阅读说明：本技术 一种多层复合结构的转鼓路面仿真材料及其制备方法 (Drum pavement simulation material with multilayer composite structure and preparation method thereof ) 是由 李培耀 马连湘 宋国君 王泽鹏 谷正 王立 王怀志 李俊逸 于 2020-04-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种多层复合结构的转鼓路面仿真材料及其制备方法,属于模拟路面材料技术领域,所述仿真材料包括表面层、中间层和底层,所述表面层为碳钢基材表面喷涂耐磨层,所述中间层为橡胶层,所述底层为普通碳钢薄层,所述耐磨层为含镍的碳化钨涂层或7Cr13马氏体不锈钢涂层。本发明克服现有转鼓路面仿真材料只具其形,缺乏实际路面作用力的缺点,同时提高实验过程与实际行车时的接近度,提供侧向摩擦力比如侧倾、侧偏等实际路况,较原转鼓路面材料测试精度能够进一步提高。(The invention discloses a multilayer composite structure drum pavement simulation material and a preparation method thereof, belonging to the technical field of simulation pavement materials, wherein the simulation material comprises a surface layer, a middle layer and a bottom layer, the surface layer is a wear-resistant layer sprayed on the surface of a carbon steel substrate, the middle layer is a rubber layer, the bottom layer is a common carbon steel thin layer, and the wear-resistant layer is a nickel-containing tungsten carbide coating or a 7Cr13 martensitic stainless steel coating. The invention overcomes the defects that the existing drum pavement simulation material only has the shape and lacks the actual pavement acting force, improves the proximity between the experimental process and the actual driving, provides the actual road conditions of lateral friction ratio such as side inclination, side deflection and the like, and can further improve the test precision compared with the original drum pavement material.)

一种多层复合结构的转鼓路面仿真材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及模拟路面材料技术领域，具体涉及一种多层复合结构的转鼓路面仿真材料及其制备方法。

背景技术

汽车轮胎完成生产后，需要进行性能的试验，其中在测试过程中室内测试设备上路面材料对于测试具有关键的影响。在性能试验中，为了模拟多种路面状况和侧偏、侧倾等驾驶条件，一般使用转鼓实验台模拟路面进行试验。转鼓试验台是一种常用的轮胎路试设备。转鼓表面的模拟路面带动车轮旋转，还有车轮会有模拟转弯动作时的侧偏和侧倾力的测试。试验台靠转鼓与车轮间的摩擦力和反作用力，给车轮提供直线行驶和侧偏、侧倾作用力。因此，转鼓材料及其表面对提供试验载荷起着关键性的作用。

在现有技术中，通常采用在转鼓上刻画金属花纹模拟路面结构。例如在发明专利《一种用于模拟路面的转鼓》(CN201510075011.0)中，转鼓的外表面上平行于转鼓截面的周期性波纹，是由首尾相切的等直径下凹圆弧线和上凸圆弧线所组成的，该转鼓容易加工，降低了成本，并且提高了转鼓的摩擦力，适合于模拟多种路面。而在实际应用中，此类模拟路面只是具有其形，难包其性能，包括摩擦系数、侧偏、侧倾力等，使得轮胎性能的测试失真度大大增加。

多层复合结构是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有协同效应的作用形态。各层结构的材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合结构的综合性能优于单一材料而满足实际的要求。

发明内容

本发明提供一种多层复合结构的转鼓路面仿真材料及其制备方法，克服现有转鼓路面仿真材料只具其形，缺乏实际路面作用力的缺点，同时提高实验过程与实际行车时的接近度，提供侧向摩擦力比如侧倾、侧偏等实际路况，较原转鼓路面材料测试精度能够进一步提高。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种多层复合结构的转鼓路面仿真材料，包括表面层、中间层和底层，所述表面层为碳钢基材表面喷涂耐磨层，所述中间层为橡胶层，所述底层为普通碳钢薄层。

优选的，所述耐磨层为含镍的碳化钨涂层或7Cr13马氏体不锈钢涂层。

进一步优选的，所述仿真材料各层的厚度比例为：碳钢基材2.5-5.5，含镍的碳化钨涂层0.2-0.25，7Cr13马氏体不锈钢涂层0.4-0.6，橡胶层3.0-8.0，普通碳钢薄层1.0-3.0。

优选的，所述橡胶层由以下重量份数的原料组成：橡胶90.0-120.0份，油1.0-20.0份，普通填充材料1.0-70.0份，功能性填充材料1.0-30.0份，硫化剂0.5-3.0份，防老剂0.1-5.0份，偶联剂0.1-5.0份。

进一步优选的，所述橡胶层由以下重量份数的原料组成：橡胶100.0份，油5.0份，普通填充材料10.0份，功能性填充材料5.0份，硫化剂1.5份，防老剂1.5份，偶联剂2.0份。

优选的，所述橡胶为氟橡胶、丙烯酸酯橡胶、硅橡胶中的任意一种或多种的混合物，所述油为非挥发性油类，包括芳烃油、操作油、环烷油、机油、白油中的任意一种或多种的混合物，所述普通填充材料包括碳黑、白炭黑、碳酸钙、滑石粉、高岭土、重晶石中的任意一种或多种的混合物。

优选的，所述功能性填充材料包括导热无机绝缘类和导热非绝缘类，所述导热无机绝缘类包括氧化锌、氧化镁、氧化铝、碳化硅、石英中的任意一种或多种的混合物，所述导热非绝缘类包括导电碳黑、膨胀石墨、石墨烯、碳纤维、碳纳米管中的任意一种或多种的混合物。

优选的，所述硫化剂为过氧化物硫化剂、金属氧化物硫化剂、树脂硫化剂中的任意一种或多种的混合物，所述防老剂为抗氧剂1010、抗氧剂168、防老剂4010、防老剂4020、防老剂RD、防老剂MB中的任意一种或多种的混合物。

优选的，所述偶联剂为硅烷、钛酸酯中的任意一种或两种的混合物。

本发明还提供一种多层复合结构的转鼓路面仿真材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)通过实际路面采样后，使用3D打印技术制备成完全与实际路面相同纹理结构的碳钢基材，然后在碳钢基材表面喷涂耐磨层得到表面层，将普通碳钢薄层设计成活字镶片结构作为底层，使其具有可拆卸性，将表面层与底层材料放入模具中；

(2)将橡胶、普通填充填料、功能性填充填料、硫化剂、油、偶联剂、防老剂按照比例加入密闭式炼胶机中，塑炼混合、压片、冷却即可得到中间层，即橡胶层；

(3)采用橡胶注射成型的方式，将橡胶层材料通过橡胶注射机，注射入已经放置好表面层与底层材料的模具，直接注射成型，然后带模硫化，温度为160-185℃，时间为2.0-20.0min，冷却开模，即得到多层复合结构的转鼓路面仿真材料镶片。

本发明的有益效果表现在：

(1)本发明调整配方和工艺，分别制备出模拟路面结构不同部分的模拟材料，贴近了实际路面，提高了模拟路面的符合度；

(2)本发明的多层复合结构的转鼓路面仿真材料，各层结构的材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合结构的综合性能优于单一材料而满足实际的要求，金属与高分子柔性材料的复合结构的使用可以取长补短，协同作用，其中中间层采用具有高抗压缩强度和优良的高抗压变性能的橡胶材料，利用复合材料与金属的高粘合性，不需要外加粘合剂，即可保证结合紧密，底层设计成活字镶片结构，使其具有可拆卸性，便于拆卸的同时，保证与表面层的结合力，防止测试过程失真甚至脱落；

(3)使用多层不同材料，建立复合结构，制备出更加贴近实际路面的面层-基层-垫层的三层结构模拟路面，采用橡胶注射成型的方式，将表面层和底层放入模具，直接注射成型，然后带模硫化，保证了产品的尺寸精度，保证了三层结合力，使得复合结构界面结合紧密，有效的解决界面问题，完美的形成多层复合材料结构，仿真精度高，可拆卸，测试失真度小，同时减少了橡胶原料的浪费；

(4)本发明的多层复合结构材料的力学性能优异、具有不同硬度、导静电、导热、耐磨性能优异；

(5)本发明的方法工艺简单，符合度高、可拆卸性强，生产废品率低，利于推广应用。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员理解，下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明：

实施例1：

一种多层复合结构的转鼓路面仿真材料，包括表面层、中间层和底层，所述表面层为碳钢基材表面喷涂含镍的碳化钨涂层，所述中间层为橡胶层，所述底层为普通碳钢薄层。

所述仿真材料各层的厚度为：碳钢基材2.5mm，含镍的碳化钨涂层0.2mm，橡胶层3.0mm，普通碳钢薄层1.0mm。

所述橡胶层由以下重量份数的原料组成：氟橡胶100.0份，芳烃油5.0份，碳黑10.0份，氧化锌5.0份，过氧化物硫化剂1.5份，抗氧剂1681.5份，偶联剂硅烷2.0份。

实施例2：

一种多层复合结构的转鼓路面仿真材料，包括表面层、中间层和底层，所述表面层为碳钢基材表面喷涂7Cr13马氏体不锈钢涂层，所述中间层为橡胶层，所述底层为普通碳钢薄层。

所述仿真材料各层的厚度为：碳钢基材5.5mm，7Cr13马氏体不锈钢涂层0.6mm，橡胶层8.0mm，普通碳钢薄层3.0mm。

所述橡胶层由以下重量份数的原料组成：丙烯酸酯橡胶90.0份，环烷油1.0份，碳酸钙1.0份，碳纳米管1.0份，金属氧化物硫化剂0.5份，防老剂40100.1份，偶联剂钛酸酯0.1份。

实施例3

一种多层复合结构的转鼓路面仿真材料，包括表面层、中间层和底层，所述表面层为碳钢基材表面喷涂含镍的碳化钨涂层，所述中间层为橡胶层，所述底层为普通碳钢薄层。

所述仿真材料各层的厚度为：碳钢基材4mm，含镍的碳化钨涂层0.22mm，橡胶层5.0mm，普通碳钢薄层2.0mm。

所述橡胶层由以下重量份数的原料组成：硅橡胶120.0份，白油20.0份，高岭土70.0份，碳化硅30.0份，树脂硫化剂3.0份，防老剂MB5.0份，偶联剂硅烷5.0份。

上述实施例1-3所述的一种多层复合结构的转鼓路面仿真材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)通过实际路面采样后，使用3D打印技术制备成完全与实际路面相同纹理结构的碳钢基材，然后在碳钢基材表面喷涂耐磨层得到表面层，将普通碳钢薄层设计成活字镶片结构作为底层，使其具有可拆卸性，将表面层与底层材料放入模具中；

(2)将橡胶、普通填充填料、功能性填充填料、硫化剂、油、偶联剂、防老剂按照比例加入密闭式炼胶机中，塑炼混合、压片、冷却即可得到中间层，即橡胶层；

(3)采用橡胶注射成型的方式，将橡胶层材料通过橡胶注射机，注射入已经放置好表面层与底层材料的模具，直接注射成型，然后带模硫化，冷却开模，即得到多层复合结构的转鼓路面仿真材料镶片。

所述步骤(3)中带模硫化的温度为160-185℃，时间为2.0-20.0min。

对比例：对比例1，在转鼓表面镶嵌长度为500mm，宽度为100mm的普通碳钢镶片；对比例2，在转鼓表面镶嵌长度为500mm，宽度为100mm的普通碳钢镶片，用电弧喷涂工艺均匀涂覆0.2mm的含镍的碳化钨耐磨涂层；对比例3，在转鼓表面镶嵌长度为500mm，宽度为100mm的普通碳钢镶片，用电弧喷涂工艺均匀涂覆0.2mm的7Cr13合金钢耐磨涂层。

将上述实施例1-3与对比例1-3的转鼓表面安装在车轮道路模拟台架上，以转鼓表面模拟路面来进行摩擦力试验，工作条件为：接触面压力设定:16000N；速度设定为:60km/h；车轮转向角设定50。测量车轮所受的轴向力大小，如表1所示：

表1:转鼓的摩擦力(N)和附着系数实验结果

上述结果表明，在转鼓表面上无涂层时，表面摩擦力和附着系数较低，不符合使用要求；通过添加含镍的碳化钨涂层和7Cr13合金钢涂层，可以提高转鼓表面的摩擦力；本发明制备的多层复合结构转鼓路面仿真材料的转鼓表面摩擦力和附着系数明显提高，提高了车轮与转鼓之间的附着性能，使模拟路面附着系数接近路试情况，模拟仿真度高，同时具有可拆卸、可回收等优点。

以上内容仅仅是对本发明的结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。