一种道路车辆碳陶制动盘用有机陶瓷刹车片及其制备方法与流程

1.本发明属于车用摩擦片技术领域，具体涉及一种道路车辆碳陶制动盘用有机陶瓷刹车片及其制备方法。


背景技术：

2.近期，随着电动车轻量化要求提高以及碳陶盘生产成本的持续降低，碳陶刹车副即将迎来广阔的市场空间。
3.目前广泛使用的制动盘材料主要为普通铸铁，该材料易衰退，易锈蚀。相较于铸铁盘，碳陶盘具有轻量化、耐高温、耐磨损、耐腐蚀等特点，摩擦系数稳定，使用寿命长。虽然碳陶制动盘的开发日益成熟，与之匹配的刹车片的研究却很少。现有传统碳陶制动盘有机复合材料刹车片大多采用单一耐高温树脂作为粘接剂，尽管耐温性能大幅提升，但生产难度大，极端条件下仍有热衰退问题，且起火现象明显；采用陶瓷粘接剂的碳陶制动盘刹车片耐温耐磨，但制动舒适性差，不适合道路车辆使用。
4.综上所述，亟需提供一种具有良好的抗热衰退性、摩擦系数适中、制动平稳、耐磨损、能匹配碳陶盘的有机陶瓷刹车片。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种具有良好的抗热衰退性、摩擦系数适中、制动平稳、耐磨损、能匹配碳陶盘的有机陶瓷刹车片。
6.上述目的通过如下技术方案实现：一种道路车辆碳陶制动盘用有机陶瓷刹车片，其原料包括按重量百分比计算的如下组分：酚醛树脂1～4％，硼改性酚醛树脂1～5％，偏磷酸铝4～15％，硅酸钠3～7％，氟化铵1～3％，氧化镁1～5％，氧化铜3～5％，铝粉2～6％，碳纤维1～6％，芳纶浆泊1～6％，钢纤维8～15％，还原铁粉15～25％，紫铜粉6～12％，氧化锑1～3％，硼酸锌5～8％，三硫化二锑2～6％，二硫化钼4～6％，煅烧石油焦炭5～8％，钛酸铝1～5％，氧化钛1～4％，氧化锆5～12％，碳化硅4～8％，三氧化二铬2～6％。
7.本发明采用上述组分配比制备的刹车材料是一种有机陶瓷复合材料，其中树脂包含酚醛树脂和硼改性酚醛树脂两种，两种树脂分解温度不同，两者配合使用相互促进，减少高温热衰退现象，并大幅降低生产难度；偏磷酸铝和硅酸钠组成的无机粘结剂及其组分在热固化100-200℃，200-350℃，350-500℃的三个阶段成型，氧化钛分散剂改变混料纤维表面张力和电负性防止絮团，氟化铵和氧化镁并用固化剂作用于偏磷酸铝在100-200℃固化定型，并在后续高温连续完成固化，缩短固化时间。偏磷酸铝和硅酸钠为陶瓷无机粘接剂与其组分在高温固化为陶瓷连续相基体，增强刹车片的耐高温和耐磨性能。碳纤维和芳纶纤维为主要高温高模量的增强基体相，钢纤维为主要增强相，同时也是良好的增摩材料，配合还原铁粉可提高刹车片导热性能，降低高速下的摩擦系数衰退。紫铜粉是良好的润滑剂，可降低制动过程的抖动，同时降低磨损。碳化硅主要起增加高温摩擦系数的作用。煅烧石油焦炭有助于降低噪音，减少伤盘，降低磨损。硫化锑高温润滑，氧化锆与无机粘结剂组成陶瓷
相并增加摩擦系数。硼酸锌和氧化锑为阻燃材料，可一定程度上抑制树脂高温分解产物的起火燃烧。通过以上材料的合理配比设计，实现与碳陶盘的完美匹配，具有良好刹车效果。
8.进一步的技术方案是，所述酚醛树脂和硼改性酚醛树脂的聚合速度分别为30～60s和80～90s。
9.进一步的技术方案是，所述还原铁粉的粒度小于74μm，所述硼酸锌的粒度小于3μm，所述氧化锑粒度小于3μm，所述紫铜粉的粒度小于74μm，所述煅烧石油焦炭的粒度为250～350μm，所述碳化硅的粒度小于45μm。
10.进一步的技术方案是，其原料包括按重量百分比计算的如下组分：酚醛树脂2％，硼改性酚醛树脂3％，偏磷酸铝4％，硅酸钠5％，氟化铵1％，氧化镁2％，氧化铜3％，铝粉2％，碳纤维5％，芳纶浆泊2％，钢纤维8％，还原铁粉18％，紫铜粉6％，氧化锑3％，硼酸锌5％，三硫化二锑5％，二硫化钼4％，煅烧石油焦炭5％，钛酸铝1％，氧化钛1％，氧化锆5％，碳化硅8％，三氧化二铬2％。
11.为实现上述目的，本发明还提供上述任一所述的道路车辆碳陶制动盘用有机陶瓷刹车片的制备方法，包括如下步骤：
12.(1)混料：称量指定重量分数的原料搅拌预定时间；
13.(2)热压成型；
14.(3)热固化：将经步骤(2)处理后的摩擦片在预定时间内从室温升温到热固化温度，保温预定时间，然后随加热容器冷却至室温；
15.(4)机械加工；
16.(5)表面烧蚀。
17.进一步的技术方案是，先进行纤维料的预混，加入分散剂，混料时间3～5min，混料时间为3～5min，混料机主轴转速80～120转/分钟，飞刀转速2800～3200转/分钟，然后将其他组分合混，混料时间10～15min，混料机主轴转速80～120转/分钟，飞刀转速2800～3200转/分钟，固化前加入固化剂隔离混合。
18.进一步的技术方案是，所述步骤(2)中的压制压力450～550kgf/cm2，热压温度160～170℃，热压温度100～200℃，保压5～15s，排气5～10s，排气4～6次，硫化保压时间为300～420s。
19.进一步的技术方案是，所述步骤(3)的具体步骤为：将经步骤(2)处理的刹车片从室温升温到200℃，然后再升温至350℃，保温预定时间，再次升温至500℃，保温预定时间，然后随加热容器冷却至室温。
20.进一步的技术方案是，所述步骤(4)中的机械加工至少包括平磨。
21.进一步的技术方案是，所述步骤(5)中烧蚀温度550℃～650℃，烧蚀时间3～5min。
22.相比于现有技术，本发明制备的刹车片与碳陶盘匹配时具有良好的抗热衰退性，ak试验600℃左右仍有0.35以上的摩擦系数，ams试验最低摩擦系数0.28，且摩擦系数适中，制动平稳，无抖动；速度和压力敏感性低，随制动初速度和制动压力升高，摩擦系数基本无衰减；耐磨损，ak试验磨损0.3mm以内，使用寿命10万公里以上。低噪音，试车验证无行车噪音。综上所述，本发明的有机陶瓷刹车片兼有有机材料柔韧性和陶瓷材料耐温高强的优点，拥有适中的摩擦系数、相对较低的生产成本、硬度适中且综合摩擦性能最好，是与道路车辆碳陶制动盘配副时最有潜力大规模应用的摩擦材料。
具体实施方式
23.下面结合本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。此外，本领域技术人员根据本文件的描述，可以对本文件中实施例中以及不同实施例中的特征进行相应组合。
24.本发明实施例如下：
25.实施例1：
26.碳陶制动盘用有机陶瓷刹车片的原料组成如下：酚醛树脂2％，硼改性酚醛树脂3％，偏磷酸铝4％，硅酸钠5％，氟化铵1％，氧化镁2％，氧化铜3％，铝粉2％，碳纤维5％，芳纶浆泊2％，钢纤维8％，还原铁粉18％，紫铜粉6％，氧化锑3％，硼酸锌5％，三硫化二锑5％，二硫化钼4％，煅烧石油焦炭5％，钛酸铝1％，氧化钛1％，氧化锆5％，碳化硅8％，三氧化二铬2％。
27.本实施例的碳陶制动盘用有机陶瓷刹车片的制备工艺为：
28.(1)混料：先进行纤维料的预混，加入分散剂，混料时间为3～5min，混料机主轴转速80～120转/分钟，飞刀转速2800～3200转/分钟，然后将其他组分合混，混料时间10～15min，混料机主轴转速80～120转/分钟；
29.(2)热压：压制压力500kgf/cm2，热压温度165℃，保压10s，排气5s，排气6次，保压时间360s；
30.(3)热成型：将成型后的摩擦片在3小时从室温升温到200℃，2小时升温至350℃，保温3小时，再2小时升温至500℃，保温6小时，然后随炉冷却至室温；
31.(4)机械加工：将热处理后的摩擦片按技术要求进行机械加工，包括平磨、开槽等；
32.(5)表面烧蚀：烧蚀温度600℃，烧蚀时间4min。
33.实施例1中的刹车片制备完成后按照国际标准sae j2522-2003进行测试，主要测试结果见表1。
34.表1实施例1的sae j2522-2003测试结果
[0035][0036]
由sae j2522-2003试验结果可知，实施例1最低摩擦系数0.40，名义摩擦系数0.43，内片磨损0.25mm，外片磨损0.22mm。摩擦系数稳定，磨损低。
[0037]
实施例1中的刹车片制备完成后进行ams测试，主要测试结果见表2。
[0038]
表2实施例1的ams测试结果
[0039]
[0040][0041]
由ams试验结果可知，实施例1最低摩擦系数0.30，热衰退表现优秀。
[0042]
实施例2
[0043]
碳陶制动盘用有机陶瓷刹车片的原料组成如下：酚醛树脂1％，硼改性酚醛树脂2％，偏磷酸铝8％，硅酸钠7％，氟化铵3％，氧化镁1％，氧化铜5％，铝粉2％，碳纤维1％，芳纶浆泊1％，钢纤维10％，还原铁粉15％，紫铜粉8％，氧化锑1％，硼酸锌5％，三硫化二锑2％，二硫化钼4％，煅烧石油焦炭5％，钛酸铝5％，氧化钛2％，氧化锆6％，碳化硅4％，三氧化二铬2％。
[0044]
制备方法和测试方法同实施例1。
[0045]
实施例2中的刹车片制备完成后按照国际标准sae j2522-2003进行测试，主要测试结果见表3。
[0046]
表3实施例2的sae j2522-2003测试结果
[0047][0048]
[0049]
由sae j2522-2003试验结果可知，实施例2最低摩擦系数0.36，名义摩擦系数0.41，内片磨损0.28mm，外片磨损0.23mm。摩擦系数稳定，磨损低。
[0050]
实施例2中的刹车片制备完成后进行ams测试，主要测试结果见表4。
[0051]
表4实施例2的ams测试结果
[0052][0053]
由ams试验结果可知，实施例2最低摩擦系数0.29，热衰退表现优秀。
[0054]
实施例3
[0055]
碳陶制动盘用有机陶瓷刹车片的原料组成如下：酚醛树脂1％，硼改性酚醛树脂1％，偏磷酸铝15％，硅酸钠3％，氟化铵1％，氧化镁2％，氧化铜3％，铝粉2％，碳纤维6％，芳纶浆泊1％，钢纤维8％，还原铁粉15％，紫铜粉8％，氧化锑1％，硼酸锌8％，三硫化二锑2％，二硫化钼4％，煅烧石油焦炭5％，钛酸铝1％，氧化钛2％，氧化锆5％，碳化硅4％，三氧化二铬2％。
[0056]
制备方法和测试方法同实施例1。
[0057]
实施例3中的刹车片制备完成后按照国际标准sae j2522-2003进行测试，主要测试结果见表5。
[0058]
表5实施例3的sae j2522-2003测试结果
[0059][0060]
由sae j2522-2003试验结果可知，实施例3最低摩擦系数0.36，名义摩擦系数0.41，内片磨损0.18mm，外片磨损0.23mm。摩擦系数稳定，磨损低。
[0061]
实施例3中的刹车片制备完成后进行ams测试，主要测试结果见表6。
[0062]
表6实施例3的ams测试结果
[0063]
[0064][0065]
由ams试验结果可知，实施例3最低摩擦系数0.30，热衰退表现优秀。
[0066]
实施例4
[0067]
碳陶制动盘用有机陶瓷刹车片的原料组成如下：酚醛树脂4％，硼改性酚醛树脂5％，偏磷酸铝4％，硅酸钠3％，氟化铵1％，氧化镁5％，氧化铜3％，铝粉6％，碳纤维1％，芳纶浆泊1％，钢纤维15％，还原铁粉15％，紫铜粉6％，氧化锑1％，硼酸锌5％，三硫化二锑2％，二硫化钼4％，煅烧石油焦炭5％，钛酸铝1％，氧化钛1％，氧化锆5％，碳化硅4％，三氧化二铬2％。
[0068]
制备方法和测试方法同实施例1。
[0069]
实施例4中的刹车片制备完成后按照国际标准sae j2522-2003进行测试，主要测试结果见表7。
[0070]
表7实施例4的sae j2522-2003测试结果
[0071]
[0072][0073]
由sae j2522-2003试验结果可知，实施例4最低摩擦系数0.41，名义摩擦系数0.37，内片磨损0.20mm，外片磨损0.19mm。摩擦系数稳定，磨损低。
[0074]
实施例4中的刹车片制备完成后进行ams测试，主要测试结果见表8。
[0075]
表8实施例4的ams测试结果
[0076][0077]
由ams试验结果可知，实施例4最低摩擦系数0.28，热衰退表现优秀。
[0078]
实施例5
[0079]
碳陶制动盘用有机陶瓷刹车片的原料组成如下：酚醛树脂1％，硼改性酚醛树脂1％，偏磷酸铝4％，硅酸钠3％，氟化铵1％，氧化镁1％，氧化铜3％，铝粉2％，碳纤维1％，芳纶浆泊6％，钢纤维15％，还原铁粉15％，紫铜粉12％，氧化锑1％，硼酸锌5％，三硫化二锑6％，二硫化钼4％，煅烧石油焦炭5％，钛酸铝1％，氧化钛1％，氧化锆5％，碳化硅4％，三氧化二铬2％。
[0080]
制备方法和测试方法同实施例1。
[0081]
实施例5中的刹车片制备完成后按照国际标准sae j2522-2003进行测试，主要测试结果见表9。
[0082]
表9实施例5的sae j2522-2003测试结果
[0083][0084]
由sae j2522-2003试验结果可知，实施例5最低摩擦系数0.37，名义摩擦系数0.42，内片磨损0.12mm，外片磨损0.16mm。摩擦系数稳定，磨损低。
[0085]
实施例5中的刹车片制备完成后进行ams测试，主要测试结果见表10。
[0086]
表10实施例5的ams测试结果
[0087][0088]
由ams试验结果可知，实施例5最低摩擦系数0.29，热衰退表现优秀。
[0089]
实施例6
[0090]
碳陶制动盘用有机陶瓷刹车片的原料组成如下：酚醛树脂1％，硼改性酚醛树脂1％，偏磷酸铝4％，硅酸钠3％，氟化铵1％，氧化镁1％，氧化铜3％，铝粉2％，碳纤维1％，芳纶浆泊1％，钢纤维15％，还原铁粉15％，紫铜粉6％，氧化锑1％，硼酸锌5％，三硫化二锑6％，二硫化钼6％，煅烧石油焦炭8％，钛酸铝1％，氧化钛4％，氧化锆5％，碳化硅4％，三氧化二铬6％。
[0091]
制备方法和测试方法同实施例1。
[0092]
实施例6中的刹车片制备完成后按照国际标准sae j2522-2003进行测试，主要测试结果见表11。
[0093]
表11实施例6的sae j2522-2003测试结果
[0094]
[0095][0096]
由sae j2522-2003试验结果可知，实施例6最低摩擦系数0.38，名义摩擦系数0.41，内片磨损0.13mm，外片磨损0.17mm。摩擦系数稳定，磨损低。
[0097]
实施例6中的刹车片制备完成后进行ams测试，主要测试结果见表12。
[0098]
表12实施例6的ams测试结果
[0099][0100][0101]
由ams试验结果可知，实施例6最低摩擦系数0.30，热衰退表现优秀。
[0102]
实施例7
[0103]
碳陶制动盘用有机陶瓷刹车片的原料组成如下：酚醛树脂1％，硼改性酚醛树脂
1％，偏磷酸铝4％，硅酸钠3％，氟化铵1％，氧化镁1％，氧化铜3％，铝粉2％，碳纤维1％，芳纶浆泊1％，钢纤维15％，还原铁粉20％，紫铜粉6％，氧化锑1％，硼酸锌5％，三硫化二锑3％，二硫化钼5％，煅烧石油焦炭6％，钛酸铝1％，氧化钛2％，氧化锆12％，碳化硅4％，三氧化二铬2％。
[0104]
制备方法和测试方法同实施例1。
[0105]
实施例7中的刹车片制备完成后按照国际标准sae j2522-2003进行测试，主要测试结果见表13。
[0106]
表13实施例7的sae j2522-2003测试结果
[0107][0108][0109]
由sae j2522-2003试验结果可知，实施例7最低摩擦系数0.39，名义摩擦系数0.42，内片磨损0.15mm，外片磨损0.15mm。摩擦系数稳定，磨损低。
[0110]
实施例7中的刹车片制备完成后进行ams测试，主要测试结果见表14。
[0111]
表14实施例7的ams测试结果
[0112][0113]
由ams试验结果可知，实施例7最低摩擦系数0.31，热衰退表现优秀。
[0114]
需要说明的是，实施例1～7中，还原铁粉的粒度小于74μm，所述硼酸锌的粒度小于3μm，所述氧化锑粒度小于3μm，所述紫铜粉的粒度小于74μm，所述煅烧石油焦炭的粒度为250～350μm，所述碳化硅的粒度小于45μm。实施例中酚醛树脂和硼改性酚醛树脂的聚合速度分别控制在30～60 s和80～90 s。
[0115]
选用原材料时，氧化镁的纯度≥98％，还原铁粉中铁含量≥99％，硼酸锌中氧化硼含量≥45％，氧化锌含量≥36％，氧化锑的纯度≥99％，煅烧石油焦炭碳含量≥99.8％，所述碳化硅的纯度≥97％。选用的硼改性酚醛树脂的供应商山东圣泉新材料股份有限公司，型号为pf6700。
[0116]
对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种道路车辆碳陶制动盘用有机陶瓷刹车片，其特征在于，其原料包括按重量百分比计算的如下组分：酚醛树脂1～4％，硼改性酚醛树脂1～5％，偏磷酸铝4～15％，硅酸钠3～7％，氟化铵1～3％，氧化镁1～5％，氧化铜3～5％，铝粉2～6％，碳纤维1～6％，芳纶浆泊1～6％，钢纤维8～15％，还原铁粉15～20％，紫铜粉6～12％，氧化锑1～3％，硼酸锌5～8％，三硫化二锑2～6％，二硫化钼4～6％，煅烧石油焦炭5～8％，钛酸铝1～5％，氧化钛1～4％，氧化锆5～12％，碳化硅4～8％，三氧化二铬2～6％。2.根据权利要求1所述的道路车辆碳陶制动盘用有机陶瓷刹车片，其特征在于，所述酚醛树脂和硼改性酚醛树脂的聚合速度分别为30～60s和80～90s。3.根据权利要求2所述的道路车辆碳陶制动盘用有机陶瓷刹车片，其特征在于，所述还原铁粉的粒度小于74μm，所述硼酸锌的粒度小于3μm，所述氧化锑粒度小于3μm，所述紫铜粉的粒度小于74μm，所述煅烧石油焦炭的粒度为250～350μm，所述碳化硅的粒度小于45μm。4.根据权利要求1～3任意一项所述的道路车辆碳陶制动盘用有机陶瓷刹车片，其特征在于，其原料包括按重量百分比计算的如下组分：酚醛树脂2％，硼改性酚醛树脂3％，偏磷酸铝4％，硅酸钠5％，氟化铵1％，氧化镁2％，氧化铜3％，铝粉2％，碳纤维5％，芳纶浆泊2％，钢纤维8％，还原铁粉18％，紫铜粉6％，氧化锑3％，硼酸锌5％，三硫化二锑5％，二硫化钼4％，煅烧石油焦炭5％，钛酸铝1％，氧化钛1％，氧化锆5％，碳化硅8％，三氧化二铬2％。5.权利要求1～4任意一项所述的道路车辆碳陶制动盘用有机陶瓷刹车片的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)混料：称量指定重量分数的原料搅拌预定时间；(2)热压成型；(3)热固化：将经步骤(2)处理后的摩擦片在预定时间内从室温升温到热固化温度，保温预定时间，然后随加热容器冷却至室温；(4)机械加工；(5)表面烧蚀。6.根据权利要求5所述的道路车辆碳陶制动盘用有机陶瓷刹车片的制备方法，其特征在于，先进行纤维料的预混，加入分散剂，混料时间为3～5min，混料机主轴转速80～120转/分钟，飞刀转速2800～3200转/分钟，然后将其他组分合混，混料时间10～15min，混料机主轴转速80～120转/分钟，飞刀转速2800～3200转/分钟，固化前加入固化剂隔离混合。7.根据权利要求5所述的道路车辆碳陶制动盘用有机陶瓷刹车片的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中的压制压力450～550kgf/cm2，热压温度160～170℃，热压温度100～200℃，保压5～15s，排气5～10s，排气4～6次，硫化保压时间为300～420s。8.根据权利要求5所述的道路车辆碳陶制动盘用有机陶瓷刹车片的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)的具体步骤为：将经步骤(2)处理的刹车片在从室温升温到200℃，然后再升温至350℃，保温预定时间，再次升温至500℃，保温预定时间，然后随加热容器冷却至室温。9.根据权利要求5所述的道路车辆碳陶制动盘用有机陶瓷刹车片的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中的机械加工至少包括平磨。10.根据权利要求5所述的道路车辆碳陶制动盘用有机陶瓷刹车片的制备方法，其特征在于，所述步骤(5)中烧蚀温度550℃～650℃，烧蚀时间3～5min。

技术总结
本发明涉及一种道路车辆碳陶制动盘用有机陶瓷刹车片及其制备方法，原料包括按重量百分比计算的如下组分：酚醛树脂1～4％，硼改性酚醛树脂1～5％，偏磷酸铝4～15％，硅酸钠3～7％，氟化铵1～3％，氧化镁1～5％，氧化铜3～5％，铝粉2～6％，碳纤维1～6％，芳纶浆泊1～6％，钢纤维8～15％，还原铁粉15～20％，紫铜粉6～12％，氧化锑1～3％，硼酸锌5～8％，三硫化二锑2～6％，二硫化钼4～6％，煅烧石油焦炭5～8％，钛酸铝1～5％，氧化钛1～4％，氧化锆5～12％，碳化硅4～8％，三氧化二铬2～6％。本发明的刹车片具有良好的摩擦系数稳定性、耐磨性，解决了现有碳陶制动盘刹车片的技术瓶颈。解决了现有碳陶制动盘刹车片的技术瓶颈。


技术研发人员：李度成 杨阳 施耀 唐兵
受保护的技术使用者：湖南博云汽车制动材料有限公司
技术研发日：2023.05.17
技术公布日：2023/8/24