技术领域
[0001] 本
发明涉及一种双层微尘低噪陶瓷
刹车片材料及其制备方法，属于
汽车工业领域。
背景技术
[0002] 随着现代社会经济的迅速发展，汽车这一便捷的代步工具逐渐走进千家万户，而我国汽车行业在经过近几年的飞速发展后，已然进入世界前列。面对世界范围内对于汽车环保和舒适性更高的要求，刹车片
摩擦材料的发展对环保要求也越来越苛刻。刹车片作为汽车
制动系统中的重要一环，其综合性能直接影响到制动系统的
稳定性、可靠性以及人们乘坐时的舒适性。
[0003] 目前，用于汽车制动的刹车片主要有半金属刹车片和无
石棉刹车片。它们大多由
钢纤维和酚
醛树脂组成，再加入各种功能性填料的多元
复合材料。然而金属材料的加入，使得这些刹车片不但容易锈蚀和产生低频噪音，而且在制动过程中还会产生金属磨屑和粉尘，对人体和空气环境造成危害。其次，这两种刹车片摩擦材料中的摩擦调节剂大多为
石墨，
焦炭，
铁黑等，在使用过程也容易产生黑色磨屑和粉尘，粘在
制动盘(鼓)和
轮毂上，严重污染制动盘(鼓)和周围环境。此外，它们还存在着制动稳定性差、抗热衰退性能差、磨损率高和使用寿命短等问题。
[0004] 一般来说，汽车在更换新的刹车片后，需磨合200公里方能达到最佳的制动效果。这意味着在更换新的刹车片后，为了安全起见，车主在很长一段时间内不能在高速或者人流量比较密集的地方行车，给人们的出行带来很大不便。实验数据表明，刹车片与刹车盘(鼓)的有效
接触面积需达到75％以上，才能产生较大的制动
力，制动效果明显。然而新刹车片表面经过磨削加工后相对平整，装配时刹车片与刹车盘(鼓)的接触面积可能很小，有的甚至连50％都达不到，不足以产生较大的制动力，刹车距离延长，容易引发交通事故。因此，研发一种粉尘少、噪音低、
摩擦系数稳定、磨合时间短和使用寿命长的汽车刹车片摩擦材料势在必行。
发明内容
[0005] 针对
现有技术的不足，本发明提供一种双层微尘低噪陶瓷刹车片材料及其制备方法，所述的陶瓷刹车片材料在满足环保要求下具有良好的
摩擦学性能，尤其用以解决现存产品的粉尘多、噪音高等问题。
[0006] 本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：
[0007] 一种双层微尘低噪陶瓷刹车片材料，其以陶瓷纤维、芳纶纤维、
碳纤维为增强纤维，以
腰果油改性
酚醛树脂和丁腈
橡胶粉为
粘合剂，以MoS2粉和微米级SiO2空心球粉作为摩擦系数调节剂，Mo-B-Si-O复合晶体为摩擦降噪剂，辅以蛭石、
云母、重晶石和
氧化
铝等填料。
[0008] 按上述方案，所述陶瓷刹车片材料采用双层摩擦结构，为上下两层构造，上层为磨合层，下层为基体层，其中上层磨合层的厚度占总厚度的10-15％。
[0009] 按上述方案，双层摩擦结构中基体层与磨合层分别由以下重量百分比的组分组成：
[0010] 基体层：陶瓷纤维15-20％，芳纶纤维12-18％，
碳纤维8-16％，腰果油改性酚醛树脂12-15％，丁腈橡胶粉4-6％，MoS2粉5-8％，微米级SiO2空心球粉5-10％，Mo-B-Si-O复合晶体8-10％，蛭石5-7％，云母4-6％，重晶石12-15％，氧化铝3-5％；
[0011] 磨合层：陶瓷纤维10-16％，芳纶纤维8-12％，碳纤维6-10％，腰果油改性酚醛树脂7-13％，丁腈橡胶粉4-6％，MoS2粉8-13％，微米级SiO2空心球粉9-15％，Mo-B-Si-O复合晶体
10-14％，蛭石4-6％，云母5-8％，重晶石10-12％，氧化铝2-4％。
[0012] 按上述方案，所述微米级SiO2空心球粉采用SiF4气泡
水解法制成，所得空心球直径为5.4-14μm，壁厚为2.2-3.4μm，具体的制备方法包括如下步骤：
[0013] 1)称取一定量粒径为30-50μm的
二氧化硅粉，置于
质量百分比为0.01-0.05％的辛基
苯酚聚氧化乙烯(OP-10)的水溶液中，通过橡胶软管向水溶液中通入一定量SiF4气体，待气泡不再产生后，静置一段时间可得到白色沉淀物；
[0014] 2)将所得白色沉淀物过滤，用去离子水及无水
乙醇充分洗涤后，在180-200℃
温度环境下进行烘干，即可得微米级SiO2空心球粉。
[0015] 按上述方案，摩擦降噪剂Mo-B-Si-O复合晶体的外观为长条片状，厚度为4-8μm，长度为50-800μm，具体的制备方法包括如下步骤：
[0016] 1)按质量百分比分别称取一定量钼酸铵粉55-60％、
硼粉5-10％和
石英粉35-40％的原料粉，其粉料平均粒径为25-45μm，将三者
研磨混合均匀；
[0017] 2)采用
真空气氛炉进行
烧结，氦气为保护气体；在烧结过程通入纯氧作为氧化增强气体，氧气通入量为50-120ml/min，烧
结温度为500-600℃，保温2-4h，得到所述Mo-B-Si-O复合晶体。
[0018] 上述双层微尘低噪陶瓷刹车片材料，原料粉末依次经过振动混料、双层结构预成型、
热压成型、
热处理和磨削工序，具体的制备方法包括如下步骤：
[0019] 1)配料计算：将陶瓷纤维，芳纶纤维，碳纤维，腰果油改性酚醛树脂，丁腈橡胶粉，MoS2粉，微米级SiO2空心球粉，Mo-B-Si-O复合晶体，蛭石，云母，重晶石和氧化铝按照基体层和磨合层不同比例和厚度用量分别进行计算配料和分开保存；
[0020] 2)振动混料：将基体层和磨合层各原料粉置于双轴螺旋混料机中分别进行充分混合，振动
频率为50-70Hz，混料时间为5-7min；
[0021] 3)双层结构预成型：将混合均匀后的基体层和磨合层粉末按照底层为基体层，上层为磨合层的顺序依次装入自动加热的
正压模具内，每层混合粉末按相应的层厚倒入模具时，铺平后施加不同的压力使其
压实紧密形成预制体；
[0022] 4)热压成型：将步骤3)的预制体放在四柱热压成型机上进行热压，压制力设为18-25MPa，压制温度为150-180℃，热压时间为8-12min；
[0023] 5)热处理：采用真空干燥箱对步骤4)生成的样坯进行热处理，热处理温度为150-200℃，保温6-8h，最后冷却至室温；
[0024] 6)磨削：采用圆盘磨对样坯进行切边、去毛刺和磨平处理，磨削转速控制在30-45r/min，得到双层微尘低噪陶瓷刹车片材料。
[0025] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0026] 首先，本发明所述双层微尘低噪陶瓷刹车片材料综合性能显著，在满足环保要求下具有良好的摩擦学性能，有效解决现有产品的粉尘多、噪音高、摩擦系数不稳定、磨合时间长和使用寿命短等问题。本发明所提供的双层微尘低噪陶瓷刹车片材料，具有优异的摩擦学性能和降噪减振性能，其摩擦系数适中(平均值为0.371-0.398，
波动幅度较小)，具有较低的磨损率(0.118-0.131×10-7cm3·N-1·m-1)和等效声压级(41-54dB)。尤其是，相比于对市售的半金属汽车刹车片产品的超过4类环境噪声限值(70dB)，本发明所提供的双层微尘低噪陶瓷刹车片材料降噪效果显著；而且在跟市售产品摩擦系数相差不大的情况下，磨损率远低于目前的市售产品，
耐磨性好，产生的粉尘少，使用寿命相对延长。
[0027] 另外，本发明采用了
基层与磨合层的双层摩擦结构，利用磨合层中含有较多云母(层状结构)和微米级SiO2空心球粉，与刹车盘(鼓)充分接触磨合一段时间，增大接触面积以缩短磨合时间。磨合层的厚度可根据汽车更换刹车片后的跑合时间和里程数灵活调整，既避免了摩擦材料的浪费，又节省了驾驶人大量宝贵的时间。
附图说明
[0029] 图2是本发明所制备的微米级SiO2空心球扫描电镜(SEM)照片。
[0030] 图3是本发明所制备的微米级SiO2空心球透射电镜(TEM)照片。
[0031] 图4是本发明所制备的Mo-B-Si-O复合晶体的场发射扫描电镜(FSEM)照片。
[0032] 图5是本发明
实施例1、2、3制备的双层微尘低噪陶瓷刹车片材料和对比例样品的等效声压级(ESPL)柱形图。
具体实施方式
[0033] 下面结合附图及实施例进一步对本发明进行说明，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
[0034] 下述实施例中，摩擦学性能测试标准采用GB5763-2008《汽车用
制动器衬片》中的1类，即
驻车制动器用测试标准。将制备出的刹车片材料切制成尺寸为25mm×25mm，厚度为5mm的试片，测试压力为0.98Mpa。试片分别在100℃，200℃，250℃，300℃，350℃进行磨合，至接触面达95％以上。用
精度0.01mm的千分尺测试试片厚度，每个试片测量5个点，取其算术平均值。
[0035] 下述实施例中，噪声检测标准采用GB 3096-2008《声环境质量标准》和GB 22337-2008《社会生活环境噪声》两大标准。试片距离Ⅱ型环境噪声检测测量仪3.5m，距离地面高度1.2m，每个试片测量5次，取其算术平均值。
[0036] 对比例样品选用的是市面上出售的某品牌半金属汽车刹车片，其测试条件与实施例完全一致。
[0037] 实施例1
[0038] 一种双层微尘低噪陶瓷刹车片材料，以陶瓷纤维、芳纶纤维、碳纤维为增强纤维，以腰果油改性酚醛树脂和丁腈橡胶粉为粘合剂，以MoS2粉和微米级SiO2空心球粉作为摩擦系数调节剂，Mo-B-Si-O复合晶体为摩擦降噪剂，辅以填料蛭石、云母、重晶石和氧化铝，采用双层摩擦结构。其中，双层摩擦结构中基体层与磨合层分别由以下重量百分比的组分组成：
[0039] 基体层：陶瓷纤维15％，芳纶纤维18％，碳纤维8％，腰果油改性酚醛树脂12％，丁腈橡胶粉4％，MoS2粉8％，微米级SiO2空心球粉5％，Mo-B-Si-O复合晶体8％，蛭石5％，云母4％，重晶石10％，氧化铝3％；
[0040] 磨合层：陶瓷纤维10％，芳纶纤维12％，碳纤维10％，腰果油改性酚醛树脂7％，丁腈橡胶粉4％，MoS2粉13％，微米级SiO2空心球粉13％，Mo-B-Si-O复合晶体10％，蛭石4％，云母5％，重晶石10％，氧化铝2％。
[0041] 如图1所示，上述一种双层微尘低噪陶瓷刹车片材料及其制备方法具体包括如下步骤：
[0042] 1)微米级SiO2空心球粉制备：称取5g
二氧化硅粉，置于质量百分比为0.01％的辛基苯酚聚氧化乙烯(OP-10)的水溶液中，通过橡胶软管向水溶液中通入10ml的SiF4气体，待气泡不再产生后，静置一段时间可得到白色沉淀物；将所得白色沉淀物过滤，用去离子水及无水乙醇充分洗涤后，在180℃温度环境下进行烘干，即可得微米级SiO2空心球粉；
[0043] 2)Mo-B-Si-O复合晶体制备：分别称取钼酸铵粉2.75g、硼粉0.3g和石英粉1.75g的原料粉，将三者研磨混合均匀；采用真空气氛炉进行烧结，氦气为保护气体；在烧结过程通入纯氧作为氧化增强气体，氧气通入量为70ml/min，烧结温度为500℃，保温2h，得到Mo-B-Si-O复合晶体；
[0044] 3)双层摩擦结构配料混料：基体层称取陶瓷纤维6.3g，芳纶纤维7.56g，碳纤维3.36g，腰果油改性酚醛树脂5.04g，丁腈橡胶粉1.68g，MoS2粉3.36g，微米级SiO2空心球粉
2.1g，Mo-B-Si-O复合晶体3.36g，蛭石2.1g，云母1.68g，重晶石4.2g，氧化铝1.26g；磨合层称取陶瓷纤维0.3g，芳纶纤维0.36g，碳纤维0.3g，腰果油改性酚醛树脂0.21g，丁腈橡胶粉
0.12g，MoS2粉0.39g，微米级SiO2空心球粉0.39g，Mo-B-Si-O复合晶体0.3g，蛭石0.12g，云母
0.15g，重晶石0.3g，氧化铝0.06g；将基体层和磨合层各原料粉置于双轴螺旋混料机中分别进行充分混合，振动频率为50Hz，混料时间为5min；
[0045] 4)双层结构预成型：将混合均匀后的基体层和磨合层粉末按照底层为基体层，上层为磨合层的顺序依次装入自动加热的正压模具内，其中基体层厚度为14mm，施加5Mpa作用力压实；磨合层为1mm，施加3Mpa作用力压实，初步形成预制体；
[0046] 5)热压成型：将步骤4)的预制体放在四柱热压成型机上进行热压，压制力为18MPa，压制温度为150℃，热压时间为8min；
[0047] 6)热处理：采用真空干燥箱对步骤5)生成的样坯进行热处理，热处理温度为150℃，保温6h，最后冷却至室温；
[0048] 7)磨削：采用圆盘磨对样坯进行切边、去毛刺和磨平处理，磨削转速控制在30r/min，得到双层微尘低噪陶瓷刹车片材料。
[0049] 根据实验测试结果，实施例1在不同测试温度下的摩擦系数为0.37-0.39，波动幅度较小，
热稳定性和抗热衰退性能好；磨损率为0.1-0.13×10-7cm3·N-1·m-1，远低于对比样，耐磨性好，产生的粉尘少；平均等效声压级为48±3dB，低于标准中的1类环境噪声限值(55dB)，相比于对比样中的超过4类环境噪声限值(70dB)，说明降噪效果显著。综合来看，该刹车片材料的摩擦性能和降噪性能完全符合国家标准。
[0050] 实施例2
[0051] 一种双层微尘低噪陶瓷刹车片材料，以陶瓷纤维、芳纶纤维、碳纤维为增强纤维，以腰果油改性酚醛树脂和丁腈橡胶粉为粘合剂，以MoS2粉和微米级SiO2空心球粉作为摩擦系数调节剂，Mo-B-Si-O复合晶体为摩擦降噪剂，辅以填料蛭石、云母、重晶石和氧化铝，采用双层摩擦结构。其中，双层摩擦结构中基体层与磨合层分别由以下重量百分比的组分组成：
[0052] 基体层：陶瓷纤维17％，芳纶纤维14％，碳纤维10％，腰果油改性酚醛树脂12％，丁腈橡胶粉4％，MoS2粉5％，微米级SiO2空心球粉7％，Mo-B-Si-O复合晶体9％，蛭石5％，云母4％，重晶石10％，氧化铝3％；
[0053] 磨合层：陶瓷纤维12％，芳纶纤维10％，碳纤维8％，腰果油改性酚醛树脂9％，丁腈橡胶粉5％，MoS2粉10％，微米级SiO2空心球粉9％，Mo-B-Si-O复合晶体11％，蛭石5％，云母7％，重晶石11％，氧化铝3％。
[0054] 如图1所示，上述一种双层微尘低噪陶瓷刹车片材料及其制备方法具体包括如下步骤：
[0055] 1)微米级SiO2空心球粉制备：称取6g二氧化硅粉，置于质量百分比为0.03％的辛基苯酚聚氧化乙烯(OP-10)的水溶液中，通过橡胶软管向水溶液中通入12ml的SiF4气体，待气泡不再产生后，静置一段时间可得到白色沉淀物；将所得白色沉淀物过滤，用去离子水及无水乙醇充分洗涤后，在190℃温度环境下进行烘干，即可得微米级SiO2空心球粉；
[0056] 2)Mo-B-Si-O复合晶体制备：分别称取钼酸铵粉2.70g、硼粉0.4g和石英粉1.8g的原料粉，将三者研磨混合均匀；采用真空气氛炉进行烧结，氦气为保护气体；在烧结过程通入纯氧作为氧化增强气体，氧气通入量为80ml/min，烧结温度为550℃，保温3h，得到Mo-B-Si-O复合晶体；
[0057] 3)双层摩擦结构配料混料：基体层称取陶瓷纤维6.885g，芳纶纤维5.67g，碳纤维4.05g，腰果油改性酚醛树脂4.86g，丁腈橡胶粉1.62g，MoS2粉2.025g，微米级SiO2空心球粉
2.835g，Mo-B-Si-O复合晶体3.645g，蛭石2.025g，云母1.62g，重晶石4.05g，氧化铝1.215g；
磨合层称取陶瓷纤维0.54g，芳纶纤维0.45g，碳纤维0.36g，腰果油改性酚醛树脂0.405g，丁腈橡胶粉0.225g，MoS2粉0.45g，微米级SiO2空心球粉0.405g，Mo-B-Si-O复合晶体0.495g，蛭石0.225g，云母0.315g，重晶石0.495g，氧化铝0.135g；将基体层和磨合层各原料粉置于双轴螺旋混料机中分别进行充分混合，振动频率为60Hz，混料时间为6min；
[0058] 4)双层结构预成型：将混合均匀后的基体层和磨合层粉末按照底层为基体层，上层为磨合层的顺序依次装入自动加热的正压模具内，其中基体层厚度为13.5mm，施加6Mpa作用力压实；磨合层为1.5mm，施加4Mpa作用力压实，初步形成预制体；
[0059] 5)热压成型：将步骤4)的预制体放在四柱热压成型机上进行热压，压制力为20MPa，压制温度为160℃，热压时间为10min；
[0060] 6)热处理：采用真空干燥箱对步骤5)生成的样坯进行热处理，热处理温度为180℃，保温7h，最后冷却至室温；
[0061] 7)磨削：采用圆盘磨对样坯进行切边、去毛刺和磨平处理，磨削转速控制在40r/min，得到双层微尘低噪陶瓷刹车片材料。
[0062] 根据实验测试结果，实施例2在不同测试温度下的摩擦系数为0.35-0.38，波动幅度较小，热稳定性和抗热衰退性能好；磨损率为0.1-0.15×10-7cm3·N-1·m-1，远低于对比样，耐磨性好，产生的粉尘少；平均等效声压级为52±2dB，低于标准中的1类环境噪声限值(55dB)，相比于对比样中的超过4类环境噪声限值(70dB)，说明降噪效果显著。综合来看，该刹车片材料的摩擦性能和降噪性能完全符合国家标准。
[0063] 实施例3
[0064] 一种双层微尘低噪陶瓷刹车片材料，以陶瓷纤维、芳纶纤维、碳纤维为增强纤维，以腰果油改性酚醛树脂和丁腈橡胶粉为粘合剂，以MoS2粉和微米级SiO2空心球粉作为摩擦系数调节剂，Mo-B-Si-O复合晶体为摩擦降噪剂，辅以填料蛭石、云母、重晶石和氧化铝，采用双层摩擦结构。其中，双层摩擦结构中基体层与磨合层分别由以下重量百分比的组分组成：
[0065] 基体层：陶瓷纤维16％，芳纶纤维13％，碳纤维10％，腰果油改性酚醛树脂13％，丁腈橡胶粉4％，MoS2粉6％，微米级SiO2空心球粉6％，Mo-B-Si-O复合晶体8％，蛭石5％，云母4％，重晶石12％，氧化铝3％；
[0066] 磨合层：陶瓷纤维12％，芳纶纤维15％，碳纤维7％，腰果油改性酚醛树脂7％，丁腈橡胶粉4％，MoS2粉12％，微米级SiO2空心球粉14％，Mo-B-Si-O复合晶体10％，蛭石4％，云母5％，重晶石10％，氧化铝2％。
[0067] 如图1所示，上述一种双层微尘低噪陶瓷刹车片材料及其制备方法具体包括如下步骤：
[0068] 1)微米级SiO2空心球粉制备：称取5.5g二氧化硅粉，置于质量百分比为0.05％的辛基苯酚聚氧化乙烯(OP-10)的水溶液中，通过橡胶软管向水溶液中通入12ml的SiF4气体，待气泡不再产生后，静置一段时间可得到白色沉淀物；将所得白色沉淀物过滤，用去离子水及无水乙醇充分洗涤后，在200℃温度环境下进行烘干，即可得微米级SiO2空心球粉；
[0069] 2)Mo-B-Si-O复合晶体制备：分别称取钼酸铵粉2.8g、硼粉0.4g和石英粉1.8g的原料粉，将三者研磨混合均匀；采用真空气氛炉进行烧结，氦气为保护气体；在烧结过程通入纯氧作为氧化增强气体，氧气通入量为110ml/min，烧结温度为600℃，保温4h，得到Mo-B-Si-O复合晶体；
[0070] 3)双层摩擦结构配料混料：基体层称取陶瓷纤维6.624g，芳纶纤维5.382g，碳纤维4.14g，腰果油改性酚醛树脂5.382g，丁腈橡胶粉1.656g，MoS2粉2.484g，微米级SiO2空心球粉2.484g，Mo-B-Si-O复合晶体3.312g，蛭石2.07g，云母1.656g，重晶石4.968g，氧化铝
1.242g；磨合层称取陶瓷纤维0.432g，芳纶纤维0.54g，碳纤维0.252g，腰果油改性酚醛树脂
0.252g，丁腈橡胶粉0.144g，MoS2粉0.432g，微米级SiO2空心球粉0.432g，Mo-B-Si-O复合晶体0.36g，蛭石0.144g，云母0.18g，重晶石0.36g，氧化铝0.072g；将基体层和磨合层各原料粉置于双轴螺旋混料机中分别进行充分混合，振动频率为70Hz，混料时间为7min；
[0071] 4)双层结构预成型：将混合均匀后的基体层和磨合层粉末按照底层为基体层，上层为磨合层的顺序依次装入自动加热的正压模具内，其中基体层厚度为13.8mm，施加6Mpa作用力压实；磨合层为1.2mm，施加4Mpa作用力压实，初步形成预制体；
[0072] 5)热压成型：将步骤4)的预制体放在四柱热压成型机上进行热压，压制力为23MPa，压制温度为170℃，热压时间为12min；
[0073] 6)热处理：采用真空干燥箱对步骤5)生成的样坯进行热处理，热处理温度为150℃，保温7.5h，最后冷却至室温；
[0074] 7)磨削：采用圆盘磨对样坯进行切边、去毛刺和磨平处理，磨削转速控制在44r/min，得到双层微尘低噪陶瓷刹车片材料。
[0075] 根据实验测试结果，实施例3在不同测试温度下的摩擦系数为0.36-0.39，波动幅度较小，热稳定性和抗热衰退性能好；磨损率为0.11-0.15×10-7cm3·N-1·m-1，远低于对比样，耐磨性好，产生的粉尘少；平均等效声压级为45±4dB，低于标准中的1类环境噪声限值(55dB)，相比于对比样中的超过4类环境噪声限值(70dB)，说明降噪效果显著。综合来看，该刹车片材料的摩擦性能和降噪性能完全符合国家标准。
[0076] 表1是本发明实施例1、2、3制备的双层微尘低噪陶瓷刹车片材料和对比例样品的摩擦系数和磨损率表。
[0077] 表1
[0078]
[0079] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干改进和变换，这些都属于本发明的保护范围。
