本發(fā)明涉及材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種碳纖維樹脂基摩擦材料及其制備方法。
【技術(shù)背景】
目前運用復(fù)合摩擦材料制備的剎車片存在綜合性能不高，各種性能不能兼顧的問題，比如有些強韌度不夠，高溫?zé)崴ネ舜?，剎車升溫過程中的摩擦系數(shù)不穩(wěn)定，還可能會發(fā)生打滑現(xiàn)象，這些問題主要來源于摩擦原料的選擇。在現(xiàn)有技術(shù)中，要解決這些問題，制備摩擦材料時所用到的原料種類過于繁多，有的多達(dá)25種，導(dǎo)致成本太高，不經(jīng)濟(jì)實用；另外，一些碳纖維摩擦材料的制備過程中不會對碳纖維進(jìn)行表面處理，從而在混料之后難以使碳纖維與其他原料均勻的混合在一起；若是經(jīng)過碳纖維的表面改性，其摩擦材料的制作過程略于繁雜，不利于大力推廣。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
鑒于以上提出的問題，本發(fā)明為了彌補現(xiàn)有摩擦材料制備技術(shù)的不足，提供了一種碳纖維樹脂基摩擦材料。本摩擦材料用料少，成本低，使用壽命長；同時，還對碳纖維進(jìn)行超聲波的簡易表面處理，使其具有較好的摩擦磨損性能；本發(fā)明可用于制作具有優(yōu)良性能的剎車片，值得大力推廣。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：一種碳纖維樹脂基摩擦材料，主要由以下重量份的原料制成:丁腈膠粉5-15份、礦物纖維28-38份、碳纖維2-12份、硫酸鈣13-23份、鋁礬土18-28份、摩擦粉5-15份、氧化鋁1-5份、白炭黑7-17份、塑膠粒3-13份、白云母3-13份、樹脂8-18份、芳綸1-10份和石墨10-20份。
進(jìn)一步地，主要由以下重量份的原料制成:丁腈膠粉6-14份、礦物纖維29-37份、碳纖維3-11份、硫酸鈣14-22份、鋁礬土19-27份、摩擦粉6-14份、氧化鋁2-4份、白炭黑8-16份、塑膠粒4-12份、白云母4-13份、樹脂9-17份、芳綸2-9份和石墨11-19份。
進(jìn)一步地，主要由以下重量份的原料制成:丁腈膠粉10份、礦物纖維33份、碳纖維7份、硫酸鈣18份、鋁礬土23份、摩擦粉10份、氧化鋁3份、白炭黑12份、塑膠粒8份、白云母8份、樹脂13份、芳綸5份和石墨15份。
進(jìn)一步地，所述樹脂為丁腈樹脂，所述碳纖維為PAN基碳纖維。
進(jìn)一步地，所述制備方法包括如下步驟：
1)原料的稱量：按上述重量份揀取所述原料；
2)將所述碳纖維放入超聲波清洗器中，并加入等離子水，所述等離子水與所述碳纖維按重量比50:1混合；后開啟超聲波清洗器，并將超聲波清洗器的溫度調(diào)至30℃，運行時間設(shè)為30min；待超聲波清洗器工作完畢，將所述碳纖維烘干，待用；
3)原料的混合：將經(jīng)步驟2)所得的碳纖維、所述芳綸纖維和礦物纖維加入混料機中，并設(shè)定混料機的攪拌轉(zhuǎn)速為2010r/min，攪拌時間為60s；待混料機運行結(jié)束后再依次加入所述丁腈膠粉、硫酸鈣、鋁礬土、摩擦粉、氧化鋁、白炭黑、塑膠粒、白云母、石墨和樹脂，并使混料機以2010r/min攪拌轉(zhuǎn)速攪拌30-150s，后取出混合物，待用；
4)原料的干燥：將步驟3)所得的混合物放入溫度為80℃的干燥箱中干燥15-20min；
5)原料的壓制：稱取經(jīng)步驟4)所得的混合物30-100g，并將其倒入壓制模具中，壓制模具的壓制壓力為4-18MPa，壓制溫度為160-175℃；其中，具體的壓制工藝為：保壓15s放氣30s，保壓15s放氣30s，保壓30s放氣30s，保壓30s放氣30s，后保壓4min，即得摩擦材料；
6)摩擦材料的固化：將經(jīng)步驟5)處理后的摩擦材料放入鼓風(fēng)干燥箱中進(jìn)行固化熱處理，所述固化熱處理包括6個階段，分別為：80℃保溫1h、100℃保溫2h、120℃保溫4h、140℃保溫2h、160℃保溫3h和180℃保溫4h。
進(jìn)一步地，所述步驟5)中，所述混合物倒入壓制模具前，先將壓制模具放在溫度為160-175℃的環(huán)境下預(yù)熱2-3h。
本發(fā)明提供了一種碳纖維樹脂基摩擦材料，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效果：
1.本發(fā)明為碳纖維樹脂基配方體系，所采用的原料較少。配方中丁腈膠粉、塑膠粒和樹脂的結(jié)合能降低磨耗量，使摩擦系數(shù)趨于平穩(wěn)，具有耐熱、耐寒、防滑耐磨、耐油、耐溶劑、揉曲性強等特點，可防止增塑劑滲移，橡膠制品壓縮永久變形小，能長時間保持原有材料的物理性能，明顯提高橡膠物理性能和抗化學(xué)品性能，相溶性極好，聚合物的熔體穩(wěn)定性高，亦能提高橡塑合金制品的加工性能。礦物纖維和芳綸的結(jié)合使摩擦材料具有良好的機械特性能，優(yōu)異的阻燃、耐熱性能，耐輻射性，耐久性，使制運噪音小。碳纖維作為增強纖維，配以硫酸鈣、鋁礬土、摩擦粉、氧化鋁、白炭黑、白云母和石墨為填料，能提高摩擦材料的耐腐蝕、耐久性能，亦可大大提高建筑物的使用壽命，降低加固成本；填料的合理使用使得摩擦材料顏色呈黑色系，且具有較好的摩擦磨損性能。因此，本發(fā)明所制得的碳纖維樹脂基摩擦材料具有熱脹系數(shù)小、比重小、噪音小、摩擦系數(shù)平穩(wěn)和磨耗低的優(yōu)點，有利于延長摩擦材料的壽命。
2.本發(fā)明將碳纖維經(jīng)過超聲波表面改性后其粗糙度增大，有利于與基體結(jié)合，能提高摩擦材料的摩擦性能；并且能使碳纖維表面膠層脫離，粗糙度增加表面活性增大，且使碳纖維表面沒有燒損；經(jīng)處理的碳纖維直徑長度與無處理碳纖維相差不大，較其他改性方法好；此超聲波改性法能改善碳纖維的分散性能，在混料過程中，碳纖維能與其他原料均勻混合，制出的摩擦材料硬度變化趨于平穩(wěn)、壓縮和剪切性能好。
3.本發(fā)明的方法在原料的壓制和摩擦材料的固化過程中，通過反復(fù)多次放氣的操作可釋放出模具中的氣體和原料帶入的氣體，防止壓制出的摩擦材料產(chǎn)生裂紋或鼓包；多次保壓是為了讓樹脂充分流動，與其他材料結(jié)合，亦使得材料內(nèi)部的性質(zhì)更均一。通過溫度梯度保溫的方式使固化過程逐步進(jìn)行，使材料內(nèi)部應(yīng)力分散，提升材料的力學(xué)性能。
【具體實施方式】
下面的實施例可以幫助本領(lǐng)域的技術(shù)人員更全面的理解本發(fā)明，但不可以以任何方式限制本發(fā)明。
下面給出實施例1-5原料的配方，列為表1：
表1實施例1-5摩擦材料的原料、含量及規(guī)格(單位：克)
實施例1-5的摩擦材料均按照以下方法進(jìn)行制作
一種碳纖維樹脂基摩擦材料，主要由丁腈膠粉、礦物纖維、碳纖維、硫酸鈣、鋁礬土、摩擦粉、氧化鋁、白炭黑、塑膠粒、白云母、樹脂、芳綸和石墨制成，各原料的具體含量見表1。
所述碳纖維樹脂基摩擦材料的制備方法包括如下步驟：
1)原料的稱量：按上述重量份揀取所述原料；
2)將所述碳纖維放入超聲波清洗器中，并加入等離子水，所述等離子水與所述碳纖維按重量比50:1混合；后開啟超聲波清洗器，并將超聲波清洗器的溫度調(diào)至30℃，運行時間設(shè)為30min；待超聲波清洗器工作完畢，將所述碳纖維烘干，待用；
3)原料的混合：將經(jīng)步驟2)所得的碳纖維、所述芳綸纖維和礦物纖維加入混料機中，并設(shè)定混料機的攪拌轉(zhuǎn)速為2010r/min，攪拌時間為60s；待混料機運行結(jié)束后再依次加入所述丁腈膠粉、硫酸鈣、鋁礬土、摩擦粉、氧化鋁、白炭黑、塑膠粒、白云母、石墨和樹脂，并使混料機以2010r/min攪拌轉(zhuǎn)速攪拌30-150s，后取出混合物，待用；
4)原料的干燥：將步驟3)所得的混合物放入溫度為80℃的干燥箱中干燥15-20min；
5)原料的壓制：稱取經(jīng)步驟4)所得的混合物30-100g，再將壓制模具先在160-175℃下進(jìn)行預(yù)熱2-3h，然后把所述混合物倒入壓制模具中，并將其倒入壓制模具中，壓制模具的壓制壓力為4-18MPa，壓制溫度為160-175℃；其中，具體的壓制工藝為：保壓15s放氣30s，保壓15s放氣30s，保壓30s放氣30s，保壓30s放氣30s，后保壓4min，即得摩擦材料；
6)摩擦材料的固化：將經(jīng)步驟5)處理后的摩擦材料放入鼓風(fēng)干燥箱中進(jìn)行固化熱處理，所述固化熱處理包括6個階段，分別為：80℃保溫1h、100℃保溫2h、120℃保溫4h、140℃保溫2h、160℃保溫3h和180℃保溫4h。
所述步驟3)中原料的混料，在最后加入丁腈樹脂，由于腈膠粉的重量最大，將其置于最上層，有利于原料的均勻混合。
為了體現(xiàn)本發(fā)明在較少的原料下，可制備出具有摩擦系數(shù)平穩(wěn)且達(dá)標(biāo)、磨耗量較低、熱膨脹小的優(yōu)點，實驗室對本發(fā)明所有實施例制得的碳纖維樹脂基摩擦材料進(jìn)行了性能檢測，并將該摩擦材料制成汽車摩擦片進(jìn)行性能測試，本發(fā)明實驗檢驗結(jié)果與測試數(shù)據(jù)詳見表2；并與專利號為201310219952.8，公告號為103352943A所公開的一種摩擦材料、汽車摩擦片的性能測試數(shù)據(jù)作對比，一種摩擦材料、汽車摩擦片的性能測試數(shù)據(jù)詳見表3。
表2實施例1-5摩擦材料的性能測試數(shù)據(jù)
表3汽車摩擦片的性能測試數(shù)據(jù)
通過表2與表3的對比，首先，本發(fā)明實施例1-5所制得摩擦材料的摩擦系數(shù)較穩(wěn)定且均在國家剎車片摩擦系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，但對比例中部分摩擦系數(shù)超出了國家剎車片摩擦系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)范圍；然后，本發(fā)明摩擦系數(shù)和熱膨脹系數(shù)略低于對比例的摩擦系數(shù)與熱膨脹系數(shù)；最后，本發(fā)明剪切強度和硬度等參數(shù)則與對比例的剪切強度和硬度參數(shù)基本持平。所以本發(fā)明實施例1-5所制得的摩擦材料相較對比例，其摩擦性能符合國家標(biāo)準(zhǔn)，性能較好，并且，磨耗量與熱膨脹明顯降低。說明本發(fā)明中丁腈膠粉、塑膠粒和樹脂的結(jié)合能降低磨耗量，也可使其摩擦系數(shù)趨于平穩(wěn)，并在合理的范圍之內(nèi)。
尤其，本發(fā)明由丁腈膠粉、塑膠粒、樹脂和碳纖維等13種原料制備而成，對比例是由粘接劑、增強劑、增磨劑、抗磨潤滑劑、彈性增韌劑和填充料制備而成，原料多達(dá)24種。通過上述對比，本發(fā)明性能優(yōu)于對比例的性能，因此，本發(fā)明相較對比例，其原料少，成本低，性能好。
本發(fā)明通過對碳纖維的超聲波表面處理，改善了碳纖維的分散性，在嚴(yán)格控制原料混合的時間及順序后，將使所有原料在混合時能夠達(dá)到均勻，從而使制得的摩擦材料硬度趨于平穩(wěn)；剪切強度也優(yōu)于對比例。
綜上可知，本發(fā)明在較少原料的制備下，碳纖維作為增強纖維具有質(zhì)輕、比強度高、集成性強等優(yōu)點，與其他原料相結(jié)合能使摩擦材料具有高強度、高模量、能導(dǎo)電、抗蠕變、耐高溫、耐腐蝕、傳熱、熱脹系數(shù)小和比重小的優(yōu)良性能，還能夠有利于延長剎車片壽命。本發(fā)明可用于制作剎車片，利于推廣。
雖然，上文中已經(jīng)用一般性說明及具體實施方案對本發(fā)明作了詳盡的描述，但在本發(fā)明基礎(chǔ)上，可以對之作一些修改或改進(jìn)，這對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯而易見的。因此，在不偏離本發(fā)明精神的基礎(chǔ)上所做的這些修改或改進(jìn)，均屬于本發(fā)明要求保護(hù)的范圍。