仿生制動摩擦材料及其製備方法
2023-12-09 05:47:31
專利名稱：仿生制動摩擦材料及其製備方法
技術領域：
本發明屬制動摩擦材料技術領域，具體涉及一種用於製造高速列車及重載高速汽車制動用仿生制動摩擦材料及其製備方法。
背景技術：
制動摩擦部件是保證高速列車、重載列車、重載汽車等交通工具行駛安全的關鍵部件，因此，制動摩擦部件對材料性能提出了苛刻的要求，首先，制動摩擦材料應具備穩定優異的摩擦磨損性能，在各種環境條件下能夠表現出穩定的摩擦係數，在許可條件下實現儘可能低的磨損量；此外，制動摩擦材料應能夠禁受高速或重載條件下制動過程所產生的高溫和衝擊對於磨損表面的破壞，以保證制動的可靠性。目前，通過材料改性和工藝優化方法製備高性能制動摩擦材料方面，國內外均有相關專利報導，如:1、中國專利，公告號為1149273，公告日為2004.05.12，專利號為01115331.8，發
明名稱為「含鋼纖維的金屬陶瓷摩擦材料及製造方法」的發明創造描述了一種摩擦材料及其製造方法；2、中國專利公開號為CN1032195，
公開日為1989.04.05，專利號為87106352.2，發明名稱為「一種摩擦片及其製造方法」的發明創造描述了一種摩擦片及其製造方法；3、中國專利，公開號為CN1257903,
公開日為2000.06.28，專利號為99122593.7，發明名稱為「一種制動用粉末冶金摩擦材料」的發明創造描述了一種制動用粉末冶金摩擦材料；4、中國專利公告號為1272454，公告日為2006.8.30，專利號為03126347.X，發明名稱為「一種銅基粉末冶金摩擦材料」的發明創造描述了一種摩擦材料及其製造方法；5、中國專利公告號為100467659，公告日為2007.07.11，專利號為200610134187.X，發明名稱為「一種銅基粒子強化摩擦材料」的發明創造描述了一種銅基粒子強化摩擦材料；6、中國專利專利號200910067243，公告日為2009.12.16，發明名稱為「金屬基粉末冶金制動閘片材料及製備方法」的發明創造描述了一種金屬基粉末冶金制動閘片材料及製備方法；7、中國專利專利號200710157159，公告日為2008.5.14，發明名稱為「溼式碳-碳
摩擦材料和摩擦元件及製造方法」的發明創造描述了一種溼式碳一碳摩擦材料和摩擦元件及製造方法；8、中國專利專利號200910158829，公告日為2010.1.20，發明名稱為「由碳/碳複合材料製造摩擦部件的方法」的發明創造描述了一種由碳/碳複合材料製造摩擦部件的方法;9、中國專利專利號201010529316，公告日為2010.10.11，發明名稱為「製造碳/碳
複合材料剎車盤環形預製體及其編織工藝方法」 的發明創造描述了一種飛機上用製造碳/碳複合材料剎車盤環形預製體及其編織工藝方法；隨著高速重載交通工具的快速發展，對於制動摩擦材料的性能要求越來越高，單純從材料成分及工藝方法入手提高制動摩擦材料性能越來越難以滿足實際應用的需要，因此需要通過綜合優化材料成分、結構和工藝的方法，進一步提高制動摩擦材料的性能。採用仿生方法所設計製備的制動摩擦材料表現出良好的摩擦係數穩定性和耐磨性，目前仿生制動摩擦材料已經見諸專利報導，如:1、中國專利專利號200410011355，公告日為2005.7.27，發明名稱為「具有仿生非
光滑表面的制動鼓」的發明創造描述了一種用於車輛上的具有高摩擦係數、耐磨、抗熱疲勞，具有仿生非光滑表面的制動鼓；可見採用仿生設計方法綜合優化制動摩擦材料的成分、結構和工藝能夠取得良好的效果。
發明內容
本發明的目的在於提供一種用於製造高速列車及重載高速汽車制動的仿生制動摩擦材料，以及仿生制動摩擦材料的製備方法。本發明提供的:一、仿生制動摩擦材料仿生制動摩擦材料按重量百分比各組分含量為:仿竹纖維結構的碳纖維束3-20%，基體材料80-97% ;其中基體材料按重量百分比各組分含量為:Cu5-70%、Sn0.5-21%,酚醛樹脂 0-60%、鱗片狀石墨 3-15%、FeO-5%、NiO-5%、CrO-5%、MoO-5% ;其中 Cu 和 Sn 是以Cu-Sn預合金粉的形式添加的，Cu-Sn預合金粉由按重量百分比70_95%Cu和5_30%Sn組成。仿竹纖維在仿生制動摩擦材料中，在垂直於磨損表面的方向上按菱形結構排列，菱形排列中小夾角角度為α，且15° <α〈75°，相鄰碳纖維束間距離為L，且3mm〈L〈25mm，菱形排列中長的對角線與制動摩擦力方向相同，垂直於制動摩擦力方向上排列的相鄰碳纖維束，具有相反的扭轉方向。本發明所述的一種仿生制動摩擦材料，其中Cu、Sn以及酚醛樹脂為摩擦材料提供良好的機械性能、熱傳導性能和耐熱性能；仿竹纖維結構的碳纖維束及其排列方式為摩擦材料提供良好的耐剪切性能，保證摩擦材料在制動過程中的可靠性；鱗片狀石墨、Fe、N1、Cr、Mo用於調整制動摩擦材料摩擦性能，保證摩擦材料制動過程的穩定性。二、仿生制動摩擦材料的製備方法，包括下列步驟:2.1製備仿生制動摩擦材料中的碳纖維束，包括下列步驟:2.1.1將直徑為6-10 μ m的碳纖維按順時針方向進行扭轉，經扭轉後的碳纖維螺旋升角為7-45° ;2.1.2將5-15根由步驟2.1.1所得的碳纖維，按逆時針方向相互纏繞形成第一級碳纖維束，第一級碳纖維束具有10-30°的螺旋升角；2.1.3將5-15束第一級碳纖維束，按順時針方向相互纏繞形成第二級碳纖維束，第二級碳纖維束具有5-15°的螺旋升角；2.1.4將3-7束第二級碳纖維束，按逆時針方向相互纏繞形成第三級碳纖維束，第三級碳纖維束具有3-10°的螺旋升角，第三級碳纖維束直徑為0.3-3mm ；
2.1.5採用樹脂噴淋-加熱固化或浸入熔融Sn液-風冷固化的方法，在加載20-200MPa的張力條件下，對第三級碳纖維束進行結構固化，再將其剪切至IO-1OOmm長；2.2仿竹纖維在仿生制動摩擦材料中，在垂直於磨損表面的方向上按菱形結構排列，菱形排列中小夾角角度為α，且15° <α<75。，相鄰碳纖維束中心間距離為H，且lmm〈H〈25mm，菱形排列中長的對角線與制動摩擦力方向相同，垂直於制動摩擦力方向上排列的相鄰碳纖維束，具有相反的扭轉方向；2.3將仿生制動摩擦材料中的基體材料進行混合； 2.4原料填裝，包括下列步驟:2.4.1壓制仿生制動摩擦材料所需的模具具有與壓制方向平行的導向槽，導向槽用於固定第三級碳纖維束在仿生制動摩擦材料中的縱向位置，導向槽寬度0.35-3.1mm，且大於第三級碳纖維束的直徑；2.4.2將厚度為5_65mm的經混合的基體材料均勻地填裝在模具最底層；2.4.3將按步驟2.1所製備的碳纖維束排放置於壓制模具的導向槽中，並使所放置的碳纖維束水平置於之前所填裝的基體材料上；2.4.4將厚度為2-35_的經混合的基體材料均勻地填裝在之`前填裝的碳纖維束上；2.4.5將與之前填裝的碳纖維束具有相反旋向的碳纖維束放置於壓制模具的導向槽中，並使所放置的碳纖維束水平置於之前所填裝的基體材料上；2.4.6重複步驟2.5.1至2.5.4，進行基體材料和碳纖維束的填裝，直至填滿壓制模具；2.5熱壓-燒結處理，包括下列步驟:2.5.1對步驟2.4.6填裝完畢的原料基體材料和碳纖維束進行冷壓處理，冷壓壓強200-800MPa，保壓時間0.5-10分鐘；2.5.2完成冷壓後，將壓制壓力降低到50_200MPa，在保持壓力的同時對材料加熱，加熱溫度180-850攝氏度，加熱時間3分鐘-2小時；2.5.3燒結:將經過熱壓處理的制動部件取出後冷卻後，在真空條件下加熱至150-600攝氏度，保溫I小時-3小時。本發明為高速列車、重載列車和重載汽車等交通工具提供了一種可靠、耐磨的制動摩擦材料。
圖1為仿竹纖維結構的碳纖維束在摩擦材料中排列方式示意2為採用樹脂噴淋-加熱固化方法製備仿竹結構碳纖維束的工藝流程簡3為採用浸入熔融Sn液-風冷固化方法製備仿竹結構碳纖維束的工藝流程簡4為實施例1-4中所述制動閘片部件樣品結構示意圖其中:α為菱形排列中較小夾角，15° <α<75° ;Η為相鄰碳纖維束中心間距離，lmm<H<25mm ；L為制動摩擦力的方向；1為第一級扭轉機構，2為第二級扭轉機構,3為碳纖維束，4為第三級扭轉機構，5為樹脂噴淋機構，6為加熱機構，7為加載輥，8為切斷機構，9為熔融狀態的Sn液，10為風冷機構。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細的描述。本發明所述的仿生制動摩擦材料及其製備方法，其中的制動摩擦材料中有仿竹纖維結構的碳纖維束，制動摩擦材料中的碳纖維束在制動摩擦材料中的排列方式與竹纖維在竹中的菱形排列方式相同，制動摩擦材料由粉末冶金方法製備。本發明所述的仿生制動摩擦材料由仿竹纖維結構的碳纖維束和基體材料組成，按重量百分比含量為仿竹纖維結構的碳纖維束3-20%，基體材料80-97%，仿竹纖維結構的碳纖維束及其排列方式可為摩擦材料提供良好的耐剪切性能，並保證摩擦材料在制動過程中的可靠性；基體材料按重量百分比各組分含量為:Cu5-70%、Sn0.5_21%、酚醛樹脂0_60%、鱗片狀石墨3-15%、FeO-5%、NiO-5%、CrO-5%、MoO-5% ;其中Cu和Sn是以Cu-Sn預合金粉的形式添加的，Cu-Sn預合金粉由按重量百分比70-95%Cu和5_30%Sn組成，其中Cu、Sn以及酚醛樹脂為摩擦材料提供良好的機械性能、熱傳導性能和耐熱性能，鱗片狀石墨、Fe、N1、Cr、Mo用於調整制動摩擦材料摩擦性能，可保證摩擦材料制動過程的穩定性。本發明所述的仿生制動摩擦材料中仿竹纖維結構的碳纖維束在摩擦材料中沿垂直於摩擦面的方向，按照竹纖維在竹中的菱形排列方式呈菱形排列，如圖1所示，其中α為菱形排列中較小夾角，15° < α〈75°，Η為相鄰碳纖維束中心間距離，lmm〈H〈25mm，L為制動摩擦力的方向，垂直於制動摩擦力方向上排列的相鄰碳纖維束，具有相反的扭轉方向。碳纖維沿垂直於摩擦面的方向，按照竹纖維在竹中的菱形排列方式呈菱形排列可利用碳纖維良好的機械性能提高制動摩擦材料的抗剪切性能，提高制動摩擦材料在高速、重載條件下服役的可靠性；使在垂直於制動摩擦力方向上排列的相鄰碳纖維束具有相反的扭轉方向，可以降低制動摩擦表面由於材料性質差異所導致的應力，提高制動摩擦材料的使用壽命。本發明所述的仿生制動摩擦材料的仿竹纖維結構的碳纖維束由25-150根直徑為6 μ m- ο μ m的碳纖維經三次扭轉纏繞，結構固化和剪切製備的，製備仿竹纖維結構的碳纖維束工藝流程如下:將直徑為6-10 μ m的碳纖維按順時針方向進行扭轉，經扭轉後的碳纖維螺旋升角為7-45° ;將5-15根由上述所得的碳纖維，按逆時針方向相互纏繞形成第一級碳纖維束，第一級碳纖維束具有10-30°的螺旋升角；將5-15束第一級碳纖維束，按順時針方向相互纏繞形成第二級碳纖維束，第二級碳纖維束具有5-15°的螺旋升角；將3-7束第二級碳纖維束，按逆時針方向相互纏繞形成第三級碳纖維束，第三級碳纖維束具有3-10°的螺旋升角，第三級碳纖維束直徑為0.3-3mm ;採用樹脂噴淋-加熱固化或浸入熔融Sn液-風冷固化的方法，在加載20-200MPa的張力條件下，對第三級碳纖維束進行結構固化，再將其剪切至 10~1 OOmm 長。圖2為採用樹脂噴淋-加熱固化方法製備仿竹結構碳纖維束的工藝流程簡圖；圖3為採用浸入熔融Sn液-風冷固化方法製備仿竹結構碳纖維束的工藝流程簡圖；採用三次扭轉纏繞方法製備的仿竹纖維結構碳纖維束具有良好的強度，而採用樹脂噴淋-加熱固化或浸入熔融Sn液-風冷固化方法固化的仿竹纖維結構碳纖維束在燒結過程中，樹脂或Sn可以與基體材料形成良好的界面結合，提高仿竹 纖維結構碳纖維束與基體材料之間的結合強度，改善制動摩擦材料的機械強度，疲勞性能，提高制動摩擦材料的可靠性和使用壽命。本發明所述的仿生制動摩擦材料的製備方法由製備碳纖維束、混合基體材料、原料填裝、熱壓-燒結處理步驟組成，具體製備方法如下:1.製備碳纖維束，包括下列步驟:1.1將直徑為6-10 μ m的碳纖維按順時針方向進行扭轉，經扭轉後的碳纖維螺旋升角為7-45° ;1.2將5-15根由步驟1.1所得的碳纖維，按逆時針方向相互纏繞形成第一級碳纖維束，第一級碳纖維束具有10-30°的螺旋升角；1.3將5-15束第一級碳纖維束，按順時針方向相互纏繞形成第二級碳纖維束，第二級碳纖維束具有5-15°的螺旋升角；1.4將3-7束第二級碳纖維束，按逆時針方向相互纏繞形成第三級碳纖維束，第三級碳纖維束具有3-10°的螺旋升角，第三級碳纖維束直徑為0.3-3mm ；1.5採用樹脂噴淋-加熱固化或浸入熔融Sn液-風冷固化的方法，在加載20-200MPa的張力條件下，對第三級碳纖維束進行結構固化，再將其剪切至IO-1OOmm長；2.對基體材料進行混合；3.原料填裝，包括下列步驟:3.1壓制仿生制動摩擦材料所需的模具具有與壓制方向平行的導向槽，導向槽用於固定第三級碳纖 維束在仿生制動摩擦材料中的縱向位置，導向槽寬度0.35-3.1mm，且大於第三級碳纖維束的直徑；3.2將厚度為5_65mm的經混合的基體材料均勻地填裝在模具最底層；3.3將按權利要求2的步驟2.1所製備的碳纖維束排放置於壓制模具的導向槽中，並使所放置的碳纖維束水平置於之前所填裝的基體材料上；3.4將厚度為2_35mm的經混合的基體材料均勻地填裝在之前填裝的碳纖維束上；3.5將與之前填裝的碳纖維束具有相反旋向的碳纖維束放置於壓制模具的導向槽中，並使所放置的碳纖維束水平置於之前所填裝的基體材料上；3.6重複3.1至3.5步驟進行基體材料和碳纖維束的填裝，直至填滿壓制模具；4.熱壓-燒結處理，包括下列步驟:4.1對步驟3.6填裝完畢的原料基體材料和碳纖維束進行冷壓處理，冷壓壓強200-800MPa，保壓時間0.5-10分鐘；4.2完成冷壓後，將壓制壓力降低到50_200MPa，在保持壓力的同時對材料加熱，加熱溫度180-850攝氏度，加熱時間3分鐘-2小時；4.3燒結:將經過熱壓處理的制動部件取出後冷卻後，在真空條件下加熱至150-600攝氏度，保溫I小時-3小時。採用上述工藝步驟可以製備由上述成分所組成的仿生制動摩擦材料，通過控制成分和生產工藝，能夠實現對仿生制動摩擦材料性能的調整，滿足不同服役條件下的性能要求。以下結合具體實施例介紹本發明所述的一種仿生制動摩擦材料及其製備方法實施例11.所述的仿生制動摩擦材料由按重量百分比各組分含量為基體材料:89%，仿竹纖維結構的碳纖維束:11%組成。其中基體材料按重量百分比各組分含量為Cu:70%, Sn:7%、酚醛樹脂粉末:0%、鱗片石墨:10%, Fe:5%、N1:3%、Cr:3%、Mo:2%組成，其中Cu和Sn是以Cu-Sn預合金粉的形式添加的，上述Cu-Sn預合金粉由按重量百分比計算的90%的Cu和10%的Sn組成，因此本發明所述的仿生制動摩擦材料基體材料配比按重量百分比各組分含量為:Cu-Sn預合金粉:77%、酚醛樹脂粉末:0%、鱗片石墨:10%、Fe:5%、N1:3%、Cr:3%、Mo:2%組成。2.所述的仿生制動摩擦材料中的仿竹纖維結構的碳纖維束，由75根直徑為6 μ m的碳纖維經3級扭轉纏繞形成，由3根碳纖維束沿順時針方向扭轉纏繞成為第一級碳纖維束，第一級碳纖維束中每根碳纖維螺旋升角為45° ;之後將上述5束第一級碳纖維束沿逆時針方向扭轉纏繞成為第二級碳纖維束，第二級碳纖維束中第一級纖維束的螺旋升角為30° ;再將上述5束第二級碳纖維束沿順時針方向扭轉纏繞成為第三級碳纖維束，第三級碳纖維束中第二級纖維束的螺旋升角為15° ;將完成扭轉纏繞的碳纖維束在60MP張力下浸入熔融Sn液中，將碳纖維束拉出Sn液後風冷冷卻，成為仿竹纖維結構的碳纖維束，再將碳纖維束剪切成為長35mm的碳纖維束。碳纖維束平均直徑為0.8mm,仿竹纖維結構的碳纖維束由按重量百分比各組分含量為碳纖維:85%、Sn:15%組成。3.所述的製備仿生制動摩擦材料所採用的壓制模具有41條與壓制方向平行的方向上均勻分布的寬度為0.85mm的導向槽。4.所述的仿生制動摩擦材料採用壓制-燒結方法製備，製備工序如下:(I)填裝原料:在具有導向槽的壓制模具中逐層填裝基體材料混合粉末和仿竹纖維結構的碳纖維束，首先在模具·中填裝厚度為25mm的基體材料混合粉末，再將I根上述仿竹纖維結構的碳纖維束放置於中心導向槽，即從一側計算第21條導向槽內並置於基體材料混合粉末上方，再填裝厚度為20mm的基體材料混合粉末，再將2根與之前放置碳纖維束具有相反旋向的碳纖維束放置於中心導向槽兩側導向槽即從一側計算第20和第22條導向槽內並置於基體材料混合粉末上方，之後再填裝厚度為25mm的基體材料混合粉末，再將3根與之前放置碳纖維束具有相反旋向的碳纖維束放置於從一側計算第19、21和23條導向槽內，並置於基體材料混合粉末上方，交替重複上述步驟，完成填裝原料步驟，共計需填裝22層基體材料混合粉末，231根仿竹纖維結構的碳纖維束；(2)熱壓-燒結:填裝原料完成後，進行熱壓，具體步驟如下，在SOOMPa壓強，750攝氏度條件下保壓2分鐘，之後制動摩擦材料脫模後在真空條件下進行燒結，燒結溫度650攝氏度，燒結時間2小時，隨爐冷卻至室溫，取出；(3)後處理:將燒結後的制動摩擦材料進行後處理，首先去除餘量部分及毛刺等，之後以制動部件中心為圓心加工直徑為50mm,深度為6mm的沉孔,並在距部件中心30mm的圓周上加工出直徑為12mm的通孔，用於採用高強螺栓將制動摩擦部件固定於制動系統上，按上述工藝方法製備的制動閘片部件樣品結構如圖4所示。按上述實施例工藝方法所生產的制動摩擦材料的摩擦係數範圍為0.343 0.361，磨損量範圍 0.02 0.08cm3/MJ。實施例21.所述的仿生制動摩擦材料與實施例1所述的相同。2.所述的仿生制動摩擦材料中的仿竹纖維結構的碳纖維束結構、製備工藝及成分與實施例1所述的相同。3.所述製備仿生制動摩擦材料所採用的壓制模具與實施例1所述的相同。4.所述的仿生制動摩擦材料採用壓制-燒結方法製備，製備工序如下:(I)填裝原料:原料填裝步驟與實施例1所述的相同；(2)熱壓:填裝原料完成後，進行熱壓，具體步驟如下，在600MPa壓強，650攝氏度條件下保壓30分鐘，之後脫模取出；(3)後處理:後處理步驟與實施例1所述的相同。按上述實施例工藝方法所生產的制動摩擦材料的摩擦係數範圍為0.376 0.392，磨損量範圍 0.017 0.04cm3/MJ。
實施例31.所述的仿生制動摩擦材料由按重量百分比各組分含量為基體材料:91%，仿竹纖維結構的碳纖維束:9%組成。其中基體材料按重量百分比各組分含量為Cu:5%、Sn:0.5%、酚醛樹脂粉末:81%、鱗片石墨:10%、Fe:1.5%、N1:0.5%、Cr:0.5%、Mo:1%組成，其中Cu和Sn是以Cu-Sn預合金粉的形式添加的，上述Cu-Sn預合金粉由按重量百分比計算的90%的Cu和10%的Sn組成，因此本發明所述的仿生制動摩擦材料基體材料配比按重量百分比各組分含量為=Cu-Sn預合金粉:5.5%、酚醛樹脂粉末:81%、鱗片石墨:10%、Fe:1.5%、N1:0.5%、Cr:0.5%、Mo:1% 組成。2.所述的仿生制動摩擦材料中的仿竹纖維結構的碳纖維束，由75根直徑為6 μ m的碳纖維經3級扭轉纏繞形成，由3根碳纖維束沿順時針方向扭轉纏繞成為第一級碳纖維束，第一級碳纖維束中每根碳纖維螺旋升角為45° ;之後將上述5束第一級碳纖維束沿逆時針方向扭轉纏繞成為第二級碳纖維束，第二級碳纖維束中第一級纖維束的螺旋升角為30° ;再將上述5束第二級碳纖維束沿順時針方向扭轉纏繞成為第三級碳纖維束，第三級碳纖維束中第二級纖維束的螺旋升角為15° ;在完成扭轉纏繞的碳纖維束上加載60MP的張力，並向碳纖維束上噴淋液化酚醛樹脂，之後在將碳纖維束加熱至180攝氏度並保溫5分鐘，使結構固化，成為仿竹纖維結構的碳纖維束，再將碳纖維束剪切成為長35mm的碳纖維束。碳纖維束平均直徑為1.0mm，仿竹纖維結構的碳纖維束由按重量百分比各組分含量為碳纖維:89%、酚醛樹脂:9%組成。3.所述製備仿生制動摩擦材料所採用的壓制模具與實施例1所述的相同。4.所述的仿生制動摩擦材料採用壓制-燒結方法製備，製備工序如下:(I)填裝原料:填裝原料:原料填裝步驟與實施例1所述的相同；(2)熱壓-燒結:填裝原料完成後，進行熱壓，具體步驟如下，在150MPa壓強，230攝氏度條件下保壓I分鐘的，之後制動摩擦材料脫模後在真空條件下進行燒結，燒結溫度280攝氏度，燒結時間30分鐘，隨爐冷卻至室溫，取出；(3)後處理步驟與實施例1所述的相同。按上述實施例工藝方法所生產的制動摩擦材料的摩擦係數範圍為0.315 0.328，磨損量範圍 0.08 0.14cm3/MJ。實施例41.所述仿生制動摩擦材料的成分與實施例3所述的相同。2.所述的仿生制動摩擦材料中的仿竹纖維結構的碳纖維束結構、製備工藝及成分與實施例3所述的相同。3.所述製備仿生制動摩擦材料所採用的壓制模具與實施例1所述的相同。4.所述的仿生制動摩擦材料採用壓制-燒結方法製備，製備工序如下:(I)填裝原料:原料填裝步驟與實施例1所述的相同；(2)熱壓:填裝原料完成後，進行熱壓，具體步驟如下:在180MPa壓強，260攝氏度條件下保壓25分鐘，之後制動摩擦材料脫模取出；(3)後處理步驟與實施例1所述的相同。按上述實施例工藝方法所生產的制動摩擦材料的摩擦係數範圍為0.337
0.362，磨損量範 圍 0.06 0.09cm3/MJ。
權利要求
1.一種仿生制動摩擦材料，其特徵在於仿生制動摩擦材料按重量百分比各組分含量為:仿竹纖維結構的碳纖維束3-20%，基體材料80-97% ;其中基體材料按重量百分比各組分含量為:Cu5-70%、Sn0.5_21%、酚醛樹脂 0_60%、鱗片狀石墨 3-15%、FeO-5%、NiO-5%、CrO_5%、MoO-5% ;其中Cu和Sn是以Cu-Sn預合金粉的形式添加的，Cu-Sn預合金粉由按重量百分比70-95%Cu 和 5-30%Sn 組成。
2.按權利要求1所述仿生制動摩擦材料的製備方法，其特徵在於包括下列步驟: · 2.1製備權利要求1中所述的碳纖維束，包括下列步驟: · 2.1.1將直徑為6-10 μ m的碳纖維按順時針方向進行扭轉，經扭轉後的碳纖維螺旋升角為7-45° ; · 2.1.2將5-15根由步驟2.1.1所得的碳纖維，按逆時針方向相互纏繞形成第一級碳纖維束，第一級碳纖維束具有10-30°的螺旋升角； · 2.1.3將5-15束第一級碳纖維束，按順時針方向相互纏繞形成第二級碳纖維束，第二級碳纖維束具有5-15°的螺旋升角； ·2.1.4將3-7束第二級碳纖維束，按逆時針方向相互纏繞形成第三級碳纖維束，第三級碳纖維束具有3-10°的螺旋升角 ，第三級碳纖維束直徑為0.3-3mm ； · 2.1.5採用樹脂噴淋-加熱固化或浸入熔融Sn液-風冷固化的方法，在加載20-200MPa的張力條件下，對第三級碳纖維束進行結構固化，再將其剪切至IO-1OOmm長； ·2.2仿竹纖維在仿生制動摩擦材料中，在垂直於磨損表面的方向上按菱形結構排列，菱形排列中小夾角角度為α，且15° <α<75。，相鄰碳纖維束中心間距離為H，且lmm〈H〈25mm，菱形排列中長的對角線與制動摩擦力方向相同，垂直於制動摩擦力方向上排列的相鄰碳纖維束，具有相反的扭轉方向； · 2.3將權利要求1中所述的基體材料進行混合； · 2.4原料填裝，包括下列步驟: · 2.4.1壓制仿生制動摩擦材料所需的模具具有與壓制方向平行的導向槽，導向槽用於固定第三級碳纖維束在仿生制動摩擦材料中的縱向位置，導向槽寬度0.35-3.1mm，且大於第三級碳纖維束的直徑； · 2.4.2將厚度為5-65_的經混合的基體材料均勻地填裝在模具最底層； ·2.4.3將按權利要求2的步驟2.1所製備的碳纖維束排放置於壓制模具的導向槽中，並使所放置的碳纖維束水平置於之前所填裝的基體材料上； · 2.4.4將厚度為2-35mm的經混合的基體材料均勻地填裝在之前填裝的碳纖維束上； · 2.4.5將與之前填裝的碳纖維束具有相反旋向的碳纖維束放置於壓制模具的導向槽中，並使所放置的碳纖維束水平置於之前所填裝的基體材料上； ·2.4.6重複步驟2.5.1至2.5.4，進行基體材料和碳纖維束的填裝，直至填滿壓制模亙.N 9 ·2.5熱壓-燒結處理，包括下列步驟: ·2.5.1對步驟2.4.6填裝完畢的原料基體材料和碳纖維束進行冷壓處理，冷壓壓強200-800MPa，保壓時間0.5-10分鐘； ·2.5.2完成冷壓後，將壓制壓力降低到50-200MPa，在保持壓力的同時對材料加熱，力口熱溫度180-850攝氏度，加熱時間3分鐘-2小時；.2.5.3燒結:將經過熱壓處理的制動部件取出後冷卻後，在真空條件下加熱至150-600攝氏度，保溫1小時-3小時。
全文摘要
仿生制動摩擦材料及其製備方法屬制動摩擦材料技術領域，本發明的制動摩擦材料各組分含量為碳纖維束3-20%，基體材料80-97%；其中基體材料各組分含量為Cu5%-70%、Sn0.5-21%、酚醛樹脂0-60%、鱗片狀石墨3-15%、Fe0-5%、Ni0-5%、Cr0-5%、Mo0-5%；依據竹纖維的螺旋結構，設計了用於摩擦材料增強的碳纖維束、多級扭轉纏繞及結構固化工藝，以實現碳纖維束的仿竹纖維結構；還設計了仿竹纖維結構的碳纖維束在制動摩擦材料中的排列方式、帶有導向槽的壓制模具和逐層填裝原料的方法，以實現碳纖維束在制動摩擦材料中的仿竹纖維排列方式；採用粉末冶金方法設計實現仿生制動摩擦材料的製備。本發明為高速列車、重載列車和重載汽車等交通工具提供了一種可靠、耐磨的制動摩擦材料。
文檔編號C09K3/14GK103194173SQ20131012134
公開日2013年7月10日 申請日期2013年4月9日 優先權日2013年4月9日
發明者馬雲海, 莊健, 佟金, 陳東輝, 段連峰, 沈生龍, 林福東, 常志勇, 柴興旺, 徐蘇雷 申請人:吉林大學