一种树脂基陶瓷摩擦材料及其制备方法和应用

1.本发明涉及陶瓷摩擦材料技术领域，尤其涉及一种树脂基陶瓷摩擦材料及其制备方法和应用。


背景技术：

2.刹车片是汽车的刹车系统中最关键的安全零件，一般由钢板、粘接隔热层和摩擦块构成，其中，摩擦块由摩擦材料和粘合剂组成，通过刹车时被挤压在刹车盘或刹车鼓上产生摩擦，从而达到车辆减速刹车的目的，所以，刹车性能与摩擦块中摩擦材料的磨损程度密切相关。
3.摩擦材料根据材质的不同，主要分为石棉摩擦材料和非石棉摩擦材料，其中石棉摩擦材料由于性能不好，逐渐被舍弃，现有技术中常用的为非石棉摩擦材料。而非石棉摩擦材料根据材质的不同又分为半金属摩擦材料、nao摩擦材料、粉末冶金摩擦材料和碳纤维摩擦材料。其中，半金属摩擦材料与粉末冶金摩擦材料中均含有大量的金属材质，导致摩擦材料均存在制动噪音大、边角脆裂等缺点；nao摩擦材料是非石棉混合纤维摩擦材料，其导热性和高温可控性不佳；碳纤维摩擦材料虽然性能是各类摩擦材料中最好的，但是其成本高，不利于推广使用。
4.为此，本发明提供一种树脂基陶瓷摩擦材料及其制备方法和应用。


技术实现要素：

5.为了解决上述现有技术中的不足，本发明提供一种树脂基陶瓷摩擦材料及其制备方法和应用。
6.本发明的一种树脂基陶瓷摩擦材料及其制备方法和应用是通过以下技术方案实现的：
7.本发明的第一个目的是提供一种树脂基陶瓷摩擦材料的制备方法，包括以下步骤：
8.步骤1，制备树脂基体：
9.将酚醛树脂与粉煤灰经球磨处理，获得树脂基体，备用；
10.步骤2，制备陶瓷颗粒；
11.通过第一硅烷偶联剂将氧化石墨烯与聚碳硅烷进行接枝复合，获得前驱体；随后，于惰性氛围下，将前驱体置于1000～1500℃的温度下保温5～30min，获得陶瓷颗粒；
12.步骤3，制备树脂基陶瓷摩擦材料：
13.通过第二硅烷偶联剂将聚丙烯酰胺接枝到陶瓷颗粒表面，获得改性陶瓷颗粒；将所述树脂基体与所述改性陶瓷颗粒混合均匀后，置于预先加热好的模具中进行热压成型，随后将其取出进行热处理，获得所述树脂基陶瓷摩擦材料。
14.进一步地，步骤2中，所述前驱体是通过以下步骤获得的：
15.将氧化石墨烯粉末于超声作用下均匀分散于醇溶液a中，调节ph至1～3，依次加入
第一硅烷偶联剂、聚碳硅烷搅拌均匀，获得前驱体；
16.其中，所述醇溶液a与所述氧化石墨烯的用量比为1ml:1～5mg。
17.进一步地，步骤2中，所述陶瓷颗粒是通过以下步骤获得的：
18.将所述陶瓷颗粒干燥至含水量为10％以下，然后将其均匀分散于醇溶液b中，随后依次加入第二硅烷偶联剂和聚丙烯酰胺，搅拌使其反应充分，获得陶瓷颗粒；
19.其中，所述醇溶液b与所述陶瓷颗粒的用量比为1～3ml:1mg。
20.进一步地，所述第一硅烷偶联剂为乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三(β-甲氧乙氧基)硅烷中的任意一种；
21.所述第二硅烷偶联剂为异丁基三乙氧基硅、乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷中的任意一种。
22.进一步地，步骤1中，所述酚醛树脂与所述粉煤灰的质量比为2～6:1；
23.步骤3中，所述树脂基体与所述陶瓷颗粒的质量比为1:2～8。
24.进一步地，步骤2中，所述聚碳硅烷与所述氧化石墨烯的质量比为50～80:1；
25.所述第一硅烷偶联剂与所述氧化石墨烯的用量比为1ml:5～10mg。
26.进一步地，步骤2中，所述第二硅烷偶联剂与所述陶瓷颗粒的质量比为1:4～8；
27.所述聚丙烯酰胺与所述陶瓷颗粒的质量比为0.2～1:1。
28.进一步地，所述热压成型的条件为：160～200℃，20～50mp，保压时间0.5～2h；
29.所述热处理的条件为：165～180℃，保温时间为8～24h。
30.进一步地，步骤2中，所述酸性为ph＝1～3。
31.本发明的第二个目的是提供一种上述的制备方法制得的树脂基陶瓷摩擦材料。
32.本发明的第三个目的是提供一种上述树脂基陶瓷摩擦材料在制备刹车片中的应用。
33.本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
34.本发明以酚醛树脂和粉煤灰为原料制备树脂基体，通过球磨使得粉煤灰对酚醛树脂进行改性，同时通过粉煤灰向树脂基体中均匀地引入了al，al在与陶瓷颗粒混合的过程中，与氧化石墨烯共同提高了本发明摩擦材料的断裂韧性和硬度，从而提高了本发明摩擦材料的耐磨性能。并且，粉煤灰价格低廉，且获得，制备成本低，且方法简单，有利于推广使用。
35.本发明通过hummers法制得的氧化石墨烯表面存在大量的含氧基团，使得其能够在硅烷偶联剂作用下接枝到聚碳硅烷，从而将聚碳硅烷表面的si-h键变为更稳定的si-c键，有利于将其转化形成sic；同时，聚碳硅烷与氧化石墨烯的接枝提高了氧化石墨烯在陶瓷颗粒的分散性，提高了材料性能的均一性；并且提高了聚碳硅烷的交联度和密实度，从而减少了将其与高温下处理时的小分子气体的蒸发，进而增强了摩擦材料的稳定性和耐高温性。
36.本发明通过将接枝有氧化石墨烯的聚碳硅烷于高温下处理，使其中的聚碳硅烷转化为sic，进而获得氧化石墨烯和sic的复合材料，即陶瓷颗粒。本发明通过硅烷偶联剂在陶瓷颗粒表面接枝聚丙烯酰胺，不仅提高了陶瓷颗粒的交联度，也提高其粘合度，使其能够与树脂基体均匀混合在一起，便于sic与树脂基体中的al充分接触进行交联，使其在经过热压处理后，能够形成al-sic-氧化石墨烯的复合材料，通过al和氧化石墨烯的引入，共同提高
了本发明摩擦材料的陶瓷产率、以及断裂韧性和硬度，从而提高了本发明摩擦材料的耐磨性能。
具体实施方式
37.下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
38.实施例1
39.本实施例提供一种树脂基陶瓷摩擦材料，且其是通过以下步骤制得的：
40.步骤1，制备树脂基体：
41.按照6:1的质量比，分别称取相应质量的酚醛树脂与粉煤灰，将其置于球料比为2:1的高能球磨机中，以75％的乙醇为溶剂，球磨时间为30min，获得树脂基体。
42.步骤2，制备陶瓷颗粒：
43.按照3mg:1ml的用量比，分别称取相应质量或体积的氧化石墨烯和无水乙醇，并将称取好的氧化石墨烯置于量取好的无水乙醇中，超声30min，使其分散均匀，获得氧化石墨烯的乙醇悬浮液。
44.向上述氧化石墨烯的乙醇悬浮液中加入卡尔斯特铂催化剂搅拌均匀，再依次加入乙烯基三乙氧基硅烷和聚碳硅烷搅拌均匀，用质量浓度为5％的稀盐酸调节ph至2，并于65℃的温度下以40r/min的速率搅拌30min，获得前驱体；
45.其中，卡尔斯特铂催化剂与氧化石墨烯的用量比为1ml:10mg；
46.乙烯基三乙氧基硅烷与氧化石墨烯的用量比为1ml:7mg；
47.聚碳硅烷与氧化石墨烯的质量比为65:1。
48.随后将前驱体于流速为50ml/min的氩气氛围中，在1350℃的温度下保温处理20min，获得陶瓷颗粒。
49.步骤3，制备树脂基陶瓷摩擦材料：
50.将陶瓷颗粒干燥至含水量为8％以下，然后将其置于无水乙醇中，并超声20min，使其分散均匀，随后依次加入异丁基三乙氧基硅和聚丙烯酰胺，以40r/min的速率搅拌1h，使其反应充分，将聚丙烯酰胺接枝到陶瓷颗粒表面，获得改性陶瓷颗粒；
51.其中，无水乙醇与陶瓷颗粒的用量比为2ml:1mg；
52.异丁基三乙氧基硅与陶瓷颗粒的质量比为1:6；
53.聚丙烯酰胺与陶瓷颗粒的质量比为0.6:1。
54.按照1:5的质量比，分别称取相应质量的树脂基体与改性陶瓷颗粒，通过30r/min的速率将其搅拌混合均匀，并将其置于热好的模具中，于170℃的温度下，在30mpa的压力下保压1h，随后将胚料取出，将其与175℃的温度下保温16h，获得树脂基陶瓷摩擦材料。
55.实施例2
56.本实施例提供一种树脂基陶瓷摩擦材料，且其是通过以下步骤制得的：
57.步骤1，制备树脂基体：
58.按照4:1的质量比，分别称取相应质量的酚醛树脂与粉煤灰，将其置于球料比为1:1的高能球磨机中，以75％的乙醇为溶剂，球磨时间为40min，获得树脂基体。
59.步骤2，制备陶瓷颗粒：
60.按照1mg:1ml的用量比，分别称取相应质量或体积的氧化石墨烯和无水乙醇，并将
称取好的氧化石墨烯置于量取好的无水乙醇中，超声40min，使其分散均匀，获得氧化石墨烯的乙醇悬浮液。
61.向上述氧化石墨烯的乙醇悬浮液中加入卡尔斯特铂催化剂搅拌均匀，再依次加入乙烯基三甲氧基硅烷和聚碳硅烷搅拌均匀，用质量浓度为5％的稀盐酸调节ph至1，并于60℃的温度下以30r/min的速率搅拌60min，获得前驱体；
62.其中，卡尔斯特铂催化剂与氧化石墨烯的用量比为0.5ml:10mg；
63.乙烯基三甲氧基硅烷与氧化石墨烯的用量比为1ml:5mg；
64.聚碳硅烷与氧化石墨烯的质量比为50:1。
65.随后将前驱体于流速为40ml/min的氩气氛围中，在1000℃的温度下保温处理40min，获得陶瓷颗粒。
66.步骤3，制备树脂基陶瓷摩擦材料：
67.将陶瓷颗粒干燥至含水量为10％以下，然后将其置于无水乙醇中，并超声30min，使其分散均匀，随后依次加入乙烯基三甲氧基硅烷和聚丙烯酰胺，以30r/min的速率搅拌1.5h，使其反应充分，将聚丙烯酰胺接枝到陶瓷颗粒表面，获得改性陶瓷颗粒；
68.其中，无水乙醇与陶瓷颗粒的用量比为1ml:1mg；
69.乙烯基三甲氧基硅烷与陶瓷颗粒的质量比为1:4；
70.聚丙烯酰胺与陶瓷颗粒的质量比为0.2:1。
71.按照1:2的质量比，分别称取相应质量的树脂基体与改性陶瓷颗粒，通过25r/min的速率将其搅拌混合均匀，并将其置于热好的模具中，于160℃的温度下，在20mpa的压力下保压2h，随后将胚料取出，将其与165℃的温度下保温24h，获得树脂基陶瓷摩擦材料。
72.实施例3
73.本实施例提供一种树脂基陶瓷摩擦材料，且其是通过以下步骤制得的：
74.步骤1，制备树脂基体：
75.按照8:1的质量比，分别称取相应质量的酚醛树脂与粉煤灰，将其置于球料比为3:1的高能球磨机中，以75％的乙醇为溶剂，球磨时间为10min，获得树脂基体。
76.步骤2，制备陶瓷颗粒：
77.按照5mg:1ml的用量比，分别称取相应质量或体积的氧化石墨烯和无水乙醇，并将称取好的氧化石墨烯置于量取好的无水乙醇中，超声20min，使其分散均匀，获得氧化石墨烯的乙醇悬浮液。
78.向上述氧化石墨烯的乙醇悬浮液中加入卡尔斯特铂催化剂搅拌均匀，再依次加入乙烯基三(β-甲氧乙氧基)硅烷和聚碳硅烷搅拌均匀，用质量浓度为5％的稀盐酸调节ph至3，并于70℃的温度下以50r/min的速率搅拌10min，获得前驱体；
79.其中，卡尔斯特铂催化剂与氧化石墨烯的用量比为2ml:10mg；
80.乙烯基三(β-甲氧乙氧基)硅烷与氧化石墨烯的用量比为1ml:10mg；
81.聚碳硅烷与氧化石墨烯的质量比为80:1。
82.随后将前驱体于流速为60ml/min的氩气氛围中，在1500℃的温度下保温处理5min，获得陶瓷颗粒。
83.步骤3，制备树脂基陶瓷摩擦材料：
84.将陶瓷颗粒干燥至含水量为9％以下，然后将其置于无水乙醇中，并超声10min，使
其分散均匀，随后依次加入乙烯基三乙氧基硅烷和聚丙烯酰胺，以60r/min的速率搅拌0.5h，使其反应充分，将聚丙烯酰胺接枝到陶瓷颗粒表面，获得改性陶瓷颗粒；
85.其中，无水乙醇与陶瓷颗粒的用量比为5ml:1mg；
86.乙烯基三乙氧基硅烷与陶瓷颗粒的质量比为1:8；
87.聚丙烯酰胺与陶瓷颗粒的质量比为1:1。
88.按照1:8的质量比，分别称取相应质量的树脂基体与改性陶瓷颗粒，通过35r/min的速率将其搅拌混合均匀，并将其置于热好的模具中，于200℃的温度下，在50mpa的压力下保压0.5h，随后将胚料取出，将其与180℃的温度下保温8h，获得树脂基陶瓷摩擦材料。
89.对比例1
90.本对比例与实施例1的区别在于：
91.制备树脂基体时，不加粉煤灰。其他操作与实施例1相同。
92.对比例2
93.本对比例与实施例1的区别在于：
94.不加入氧化石墨烯，直接以聚碳硅烷为前驱体制备陶瓷颗粒。其他操作与实施例1相同。
95.对比例3
96.本对比例与实施例1的区别在于：
97.制备陶瓷颗粒时，不使用聚丙烯酰胺进行接枝改性处理。其他操作与实施例1相同。
98.试验部分
99.为了验证本发明方法制备的摩擦材料的性能，本发明进行了以下试验测试。
100.(一)硬度测试
101.本发明依据gb/t 5766-2007《摩擦材料洛氏硬度试验方法》采用jjg884塑料洛氏硬度计分别对本发明实施例1-3以及对比例1-3的摩擦材料在不同温度下的洛氏硬度进行测试，结果如表1所示。
102.表1洛氏硬度测试结果
[0103] 实施例1实施例2实施例3对比例1对比例2对比例3100℃827977736467200℃817876685960400℃787574605246
[0104]
(二)摩擦系数及磨损量测试
[0105]
本发明依据汽车用制动器衬片国家标准gb/t 5763，分别对本发明实施例1-3以及对比例1-3的摩擦材料的摩擦性能进行测试，测试结果分别如表2所示。
[0106]
表2摩擦性能测试结果
[0107] 常温摩擦系数高温摩擦系数类别工作摩擦系数(恒压)实施例10.490.47gg0.45实施例20.470.45gg0.42实施例30.470.46gg0.43对比例10.420.40ff0.36
对比例20.340.31ee0.26对比例30.360.33fe0.29
[0108]
需要说明的是，本发明使用的氧化石墨烯粉末是根据hummers法制得的。
[0109]
显然，上述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。