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CN117534498B - 一种碳纤维陶瓷刹车片及其制备方法 - Google Patents

一种碳纤维陶瓷刹车片及其制备方法 Download PDF

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CN117534498B CN202311669121.0A CN202311669121A CN117534498B CN 117534498 B CN117534498 B CN 117534498B CN 202311669121 A CN202311669121 A CN 202311669121A CN 117534498 B CN117534498 B CN 117534498B
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Abstract

本发明属于刹车片领域，尤其涉及一种碳纤维陶瓷刹车片及其制备方法。本发明提供的碳纤维陶瓷刹车片由碳纤维三维针刺预制体经过含硅酚醛树脂溶液浸渍、加热固化和煅烧碳化制成；所述含硅酚醛树脂溶液由含硅混合料与酚醛树脂溶液混合制成，以质量百分数计，其含硅混合料的组分包括：聚碳硅烷10～30wt％、聚二甲基硅氧烷10～30wt％、聚环硅氧烷10～30wt％、聚甲基硅烷5～20wt％、石墨粉1～30wt％、碳化硅粉10～30wt％。本发明通过对刹车片的原料组成进行优化设计，获得了具有良好耐磨性、耐高温性和制动性能的碳纤维陶瓷刹车片；且本发明所使用的原料价格相对低廉，制备过程简便，经济性较好。

Description

一种碳纤维陶瓷刹车片及其制备方法
技术领域
本发明属于刹车片领域，尤其涉及一种碳纤维陶瓷刹车片及其制备方法。
背景技术
刹车片是制动系统中关键部件，其与刹车盘(或刹车鼓)相互摩擦形成了摩擦对偶，产生制动力矩，并将汽车的动能转化成热能。刹车片的综合性能会直接关系到制动系统的可靠性和稳定性。由于我国汽车工业的飞速发展和对环境保护越来越重视，对制动摩擦材料的要求越来越苛刻。例如稳定的摩擦系数、优异的导热性、较低的热衰退性、一定的高温机械强度、优良的耐磨性，对对偶件磨损较小，无噪声，对环境无污染等。
按制造材料不同，刹车片一般可分为石棉刹车片、半金属刹车片和碳陶刹车片，其中，碳陶刹车片因具有密度低、耐高温等优点，得到广泛关注。但传统碳陶刹车片质地硬，对刹车盘磨损影响很大，制动性能和寿命不理想。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种碳纤维陶瓷刹车片及其制备方法，本发明提供的碳纤维陶瓷刹车片具有良好的耐磨性、耐高温性和制动性能，制备过程简单，经济实用。
本发明提供了一种碳纤维陶瓷刹车片，由碳纤维三维针刺预制体经过含硅酚醛树脂溶液浸渍、加热固化和煅烧碳化制成；所述含硅酚醛树脂溶液由含硅混合料与酚醛树脂溶液混合制成，以质量百分数计，其含硅混合料的组分包括：
优选的，所述聚碳硅烷的数均分子量为1000～2000。
优选的，所述聚二甲基硅氧烷的数均分子量为500～100000。
优选的，所述聚环硅氧烷的数均分子量为500～100000。
优选的，所述聚甲基硅烷的数均分子量为1000～100000。
优选的，所述石墨粉的粒径为6～13μm；所述碳化硅粉的粒径为7～14μm。
优选的，所述酚醛树脂溶液的固含量为60～70wt％；所述酚醛树脂溶液的25℃粘度为100～200cp。
优选的，所述含硅混合料与酚醛树脂溶液的质量比为(30～60):100。
本发明提供了一种上述技术方案所述的碳纤维陶瓷刹车片的制备方法，包括以下步骤：
将聚碳硅烷、聚二甲基硅氧烷、聚环硅氧烷、聚甲基硅烷、石墨粉、碳化硅粉和酚醛树脂溶液进行混合，得到含硅酚醛树脂溶液；
将碳纤维三维针刺预制体在所述含硅酚醛树脂溶液中浸渍，取出后进行加热固化和煅烧碳化，得到碳纤维陶瓷刹车片。
优选的，所述加热固化的温度为150～200℃；所述煅烧碳化的温度为2500～3000℃。
与现有技术相比，本发明提供了一种碳纤维陶瓷刹车片及其制备方法。本发明提供的碳纤维陶瓷刹车片由碳纤维三维针刺预制体经过含硅酚醛树脂溶液浸渍、加热固化和煅烧碳化制成；所述含硅酚醛树脂溶液由含硅混合料与酚醛树脂溶液混合制成，以质量百分数计，其含硅混合料的组分包括：聚碳硅烷10～30wt％、聚二甲基硅氧烷10～30wt％、聚环硅氧烷10～30wt％、聚甲基硅烷5～20wt％、石墨粉1～30wt％、碳化硅粉10～30wt％。本发明通过对刹车片的原料组成进行优化设计，获得了具有良好耐磨性、耐高温性和制动性能的碳纤维陶瓷刹车片；且本发明所使用的原料价格相对低廉，制备过程简便，经济性较好。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的碳纤维陶瓷刹车片的结构示意图。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描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。
本发明提供了一种碳纤维陶瓷刹车片，由碳纤维三维针刺预制体经过含硅酚醛树脂溶液浸渍、加热固化和煅烧碳化制成；所述含硅酚醛树脂溶液由含硅混合料与酚醛树脂溶液混合制成，以质量百分数计，其含硅混合料的组分包括：
在本发明提供的碳纤维陶瓷刹车片中，所述碳纤维三维针刺预制体由碳纤维经过三维针刺制成；所述碳纤维的直径优选为5～8μm，具体可为5μm、5.5μm、6μm、6.5μm、7μm、7.5μm或8μm；所述碳纤维的长度优选为7～10mm，具体可为7mm、7.5mm、8mm、8.5mm、9mm、9.5mm或10mm；所述碳纤维三维针刺预制体的密度优选为0.6～0.65g/cm3，具体可为0.6g/cm3、0.61g/cm3、0.62g/cm3、0.63g/cm3、0.64g/cm3或0.65g/cm3。
在本发明提供的碳纤维陶瓷刹车片中，含硅混合料中，所述聚碳硅烷的数均分子量优选为1000～2000，具体可为1000、1100、1200、1300、1400、1500、1600、1700、1800、1900或2000；所述聚碳硅烷在含硅混合料中的含量具体可为10wt％、11wt％、12wt％、13wt％、14wt％、15wt％、16wt％、17wt％、18wt％、19wt％、20wt％、21wt％、22wt％、23wt％、24wt％、25wt％、26wt％、27wt％、28wt％、29wt％或30wt％。
在本发明提供的碳纤维陶瓷刹车片中，含硅混合料中，所述聚二甲基硅氧烷的数均分子量优选为500～100000，具体可为500、1000、2000、5000、6000、7000、10000、20000、30000、40000、50000、60000、70000、80000、90000或100000；所述聚二甲基硅氧烷在含硅混合料中的含量具体可为10wt％、11wt％、12wt％、13wt％、14wt％、15wt％、16wt％、17wt％、18wt％、19wt％、20wt％、21wt％、22wt％、23wt％、24wt％、25wt％、26wt％、27wt％、28wt％、29wt％或30wt％。
在本发明提供的碳纤维陶瓷刹车片中，含硅混合料中，所述聚环硅氧烷的数均分子量优选为500～100000，具体可为500、1000、2000、5000、7000、10000、20000、30000、40000、50000、60000、70000、80000、90000或100000；所述聚环硅氧烷在含硅混合料中的含量具体可为10wt％、11wt％、12wt％、13wt％、14wt％、15wt％、16wt％、17wt％、18wt％、19wt％、20wt％、21wt％、22wt％、23wt％、24wt％、25wt％、26wt％、27wt％、28wt％、29wt％或30wt％。
在本发明提供的碳纤维陶瓷刹车片中，含硅混合料中，所述聚甲基硅烷的数均分子量优选为1000～100000，具体可为1000、2000、5000、7000、10000、20000、30000、40000、50000、60000、70000、80000、90000或100000；所述聚甲基硅烷在含硅混合料中的含量具体可为5wt％、6wt％、7wt％、8wt％、9wt％、10wt％、11wt％、12wt％、13wt％、14wt％、15wt％、16wt％、17wt％、18wt％、19wt％或20wt％。
在本发明提供的碳纤维陶瓷刹车片中，含硅混合料中，所述石墨粉的粒径优选为6～13μm，具体可为6μm、6.5μm、7μm、7.5μm、8μm、8.5μm、9μm、9.5μm、10μm、10.5μm、11μm、11.5μm、12μm、12.5μm或13μm；所述石墨粉在含硅混合料中的含量具体可为1wt％、2wt％、3wt％、4wt％、5wt％、6wt％、7wt％、8wt％、9wt％、10wt％、11wt％、12wt％、13wt％、14wt％、15wt％、16wt％、17wt％、18wt％、19wt％、20wt％、21wt％、22wt％、23wt％、24wt％、25wt％、26wt％、27wt％、28wt％、29wt％或30wt％。
在本发明提供的碳纤维陶瓷刹车片中，含硅混合料中，所述碳化硅粉的粒径优选为7～14μm，具体可为7μm、7.5μm、8μm、8.5μm、9μm、9.5μm、10μm、10.5μm、11μm、11.5μm、12μm、12.5μm、13μm、13.5μm或14μm；所述碳化硅粉在含硅混合料中的含量具体可为10wt％、11wt％、12wt％、13wt％、14wt％、15wt％、16wt％、17wt％、18wt％、19wt％、20wt％、21wt％、22wt％、23wt％、24wt％、25wt％、26wt％、27wt％、28wt％、29wt％或30wt％。
在本发明提供的碳纤维陶瓷刹车片中，含硅酚醛树脂溶液中，所述酚醛树脂溶液的固含量优选为60～70wt％，具体可为60wt％、61wt％、62wt％、63wt％、64wt％、65wt％、66wt％、67wt％、68wt％、69wt％或70wt％；所述酚醛树脂溶液的25℃粘度优选为100～200cp，具体可为100cp、110cp、120cp、130cp、140cp、150cp、160cp、170cp、180cp、190cp或200cp。
在本发明提供的碳纤维陶瓷刹车片中，含硅酚醛树脂溶液中，所述含硅混合料与酚醛树脂溶液的质量比优选为(30～60):100，具体可为30:100、31:100、32:100、33:100、34:100、35:100、36:100、37:100、38:100、39:100、40:100、41:100、42:100、43:100、44:100、45:100、46:100、47:100、48:100、49:100、50:100、51:100、52:100、53:100、54:100、55:100、56:100、57:100、58:100、59:100或60:100。
在本发明提供的碳纤维陶瓷刹车片中，所述碳纤维三维针刺预制体经过含硅酚醛树脂溶液浸渍后，其质量优选为浸渍前质量的120～200％，具体可为120％、125％、130％、135％、140％、145％、150％、155％、160％、165％、170％、175％、180％、185％、190％、195％或200％。
在本发明提供的碳纤维陶瓷刹车片中，所述加热固化的温度优选为150～200℃，具体可为150℃、155℃、160℃、165℃、170℃、175℃、180℃、185℃、190℃、195℃或200℃；所述加热固化的时间优选为1～5h，具体可为1h、1.5h、2h、2.5h、3h、3.5h、4h、4.5h或5h。
在本发明提供的碳纤维陶瓷刹车片中，所述煅烧碳化的温度优选为2500～3000℃，具体可为2500℃、2550℃、2600℃、2650℃、2700℃、2750℃、2800℃、2850℃、2900℃、2950℃或3000℃；所述煅烧碳化的时间优选为70～150h，具体可为70h、75h、80h、85h、90h、95h、100h、105h、110h、115h、120h、125h、130h、135h、140h、145h或150h。
在本发明提供的碳纤维陶瓷刹车片中，所述碳纤维陶瓷刹车片的密度优选为1.4～1.8g/cm3，具体可为1.4g/cm3、1.45g/cm3、1.5g/cm3、1.55g/cm3、1.6g/cm3、1.65g/cm3、1.7g/cm3、1.75g/cm3、1.76g/cm3或1.8g/cm3。
本发明还提供了一种上述技术方案所述的碳纤维陶瓷刹车片的制备方法，包括以下步骤：
将聚碳硅烷、聚二甲基硅氧烷、聚环硅氧烷、聚甲基硅烷、石墨粉、碳化硅粉和酚醛树脂溶液进行混合，得到含硅酚醛树脂溶液；
将碳纤维三维针刺预制体在所述含硅酚醛树脂溶液中浸渍，取出后进行加热固化和煅烧碳化，得到碳纤维陶瓷刹车片。
在本发明提供的制备方法中，所述聚碳硅烷、聚二甲基硅氧烷、聚环硅氧烷、聚甲基硅烷、石墨粉、碳化硅粉和碳纤维三维针刺预制体的相关信息在前文中已经介绍，在此不再赘述。
在本发明提供的制备方法中，完成所述浸渍后，碳纤维三维针刺预制体的质量优选为浸渍前质量的120～200％，具体可为120％、125％、130％、135％、140％、145％、150％、155％、160％、165％、170％、175％、180％、185％、190％、195％或200％。
在本发明提供的制备方法中，所述加热固化的温度优选为150～200℃，具体可为150℃、155℃、160℃、165℃、170℃、175℃、180℃、185℃、190℃、195℃或200℃；所述加热固化的时间优选为1～5h，具体可为1h、1.5h、2h、2.5h、3h、3.5h、4h、4.5h或5h。
在本发明提供的制备方法中，所述煅烧碳化的温度优选为2500～3000℃，具体可为2500℃、2550℃、2600℃、2650℃、2700℃、2750℃、2800℃、2850℃、2900℃、2950℃或3000℃；所述煅烧碳化的时间优选为70～150h，具体可为70h、75h、80h、85h、90h、95h、100h、105h、110h、115h、120h、125h、130h、135h、140h、145h或150h。
在本发明提供的制备方法中，优选还包括对所述煅烧碳化得到的碳纤维陶瓷刹车片进行后处理；其中，所述后处理的方式优选包括打磨和/或修整，更优选为依次进行打磨和修整。
本发明提供的碳纤维陶瓷刹车片及其制备方法至少具有如下优点：
1)耐磨性强：复配使用聚碳硅烷、聚二甲基硅烷、聚甲基二甲基硅烷、聚环硅氧烷、聚甲基硅烷、石墨粉、碳化硅粉和碳纤维等原材料，可以显著增加刹车片的耐磨性，延长使用寿命。
2)耐高温性好：刹车片制备过程中经过了高温煅烧碳化处理，可以使刹车片具有良好的耐高温性能，使其在高温条件下保持制动性能稳定。
3)制动性能优异：经过优化原料配比和工艺处理，刹车片具有出色的制动性能，提高了制动效能和稳定性。
4)经济实用：所使用的原料价格相对低廉，制备过程相对简便、经济，能产生较好的经济效益。
为更清楚起见，下面通过以下实施例和对比例进行详细说明。
实施例1
步骤1：对碳纤维进行三维针刺，得到三维针刺预制体；其中，所用碳纤维的直径为6μm、长度为7mm，预制体密度在0.6～0.65g/cm3；
步骤2：将聚碳硅烷(数均分子量1000)、聚二甲基硅烷(数均分子量500)，聚环硅氧烷(数均分子量500)、聚甲基硅烷(数均分子量1000)、石墨粉(粒径6μm)和碳化硅粉(粒径7μm)加入到酚醛树脂溶液(固含量65wt％、25℃粘度150cp)中，搅拌，得到含硅酚醛树脂溶液；其中，以聚碳硅烷、聚二甲基硅烷，聚环硅氧烷、聚甲基硅烷、石墨粉和碳化硅粉合计用量为100％计，聚碳硅烷用量占20wt％、聚二甲基硅氧烷用量占18wt％、聚环硅氧烷用量占20wt％、聚甲基硅烷用量占15wt％、石墨粉用量占4wt％、碳化硅粉用量占23wt％；所述聚碳硅烷、聚二甲基硅氧烷、聚环硅氧烷、聚甲基硅烷、石墨粉和碳化硅粉在酚醛树脂溶液中的合计添加量为酚醛树脂溶液质量的45wt％。
步骤3：将步骤1制备的三维针刺预制体浸渍到步骤2制备的含硅酚醛树脂溶液中，待三维针刺预制体增重到浸渍前质量的150％时取不出；然后在170℃进行固化处理2h；
步骤4：将步骤3中固化后的复合材料在2800℃进行碳化处理120h，得到碳纤维陶瓷刹车片坯料；
步骤5：将步骤4所得的碳纤维陶瓷刹车片坯料进行打磨和修整，制备得到如图1所示结构的碳纤维陶瓷刹车片。
对实施例1制备的碳纤维陶瓷刹车片试样进行理化性能分析，其中，根据标准GB/T22310-2008做剪切试验，GB/T5766-2007做硬度试验，JC/T685-2009做密度试验，GB/T11834-2000做磨损率实验；分析结果为：剪切为4.1～6.3KN/cm2，硬度为46～60HRS，密度为1.40～1.76g/cm3，磨损率为0.13～0.27×10-7cm3/Nm，碳化硅含量为24.22～26.57wt％，减摩材料(石墨)含量为0.68～0.89wt％。
对比例1
参照实施例1制备碳纤维陶瓷刹车片，其区别仅在于，添加到酚醛树脂溶液中的原料不含聚二甲基硅氧烷，其他原料组分等比例扩大至合计为100％。
对对比例1制备的碳陶刹车片试样进行理化性能分析，结果为：剪切为4.2～5.8KN/cm2，硬度为56～69HRS，密度为1.46～1.63g/cm3，磨损率为0.21～0.32×10-7cm3/Nm，碳化硅含量为21.67～23.81wt％，减摩材料含量为0.56～0.62wt％。
对比例2
参照实施例1制备碳纤维陶瓷刹车片，其区别仅在于，添加到酚醛树脂溶液中的原料不含聚环硅氧烷，其他原料组分等比例扩大至合计为100％。
对对比例2制备的碳陶刹车片试样进行理化性能分析，结果为：剪切为3.6～4.0KN/cm2，硬度为57～71HRS，密度为1.52～1.61g/cm3，磨损率为0.19～0.30×10-7cm3/Nm，碳化硅含量为18.21～19.87wt％，减摩材料含量为0.51～0.66wt％。
对比例3
参照实施例1制备碳纤维陶瓷刹车片，其区别仅在于，添加到酚醛树脂溶液中的原料不含聚甲基硅烷，其他原料组分等比例扩大至合计为100％。
对对比例3制备的碳陶刹车片试样进行理化性能分析，结果为：剪切为3.2～5.1KN/cm2，硬度为55～70HRS，密度为1.39～1.60g/cm3，磨损率为0.21～0.38×10-7cm3/Nm，碳化硅含量为20.44～21.21wt％，减摩材料含量为0.53～0.69wt％。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，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。

Claims (8)

1.一种碳纤维陶瓷刹车片，其特征在于，由碳纤维三维针刺预制体经过含硅酚醛树脂溶液浸渍、加热固化和煅烧碳化制成；所述含硅酚醛树脂溶液由含硅混合料与酚醛树脂溶液混合制成，以质量百分数计，其含硅混合料的组分包括：
所述含硅混合料与酚醛树脂溶液的质量比为(30～60):100；
所述加热固化的温度为150～200℃，所述煅烧碳化的温度为2500～3000℃。
2.根据权利要求1所述的碳纤维陶瓷刹车片，其特征在于，所述聚碳硅烷的数均分子量为1000～2000。
3.根据权利要求1所述的碳纤维陶瓷刹车片，其特征在于，所述聚二甲基硅氧烷的数均分子量为500～100000。
4.根据权利要求1所述的碳纤维陶瓷刹车片，其特征在于，所述聚环硅氧烷的数均分子量为500～100000。
5.根据权利要求1所述的碳纤维陶瓷刹车片，其特征在于，所述聚甲基硅烷的数均分子量为1000～100000。
6.根据权利要求1所述的碳纤维陶瓷刹车片，其特征在于，所述石墨粉的粒径为6～13μm；所述碳化硅粉的粒径为7～14μm。
7.根据权利要求1所述的碳纤维陶瓷刹车片，其特征在于，所述酚醛树脂溶液的固含量为60～70wt％；所述酚醛树脂溶液的25℃粘度为100～200cp。
8.一种权利要求1～7任一项所述的碳纤维陶瓷刹车片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将聚碳硅烷、聚二甲基硅氧烷、聚环硅氧烷、聚甲基硅烷、石墨粉、碳化硅粉和酚醛树脂溶液进行混合，得到含硅酚醛树脂溶液；
将碳纤维三维针刺预制体在所述含硅酚醛树脂溶液中浸渍，取出后进行加热固化和煅烧碳化，得到碳纤维陶瓷刹车片。
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