專利名稱：一種填料炭改性方法
技術領域：
本發(fā)明屬于摩擦材料領域，具體涉及一種填料炭改性方法及其在摩擦材料中的應用。
背景技術：
隨著社會和科學技術的發(fā)展，汽車作為現(xiàn)在社會一種不可缺少的交通工具在人們 的工作生活中扮演的作用也越來越重要。如今，高載、高速、環(huán)保已成為汽車行業(yè)的發(fā)展方 向。但是汽車高速高載所帶來的技術難題并沒有得到解決，難題之一就是汽車制動問題。汽車制動的根本其實就是把行駛中汽車的動能轉換為熱能的過程。而剎車片在高 速高載情況所面臨的主要問題就是材料在高溫時的失效。為了解決這個難題，有人曾試圖 對在剎車片中起粘結劑作用的酚醛樹脂進行改性提高酚醛樹脂的耐熱性能，以解決材料的 高溫失效問題，比如JP 11286676(A)公開了一種芳香類化合物改性酚醛樹脂在剎車片中 應用的方法。JP10007815(A)公開了一種橡膠改性酚醛樹脂和普通酚醛樹脂的混合體系在 剎車片中應用的方法。JP2001247640(A)公開了一種用雙馬來酰亞胺改性酚醛樹脂應用在 剎車片中的方法。這三種方法制得的摩擦材料雖然性能上有一定的提高，但材料高溫失效 的問題并沒有得到根本的解決。如何避免剎車片材料的高溫失效，采取有效的辦法將制動產生的熱量及時迅速地 傳導出去成為關鍵。在實際制動時，一方面希望制動系統(tǒng)能提供盡可能大的摩擦力，使汽車 在最短的距離、最短的時間內完成制動，然而另一方面，如果制動時摩擦力過大，則非常容 易導致抱死現(xiàn)象，且摩擦力越大，熱能產生的速率也越快，制動時熱量在摩擦表面的積聚也 越嚴重，材料也越容易失效。現(xiàn)在很多中高檔轎車都使用了 ABS防抱死系統(tǒng)，ABS防抱死系統(tǒng)以很高的頻率實 現(xiàn)“點剎”，這一點很好的防止了由于摩擦系數過高導致的抱死現(xiàn)象。另一方面，在點剎的間 隙，能把摩擦熱快速地散去，更好的保護剎車片材料，防止高溫失效。而為了配合ABS點剎 保護材料的作用，就需要一款高導熱系數的剎車片。以便在點剎間隙，把剎車片表面的熱量 散失出去。碳具有耐熱性能優(yōu)良、導熱系數高以及化學惰性等優(yōu)點，而被作為一種重要的結 構材料和功能材料，廣泛應用于冶金、化工、機械、電子、航空等領域。將碳材料應用于摩 擦材料中能明顯提高材料的導熱系數，使制動熱更好的傳導出去，避免摩擦表面局部熱積 聚導致材料失效并能起到一定的增強作用。JP2008223781 (A)公開了一種在摩擦材料中 加入納米碳纖維的方法。專利EP1357310-A采用碳纖維增強C/SiC材料，制得高導熱系 數的制動材料，使得該材料在高溫下具有良好的摩擦性能；CN98105056. 5公布了一種添 加碳纖維半金屬無石棉制動片，該發(fā)明的產品導熱系數高、制動平穩(wěn)、耐磨、使用壽命高。 專利EP1028098-A通過碳纖維增強碳/碳復合材料制得適用于高速高載下的摩擦材料。 KR100878945(B1)公布了一種在剎車片成品表面噴涂納米碳管的方法，該方法制的的剎車 片導熱性能好、制動表面溫度分布均勻，、附著力高、材料穩(wěn)定性好。上述在摩擦材料中加入碳材料的方法，雖然能提高摩擦材料的導熱系數，顯著提高材料的摩擦磨損性能，但上述碳 材料生產成本偏高，限于成本，實際使用時比較困難。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是在現(xiàn)有技術的基礎上，提供一種填料的炭化改性方法，并應用于 摩擦材料。添加這種炭化改性填料的摩擦材料具有較高的導熱系數，良好的抗熱衰退性、抗 震穩(wěn)定性和機械強度，良好地解決了傳統(tǒng)剎車片材料高溫失效的問題。本發(fā)明的另一目的是提供一種上述方法在摩擦材料中的應用。本發(fā)明的目的可以通過以下措施達到一種填料炭改性方法，將填料置于反應爐的反應區(qū)中，先在保護氣氣氛下開始第 一次加熱升溫至400 50(TC，升溫結束后通入氫氣，通氫氣結束后開始第二次加熱升溫至 600 1200°C，升溫的同時通入氫氣與碳源氣體的混合氣體，第二次升溫至終點后保溫反 應0. 1 5小時，反應后通入氮氣并停止加熱，冷卻，得到炭改性填料；上述過程中氣體從下 部進入反應爐的反應區(qū)中，使反應爐內的物料呈流化狀態(tài)；其中所述的填料選自礦物材料、 金屬氧化物、硫化銻、碳化硅、氮化硅、二氧化硅、硅酸鹽或金屬單質中的一種或幾種。上述填料優(yōu)選選自氧化鋯、氧化鉛、氧化鋁、鐵紅、鐵黑、鐵黃、鉻綠、鉻黃、氧化鈦、 氧化銅、氧化鋅、氧化鎂、氧化錫、鈦基晶須、二氧化硅、碳化硅、氮化硅、硅酸鋯、硅酸鋁、硫 酸鋇、陶瓷纖維、玻璃纖維、礦物纖維、硼纖維、復合礦物纖維、海泡石纖維、膨脹蛭石、硫化 銻、鋯英石粉、金剛砂、碳酸鈣、鈦酸鉀、鈦酸鈉、云母粉、銅粉、銅纖維、鐵粉、鋼纖維、棕剛 玉、重晶石、方解石、石灰石、陶土、硅藻土、滑石、鉻鐵礦、金紅石、白云石、石膏、菱鎂礦、鋁 礬土、石英粉、剛玉、螢石、沸石、冰晶石、高嶺土、巖棉、石英巖、長石、硅灰石、石榴石、凹凸 棒石、陶瓷空心球、硼硅酸鹽類化合物、鎂鋁硅酸鹽類化合物中的一種或幾種；本發(fā)明中的 填料進一步優(yōu)選選自氧化鋯、氧化鋁、鐵紅、鐵黑、氧化鈦、二氧化硅、氧化鎂、氧化鋅、鋯英 石、重晶石、硅灰石、鈦酸鉀晶須、云母粉、銅、鐵中的一種或幾種。填料的形態(tài)可以為多種， 如微粒、粉末、顆粒、晶須等。第一次加熱升溫的速率為10 30°C · mirT1，優(yōu)選15°C · mirT1。第一次加熱升溫 終點優(yōu)選為500°C。第一次升溫結束后，通入氫氣的速率為300 400mL · mirT1，優(yōu)選300mL · mirT1。 氫氣通入至反應爐內無其他氣體，隨后停止通氫并開始第二次加熱升溫并通入混合氣體。第二次升溫過程的升溫速率為10 30°C · mirT1，優(yōu)選25°C · mirT1。第二次加熱 升溫的終點優(yōu)選為1000°c。第二次升溫至終點后可再保溫反應0. 1 5小時，優(yōu)選1 5 小時，如第二次升溫終點溫度為1000°C時該保溫反應時間優(yōu)選為2小時。第二次升溫過程中，通入的氫氣與碳源氣體的體積比為1 3 4，優(yōu)選為為 1 2。碳源氣體可采用碳氫化合物、一氧化碳或二氧化碳，其中所述的碳氫化合物是指 小分子的碳氫化合物，如甲烷、乙烷、丙烷、苯、甲苯等。本發(fā)明中的保護氣是指氦氣、氖氣、 氬氣或氮氣等。本方法所得的炭改性填料的表面覆蓋有厚度為Inm IOOOnm的炭層，其微觀結構 為纖維狀結構覆蓋在填料表面或者是交聯(lián)網狀結構包裹住填料，炭層在填料表面的覆蓋率高于80%。本法的炭改性填料的平均導熱系數高于未改性填料的0. 2 100倍。本發(fā)明還提供了一種摩擦材料，該材料中包含至少一種上述炭改性填料。該摩擦 材料的制備中可以采用粘結劑，而粘結劑可以是酚醛樹脂或改性酚醛樹脂或者橡膠或者它 們的組合。該摩擦材料與不含炭改性填料的摩擦材料相比，在250°C以上定速摩擦系數提高
10%，磨損率下降10% 70%，導熱系數提高0.3 4倍。上述摩擦材料的制備方法，包括如下步驟1)取粘結劑和至少含有一種本發(fā)明炭改性填料的添加料，攪拌混合4 6分鐘后， 加入熱壓模具中；2)升溫到155 185°C，壓力為10 30MPa，保溫保壓熱壓5 10分鐘。3)將熱壓后的試樣于185 200°C下保溫4 6小時，然后降溫，得到摩擦材料。步驟1)中粘結劑與添加料的用量比例根據所需制備的摩擦材料的性能以及各添加 料的性能決定。步驟3)中的保溫過程可以在燒結爐中進行，降溫也可采用自然降溫的方式。這里所述的添加料，除了炭改性填料外，是指現(xiàn)有技術中生產摩擦材料所需的各 種無機或有機填料，如增強纖維、摩擦性能調節(jié)劑等材料。增強纖維一般可以是玻璃纖維、陶瓷纖維、復合礦物纖維、硅酸鹽纖維、木質素纖 維、纖維素纖維、芳綸中的一種或幾種的組合。摩擦性能調節(jié)劑及其他材料為鐵黑、鋯英石、 鐵紅、氧化鋯、氧化鎂、云母粉、螢石粉、沸石、蛭石、銳鈦礦、凹土、高嶺土、立德粉、硫酸鋇、 摩擦粉、重質碳酸鈣中的一種或幾種的組合。本發(fā)明的采用了炭改性填料的摩擦材料，其成品的導熱系數是未采用炭改性填料 的摩擦材料的1.2 10倍，在摩擦系數與磨損率方面，前者也具有優(yōu)異的性能。本發(fā)明的有益效果1、在剎車片中添加經過炭化處理的無機填料后，在達到同樣的制動效果時，摩擦 面表面溫度下降，這導致當整車的載荷和要求的制動距離相同時，車輛的最高時速適當提 高。當整車的速度和要求的制動距離相同時，車輛可以承受更大的載荷。當整車的載荷和 速度相同時，剎車時制動距離會比不添加炭化改性填料的剎車片小。2、在剎車片中添加經過炭化處理的無機填料后，剎車片材料的導熱性能有明顯改 善，使摩擦熱在材料表面分布的更均勻，不會因為導熱性能不良導致局部熱積聚，影響材料 性能。3、在剎車片中添加經過改性的無機填料后，材料的導熱性能有明顯的提高，配合 現(xiàn)有高檔車輛的ABS防抱死系統(tǒng)，摩擦表面的熱量能更有效傳遞，降低摩擦表面的溫度，保 護剎車片材料，提高制動效果，延長材料使用壽命。4、在剎車片中添加經過改性的無機填料后，摩擦系數有一定程度的提高，增加了 制動力，且摩擦系數更加穩(wěn)定，減小了磨損量延長了材料的使用壽命。正是由于在剎車片中添加經過炭化處理的無機填料，使材料的性能優(yōu)于同類產 品，摩擦系數穩(wěn)定，磨損率小，材料使用壽命更長。且導熱性能好，制動距離變短。高溫下工 作時不會失效。
具體實施例方式下面通過實施例，對本發(fā)明的技術方案作一步具體的說明。為驗證本發(fā)明的效果，
5按中國GB5763-1998國家標準進行實驗。并與市場同類產品進行比較。實施例如下實施例1 制作炭改性玻璃纖維，其過程為將需要改性的玻璃纖維放置于反應爐中，氣體從下部進入反應爐的反應區(qū)中，使 反應爐內的物料呈流化狀態(tài)。反應器首先在氮氣氣氛下以30°C · miiT1的升溫速率開始第 一次升溫，升溫至450°C停止加熱并以SOOmI^mirT1的速度通入氫氣，通氫后開始第二次加 熱升溫，并以1 2的體積比通入氫氣與一氧化碳的混合氣。反應最終溫度為800°C，在該 溫度下反應2h后將通入的氣體切換為氮氣，停止加熱，自然冷卻，卸出物料，得到炭改性的 玻璃纖維。未改性玻璃纖維常溫下導熱系數為1. 46W/ (m. K)，改性后為47. 87W/ (m. K)，微觀 檢測顯示填料表面的炭層的平均厚度在80 lOOnm，炭層表面覆蓋率高于85%。按表1各物料的質量配比稱取粘結劑和各種填料，攪拌混合5分鐘后，加入熱壓模 具中；熱壓成型工藝為升溫到165°C，壓力為20MPa，保溫保壓8分鐘。后處理工藝為將熱壓后的試樣放在燒結爐200°C下，保溫5小時，然后自然降溫， 得到摩擦材料產品。表1摩擦材料配比表
權利要求
一種填料炭改性方法，其特征在于將填料置于反應爐的反應區(qū)中，先在保護氣氣氛下開始第一次加熱升溫至400～500℃，升溫結束后通入氫氣，通氫氣結束后開始第二次加熱升溫至600～1200℃，升溫的同時通入氫氣與碳源氣體的混合氣體，第二次升溫至終點后保溫反應0.1～5小時，反應后通入氮氣并停止加熱，冷卻，得到炭改性填料；上述過程中氣體從下部進入反應爐的反應區(qū)中，使反應爐內的物料呈流化狀態(tài)；其中所述的填料選自礦物材料、金屬氧化物、硫化銻、碳化硅、氮化硅、二氧化硅、碳酸鹽、鈦酸鹽、硅酸鹽或金屬單質中的一種或幾種。
2.根據權利要求1所述的填料炭改性方法，其特征在于所述填料選自氧化鋯、氧化鉛、 氧化鋁、鐵紅、鐵黑、鐵黃、鉻綠、鉻黃、氧化鈦、氧化銅、氧化鋅、氧化鎂、氧化錫、鈦基晶須、 二氧化硅、碳酸鈣、鈦酸鉀、鈦酸鈉、碳化硅、氮化硅、硅酸鋯、硫化銻、硅酸鋁、硫酸鋇、銅粉、 銅纖維、鐵粉、鋼纖維、陶瓷纖維、玻璃纖維、礦物纖維、硼纖維、復合礦物纖維、膨脹蛭石、鋯 英石、金剛砂、云母粉、海泡石纖維、棕剛玉、重晶石、方解石、石灰石、陶土、硅藻土、滑石、鉻 鐵礦、金紅石、白云石、石膏、菱鎂礦、鋁礬土、石英粉、剛玉、螢石、沸石、冰晶石、高嶺土、巖 棉、石英巖、長石、硅灰石、石榴石、凹凸棒石、陶瓷空心球、硼硅酸鹽類化合物、鎂鋁硅酸鹽 類化合物中的一種或幾種。
3.根據權利要求1所述的填料炭改性方法，其特征在于第一次加熱升溫的速率為10 300C · mirT1，第一次加熱升溫終點為500°C，第一次升溫結束后，通入氫氣的速率為300 400mL · mirT1。
4.根據權利要求1所述的填料炭改性方法，其特征在于第二次升溫過程的升溫速率為 10 300C · mirT1，第二次加熱升溫的終點為1000°C。
5.根據權利要求1所述的填料炭改性方法，其特征在于第二次升溫過程中，通入的氫 氣與碳源氣體的體積比為1 3 4。
6.根據權利要求1或5所述的填料炭改性方法，其特征在于所述的碳源氣體為碳氫化 合物、一氧化碳或二氧化碳。
7.根據權利要求1所述的填料炭改性方法，其特征在于所述炭改性填料的表面覆蓋有 厚度為Inm IOOOnm的炭層，所述炭層在填料表面的覆蓋率高于80%。
8.根據權利要求1所述的填料炭改性方法，其特征在于所述炭改性填料的平均導熱系 數高于未改性填料的0. 2 100倍。
9.一種摩擦材料，其特征在于包含至少一種權利要求1所述的炭改性填料。
10.根據權利要求9所述的摩擦材料，其特征在于該摩擦材料與不含炭改性填料的摩 擦材料相比，在250°C以上定速摩擦系數提高1 % 10%，磨損率下降10% 70%，導熱系 數提高0.3 4倍。
11.一種權利要求9所述的摩擦材料的制備方法，其特征在于包括如下步驟1)取粘結劑和至少含有一種權利要求1所述炭改性填料的添加料，攪拌混合4 6分 鐘后，加入熱壓模具中；2)升溫到155 185°C，壓力為10 30MPa，保溫保壓熱壓5 10分鐘。3)將熱壓后的試樣于185 200°C下保溫4 6小時，然后降溫，得到摩擦材料。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種填料炭改性方法，改性方法為將填料置于反應爐的反應區(qū)中，先在保護氣氣氛下開始第一次加熱升溫至400-500℃，升溫結束后通入氫氣，通氫氣結束后開始第二次加熱升溫至600～1200℃，升溫的同時通入氫氣與碳源氣體的混合氣體，第二次升溫至終點后保溫反應0.1～5小時，反應后通入氮氣并停止加熱，冷卻，得到炭改性填料。該法可得到較好的力學性能、優(yōu)異的摩擦磨損性能、在高溫階段摩擦系數穩(wěn)定、不產生熱衰退、制動力好的摩擦材料。
文檔編號C03C25/44GK101942232SQ201010255770
公開日2011年1月12日 申請日期2010年8月17日 優(yōu)先權日2010年8月17日
發(fā)明者史以俊, 周柯, 姚文俊, 王昌松, 陸小華 申請人:南京鈦威科技有限公司;南京工業(yè)大學