專利名稱：不銹鋼/碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮復(fù)合摩擦材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種復(fù)合摩擦材料，尤其是一種不銹鋼/碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮復(fù)合摩 擦材料及其制備方法，應(yīng)用于制造各種高速重載的摩擦部件，如汽車離合器與制動(dòng)器等。
背景技術(shù)：
摩擦材料是交通運(yùn)輸工具和動(dòng)力機(jī)械摩擦制動(dòng)器和離合器的關(guān)鍵材料，如剎車片 和離合器片等，因此，摩擦材料必須具有足夠高的機(jī)械強(qiáng)度和優(yōu)異的摩擦磨損性能，以保證 摩擦副工作的可靠性和耐久性。摩擦材料的發(fā)展過(guò)程經(jīng)歷了三個(gè)階段天然材料階段、合成 材料階段和多種材料復(fù)合使用階段。按使用條件可分為干式和濕式兩種。干式摩擦材料主 要采用無(wú)石棉有機(jī)摩擦材料和燒結(jié)摩擦材料；濕式摩擦材料主要采用紙基摩擦材料、石墨 基摩擦材料和燒結(jié)摩擦材料。從材料的結(jié)構(gòu)、組成及歷史發(fā)展的角度來(lái)劃分，目前使用的摩 擦材料可分為石棉有機(jī)摩擦材料、碳纖維摩擦材料、半金屬摩擦材料、粉末冶金金屬摩擦 材料等。由于石棉的原材料來(lái)源、結(jié)構(gòu)、性能與價(jià)格均能比較全面的滿足摩擦材料的要求， 使之在摩擦材料中得到了廣泛應(yīng)用，自從1890年以來(lái)一直被用作摩擦材料的增強(qiáng)材料，從 二十世紀(jì)70年代開始，以石棉和酚醛樹脂為主要原料制成的石棉摩擦材料，是性能較好、 生產(chǎn)量最大、應(yīng)用最廣的摩擦材料。此時(shí)的汽車制動(dòng)系統(tǒng)還多為鼓式制動(dòng)方式，多采用石棉 摩擦材料。隨著現(xiàn)代材料和制造技術(shù)的飛速發(fā)展和社會(huì)環(huán)保意識(shí)的提高，交通運(yùn)輸工具和 動(dòng)力機(jī)械的速度、負(fù)荷越來(lái)越高，摩擦材料的運(yùn)行條件越來(lái)越苛刻，使制動(dòng)器表面溫度達(dá) 300 500°C。曾獲廣泛應(yīng)用的石棉摩擦材料導(dǎo)熱性和耐熱性差，在400°C左右將失去結(jié)晶 水，550°C時(shí)結(jié)晶水完全喪失，失去增強(qiáng)效果。石棉脫水后會(huì)造成摩擦性不穩(wěn)定、工作層變 質(zhì)、磨損加劇，出現(xiàn)明顯的熱衰退現(xiàn)象，不能滿足高速重載的工作需要。為保證制動(dòng)系統(tǒng)及 摩擦傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性，對(duì)摩擦材料的綜合性能提出了越來(lái)越高的要求足夠而穩(wěn)定的摩 擦系數(shù)，動(dòng)、靜摩擦系數(shù)之差??；良好的導(dǎo)熱性、較大的熱容量和一定的高溫機(jī)械強(qiáng)度；良 好的耐磨性和抗粘著性，不易擦傷對(duì)偶件，無(wú)噪聲；低成本，對(duì)環(huán)境無(wú)污染等。因此，急需開 發(fā)具有高耐熱性、適當(dāng)而穩(wěn)定的摩擦系數(shù)、高的耐磨性、無(wú)污染的摩擦材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種摩擦系數(shù)穩(wěn)定、磨損率低、承載能力強(qiáng)的不 銹鋼/碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮復(fù)合摩擦材料；
為此本發(fā)明還提供一種上述復(fù)合摩擦材料的制備方法。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明產(chǎn)品所采取的技術(shù)方案是一種不銹鋼/碳纖維增 強(qiáng)聚醚醚酮復(fù)合摩擦材料，所述復(fù)合摩擦材料由下述重量份數(shù)的原料制成
基體粘接劑聚醚醚酮(PEEK) 15 25份； 增強(qiáng)纖維不銹鋼纖維3 15份，碳纖維5 15份；填料腰果殼粉5 15份，重晶石粉7 15份，鉻鐵礦粉2 10份，石墨和硫化銻為 5 15份，鋁粉4 10份，高嶺土和螢石5 15份，輕鈣1 5份。其中上述材料當(dāng)中，增磨填料為重晶石粉，鉻鐵礦粉，高嶺土，螢石；減磨填料為石 墨，硫化銻；摩擦性能調(diào)節(jié)劑為腰果殼粉(有機(jī)填料)，輕鈣，鋁粉。上述原料中，控制石墨和硫化銻總量為5 15份即可，控制高嶺土和螢石總量為 5 15份即可，因石墨和硫化銻所起的作用相同，高嶺土和螢石所起的作用也相同。本發(fā)明制備方法所采取的步驟為
1)將各原料在80 100°C溫度下干燥1 2小時(shí)，先將碳纖維、不銹鋼纖維和各種填 料放入攪拌機(jī)內(nèi)高速攪拌混合1 lOmin，再加入聚醚醚酮基體在低速攪拌混料0. 5 2小 時(shí)；
2)在300 380°C熱壓，壓力20 30MPa，保壓時(shí)間按試樣厚度確定3 6. 5 min/mm, 待隨模具降溫至IOCTC以下時(shí)，脫模冷卻至室溫；
3)固化處理采用階梯升溫固化工藝，80V保溫30 min,150 °C保溫30 min，220 250 °C 保溫 0. 5 lh，280 340 °C 保溫 10 20 h。本發(fā)明原理本復(fù)合摩擦材料的配方?jīng)Q定著最終性能，因此本發(fā)明從材料配方入 手，采用均勻設(shè)計(jì)方法，通過(guò)調(diào)整成型工藝，結(jié)合摩擦磨損和機(jī)械性能測(cè)試與機(jī)理分析，研 制具有摩擦系數(shù)穩(wěn)定、磨損率低、承載能力強(qiáng)的新型高強(qiáng)度復(fù)合摩擦材料。樹脂基體在摩擦材料中起粘結(jié)劑的作用，樹脂基體的耐磨性決定著整個(gè)體系的耐 磨狀況。本發(fā)明選用高耐熱性樹脂，以耐熱性高聚物聚醚醚酮(即PEEK)為基體粘結(jié)劑。如 果其含量過(guò)低，不能形成一個(gè)完整的基體，無(wú)法保證組份間的有機(jī)結(jié)合；含量太多，在壓制 和固化過(guò)程中會(huì)放出氣體，導(dǎo)致發(fā)泡、膨脹、開裂等問題。本發(fā)明中增強(qiáng)纖維起增強(qiáng)骨架作用，決定著材料的強(qiáng)度指標(biāo)。本發(fā)明選用不銹鋼 纖維和碳纖維為增強(qiáng)纖維。不銹鋼纖維強(qiáng)度和導(dǎo)熱性高，提高摩擦材料整體的導(dǎo)熱性，使摩 擦界面上不形成過(guò)高的溫度梯度，克服一般碳鋼纖維易生銹的缺點(diǎn)；碳纖維有高的強(qiáng)度和 模量，具有優(yōu)良的耐熱性，能形成穩(wěn)定的界面膜，可穩(wěn)定摩擦系數(shù)。這2種纖維無(wú)污染，能自 然降解。增強(qiáng)纖維混雜后在摩擦材料中結(jié)織成網(wǎng)狀，若纖維含量過(guò)少，起不到增強(qiáng)作用；金 屬纖維含量過(guò)多時(shí)，摩擦材料密度、硬度及導(dǎo)熱率等增大，沖擊韌性降低，對(duì)對(duì)偶盤的損傷 增大。填料的最主要作用是調(diào)節(jié)材料的摩擦磨損性能，獲得所要求的摩擦系數(shù)與磨損 率。重晶石粉能使摩擦系數(shù)穩(wěn)定，磨耗小，特別在高溫下，它能形成穩(wěn)定的摩擦界面層，能防 止對(duì)偶材料表面擦傷，使對(duì)偶表面磨的更光潔；高嶺土可改善摩擦材料的工藝性能，降低制 品的收縮率；螢石具有良好的低溫和高溫增摩效果；鉻鐵礦粉具有較好的低溫和高溫增摩 效果。石墨起減摩和潤(rùn)滑作用，減少摩擦材料的熱衰退，提高摩擦穩(wěn)定性，防止摩擦材料對(duì) 偶的表面金屬轉(zhuǎn)移。硫化銻屬熔點(diǎn)較低的軟金屬硫化物，可減少有機(jī)粘接劑用量，減少摩擦 系數(shù)的熱衰退，降低制品的高溫磨損。此外，石墨和硫化銻在高速混料中帶正電性，可中和 其他纖維和填料的負(fù)電性，有利于分散均勻。鋁粉在低溫和高溫均有一定的減摩作用，提高熱傳導(dǎo)性，降低摩擦表面的溫度。腰 果殼粉在成型固化過(guò)程中與樹脂發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，可改善材料的柔韌性，在高溫時(shí)，表面上可 形成柔軟的韌性碳化膜，穩(wěn)定摩擦性能。此外，輕鈣的表面活性高，與有機(jī)基體相容性較好，
4可改善材料的綜合性能。磨損機(jī)理分析表明在增摩填料重晶石(BaS04)、減摩填料硫化銻(Sb2S3)以及鉻 鐵礦粉(FeCr204)、鋼纖維和灰鑄鐵對(duì)偶盤等的共同作用下，經(jīng)過(guò)復(fù)雜的機(jī)械一熱一化學(xué)作 用，在摩擦表面形成了鋇和鐵的硫化物。在表面形成的均勻、致密、連續(xù)而穩(wěn)定的表面膜有 利于穩(wěn)定摩擦系數(shù)，減小磨損。因此，本發(fā)明復(fù)合摩擦材料選用耐熱性高的樹脂基體，配合增強(qiáng)纖維和各種填料 的共同作用，獲得高而穩(wěn)定的摩擦系數(shù)、良好的耐磨性及機(jī)械性能。同時(shí)，應(yīng)盡可能減少鐵 粉、鋼纖維等金屬組份的用量，克服較多的金屬組份造成的材料密度大、對(duì)對(duì)偶攻擊性大、 易生銹等缺點(diǎn)。采用上述技術(shù)方案所產(chǎn)生的有益效果在于本發(fā)明復(fù)合摩擦材料通過(guò)不同材料的 優(yōu)化選擇及配比，從而達(dá)到了摩擦系數(shù)穩(wěn)定、磨損率低、承載能力強(qiáng)的特點(diǎn)，其可應(yīng)用于制 作多種高速重載的摩擦部件，普遍具有摩擦系數(shù)穩(wěn)定、熱衰退小、熱恢復(fù)性好、磨損率低等 優(yōu)點(diǎn)，并且其具有優(yōu)異的摩擦磨損性能及良好的抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性；本發(fā)明的成型工藝 對(duì)各種工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到了良好的效果。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。實(shí)施例1
1)按表1選取各組份的重量份。表1摩擦材料配方
2)將各原料在80 100°C溫度下干燥1小時(shí)，先將碳纖維、不銹鋼纖維和各種填料放 入攪拌機(jī)內(nèi)高速攪拌混合lmin，再加入聚醚醚酮基體在低速攪拌混料0. 5小時(shí)。3)熱壓溫度320°C，壓力22 MPa，試樣厚度為5 7 mm，保壓時(shí)間按試樣厚度確定 為30 min，隨模具降溫至100°C以下時(shí)，脫模冷卻至室溫。4)固化處理采用階梯升溫固化工藝，80 °C保溫30 min, 150 °C保溫30 min, 240°C 保溫 0. 5h，310°C保溫 12h。5)制備試樣的摩擦磨損性能試驗(yàn)參照GB5763-98標(biāo)準(zhǔn)，在D-MS定速式摩擦試驗(yàn)機(jī) 上進(jìn)行。試樣從同一制品中取兩個(gè)，尺寸為25mmX25mmX5 7mm(厚度)，對(duì)偶盤為灰鑄鐵 HT250。正壓力為0. 98MPa。摩擦盤轉(zhuǎn)速恒定在400 500 r/min。分別在150°C、20(TC、 250°C、300°C和350°C時(shí)，測(cè)定圓盤旋轉(zhuǎn)5000轉(zhuǎn)期間的摩擦力及試片的厚度。試驗(yàn)結(jié)果參見 表2。材料在100 350°C時(shí)摩擦系數(shù)穩(wěn)定在0. 39 0. 48，具有很好的熱恢復(fù)性。材料的磨 損率在 350 °C 時(shí)為 0. 310X10-7 cm3(N*m)_l。密度 2. 0 2. 2g/cm3，硬度 90 110HRR， 抗壓強(qiáng)度75Mpa，沖擊韌性> 0. 3J/cm2。
表2試樣在不同溫度下的摩擦系數(shù)和磨損率
權(quán)利要求
一種不銹鋼/碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮復(fù)合摩擦材料，其特征在于所述復(fù)合摩擦材料由下述重量份數(shù)的原料制成基體粘接劑聚醚醚酮 15～25份；增強(qiáng)纖維不銹鋼纖維3～15份，碳纖維5～15份；填料腰果殼粉5～15份，重晶石粉7～15份，鉻鐵礦粉2～10份，石墨和硫化銻為5～15份，鋁粉4～10份，高嶺土和螢石5～15份，輕鈣1～5份。
2.—種權(quán)利要求1所述的不銹鋼/碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮復(fù)合摩擦材料的制備方法，其 特征在于所述制備方法的步驟為1)將各原料在80 100°C溫度下干燥1 2小時(shí)，先將碳纖維、不銹鋼纖維和各種填 料放入攪拌機(jī)內(nèi)高速攪拌混合1 lOmin，再加入聚醚醚酮基體在低速攪拌混料0. 5 2小 時(shí)；2)在300 380°C熱壓，壓力20 30MPa，保壓時(shí)間按試樣厚度確定3 6. 5 min/mm, 待隨模具降溫至IOCTC以下時(shí)，脫模冷卻至室溫；3)固化處理采用階梯升溫固化工藝，80V保溫30 min,150 °C保溫30 min，220 250 °C 保溫 0. 5 lh，280 340 °C 保溫 10 20 h。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種不銹鋼/碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮復(fù)合摩擦材料，由下述重量份數(shù)的原料制成聚醚醚酮15～25份；不銹鋼纖維3～15份，碳纖維5～15份，腰果殼粉5～15份，重晶石粉7～15份，鉻鐵礦粉2～10份，石墨和硫化銻5～15份，鋁粉4～10份，高嶺土和螢石5～15份，輕鈣1～5份。本發(fā)明還公開了上述材料的制備方法1)將原料在80～100℃溫度下干燥1～2小時(shí)，先將碳纖維、不銹鋼纖維和填料放入攪拌機(jī)內(nèi)攪拌，再加入聚醚醚酮基體攪拌；2)在300～380℃熱壓，壓力20～30MPa，脫模冷卻至室溫；3)階梯升溫固化處理。本發(fā)明復(fù)合摩擦材料摩擦系數(shù)穩(wěn)定、承載能力強(qiáng)，用于制作剎車和離合裝置。
文檔編號(hào)C04B26/10GK101973725SQ20101052477
公開日2011年2月16日 申請(qǐng)日期2010年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月29日
發(fā)明者付麗, 付華, 劉愛萍, 孫寶臣, 廖波, 張光磊 申請(qǐng)人:石家莊鐵道大學(xué)