一種摩擦穩定熱碳納米管改性碳纖維增強紙基摩擦材料及其製備方法與流程
2023-05-28 09:28:46 2
本發明涉及離合器摩擦材料技術領域，尤其涉及一種摩擦穩定熱碳納米管改性碳纖維增強紙基摩擦材料及其製備方法。
背景技術：
近年來，隨著汽車產業以及航空工業的迅速發展，摩擦材料領域的研究也發生了急速的增長。紙基摩擦材料作為一類重要的溼式摩擦材料，主要應用於汽車傳動系統中的離合器上。如何提高紙基摩擦材料的摩擦係數、摩擦穩定性、耐熱性以及耐磨性仍然是目前紙基摩擦材料面臨的主要問題。為此，許多學者已經從提高材料中纖維與樹脂之間的界面結合與尋找出摩擦性能優異的填料體系兩方面入手，展開了研究。《碳納米管改性碳纖維增強紙基摩擦材料的製備與研究》一文首先通過添加竹纖維和碳納米管制備出了界面結合性較好的紙基摩擦材料。研究發現，碳納米管的加入能夠很好地改善材料中纖維和樹脂的界面結合性能，從而提高了材料的摩擦性能。當碳納米管含量為4wt.%時，試樣的動摩擦係數達到最大值，為0.1031，此時，試樣的摩擦穩定性和耐磨性能也較好。熱分析結果顯示，試樣在加熱到1000℃過程中，添加4wt.%碳納米管的試樣的質量損失比未添加碳納米管的試樣減少了10%。掃描電鏡測試結果表明，在整個體系中，竹纖維能夠很好的附著於碳纖維上，改善了碳纖維和樹脂之間的界面結合性能，而碳納米管優先吸附於竹纖維上，這又保護了竹纖維在摩擦過程中的受熱分解，提高了試樣的耐熱性能。為了更進一步提高材料的摩擦性能，我們在上述體系中分別加入了碳化矽、碳化硼、氧化鋁、氧化鋯以及硼化鋯等填料以及稀土化合物，並研究了填料含量和稀土種類等與試樣摩擦性能之間的關係，對不同填料在體系中的作用形式以及試樣的摩擦性能進行了初步探討。結果表明，當試樣中含有3wt.%Ce(NO3)3和15wt.%硼化鋯時，材料的摩擦性能最佳，材料的動摩擦係數為0.13285，動/靜摩擦係數比為0.9010，動摩擦係數在500次摩擦過程中的變異係數為0.75，磨損率為0.6×10-8cm3J-1。最後，研究了以硼化鋯為填料、碳納米管改性碳纖維增強紙基摩擦材料的壓縮回彈性能、導熱性能、耐熱性能以及動態力學性能，並分析了這些性能與試樣摩擦性能之間的關係。結果表明，隨著硼化鋯含量的增加，雖然試樣的壓縮率和導熱係數略有下降，但是，動態力學測試和綜合熱分析結果表明，含有15wt.%硼化鋯的試樣具有較高的儲能模量和耐熱性能。通過材料的組成-儲能模量-耐熱性-摩擦性能關係的研究，發現體系中儲能模量和耐熱性能對材料的摩擦性能起關鍵作用，試樣的儲能模量越大，制動穩定性越好，耐熱性能越好，摩擦穩定性越高，材料的磨損率越低。
以上得到摩擦材料具有良好的性能，但是直接混合得到的材料容易分離，使得摩擦性能不穩定，制動性能不穩定。上述文章使用馬來酸酐對碳納米管進行改性，提高了碳納米管的分散性，能夠分散在竹纖維表面，與竹纖維形成穩定的結合，但是竹纖維的耐熱性還是不盡如人意，雖然碳納米管改善了竹纖維的耐熱性和摩擦性，但是在受熱情況下，馬來酸酐形成的高分子物質碳化，碳納米管與竹纖維分離，影響摩擦性能。
添加芳綸纖維能夠改善摩擦材料的摩擦性能，但是芳綸纖維的耐熱性較差，使其在重載荷機械中的應用受到了一定限制。而且芳綸纖維表面惰性、結晶程度高，與基體結合不好，影響了芳綸的複合材料的性能。用稀土對碳纖維和竹纖維表面進行改性，提高了纖維的耐磨性和耐熱性，但是稀土與纖維的結合併不牢固，摩擦後易分離，造成摩擦性能的改變。還需要改善摩擦材料的耐熱性、摩擦穩定性、抗老化性、抗菌性、韌性、防靜電性、耐磨性、防打滑、緻密性、導熱性等其他性能。
技術實現要素：
本發明目的就是為了彌補已有技術的缺陷，提供一種摩擦穩定熱碳納米管改性碳纖維增強紙基摩擦材料及其製備方法。
本發明是通過以下技術方案實現的：
一種摩擦穩定熱碳納米管改性碳纖維增強紙基摩擦材料，由下列重量份的原料製成：納米銅粉1.1-1.4、碳纖維52-54、竹纖維27-28、碳納米管3.5-4、全硫化納米粉末羧基丁腈橡膠2.3-2.8、芳綸漿粕5-5.5、矽烷偶聯劑kh-550 1.3-1.5、硝酸鈰3-3.5、碳化矽10-11、硼化鋯14-15、固含量為20%腰果殼油改性酚醛樹脂10-12、鐵粉3-3.5、TiAl粉末1-1.2、B4C0.6-0.8、水適量。
所述摩擦穩定碳納米管改性碳纖維增強紙基摩擦材料的製備方法，包括以下步驟：
（1）將芳綸漿粕分散在水中，加入矽烷偶聯劑kh-550，攪拌均勻，再加入納米銅粉，攪拌10-15分鐘，乾燥，粉碎，得到改性芳綸漿粕；
（2）將鐵粉、TiAl粉末與B4C粉末進行球磨混合，送入真空爐，在1580-1630℃，相對應壓力為14MPa-17MPa條件下，保溫30-60min，取出，水冷，破碎，再進行球磨，至粒徑小於130μm，得到混合物料；將碳納米管、全硫化納米粉末羧基丁腈橡膠混合研磨均勻，得到粉末，將竹纖維加入水中，邊攪拌邊加入所述粉末和所述混合物料，攪拌均勻，超聲分散7-10分鐘，乾燥，在11-12MPa，120-125℃，時間處理40-50s，得到改性竹纖維；
（3）將改性芳綸漿粕、改性竹纖維以及其他剩餘成分放入水中，在疏解機中疏解均勻，得到懸浮液，將懸浮液倒入100-150目篩的紙張成型器中製成厚度為0.7-0.8μm的薄片，將薄片在105-108℃下真空乾燥20-23分鐘，將腰果殼油改性酚醛樹脂噴塗在薄片上，自然晾乾，再放入硫化機中硫化，硫化條件為11-12MPa，120-125℃，時間為250-260s，即得。
本發明的優點是：本發明使用納米銅粉吸附在芳綸漿粕表面，提高了芳綸漿粕的耐熱性，使得摩擦材料更加緻密，摩擦係數更穩定，客服了芳綸漿粕熱穩定性差的缺點。通過使用碳納米管對竹纖維進行改性，提高了竹纖維的耐熱性，但是受摩擦後容易與竹纖維分離，使得摩擦係數不穩定，結合使用全硫化納米粉末羧基丁腈橡膠，經過加熱反應，使得碳納米管與竹纖維形成穩定牢固的結合，提高了摩擦穩定性，同時提高了竹纖維的穩定性，在受熱時形成柔軟的碳化膜，使得摩擦係數高而穩定。通過使用鐵粉、TiAl 粉末與B4C粉末進行真空煅燒，得到的粉末具有陶瓷的耐磨性和金屬的韌性，提高了摩擦材料的耐磨性和摩擦穩定性。
具體實施方式
一種摩擦穩定熱碳納米管改性碳纖維增強紙基摩擦材料，由下列重量份（公斤）的原料製成：納米銅粉1.1、碳纖維52、竹纖維27、碳納米管3.5、全硫化納米粉末羧基丁腈橡膠2.3、芳綸漿粕5、矽烷偶聯劑kh-550 1.3、硝酸鈰3、碳化矽10、硼化鋯14、固含量為20%腰果殼油改性酚醛樹脂10、鐵粉3、TiAl粉末1、B4C0.6、水適量。
所述摩擦穩定碳納米管改性碳纖維增強紙基摩擦材料的製備方法，包括以下步驟：
（1）將芳綸漿粕分散在水中，加入矽烷偶聯劑kh-550，攪拌均勻，再加入納米銅粉，攪拌10分鐘，乾燥，粉碎，得到改性芳綸漿粕；
（2）將鐵粉、TiAl粉末與B4C粉末進行球磨混合，送入真空爐，在1580℃，相對應壓力為14MPaMPa條件下，保溫30min，取出，水冷，破碎，再進行球磨，至粒徑小於130μm，得到混合物料；將碳納米管、全硫化納米粉末羧基丁腈橡膠混合研磨均勻，得到粉末，將竹纖維加入水中，邊攪拌邊加入所述粉末和所述混合物料，攪拌均勻，超聲分散7分鐘，乾燥，在11MPa，120℃，時間處理40s，得到改性竹纖維；
（3）將改性芳綸漿粕、改性竹纖維以及其他剩餘成分放入水中，在疏解機中疏解均勻，得到懸浮液，將懸浮液倒入100目篩的紙張成型器中製成厚度為0.7μm的薄片，將薄片在105℃下真空乾燥20分鐘，將腰果殼油改性酚醛樹脂噴塗在薄片上，自然晾乾，再放入硫化機中硫化，硫化條件為11MPa，120℃，時間為250s，即得。
實驗數據：
本實施例的薄片的動摩擦係數為0.1396，動/靜摩擦係數比為0.8925，動摩擦係數在500次摩擦過程中的變異係數為0.68，磨損率為0.51×10-8cm3J-1。