本发明涉及摩擦制动材料技术领域，尤其涉及一种无铜环保NAO摩擦材料及其制备方法。
背景技术：
随着汽车、火车、飞机等交通运输工具向高速、重载方向发展，人们对安全性、舒适性和清洁性要求的不断提高，对身体健康和环境保护意识的加强，不仅对摩擦材料的制动性能要求更加苛刻，而且对材料的选用更加严格。由于石棉具有优异的性能和低廉的成本，早期的摩擦材料主要是以石棉作为增强材料。但越来越多的资料证明，石棉对人的危害极大，被公认是致癌物质，并且在生产和使用过程中石棉粉尘对环境造成严重污染。强制性国家标准GB12676-1999也规定：我国自2003年10月1日起制动摩擦衬片应不含有石棉。随着摩擦材料的发展，以钢棉增强的半金属和低金属摩擦材料能较好的解决高速和重载问题，因为钢棉有很好的耐温性和热传导性，能克服在刹车过程中动能转化为热能所产生的温升造成的刹车性能衰退，保证稳定的制动性能，但钢棉代替石棉而制得半金属和低金属摩擦材料由于比重大、硬度高、容易锈蚀、损伤对偶、产生制动噪音和振动、刹车产生的粉尘容易污染轮毂等缺点，也使人们感到不满意。矿物纤维的成功开发，把矿物纤维应用在摩擦材料中开发出无石棉无钢棉可以加用少量铜或铝的NAO材质摩擦材料成为新的发展方向。在过去的10多年时间内，由于大量含铜NAO具有噪音低、磨损小等优点，以日本为代表的摩擦材料生产企业大量推广使用高含铜量的NAO摩擦材料，使用中大量铜粉尘随着摩擦材料的磨损，形成粉尘进入空气中，最终在河流和海湾中沉积，造成大气与水体的重金属—铜污染。人们慢慢地意识到传统NAO摩擦材料中铜对环境的严重污染问题，美国的加利福尼亚州、华盛顿州等率先提出在2021年起使用的摩擦材料Cu含量不允许超过5%，2025年起不允许超过0.5%，各大汽车生产商纷纷响应号召，要求开发无铜环保的NAO摩擦材料，因此开发不含铜的环保摩擦材料是大势所趋，是造福子孙后代的好事。
研究表明，车辆在制动过程中，整个制动系统需要承受巨大的制动功率。一辆中级轿车在时速130kmh时制动需要超过500kw的瞬时制动功率。假设轿车的输出功率为50KW，那么瞬时制动功率是发动机输出功率的10倍以上。同时，制动时刹车片和刹车盘的温度会上升300～400度，如果连续制动或下长坡，摩擦副的温度会上升到500～600度，表面瞬时温度会更高。摩擦材料中的高聚物在分解温度以下，呈现塑性和弹性，产生粘着和变形。在分解温度以上，高聚物分解为气体和低分子物，发生混合摩擦，产生衰退。热衰退指刹车片温度上升后，其刹车效果减退甚至失效的现象，明显的感觉就是刹车脚软，再怎么踩刹车效果也不明显。高温下有机物的磨损会呈几何倍数地增加。对于传统NAO材质或半金属的摩擦材料来说，由于本身含有大量钢纤或铜纤维，导热性好、热容高，热量能有效快速从摩擦表面散发，不容易导致衰退；因此要开发出性能优异的无铜NAO配方，寻找合适的高导热材料和耐高温材料是关键和重要的研究方向。
现有技术中，也有采用铝材料作为导热材料加入，如公开号为CN105531496A的中国专利申请公开了一种摩擦材料，该摩擦材料中加入有1～10重量％的从铝颗粒、铝纤维、以铝为主要成分的合金颗粒以及以铝为主要成分的合金纤维中选出的一种或两种以上。然而，如果在材料中大量加入Al纤维或颗粒材料，在高温下氧化成Al2O3，这是一种硬度极高的结晶氧化物质，具有极高的摩擦系数和对制动盘的攻击性，使用中会出现大量噪音、制动摩损不均匀且大的情况。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种摩擦系数稳定、高温衰退小、恢复性好、磨损率小、内剪切强度高、材料比重小、硬度适中、成本低且不含铜等重金属的无铜环保NAO摩擦材料。
本发明的另一发明目的是提供了一种上述无铜环保NAO摩擦材料的制备方法，该方法操作简单，过程可控，制备得到的产品质量好，摩擦系数稳定，高温衰退小，恢复性好，磨损率小，内剪切强度高，材料比重小，硬度适中。
本发明所述无铜环保NAO摩擦材料所采用的技术方案是：按重量百分比计，该材料包括以下组分：
腰果壳油改性酚醛树脂5～10％；摩擦粉3～5％；轮胎粉1～3％；锌纤维2～8％；铝纤维1～5％；其它纤维18～30％；以及填料40～70％。
上述方案可见，本发明严格控制NAO配方组分中有机物的用量，使用锌纤维、铝纤维等其它金属纤维替代铜等重金属材料，经过配方研发、性能测试及装车试验，所得产品的摩擦系数稳定、高温低衰退、恢复性好、磨损率小、内剪切强度高、材料比重小、硬度适中、成本低且不含铜等重金属。解决了传统NAO材质摩擦材料含有大量铜等重金属的问题，满足未来摩擦材料关于无铜的要求，达到环保的效果。另外，由于锌纤维具有高导热性、大热容、易成膜的特性，将其加入到摩擦材料中，会对摩擦材料的整体起到增大摩擦材料导热性、使表面形成转移膜，从而具有稳定摩擦特性、降低高温磨损的作用；而铝纤维具有高导热、高温氧化物摩擦系数高的特性，将其加入到摩擦材料中，会使得摩擦材料的整体发生高温摩擦系数稳定的变化，使得摩擦材料实现无铜化，同时锌和铝具有高导热特性，不会发生高温急剧磨损，更不会造成环境污染。与现有技术相比，本发明以Zn纤维为主，少量添加Al纤维。其中的Zn纤维在摩擦表面会形成锚锭效应，有效稳定高温摩擦表面，从而形成稳定摩擦性能，Zn氧化后生成ZnO，是一种莫氏硬度与制动盘相近的氧化物，不会对制动盘造成过度磨损与攻击，因此不会产生噪音与盘过度磨损。同时Zn的活性比制动的Fe高，在潮湿环境下可有效保护制动盘，使其不易生锈，甚至不会产生任何锈粘着力。
进一步地，所述其它纤维为芳纶纤维2～8％；硅酸盐矿物纤维6～15％；以及钛酸钾10～20％。
上述方案可见，以芳纶纤维、硅酸盐矿物纤维以及钛酸钾作为其它纤维加入，使得产品的恢复性更好，磨损率也更小，内剪切强度高，材料比重小，使产品的硬度更加适合应用。
进一步地，所述填料为硫酸钡3～10％、硅酸锆12～28％、沸石2～8％、铁黑5～15％、氢氧化钙1～8％、人造石墨3～12％、天然鳞片石墨1～6％、金属硫化物2～10％。
上述方案可见，采用硫酸钡作为填料可以有效降低成本、提高产品的高温恢复性能，采用硅酸锆作为填料可有效稳定高温摩擦系数，采用沸石作为填料可吸收高温有机物分解产生的气体或液体物质，有效降低摩擦材料的高温衰退，采用铁黑作为填料可有效稳定摩擦系数，采用氢氧化钙作为填料可调节整体Ph值，防止摩擦材料产生锈粘着，采用人造石墨作为填料可有效稳定摩擦系数、降低磨损，采用天然鳞片石墨作为填料可有效稳定摩擦系数、降低磨损，采用金属硫化物作为填料可有效稳定摩擦系数、降低磨损；上述材料作为填料的加入，可使得摩擦材料制备的产品具备成本低、硬度适中、材料比重小的优点。
上述无铜环保NAO摩擦材料的制备方法所采用的技术方案是，该方法包括以下步骤：
（1）混料：按重量百分比称取所有原材料，分为A料：天然鳞片石墨、芳纶纤维、铁黑和硫酯钡，其它材料为B料，先将A料放入犁耙式混料机中，开启主桨和高速绞刀搅拌5分钟，再加入B料合混5分钟，制成摩擦材料混拌料；
（2）预烘：将混合好的混拌料放入80±5℃烘箱中预热3小时；
（3）热压：预热后的混拌料放入模具中，模具温度控制在145±5℃、压制压力35±2MPa、保温保压时间在30s/mm的条件下进行热压；热压开始15s，以后间隔10s,每次排气5s,排气3～5次，保压360S；
（4）热处理：从室温～180℃，等速升温2h,保温1h；从180℃～210℃，等速升温1h,保温1h；从210℃～230℃，等速升温1h,保温3h；得到无铜环保NAO摩擦材料。
上述方案可见，本发明方法流程简单，操作简便，与现有的流程相比，其过程未有明显的增加，该方法制备得到的产品摩擦系数稳定、高温低衰退、恢复性好、磨损率小、内剪切强度高、材料比重小、硬度适中、成本低且不含铜等重金属。
具体实施方式
本发明采用芳纶纤维、矿物纤维、锌纤维和铝纤维复合增强，使用锌纤维、铝纤维、钛酸钾替代传统NAO摩擦材料中的铜纤维或黄铜纤维，以解决传统NAO摩擦材料在使用中铜等重金属对环境的污染，属于摩擦制动材料技术领域。下面以具体的实施例来对本发明作进一步的说明。
实施例1：
按重量百分比计算，所述无铜环保NAO摩擦材料包括以下成分：腰果壳油改性酚醛树脂7.2%，摩擦粉3.1%，轮胎粉3%，芳纶纤维3%，硅酸盐矿物纤维11%，锌纤维7.7%，铝纤维 2.8，钛酸钾 14.2，硫酸钡3.5%，硅酸锆12.9%，沸石2.8%、铁黑10%、氢氧化钙2.6%、人造石墨9.5%、天然鳞片石墨1%、金属硫化物5.7%。其中金属硫化物为硫化锑或硫化钼。
按上述重量比利称取各原材料，采用干法成型工艺，按以下四个步骤进行成型：
（1）混料：按按上述组分重量百分比称取所有原材料，分为A料：天然鳞片石墨、芳纶纤维、铁黑和硫酯钡，其它材料为B料，先将A料放入犁耙式混料机中，开启主桨和高速绞刀搅拌5分钟，再加入B料合混5分钟，制成摩擦材料混拌料。
（2）预烘：将混合好的混拌料放入80±5℃烘箱中预热3小时。
（3）热压：预热后的混拌料放入模具中，模具温度控制在145±5℃、压制压力35±2MPa、保温保压时间在30s/mm的条件下进行热压；热压开始15s，以后间隔10s,每次排气5s,排气3～5次，保压360s。
（4）热处理：从室温～180℃，等速升温2h,保温1h；从180℃～210℃，等速升温1h,保温1h；从210℃～230℃，等速升温1h,保温3h。
实施例2：
按重量百分比计算，所述无铜环保NAO摩擦材料包括以下成分：腰果壳油改性酚醛树脂6.2%，摩擦粉3.3%，轮胎粉1.4%，芳纶纤维4%，硅酸盐矿物纤维13%，锌纤维6.5%，铝纤维 3.5%，钛酸钾 13.2，硫酸钡7.6%，硅酸锆13.9%，沸石2.8%、铁黑6%、氢氧化钙2.8%、人造石墨7.6%、天然鳞片石墨1.5%、金属硫化物6.7%。
按上述重量比例称取各种原材料，同实施例1所述工艺步骤制备。
实施例3：
按重量百分比计算，所述无铜环保NAO摩擦材料包括以下成分：腰果壳油改性酚醛树脂6.8%，摩擦粉4%，轮胎粉2.1%，芳纶纤维3.5%，硅酸盐矿物纤维8%，锌纤维5.5%，铝纤维 4.5%，钛酸钾 19.2，硫酸钡5.3%，硅酸锆11.9%，沸石3.8%、铁黑8.2%、氢氧化钙2.0%、人造石墨5.5%、天然鳞片石墨1.3%、金属硫化物8.4%。
按上述重量比例称取各种原材料，同实施例1所述工艺步骤制备。
本发明所述摩擦材料参照GB5763-2008，采用GB5763-2008《汽车用制动器衬片》中规定的测试方法对照实施例1至实施例3所提供的配方制造的摩擦材料进行摩擦磨损测试。摩擦性能要求见表1，测试结果见表2。
表1 GB5763-2008摩擦性能要求
表2 摩擦磨损性能测试结果
从摩擦磨损测试结果来看，随着温度升高，摩擦系数很平稳，衰退很小，温度降低后，摩擦系数又得到很好恢复。并且每个温度段的磨损率不大，远远低于国标要求。本发明所制得的无铜环保NAO摩擦材料的摩擦系数稳定，磨损率小，衰退特别低，无铜环保，符合国际先进潮流和未来摩擦材料发展趋势。
本发明可应用于摩擦制动材料技术领域。