[发明专利]一种高导热半金属刹车片

说明书

技术领域

本发明涉及一种半金属制动摩擦材料，属于高速度、大马力汽车车辆用的刹车片领域。特别是提供了一种利用石墨的导热率各项异性的刹车片制备技术，解决了车辆半金属刹车片导热、耐热性差，噪音大，对对偶盘磨损大的问题。

技术背景

车辆上的制动系统是保证车辆安全行驶的最重要的安全系统之一，制动系统中的刹车片和刹车盘是制动系统的核心部件，是制动力的直接提供者，通过施加外力使刹车片与对偶盘机械接触摩擦，产生制动力矩，将车辆的动能转化成热能，在车辆制动过程中，刹车片与对偶盘的摩擦面上的温度可达300～400℃，高速度、大马力车辆甚至达到500℃。这就要求刹车片在保证具有足够的摩擦系数及较低的磨损量条件下，导热、耐热性也要好。

从1897年Herbert Frood发明了第一块以头发和棉线为增强纤维的树脂基刹车片已过去100多年了。这期间，为满足车辆高速度和大马力的使用需求，刹车材料经过不断改进，其性能不断提高。目前应用于高速度和大马力车辆上的常规刹车片主要包括半金属材料、粉末冶金材料和C/C复合材料。由于半金属材料采用钢和铜纤维作为增强剂，提高材料的导热和耐热性，但是噪音比较大，且对对偶盘损伤较大。粉末冶金材料导热和耐高温性好，但是制动重量大、噪音大、脆性大、对对偶损伤大，一般只用于特殊场合。C/C复合材料弹性模量高、热传导及耐热性好，并且单位面积吸收功率高，比重小。但是目前碳纤维产量小、价格贵、限制了C/C复合摩擦材料的应用。

常规半金属刹车片材料中金属增强纤维和石墨的含量较高，典型配方中用量高达一半以上。其中有污染性的重金属，如铜纤维或铜粉用量在5％～30％，对环境有一定的污染性。在常规刹车片的制备工艺下，半金属刹车片中的鳞片石墨的排列方式是平行于摩擦面的。这样在剪应力的作用下，将会易导致鳞片石墨的脱落，破坏摩擦面的完整性，破坏氧化膜，脱落的氧化膜碎片进一步对摩擦面进行破坏，造成严重磨损，这也是造成噪音大的一个主要原因。另外由于鳞片石墨平行于摩擦面分布，导致鳞片石墨高导热的性能得不到发挥，甚至会降低，严重影响材料的导热和耐热性。

发明内容

针对以上技术问题，本发明提供一种高导热半金属刹车片，通过加压工艺的改进，设计出一种区别于常规加压方法(图1)的新压制方法(图2)，如图2(a)所示，本发明的新压制方法为左右水平双向加压，区别于常规加压的上压(垂直单项压制)方法。经新压制方法压制成型的坯料按相同的石墨排列方式相互叠加，然后由背板连接到一起，组成一片完整的刹车片(摩擦体中石墨长度方向垂直于背板)，此刹车片是一种鳞片石墨垂直于摩擦面分布(垂直于压制方向)，具有石墨取向性的刹车片，如图2(b)所示。此种刹车片不仅降低刹车片本身和对偶的磨损率，还能够使刹车片的导热系数提高2～3倍，甚至更高，大大提高材料的耐热性，这将会引领刹车片研究领域的历史性变革。

一种高导热半金属刹车片的制备方法，其特征是：通过垂直于摩擦面方向双向压制的办法，实现具有导热系数各项异性的碳材料垂直于摩擦面方向取向分布。

如上所述一种高导热半金属刹车片的制备方法具体制备步骤为：刹车片原料组成为：10～15wt％硫酸钡Φ100μm、5～10wt％钛酸钾100μm、5～10wt％氟化钙75μm、1～10wt％三硫化二锑75μm，15～20wt％具有导热系数各项异性的碳材料300μm、25～35wt％钢纤维0.5mm和10～20wt％丁腈改性酚醛树脂100μm；

将上述各组分按比例配料并在混料机中混合均匀，在150～170℃和32～38MPa下热压成型，压制方式区别于常规加压的上压(垂直单项压制)方法，采用左右水平双向加压，压制方向与摩擦面方向平行，如图2(a)所示。压制成型的坯料按相同的石墨排列方式相互叠加，然后由背板连接到一起，组成一片完整的刹车片，得到鳞片石墨与摩擦面垂直取向排列的刹车片半成品，如图2(b)所示。之后经160～220℃热处理10～15h，得到高导热半金属刹车片成品。

材料中添加的鳞具有导热系数各项异性的碳材料为鳞片石墨、石墨短纤维或碳纳米管等。

本发明的优点

1.打破常规半金属刹车片的热压工艺，采用平行于摩擦面方向双向加压的工艺。提高沿摩擦面方向的剪切强度，提高耐磨性。

2.鳞片石墨按垂直于摩擦面的方向排列可使材料的导热性提高2～3倍，甚至更高。由于鳞片石墨垂直于摩擦面的方向排列与基体结合牢固，不易脱落，鳞片石墨的耐热性可有效保证刹车片材料的耐热性。