐵粉，氧化鋯-氧化鎂，鱗片石墨，柔性焦粉，軟質(zhì)超細(xì)碳酸鈣，空心微球粉，蛭石，硫酸鈣晶須，重晶石粉。所述各組分的重量分?jǐn)?shù)：增強(qiáng)纖維15～20份，粘合劑10～15份，摩擦性能調(diào)節(jié)劑10～15份，填料40～50份。首先將天然蕁麻纖維與碳纖維混紡制備竹節(jié)紗，然后編織成三維整體織物并作為增強(qiáng)骨架，再采用模塑工藝注入樹(shù)脂、填料和摩擦性能調(diào)節(jié)劑等，最后通過(guò)擠壓鑄造工藝形成剎車片。所制備的高性能剎車片具有強(qiáng)度高、韌性好、制動(dòng)時(shí)磨損率小等優(yōu)點(diǎn)，其各項(xiàng)性能均達(dá)到載重卡車的使用要求。
【專利說(shuō)明】一種重型卡車剎車片及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及重型汽車制動(dòng)用剎車片【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種重型卡車剎車片及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著汽車向重載化和高速化發(fā)展，人們對(duì)汽車的摩擦制動(dòng)材料的性能要求越來(lái)越高。重型載重卡車的特點(diǎn)是高負(fù)荷、大運(yùn)量、起步頻繁、低速下坡時(shí)頻繁剎車、高速行駛時(shí)緊急剎車，屬剎車系統(tǒng)中的“高技術(shù)含量”產(chǎn)品。載重卡車運(yùn)輸工作條件苛刻，目前應(yīng)用的重型卡車剎車片在上述條件下易產(chǎn)生斷裂或表面龜裂，急需高強(qiáng)度剎車片，以滿足重型汽車剎車片的需要。
[0003]剎車片屬于復(fù)合材料，其性能直接受其組分的性能、含量、配比、幾何尺寸等因素影響。特別是增強(qiáng)纖維，粘結(jié)劑等主要成分與摩擦材料的性能關(guān)系最為密切。從使用棉線作為增強(qiáng)纖維的第一片制動(dòng)摩擦片誕生，到石棉制動(dòng)摩擦片、半金屬摩擦材料，再到NAO摩擦材料，高性能的碳纖維增強(qiáng)摩擦材料，都是伴隨著新型增強(qiáng)材料的研發(fā)和應(yīng)用。而載重車剎車片研制的重點(diǎn)是使增強(qiáng)纖維充分發(fā)揮增強(qiáng)骨架作用，減少剎車片加工及使用過(guò)程中的裂縫、龜裂現(xiàn)象。
[0004]蕁麻是主產(chǎn)于中國(guó)北方的野生天然纖維，屬于麻類纖維的一種。蕁麻纖維中間粗，兩頭細(xì)，呈啞鈴型，其木質(zhì)素含量高，具有纖維剛性大、斷裂強(qiáng)度高、斷裂伸長(zhǎng)小、初始模量大等特點(diǎn)。以天然蕁麻纖維作為增強(qiáng)纖維制備摩擦材料，可以有效提高剎車片的韌性，延長(zhǎng)剎車盤的使用壽命，不產(chǎn)生或少產(chǎn)生有害的摩擦粉塵，符合現(xiàn)代環(huán)保要求，代表目前摩擦材料的發(fā)展方向。此外，我國(guó)十二五規(guī)劃將開(kāi)發(fā)利用再生生物質(zhì)資源放到國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略的優(yōu)先地位，開(kāi)發(fā)蕁麻可以充分利用天然綠色資源、發(fā)展生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)，符合當(dāng)前國(guó)家政策。
[0005]碳纖維具有比強(qiáng)度高、比模量高等優(yōu)點(diǎn)，抗拉強(qiáng)度是是鋼的7?9倍，在航空航天領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用。但是，碳纖維作為摩擦材料的增強(qiáng)體主要存在三方面問(wèn)題:一是原材料價(jià)格高；二是碳纖維比較脆、失效應(yīng)變低、抗沖擊性能差；三是碳纖維表面活性低，比表面積小，與基體樹(shù)脂相容性差。如果將碳纖維與天然蕁麻纖維混雜使用，可以使兩種纖維的特性得到復(fù)合、優(yōu)化、互補(bǔ)，從而改善摩擦材料的性能。
[0006]三維編織技術(shù)是自20世紀(jì)末發(fā)展起來(lái)的一種新型高性能復(fù)合材料制備技術(shù)，發(fā)展它的目的是為了解決傳統(tǒng)復(fù)合材料很難用于制作主承力的結(jié)構(gòu)件和高功能制件的缺點(diǎn)。而普通的纖維增強(qiáng)剎車片是典型的脆性基體復(fù)合材料，其界面是材料內(nèi)部的薄弱環(huán)節(jié)，纖維與基體、填料的界面結(jié)構(gòu)和性能極大地影響著材料的機(jī)械性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的第一個(gè)目的是針對(duì)現(xiàn)有重型卡車剎車片的缺點(diǎn)而提供的一種強(qiáng)度高、韌性好的一種重型卡車剎車片。一方面，采用仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將蕁麻纖維和碳纖維混紡制備竹節(jié)紗，同時(shí)利用蕁麻纖維的啞鈴狀結(jié)構(gòu)，端部球可以使纖維在剎車片中的軸向應(yīng)力分布均勻化，同時(shí)降低界面剪切力；另一方面，采用三維編織技術(shù)將竹節(jié)紗紡制成三維立體結(jié)構(gòu)，改善了力的傳遞，使復(fù)合材料性能較少依賴界面，顯著提升剎車片的沖擊韌性和抵抗裂紋擴(kuò)展的能力，使得材料的強(qiáng)度和沖擊韌性大大提高。
[0008]其優(yōu)點(diǎn)是竹節(jié)紗可顯著改善纖維的增強(qiáng)效果，使復(fù)合材料的性能較少的依賴界面強(qiáng)度，其拉伸強(qiáng)度達(dá)到普通剎車片的5?8倍，彎曲強(qiáng)度是普通剎車片的1.5倍；采用竹節(jié)紗制備的三維編織復(fù)合材料作為增強(qiáng)骨架，其作用類似于建筑物中的螺紋鋼結(jié)構(gòu)框架，可以提高剎車片的強(qiáng)度和韌性，有效減少剎車片使用過(guò)程中的龜裂現(xiàn)象，滿足重型卡車剎車制動(dòng)所必需的性能要求。
[0009]本發(fā)明的第二個(gè)目的是充分利用現(xiàn)有的天然蕁麻纖維，制備一種金屬含量低，制動(dòng)時(shí)磨損率小、振顫較小，制動(dòng)過(guò)程中無(wú)噪音，不產(chǎn)生有害氣體和粉末，對(duì)環(huán)境友好的載重卡車剎車片的制備方法。
[0010]本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)方法如下:
[0011]為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的第一個(gè)目的，本發(fā)明采用三維編織復(fù)合材料作為增強(qiáng)骨架，首先將天然蕁麻纖維與碳纖維混紡制備竹節(jié)紗，采用三維編織機(jī)編制成預(yù)成型體，再采用模塑工藝注入樹(shù)脂、填料和摩擦性能調(diào)節(jié)劑等，最后利用擠壓鑄造工藝固化形成高性能的重型卡車剎車片。
[0012]為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的第二個(gè)目的，一種重型卡車剎車片的主要組分如下:蕁麻纖維，碳纖維，芳綸原纖，聚酰亞胺改性環(huán)氧樹(shù)脂，硅烷偶聯(lián)劑，超細(xì)氧化鐵粉，氧化鋯-氧化鎂，鱗片石墨，柔性焦粉，軟質(zhì)超細(xì)碳酸鈣，空心微球粉，蛭石，硫酸鈣晶須，重晶石粉。
[0013]具體工藝流程如下:
[0014]1、蕁麻纖維預(yù)處理:蕁麻使用前要經(jīng)過(guò)化學(xué)方法和超聲波聯(lián)合預(yù)處理:將蕁麻纖維浸泡于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5 %的NaOH溶液中，煮沸處理3h，再放置到超聲波發(fā)生器中，頻率為28kHz，功率2000W，每次處理200g，溫度控制范圍50?60°C，然后將分離成單根纖維的蕁麻用去離子水沖洗呈中性，烘干備用。
[0015]2、纖維混紡制備竹節(jié)紗:竹節(jié)紗的紡制方法是在細(xì)紗機(jī)的PLC上配置固定的紡紗程序，來(lái)控制電機(jī)改變工藝參數(shù)，生產(chǎn)出符合要求的竹節(jié)紗。其中蕁麻纖維和碳纖維的混紡比為75/25，節(jié)長(zhǎng)10?15mm，竹節(jié)倍粗為3倍，最終制得細(xì)度為72tex的竹節(jié)紗。從而使兩種纖維的特性得到復(fù)合、優(yōu)化、互補(bǔ)，從而改善摩擦材料強(qiáng)度和韌性。
[0016]3、紡制三維立體結(jié)構(gòu):以蕁麻纖維和碳纖維混紡制得的竹節(jié)紗為原料，利用三維編織機(jī)編制成預(yù)成型體，用做剎車片的增強(qiáng)骨架。其尺寸與普通剎車片接近，其制件厚度約為35mm，孔隙率為84%。三維紡織預(yù)成型體內(nèi)纖維在三維方向上相互交織，形成一個(gè)整體的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，因而從結(jié)構(gòu)上強(qiáng)化了復(fù)合材料，避免剎車片產(chǎn)生斷裂或龜裂現(xiàn)象。
[0017]4、原料混和:在自動(dòng)配料系統(tǒng)中進(jìn)行配料，按照配方的比例將物料放入自制攪拌器中攪拌5?8min,轉(zhuǎn)速為400?600r/min。試驗(yàn)制備過(guò)程中,根據(jù)剎車片的強(qiáng)度、磨擦系數(shù)及噪音值的大小，對(duì)原料的比例分配進(jìn)行調(diào)整。
[0018]5、原料注入:將三維編織預(yù)成型體放到閉模的模腔內(nèi)，利用壓注機(jī)將混合好的原料注入模腔，同時(shí)利用真空泵抽真空，使原料充分進(jìn)入三維編織預(yù)成型體，并初步固化成型。其中注射壓力為2Mpa。
[0019]6、擠壓鑄造成型:將原料注入到裝有三維編織預(yù)成型體的模腔內(nèi)后，在壓頭作用使原料固化，使用的擠壓設(shè)備為YA32-100型擠壓機(jī)，其中加壓速度為7mm/s，壓力為60MPa左右，熱壓溫度為170°C，壓加壓時(shí)間為6?lOmin。
[0020]7、熱處理階段:為使剎車片材質(zhì)能更加穩(wěn)定、耐熱性更高，因此需要進(jìn)行熱處理，，將摩擦材料置于溫度保持在200°C的環(huán)境下加熱長(zhǎng)達(dá)5h以上。
[0021]8、研磨切割階段:熱處理后的剎車片，其表面還是有需多毛邊，因此需經(jīng)過(guò)研磨切割才能使平整。
[0022]所述的增強(qiáng)纖維包含蕁麻纖維、碳纖維、芳綸原纖。
[0023]其中蕁麻纖維使用前要經(jīng)過(guò)化學(xué)方法和超聲波聯(lián)合預(yù)處理。處理后的蕁麻纖維平均單纖維長(zhǎng)度36mm,平均單纖維細(xì)度0.7tex,單纖維斷裂強(qiáng)度5.5cN/dtex。開(kāi)發(fā)蕁麻可以充分利用天然綠色資源、發(fā)展生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)，符合當(dāng)前國(guó)家政策。
[0024]其中的碳纖維為國(guó)產(chǎn)T-700高強(qiáng)度碳纖維,抗拉可達(dá)到4.9Gpa,密度1.8g/cm3。具有比強(qiáng)度高、比模量高等優(yōu)點(diǎn)，抗拉強(qiáng)度是是鋼的7?9倍等特點(diǎn)，重適合生產(chǎn)用于載重汽車、列車等制動(dòng)頻繁的車型所用的剎車片。將蕁麻纖維和碳纖維一定比例混紡，采用竹節(jié)紗紡制技術(shù)制備增強(qiáng)材料。兩種纖維的特性得到復(fù)合、優(yōu)化、互補(bǔ)。
[0025]其中的芳綸原纖為研磨成原纖的絨狀纖維，表面呈蓬松的毛羽狀，在摩擦材料中呈現(xiàn)出摩擦系數(shù)穩(wěn)定，磨損率低，強(qiáng)度好的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明使用的芳綸原纖的性能指標(biāo)如下:纖維長(zhǎng)度0.5?2.2mm,抗拉強(qiáng)度16?20 X 103K/cm2。
[0026]本發(fā)明所使用的粘合劑為聚酰亞胺改性環(huán)氧樹(shù)脂。聚酰亞胺環(huán)氧樹(shù)脂由美國(guó)3M公司生產(chǎn)，采用聚酰亞胺來(lái)改性環(huán)氧樹(shù)脂制備，從而改善環(huán)氧樹(shù)脂的耐熱性和韌性。該粘合劑對(duì)金屬、硅石粉、石墨等均有優(yōu)異的粘接性能，其熱分解溫度達(dá)到600°C，其抗張強(qiáng)度可以達(dá)到400Mpa，所制備出的剎車片在高溫下摩擦性能穩(wěn)定性好，抗熱衰退性強(qiáng)。
[0027]本發(fā)明中使用的摩擦性能調(diào)節(jié)劑為超細(xì)氧化鐵粉，氧化鋯-氧化鎂，鱗片石墨，柔性焦粉，。
[0028]超細(xì)氧化鐵粉為黑色粉末，是選用硬度低的熟鐵基材經(jīng)過(guò)特別的工藝加工而成，具有硬度低、高氣孔率、耐高溫、耐氧化、成本低的特點(diǎn)，能降低制動(dòng)時(shí)的噪音和抖動(dòng)。
[0029]氧化鋯與氧化鎂的混合材料具有高硬度，高強(qiáng)度，高韌性，極高的耐磨性及耐化學(xué)腐蝕性等優(yōu)良的物化性能。將其應(yīng)用于摩擦材料，有利于剎車片高溫摩擦性能的穩(wěn)定，提高增摩效果，降低剎車片的磨損率，延長(zhǎng)使用壽命。
[0030]柔性焦粉是選用硬度低、氣孔率高的石油焦炭經(jīng)過(guò)高溫焙燒后再進(jìn)行柔化處理而得，可以提高摩擦材料的摩擦性能、減輕高溫時(shí)摩擦材料的熱衰退性。
[0031 ] 本發(fā)明專利中使用填料為空心微球粉，蛭石，硫酸鈣晶須。
[0032]其中的空心微球粉主要組成為硼硅酸鹽，平均粒徑:35μπι，相對(duì)密度為0.70g/cm3，熔點(diǎn):700°C。作為填料，顆粒球狀形態(tài)有助于提高剎車片的尺寸穩(wěn)定性，降低產(chǎn)品重量。
[0033]硫酸鈣晶須是纖維狀單晶體，具有高強(qiáng)度、高模量、高韌性、高絕緣性、耐磨耗、耐高溫、價(jià)廉等諸多優(yōu)良的理化性能。本發(fā)明專利中使用硫酸鈣晶須的指標(biāo):長(zhǎng)度約為150um，直徑7?8um，熔點(diǎn):1000°C以上。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】[0034]圖1是本發(fā)明專利中三維編織預(yù)成型體的結(jié)構(gòu)示意圖【具體實(shí)施方式】:
[0035]一種重型卡車剎車片采用蕁麻纖維和碳纖維混紡竹節(jié)紗制備的三維編織復(fù)合材料作為增強(qiáng)骨架，首先將天然蕁麻纖維與碳纖維混紡制備竹節(jié)紗，編織成與剎車片尺寸一致的三維整體織物，再采用模塑工藝注入樹(shù)脂、填料和摩擦性能調(diào)節(jié)劑等，最后利用擠壓鑄造工藝固化形成高性能的重型卡車剎車片。產(chǎn)品不僅可滿足載重卡車對(duì)摩擦系數(shù)、磨損率、硬度、沖擊韌性等各項(xiàng)性能的要求，而且具有制動(dòng)無(wú)噪音，不污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。
[0036]本發(fā)明經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)得到的的最佳配方比例為:
【權(quán)利要求】
1.一種重型卡車剎車片及其制備方法，其特征在于:其組分包括蕁麻纖維，碳纖維，芳綸原纖，聚酰亞胺改性環(huán)氧樹(shù)脂，硅烷偶聯(lián)劑，超細(xì)氧化鐵粉，氧化鋯-氧化鎂，鱗片石墨，柔性焦粉，軟質(zhì)超細(xì)碳酸鈣，空心微球粉，蛭石，硫酸鈣晶須，重晶石粉。所述各組分的重量分?jǐn)?shù):增強(qiáng)纖維15~20份，粘合劑10~15份，摩擦性能調(diào)節(jié)劑10~15份，填料40~50份。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種重型卡車剎車片及其制備方法，其特征在于首先將蕁麻纖維與碳纖維混紡制備竹節(jié)紗，利用其啞鈴型結(jié)構(gòu)改善纖維的增強(qiáng)效果。其中蕁麻纖維和碳纖維的混紡比為75/25，節(jié)長(zhǎng)10~15mm，竹節(jié)倍粗為2倍，竹節(jié)紗的細(xì)度為72tex。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種重型卡車剎車片及其制備方法，其特征在在于將蕁麻纖維與碳纖維混紡制備的竹節(jié)紗編織成三維整體織物，并作為剎車片的增強(qiáng)骨架，再采用模塑工藝注入樹(shù)脂、填料和摩擦性能調(diào)節(jié)劑等，最后利用擠壓鑄造工藝固化形成高性能的重型卡車剎車片。
【文檔編號(hào)】F16D69/02GK103899694SQ201410037601
【公開(kāi)日】2014年7月2日 申請(qǐng)日期:2014年1月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月19日
【發(fā)明者】姜著川 申請(qǐng)人:姜著川