一种碳纤维摩擦材料的制备方法与流程

本发明涉及摩擦材料制备技术领域，更具体的说是涉及一种碳纤维摩擦材料的制备方法。

背景技术：

石棉具有很高的抗拉强度、优良的机械性能和耐高温性能，并且价格低廉，因此，在现有技术中，石棉被广泛应用于建材、消防及摩擦材料等领域。摩擦材料一般是以石棉纤维作为增强材料，再混以一定量的酚醛树脂，以及一定量的重晶石、长石粉和橡胶组分或其他填料配置而成的。但在制造过程中，石棉纤维会产生大量粉尘，污染生产环境，同时对操作人员的健康造成一定的危害。此外，石棉基摩擦材料在使用过程中，也会随着摩擦次数的增多而造成石棉粉尘污染。出于以上原因，石棉在摩擦材料产品中逐渐被禁止使用。

在上述背景下，半金属摩擦材料开始在西方国家得以普及应用，以金属纤维代替石墨纤维。但由于此类配方中含有大量的金属成分，因此其产品具有硬度高、易对偶以及易锈蚀等缺陷，现已不能够适应现代汽车制动系统对摩擦材料提出的新的技术性能要求。随着技术进步，行业内对于对于高性能摩擦阻尼材料的要求也越来越高，急需要有一种既环保，高性能可靠好的材料来代替石棉及金属基的摩擦材料。

现有技术中，公开号为cn1670113a的专利文件中提供了一种无石棉无金属车用摩擦材料，是以纤维材料、陶瓷类材料、粘合剂、润滑剂以及填料制造而成；公开号为cn103001657a的现有技术中提供了一种无铜无金属的环保型陶瓷基摩擦材料，是以陶瓷纤维、矿物纤维、有机纤维、石墨、酚醛树脂、钛酸钾片晶、金属硫化物复合物、增磨剂以及填料等原料制造而成的。以上现有技术虽然不含石棉以及金属成分，但其均以陶瓷纤维为主要成分，属于陶瓷基摩擦材料，与半金属摩擦材料相比成本更高，且脆性较大，易被损坏。

因此，提供一种环保的高性能、低成本的摩擦材料是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种以环保材料为原料、耐热、耐摩擦及导电导热性能高的碳纤维摩擦材料，同时提供了一种制备该种碳纤维摩擦材料的方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种碳纤维摩擦材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)织布：将聚丙烯腈(pan)基预氧丝进行纺纱织布，得到预氧丝布；

(2)高温碳化：将所述预氧丝布在隔氧环境下进行高温碳化，温度控制在900-1000℃，得到导电碳布；

(3)浸渍：将所述导电碳布置于树脂溶液中浸渍1-5min后，在150-200℃下烘干，得到预产品；

(4)后处理：将所述预产品进行热平压压缩，得到碳纤维摩擦材料。

优选的，所述聚丙烯腈(pan)预氧丝为24k或48k原丝，所述原丝单丝直径为10-13um，密度为1.2-1.7g/cm³，极限氧指数为32-38。

优选的，步骤(1)中所述预氧丝布的克重为170-230g/m²，厚度为0.4-0.8mm。

本发明限定预氧丝的种类、直径、密度及极限氧指数，能够影响碳化后碳纤维的强度。pan基预氧丝目前是强度最高的原丝种类，直径越粗、密度越大，纤维强度越高。同时，极限氧指数超过42％以后强度逐渐会降低，且预氧丝布的克重及厚度影响孔隙率指标。对此，本发明通过对预氧丝的各项指数进行限制，能够保证最终得到高强度的碳纤维。

优选的，步骤(2)中所述预氧丝布使用高温碳化，是将导电电阻降低至1.3-1.7ω/10cm。

本发明选择基础的导电型碳纤维布，纤维微观结构多沟槽，宏观结构多孔隙，加上其具有优良的导电、导热、莫氏硬度高的物理特性，使其能够成为最优良的摩擦阻尼材料载体，将其与不同树脂或者其他材料混合，就可以成为适应不同工况的材料。

优选的，步骤(3)中所述环氧树脂为环氧树脂胶黏剂、稀释剂与固化剂的混合物，所述混合物配置比例为环氧树脂胶黏剂：稀释剂：固化剂＝6:3:1。

优选的，所述环氧树脂为德国汉高公司生产的thx-023型环氧树脂；所述稀释剂为丙酮；所述固化剂为德国汉高公司生产的p2430环氧树脂。

依照制造碳纤维复合摩擦材料的特性，我们需要选用合适的环氧树脂来对碳纤维材料表面进行包裹复合，以提高碳纤材料的强度及耐磨性能，还有在树脂中增加稀释剂与固化剂，能够增加环氧树脂的流动性、提高固化时间。

优选的，步骤(3)中所述环氧树脂烘干后占浸渍完毕的导电碳布重量的50-55％。

环氧树脂比重越高，摩擦系数越低，树脂比重越低摩擦系数越高，但是强度会不足，本发明所限定的环氧树脂重量占比为最佳比例，使产品在具有较高摩擦系数的同时还具有良好的强度。

优选的，步骤(4)中所述热平压压缩后压缩比为75-80％。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明中使用的原料在使用过程中不会造成环境污染，同时不会对人体健康造成严重伤害，具有良好的环保性。且本发明充分利用了导电碳纤维布良好的导热、导电及凹凸不平的表面结构，实现导电碳纤维材料与环氧树脂的结合，形成高强度、耐摩擦及耐热性好的摩擦材料。本发明中的碳纤维摩擦材料可以利用在不同摩擦工况下的特性，既可以通过与其他金属填料混合，制造成汽车刹车片，也可以使用纯碳纤维材料，制造成浸泡在油里面的湿式离合器，不同的处理导电碳纤维的方法能够产生不同性能的导电碳纤维摩擦材料。另外，本发明的制备方法简单，原料易得，可以实现在导电碳纤维布成型的情况下，在通用设备中进行大规模的高效率制造，同时能够在低生产成本的前提下，保证摩擦材料的质量稳定，便于工业化推广使用。

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附图为本发明实施例1中浸渍树脂步骤的流程示意图；

图2附图为碳纤维摩擦材料剪裁成型后的形状及尺寸示意图；

图3附图为碳纤维摩擦材料在多片式阻尼器中的应用。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，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。

实施例1

本发明公开了一种碳纤维摩擦材料的制备方法，步骤如下：

1.原料选材：

选择佐尔泰克或者台丽大丝束pan基预氧丝，使用24k或48k原丝，单丝直径为10-13um，密度1.4g/cm³，极限氧指数35。

2.纺纱织布

将pan基预氧丝进行纺纱织布，

a)将纺纱的规格定为小纱织，20只纱线进行合两股，成20/2支纱，捻度300捻；

b)将20/2支纱依照经纬密度为10×10根/cm的规格织布，编织成布的克重为200g/m²的布，通用测厚规测量厚度为0.6mm厚；

c)织布宽幅为标准织机宽度1.6米，长度150米。

3.高温碳化

将预氧丝布进行碳化提高其导电率，对预氧丝布在隔氧环境下进行950℃高温碳化，将导电碳纤维布的电阻降低到1.7ω/10cm(10厘米间距测量电阻)，单位平方克重160g/m²，厚度为0.6mm。

4.调配树脂溶液

a)选用德国汉高公司生产的thx-023型环氧树脂作为胶黏剂，向其中加入丙酮做稀释剂，使用德国汉高公司的p2430环氧树脂做固化剂，配置比例为：环氧树脂胶黏剂：稀释剂：固化剂＝6:3:1；

b)将环氧树脂依照比例混合到容器中后，需要进行搅拌15-25min，将固化剂、环氧树脂、稀释剂充分混合均匀后，才可以进行使用。

5.浸渍

在普通的通用立式浸渍生产线上，对导电碳布进行上胶处理(如图1所示)的浸渍生产线，浸渍完毕后，在立式烘箱内使用150-200℃烘干15-20分钟，使环氧树脂烘干后的胶量占浸渍完毕的导电碳布重量的50％。

6.热平压定型

将浸渍完毕环氧树脂后的导电碳布，裁剪成方块800×600mm的方块，放入到标准硫化机中进行热平压，硫化机模板温度为180-210℃，平压时间为50-70s，将厚度平压到0.5mm，压缩比为75％，得到碳纤维摩擦材料。

实施例2

一种碳纤维摩擦材料的制备方法，步骤如下，与实施例一不同的是：

(1)步骤1原料选择过程中，选择极限氧指数38的预氧丝；

(2)步骤2纺纱织布过程中步骤b)，编织成的预氧丝布克重为230g/m²，通用测厚规测量厚度为0.4mm。

(3)步骤3高温碳化过程中，对预氧丝布在隔氧环境下进行1000℃高温碳化，将导电碳纤维布的电阻降低到1.3ω/10cm，单位平方克重为150g/m²，厚度为0.55mm；

(4)步骤4调配环氧树脂过程中a)步骤，环氧树脂配置比例为：环氧树脂胶黏剂：稀释剂：固化剂＝7:2.5:1；

(5)步骤5浸渍环氧树脂过程中，使环氧树脂烘干后的胶量占浸渍完毕的导电碳布重量的55％；

(6)步骤5热平压定型过程中，将材料厚度平压到0.52mm厚，压缩比为77％。

实施例3

一种碳纤维摩擦材料的制备方法，步骤如下，与实施例一不同的是：

(1)步骤1原料选择过程中，选择极限氧指数37的预氧丝；

(2)步骤2纺纱织布过程中步骤b)，编织成的预氧丝布克重为170g/m²，通用测厚规测量厚度为0.8mm；

(3)步骤3高温碳化过程中，对预氧丝布在隔氧环境下进行1000℃高温碳化，将导电碳纤维布的电阻降低到1.5ω/10cm，单位平方克重为155g/m²，厚度为0.65mm；

(4)步骤4调配环氧树脂过程中a)步骤，环氧树脂配置比例为：环氧树脂胶黏剂：稀释剂：固化剂＝5:3.5:1；

(5)步骤5浸渍环氧树脂过程中，使环氧树脂烘干后的胶量占浸渍完毕的导电碳布重量的53％；

(6)步骤5热平压定型过程中，将材料厚度平压到0.51mm厚，压缩比为80％。

实施例4

一种碳纤维摩擦材料的制备方法，步骤如下，与实施例一不同的是：

使用短导电碳纤维长度1-5mm之间的短纤维2％，同时添加石墨粉3.5％、硅藻粉34％、铜合金7.5％、橡胶等填料33％，与重量分数为20％的型号为pf-906d的酚醛树脂混合烘干后，加热进行压制成干式摩擦材料块，应用至铆接或粘贴到刹车片上做干式摩擦材料。

表1为本发明实施例1-3得到的碳纤维摩擦材料的各项性能指标数据。

表1：物理机械性能指标数据

实施例5

下面对本发明实施例1-3得到的碳纤维摩擦材料的应用进行举例说明。

将本发明中实施例1-3得到的碳纤维摩擦材料分别裁剪成片进行应用，将热平压定型完毕的导电碳布阻尼材料裁剪成如图2一致，装配到图3中的多片式阻尼器中，旋转电机1连接驱动轴2旋转，使用压簧螺丝3，调节压簧4的压紧力，通过压簧4对压住对偶金属片5，在驱动电机1转动时对偶片5与摩擦阻尼片6进行摩擦，产生旋转力矩，带动传动片7与齿轮8进行旋转，齿轮8与齿条9啮合，从而带动齿条9上下运动。当齿条9遇到一定的阻力，且阻力大于多片阻尼器的摩擦扭矩时，导电摩擦阻尼片6与对偶钢片5之间打滑，从而起到保护电机限制扭矩输出的作用。此机构广泛应用于汽车玻璃升降器以及电动机限制扭矩输出器中。

技术效果：

表2为本发明实施例5在应用过程中的各项性能指标数据。

表2：根据gb5763-1998进行定速试验的数据

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。