一种喷涂Cr3C2-NiCr涂层的碳纤维纸基摩擦材料及其制备方法

文档序号：940908 发布日期：2020-10-30 浏览：16次 >En<

阅读说明：本技术 一种喷涂Cr3C2-NiCr涂层的碳纤维纸基摩擦材料及其制备方法 (Spray coating Cr3C2Carbon fiber paper-based friction material with-NiCr coating and preparation method thereof ) 是由王士华张国亮龙柱胡爱林李志强桑明珠郭帅李广斌于 2020-07-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种喷涂Cr3C2-NiCr涂层的碳纤维纸基摩擦材料及其制备方法,属于纸基复合材料技术领域。本发明方法采用无机纤维和有机纤维混合,实现相互协同作用,提高了摩擦磨损性能；本发明对Cr3C2-NiCr粉末进行喷涂,利用其优异的耐热、耐高温氧化和耐腐蚀性能,和碳纤维纸基材料复合,制备出性能优异的纸基摩擦材料,具有化学性能稳定好、尺寸稳定性好、膨胀系数小、耐滑动磨损和抗微动磨损性能优异、重量轻的优点,是制备密封环、刹车片的理想材料。(The invention discloses a Cr spraying method 3 C 2 A carbon fiber paper-based friction material with a NiCr coating and a preparation method thereof, belonging to the technical field of paper-based composite materials. According to the method, the inorganic fibers and the organic fibers are mixed, so that mutual synergistic effect is realized, and the frictional wear performance is improved; the invention is to Cr 3 C 2 The paper-based friction material with excellent performance is prepared by spraying NiCr powder and compounding the NiCr powder with carbon fiber paper-based materials by utilizing the excellent heat resistance, high-temperature oxidation resistance and corrosion resistance of the NiCr powder, has the advantages of good chemical stability, good dimensional stability, small expansion coefficient, excellent sliding wear resistance and fretting wear resistance and light weight, and is an ideal material for preparing sealing rings and brake pads.)

技术领域

本发明涉及一种喷涂Cr₃C₂-NiCr涂层的碳纤维纸基摩擦材料及其制备方法，属于纸基复合材料技术领域。

背景技术

摩擦材料广泛地应用在动力机械上，摩擦材料通过摩擦来吸收或传递动力，来实现制动和传动功能，其囊括制动衬片(刹车片)和离合器片。纸基摩擦材料是一种多孔性、吸油、易压缩和回弹性能优异的湿式摩擦材料，主要由纤维、粘结剂、填料、摩擦性能调节剂等组成，通常采用造纸的方式制造出纸基摩擦材料原纸，再经树脂浸渍生成纸基摩擦材料。纸基摩擦材料因其生产成本低、动摩擦因数稳定、动/静摩擦因数比接近、贴合性能平稳、磨损率低、使用寿命长、噪音小及可保护对偶材料等优点，已经发展成为一类越来越重要的逐渐替代树脂基和金属基摩擦材料的湿式摩擦材料。

碳纤维作为目前摩擦材料的热门纤维，具有摩擦系数稳定、静/动摩擦系数比接近1、自润滑性能优良、导热性好、机械强度和耐磨性极高、化学稳定性良好、在高温条件下不发生***、融化和碳化等优点而逐渐应用到纸基摩擦材料中，但其化学活性和表面活性低，难以被水润湿和均匀分散，相对于芳纶纤维柔韧性较差，不同取向的碳纤维接触、搭接，在纸基摩擦材料中形成大量大小不一的孔隙，使纸基摩擦材料的均匀性较差，导致纸基摩擦材料稳定性下降；其次，碳纤维复合材料缺乏延展性，容易断掉，且碳纤维不易回收利用等缺点，限制了其在某些领域的应用。

聚醚醚酮纤维(PEEK纤维)是一种全芳香族的纤维，并有醚键与酮键的存在，从而使纤维的耐高温、耐摩擦、耐腐蚀性能远远高于常规纤维，具备极其优异的综合性能。在较高的温度条件下，由于具有良好的摩擦性和出色的自润滑性，仍可保持突出的磨损率和较低摩擦系数。其拉伸强度可高达700MPa，模量3～6GPa，因其优异的耐摩擦、耐高温、易加工等良好性能，使得其可被用于在汽车行业中发动机内罩、汽车轴承、密封件、刹车片等的制造。由于聚醚醚酮纤维具有优良的耐摩擦、耐高温、耐腐蚀等性能，因此已在许多领域得到了应用，但仍然存在一些缺陷，由于PEEK分子链呈刚性且非极性，作为基材与纤维浸润性较差，与纤维结合力弱，使得其采用注塑成型工艺得到的复合材料中纤维平均长度、纤维含量、纤维分布不均，会导致其耐摩擦性变差；现有技术中通过增加增强材料的强度来增加其性能，但是会大大的增加生产成本。CN104927298A公开了一种聚醚醚酮基耐磨复合材料的制备方法，通过将聚醚酰亚胺PEI包覆的碳纤维，偶联剂改性的TiO₂、聚醚醚酮经高速搅拌混合，干燥注塑成型。其制备的复合材料纤维分散性差、纳米粒子匀度差且易于脱落。CN206054734U公开了一种聚醚醚酮密封件的制备方法，其制备方法复杂，所需原料仅是聚醚醚酮树脂，弹性模量低，受力时伸长大。而纸基摩擦材料，通过对摩擦增强纤维进行改性处理，增强了纤维与摩擦填料以及树脂之间的物理啮合或化学结合，同时利用造纸湿法成型，纤维与填料分散均匀，提高了材料的均匀性，孔隙率稳定，极大地提高了摩擦材料的机械强度和摩擦性能。但纸基摩擦材料在持续高温下工作时，摩擦材料组分会发生热熔化，极大地降低了摩擦材料的耐磨性能。

Cr₃C₂-NiCr是目前应用最广泛的金属陶瓷之一，是由金属合金粘结相NiCr和陶瓷硬质相Cr₃C₂组成的复合材料，因此具有陶瓷的硬度高、耐磨性好、耐腐蚀性能好、抗高温氧化性优越的特点，同时还具有金属基韧性高等特点，是最重要的高温耐磨涂料，广泛应用于连铸连轧辊和表面高温耐磨涂层。Cr₃C₂-NiCr耐磨涂层能够降低物料对设备部件冲刷造成的磨损，能够在保证摩擦性能的同时提高纸基摩擦材料的使用寿命。专利CN110079756A公布了一种镍铬碳化铬耐磨涂层的制备方法，采用极氩弧焊机对NiCr和Cr₃C₂粉末进行TIG重熔处理，将镍铬碳化铬耐磨涂层喷涂到碳素钢、45钢或者合金钢基材上。此方法制备的耐磨涂层摩擦性能优良，特别是在高温条件下，但同时制备工艺复杂，对设备要求较高。

目前，现有专利中Cr₃C₂-NiCr耐高温耐磨涂层大多数应用在碳素钢、45钢或者合金钢表面，高性能涂层复合在纸基摩擦材料等研究较少。

发明内容

为了解决上述至少一个问题，本发明提供了一种喷涂Cr₃C₂-NiCr涂层的碳纤维纸基摩擦材料的制备方法，所制备的喷涂Cr₃C₂-NiCr涂层的碳纤维纸基摩擦材料，Cr₃C₂-NiCr耐磨涂层能够与改性处理过的碳纤维和树脂基材发生机械啮合，增强了各组分之间的结合力，同时，Cr₃C₂-NiCr耐磨涂层的存在，显著地提高了摩擦材料的耐高温性，极大地保证了高温条件下摩擦材料的摩擦稳定性，使得制备的纸基摩擦材料具有化学性能稳定好、尺寸稳定性好、膨胀系数小、耐滑动磨损和抗微动磨损性能优异、重量轻的优点，是制备密封环、刹车片的理想材料。

本发明的第一个目的是提供一种制备喷涂Cr₃C₂-NiCr涂层的碳纤维纸基摩擦材料的方法，所述方法包括以下步骤：

在纸样表面喷涂Cr₃C₂-NiCr涂层，即可得到喷涂Cr₃C₂-NiCr涂层的碳纤维纸基摩擦材料；其中，喷涂厚度为0.1～0.5mm。

在本发明的一种实施方式中，所述的喷涂厚度为0.4mm。

在本发明的一种实施方式中，喷涂工艺为：氧气流量800～1000L/min，煤油流量4～6g/h，喷涂距离200～400mm。

在本发明的一种实施方式中，喷涂工艺为：氧气流量900/min，煤油流量6g/h，喷涂距离300mm。

在本发明的一种实施方式中，Cr₃C₂与NiCr的质量比为25-75％：25-75％。

在本发明的一种实施方式中，Cr₃C₂与NiCr的质量比为75％：25％。

在本发明的一种实施方式中，Cr₃C₂的粒径为20～40μm；NiCr的粒径为20～40μm。

在本发明的一种实施方式中，Cr₃C₂与NiCr的粒径均为30μm。

在本发明的一种实施方式中，所述的纸样的制备方法为：

(1)对碳纤维进行预处理：将碳纤维在浓硝酸、盐酸溶液中的任一种浸泡1～3h，洗净；对PEEK纤维进行预处理处理：将PEEK纤维在5～20％硫酸或盐酸、5～20％氢氧化钠中浸泡1～3h；将处理后的碳纤维、PEEK纤维混合，纤维疏解15～30min，得到混合纤维悬浮液(浓度为0.2-1.2％)；

(2)将混合纤维悬浮液、打浆之后的浆粕、填料Al₂O₃、SiO₂、石墨、摩擦性能调节剂硅藻土混合均匀，得到混合浆料悬浮液；其中，浆粕的添加量为混合浆料质量的10％-50％，混合纤维与浆粕的质量比为1：1；填料Al₂O₃、SiO₂、石墨的添加量总和为混合浆料质量的0.5-5％，三者质量比例为1:1:1；摩擦性能调节剂的添加量为混合浆料质量的0.5-5％；

(3)将步骤(2)得到的混合浆料悬浮液进行造纸湿法成型、脱水、烘干处理，得到原纸；

(4)用稀释剂将聚醚醚酮树脂稀释成树脂溶液，将原纸在聚醚醚酮树脂溶液中浸渍，烘干、热压，得到纸样。

在本发明的一种实施方式中，碳纤维与PEEK纤维的质量比为1-2：1-2。

在本发明的一种实施方式中，碳纤维的长度为3～6mm；PEEK纤维的长度为3～6mm。

在本发明的一种实施方式中，浆粕为芳纶浆粕、聚砜纶浆粕、棉浆粕中的一种。

在本发明的一种实施方式中，填料为纳米Al₂O₃、SiO₂、蛭石、片状石墨中的一种或几种。

在本发明的一种实施方式中，摩擦性能调节剂为BaSO₄、硅藻土、高岭土中的一种或几种。

在本发明的一种实施方式中，对聚酰亚胺树脂进行稀释所使用的稀释剂为N，N二甲基乙酰胺、丙酮；所述聚醚醚酮树脂溶液的浓度为10～30％。

在本发明的一种实施方式中，所述的方法具体包括如下步骤：

(1)对碳纤维进行预处理：将碳纤维在浓硝酸、盐酸溶液中的任一种浸泡1～3h，洗净；对PEEK纤维进行预处理处理：将PEEK纤维在5～20％硫酸或盐酸、5～20％氢氧化钠中浸泡1～3h；将处理后的碳纤维、PEEK纤维混合，纤维疏解15～30min，得到混合纤维悬浮液；

(3)将步骤(2)得到的混合浆料进行造纸湿法成型、脱水、烘干处理，得到原纸；

(4)用稀释剂将聚醚醚酮树脂稀释成树脂溶液，将原纸在聚醚醚酮树脂溶液中浸渍，烘干、热压；

(5)对浸渍后的纸样进行喷涂Cr₃C₂-NiCr涂层，即可得到喷涂Cr₃C₂-NiCr涂层的碳纤维纸基摩擦材料。

本发明的第二个目的是本发明所述的方法制备得到的喷涂Cr₃C₂-NiCr涂层的碳纤维纸基摩擦材料。

本发明的第三个目的是本发明所述的喷涂Cr₃C₂-NiCr涂层的碳纤维纸基摩擦材料在密封环、刹车片中的应用。

本发明取得的有益效果：

(1)本发明制备得到的复合材料的增强纤维原料采用无机纤维(碳纤维)和有机纤维(PEEK纤维)混合，形成整体均匀性混合纤维物料，能够实现相互协同作用，提高摩擦磨损性能。

(2)本发明将Cr₃C₂-NiCr涂层与纸基摩擦材料进行复合，能够发挥耐磨涂层和纸基摩擦材料的协同作用，显著提高复合材料的耐热、耐高温氧化和耐腐性能，保证了高温条件下摩擦材料的摩擦性能稳定性，同时保证了材料的孔隙结构。

(3)本发明中Cr₃C₂-NiCr耐磨涂层与纸基摩擦材料中碳纤维/聚醚醚酮纤维进行物理啮合，填充表面部分孔隙，加强了涂层与纸基摩擦材料之间的结合，提高了耐磨性、稳定性。

(4)本发明所述的制备方法采用造纸中的湿法成形、热压相结合的方法制备碳纤维/聚醚醚酮纤维复合材料，能够对高性能纤维复合材料中的纤维长度、含量、纤维分布及树脂分散均匀性实现可控性；同时工艺流程简单、生产成本低，适合工业化生产。

(5)本发明制备的喷涂Cr₃C₂-NiCr涂层的碳纤维纸基摩擦材料，具有化学性能稳定好、尺寸稳定性好、膨胀系数小、耐滑动磨损和抗微动磨损性能优异、重量轻的优点，是制备密封环、刹车片的理想材料。

具体实施方式

测试方法：

(1)抗张指数指标的测定方法是按照国家标准GB/T2914-2008测定。

(2)耐破指数指标的测定方法是按照国家标准GB/T454-2002测定。

(3)撕裂指数指标的测定方法是按照国家标准GB/T455-2002测定。

(4)根据QC/T583-1999《汽车制动器衬片显气孔率试验方法》的要求，采用吸油法测试试样的孔隙率，按公式计算：

式中：P--孔隙率，％；

G₁--干燥试样重量，g；

G₂--饱油试样在油中的重量，g；

G₃--饱和试样在空气中的重量，g。

(5)摩擦系数测定：

动摩擦系数按下列公式

其中：μ_d--动摩擦系数；

M_d--动摩擦力矩，N×m

P--摩擦副端面的载荷，N

R_CP--试样有效半径，cm

静摩擦系数按下列公式

其中：μ_j--静摩擦系数；

M_j--静摩擦力矩，N×m

P--摩擦副端面的载荷，N

R_CP--试样有效半径，cm

R₁和R₂分别为试样摩擦材料外圆和内圆半径，单位：cm。

(6)磨损率计算公式：

其中：V--磨损率，cm³/J；

A--试样接触面积，cm²；

△h--摩擦材料磨损前后的厚度差，cm

n--制动离合次数

I₀--试验机总惯量，kg×m²，I₀由以下公式计算：

I₀＝I₁+I₂

I₁--试验机主轴惯量，I₁＝0.035kg×m²

I₂--试验机配置惯量，I₂＝0.2kg×m²。

ω--制动初角速度，rad/s。

实施例1

一种喷涂Cr₃C₂-NiCr涂层的碳纤维纸基摩擦材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)对长度为3～6mm的碳纤维用60％浓硝酸浸泡3h，洗净；对长度为3～6mm的PEEK纤维用10％盐酸浸泡3h；混合搅拌30min；将预处理的碳纤维和预处理的PEEK纤维按照1：1混合，纤维疏解20min，得到混合纤维悬浮液(浓度为1％)；

(2)按照定量100g/m²的原纸，将混合纤维悬浮液、打浆之后的芳纶浆粕、填料Al₂O₃、SiO₂、石墨、摩擦性能调节剂硅藻土混合均匀，得到混合浆粕悬浮液；其中，混合纤维与芳纶浆粕质量总和占混合浆粕的90％，两者之间的质量比为1：1；填料Al₂O₃、SiO₂、石墨的质量占混合浆粕的5％，三者质量比例为1:1:1；摩擦性能调节剂硅藻土的质量占混合浆粕的5％；对芳纶浆粕打浆，打浆度为55°SR；