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一种高耐磨高导热刹车片的制备方法

阅读：597发布：2021-02-27

IPRDB可以提供一种高耐磨高导热刹车片的制备方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明属于耐磨材料技术领域，具体公开了一种高耐磨高导热刹车片，包括基底钢板，基底钢板上设有摩擦块，摩擦块包括与基底钢板相接的基底层，基底层上设有钻石烯摩擦层；钻石烯摩擦层由层片状单晶结构的纳米钻石烯制成；纳米钻石烯同一片层的碳原子之间为sp3轨道杂化碳键连接，层与层之间的碳原子之间为sp2杂化碳键连接；纳米钻石烯的晶格间距为0.21nm；纳米钻石烯的平均粒径为R，20≤R≤500nm；纳米钻石烯的C含量为99～100%。本发明耐磨性高、导热良好且硬度高。，下面是一种高耐磨高导热刹车片的制备方法专利的具体信息内容。

1.高耐磨高导热刹车片的制备方法，其特征在于：1）选取平均粒径分别为（10-20）nm、（100-250）nm、（350-500）nm的三种纳米钻石烯，重量比为（1-2）:（3-4）:（4-5），混匀；2）加入与步骤1）混匀后的纳米钻石烯的重量比为6%的硅酸钠水溶液，搅拌30-60min；3）压模成型后放入烘箱进行阶梯式烘烤，制得纳米钻石烯摩擦层；4）将纳米钻石烯摩擦层粘接在基底层上，形成摩擦块，再将摩擦块粘接在基底钢板上，制得成品；纳米钻石烯摩擦层由层片状单晶结构的纳米钻石烯制成；纳米钻石烯同一片层的碳原子之间为sp3轨道杂化碳键连接，层与层之间的碳原子之间为sp2杂化碳键连接；纳米钻石烯的晶格间距为0.21nm；纳米钻石烯的平均粒径为R，20≤R≤500nm；纳米钻石烯的C含量为99～100%。

2.如权利要求1所述的高耐磨高导热刹车片的制备方法，其特征在于：步骤3）中阶梯式烘烤步骤如下：a、从常温升温到60℃，保温30min；b、从60℃升温到80℃，保温30min；c、从80℃升温到120℃，保温60min；d、从120℃升温到180℃，保温200min，降温到常温，完成烘烤工艺；上述步骤中升温速率为2℃/min。

说明书全文

一种高耐磨高导热刹车片的 制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于耐磨材料技术领域，涉及一种刹车片，特别涉及一种高耐磨高导热刹车片及制备方法。

背景技术

[0002] 在汽车、电动车等的刹车系统中，刹车片是最为关键的安全零件，同时刹车片也是最易磨损的零件之一，刹车片的好坏对刹车效果起着决定性的作用，可以说是刹车片是车和人的“保护神”。刹车片结构一般由钢板、粘接隔热层和摩擦块等构成，如图1所示，其中摩擦块是由摩擦材料和粘接剂构成，刹车时刹车片被挤压到刹车盘或刹车鼓上产生摩擦，从而达到车辆减速的目的。由于摩擦作用，摩擦块会逐渐被磨损，降低了刹车片的摩擦系数，刹车片的摩擦系数决定了车辆制动力的大小，刹车片的摩擦系数降低会导致车辆制动力的下降，增加了车辆的制动距离，对人身安全构成了一定的威胁。汽车刹车时刹车片会与刹车盘或刹车鼓产生很大的摩擦，摩擦会产生一定的热量，目前市面上刹车片摩擦块一般都是导热率较差材料构成，如果这些热量不及时散去，就会在刹车片上聚集，使得刹车片变软，大大降低了刹车片的制动性能，要想达到同样的制动效果，必须多次刹车，这样就产生了更多了热量，当刹车片达到一定温度时就会导致制动失灵，极大地威胁到车上人员的人生安全。同时刹车片上的热量也会传递到制动钳及其组件和刹车油上，会加速制动钳组件的老化以及使得刹车油沸腾，降低了制动效果。

发明内容

[0003] 本发明的目的是提供一种耐磨性高、导热良好且硬度高的高耐磨高导热刹车片及制备方法。
[0004] 为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种高耐磨高导热刹车片，包括基底钢板，基底钢板上设有摩擦块，摩擦块包括与基底钢板相接的基底层，基底层上设有钻石烯摩擦层；钻石烯摩擦层由层片状单晶结构的纳米钻石烯制成；纳米钻石烯同一片层的碳原子之间为sp3轨道杂化碳键连接，层与层之间的碳原子之间为sp2杂化碳键连接；纳米钻石烯的晶格间距为0.21nm；纳米钻石烯的平均粒径为R，20≤R≤500nm；纳米钻石烯的C含量为99～100%。
[0005] 进一步地，钻石烯摩擦层由平均粒径为（10-20）nm、（100-250）nm、（350-500）nm的三种纳米钻石烯制成且三种纳米钻石烯的重量比为（1-2）:（3-4）:（4-5）。
[0006] 进一步地，钻石烯摩擦层的厚度为2-4cm。
[0007] 高耐磨高导热刹车片的制备方法： 1）选取平均粒径分别为（10-20）nm、（100-250）nm、（350-500）nm的三种纳米钻石烯，重量比为（1-2）:（3-4）:（4-5），混匀；2）加入与步骤1）混匀后的纳米钻石烯的重量比为6%的硅酸钠水溶液，搅拌30-60min；3）压模成型后放入烘箱进行阶梯式烘烤，制得钻石烯摩擦层；4）将钻石烯摩擦层粘接在基底层上，形成摩擦块，再将摩擦块粘接在基底钢板上，制得成品。
[0008] 进一步地，步骤3）中阶梯式烘烤步骤如下：a、从常温升温到60℃，保温30min；b、从60℃升温到80℃，保温30min；c、从80℃升温到120℃，保温60min；d、从120℃升温到180℃，保温200min，降温到常温，完成烘烤工艺；上述步骤中升温速率为2℃/min。
[0009] 纳米钻石烯的制备工艺，包括以下步骤：
[0010] 酸洗提纯：将金刚石原料粉碎成8000目以上的细粉，依次采用浓硫酸与浓硝酸混合液、稀盐酸、氢氟酸对该细粉酸洗，然后使用去离子水清洗至清洗液pH接近于7；分选：将清洗后的物料进行离心分离，取上层液体进行1-5天沉淀分选，去除上层清液，将下层沉淀物干燥后即得成品纳米钻石烯。
[0011] 酸洗步骤前进行球磨整形和气流破碎，先将金刚石原料球磨整形并筛分出800目以上的细料；再将该细料输送至气流破碎机内粉碎并筛分出8000目以上的细粉。
[0012] 在球磨整形步骤，金刚石经球磨整形桶的筛网筛出70目以上的颗粒，破碎时间为1-5h；该颗粒经多级振筛机筛分出800目以上的细料，振筛时间为30min-2h；在球磨整形步骤，筛分出的800目以上的细料重复过筛一次以上；在球磨整形步骤，70目以下的粗料返回球磨整形桶进行重新破碎；筛余物返回气流破碎机进行重新破碎；分选步骤中，离心时间为
30min-2h，转速为8000rpm-15000rpm；浓硫酸与浓硝酸混合液由质量分数为98%浓硫酸和质量分数为10%浓硝酸按照质量比为5:1混合而成；采用上述方法制备的纳米钻石烯，为层片状单晶结构，同一片层的碳原子之间为sp3轨道杂化碳键连接，层与层之间的碳原子之间为sp2杂化碳键连接；粒度为20-500nm，C含量为99～100%，晶格间距为0.21nm。
[0013] 与现有技术相比，本发明的有益效果如下：选用大小不同且不同比例的钻石烯的目的就是使得钻石烯摩擦层致密，摩擦效果好；钻石烯为金刚石构成的超硬纳米材料，其具有硬度高、耐磨性高、导热性高的优点，钻石烯作为汽车刹车片的摩擦层具有耐磨性高、散热性高的特点，钻石烯的散热率为已知材料中的最高，在与刹车盘或刹车鼓的摩擦产生的热量很快就会发散到周围的空气中，使得热量无法在刹车片上聚集，同时具有耐磨性高的优点，提高了汽车刹车片的摩擦系数，提高了汽车的制动性能，提高了刹车片的使用寿命，同时与半金属型刹车片相比，噪音明显降低，由于摩擦层中没有金属，对刹车盘的磨损也大大降低。

附图说明

[0014] 图1是本发明中实施例1的结构示意图；
[0015] 图2是纳米钻石烯的XRD谱图；
[0016] 图3是纳米钻石烯的TEM分析图；
[0017] 图4是纳米钻石烯的MAS-NMR谱图；
[0018] 图5是纳米钻石烯的原子轨道示意图；
[0019] 图6是纳米钻石烯的Raman光谱；
[0020] 图7是摩擦系数稳定性试验中试验1组的2效、3效效能试验曲线图；
[0021] 图8是摩擦系数稳定性试验中试验2组的2效、3效效能试验曲线图。

具体实施方式

[0022] 实施例1
[0023] 一种高耐磨高导热刹车片，如图1所示，包括基底钢板1，基底钢板1上设有摩擦块，摩擦块包括与基底钢板1相接的基底层2，基底层2上设有钻石烯摩擦层3；钻石烯摩擦层3由层片状单晶结构的纳米钻石烯制成；纳米钻石烯同一片层的碳原子之间为sp3轨道杂化碳键连接，层与层之间的碳原子之间为sp2杂化碳键连接；纳米钻石烯的晶格间距为0.21nm；纳米钻石烯的C含量为99～100%。钻石烯摩擦层3由平均粒径为20nm、200nm、500nm的三种纳米钻石烯制成且三种纳米钻石烯的重量比为2:3:5。钻石烯摩擦层3的厚度为2cm。
[0024] 实施例2
[0025] 一种高耐磨高导热刹车片，包括基底钢板，基底钢板上设有摩擦块，摩擦块包括与基底钢板相接的基底层，基底层上设有钻石烯摩擦层；钻石烯摩擦层由层片状单晶结构的纳米钻石烯制成；纳米钻石烯同一片层的碳原子之间为sp3轨道杂化碳键连接，层与层之间的碳原子之间为sp2杂化碳键连接；纳米钻石烯的晶格间距为0.21nm；纳米钻石烯的C含量为99～100%。钻石烯摩擦层由平均粒径为10nm、100nm、400nm的三种纳米钻石烯制成且三种纳米钻石烯的重量比为2:4:4。钻石烯摩擦层的厚度为4cm。
[0026] 实施例3
[0027] 一种高耐磨高导热刹车片，包括基底钢板，基底钢板上设有摩擦块，摩擦块包括与基底钢板相接的基底层，基底层上设有钻石烯摩擦层；钻石烯摩擦层由层片状单晶结构的纳米钻石烯制成；纳米钻石烯同一片层的碳原子之间为sp3轨道杂化碳键连接，层与层之间的碳原子之间为sp2杂化碳键连接；纳米钻石烯的晶格间距为0.21nm；纳米钻石烯的C含量为99～100%。钻石烯摩擦层由平均粒径为20nm、250nm、350nm的三种纳米钻石烯制成且三种纳米钻石烯的重量比为1:3:4。钻石烯摩擦层的厚度为3cm。
[0028] 实施例4
[0029] 高耐磨高导热刹车片的制备方法： 1）选取平均粒径分别为20nm、200nm、500nm的三种纳米钻石烯，重量比为2:3:5，混匀；2）加入与步骤1）混匀后的纳米钻石烯的重量比为6%的硅酸钠水溶液，搅拌60min；3）压模成型后放入烘箱进行阶梯式烘烤，制得钻石烯摩擦层；4）将钻石烯摩擦层粘接在基底层上，形成摩擦块，再将摩擦块粘接在基底钢板上，制得成品。步骤3）中阶梯式烘烤最高温度为180℃，阶梯式烘烤步骤如下：a、从常温升温到60℃，保温30min；b、从60℃升温到80℃，保温30min；c、从80℃升温到120℃，保温60min；d、从120℃升温到180℃，保温200min，降温到常温，完成烘烤工艺；上述步骤中升温速率为2℃/min。
[0030] 实施例5
[0031] 高耐磨高导热刹车片的制备方法： 1）选取平均粒径分别为10nm、100nm、350nm的三种纳米钻石烯，重量比为2:4:4，混匀；2）加入与步骤1）混匀后的纳米钻石烯的重量比为6%的硅酸钠水溶液，搅拌30min；3）压模成型后放入烘箱进行阶梯式烘烤，制得钻石烯摩擦层；4）将钻石烯摩擦层粘接在基底层上，形成摩擦块，再将摩擦块粘接在基底钢板上，制得成品。步骤3）中阶梯式烘烤步骤如下：a、从常温升温到60℃，保温30min；b、从60℃升温到80℃，保温30min；c、从80℃升温到120℃，保温60min；d、从120℃升温到180℃，保温200min，降温到常温，完成烘烤工艺；上述步骤中升温速率为2℃/min。
[0032] 本发明的性能测试如下：
[0033] 对比目前市场上两种类型的汽车刹车片，半金属类汽车制动片和树脂类汽车制动片两种。从散热性、对刹车盘的磨损程度来说，半金属类汽车制动片对刹车盘的磨损很大，刹车盘很容易被磨损，但是散热性较树脂类汽车制动片强，制动片上热量不容易聚集，容易发散，树脂类汽车制动片对刹车盘的磨损很小，但是散热性差，在刹车过程中产生的热量无法及时发散出去，造成刹车片温度升高，使得刹车片制动性能急剧降低，需要连续长时间的制动，带来极大地安全隐患。纳米钻石烯具有耐磨，热发散性高的优点，且为非金属，可大大延长汽车刹车片的使用寿命，而且在刹车过程中产生的热量也很容易发散出去，不会造成大量的热量聚留在刹车片上，造成刹车片制动性能降低，同时，在刹车过程中，纳米钻石烯表面会有部分纳米钻石烯转化成石墨，石墨是很好的润滑剂，在保持了较强的摩擦系数的同时，还可以减缓对刹车盘的磨损，延长了整套刹车装置的使用寿命。
[0034] 摩擦磨损测试根据GB5763-1998在JF150D型定速摩擦试验机上进行，采用盘-块接触形式，对偶件为Φ300mm的圆盘，材质为灰铸铁。选用实施例1的刹车片为试验1组，市售普通刹车片为试验2组，试样尺寸为25mm×25mm×6mm，25mm×25mm面作为摩擦面。试验条件为：圆盘转速为480r/min，压紧力为0.98MPa，总转数为5000 r，测试温度分别为100℃、150℃、200℃、250℃、300℃、350℃，试验前后采用精度为0.01mm的螺旋测微器测量制动片的厚度，取其算术平均值计算磨损率。
[0035] 表1刹车片磨损性能测试表
[0036]
[0037] 从上表中可以看出，无论是摩擦系数的稳定性还是材料的磨损率，试验1组均优于试验2组。从200℃到350℃的升温过程中，试验2组产生了较大的热衰退，摩擦系数由200℃的0.44降低到350℃的0.34，下降幅度到22.7%，而试验1组即实施例1的刹车片则由于散热性好而摩擦系数较为稳定，而磨损率在不同温度条件下均优于普通市售刹车片，由于纳米钻石烯耐磨性高，大幅地提高了汽车刹车片的耐磨性能。
[0038] 根据汽车行业标准QC/T 564-2008在JF122制动惯性台架实验机上进行1:1台架实验，速度分别取50、100、130km/h，制动管路压力为2、4、6、8、10MPa，以考察刹车片在不同速度、不同压力下的摩擦系数的稳定性，选用实施例2的刹车片作为试验1组，普通市售刹车片作为试验2组，两种刹车片的2效、3效试验曲线分别如图7、图8所示，从图中我们可以明显地看出，试验1组的刹车片的效能曲线较试验2组的刹车片稳定，试验1组的刹车片摩擦系数的稳定性明显高于试验2组的刹车片，表现出良好的速度和压力的相关性。
[0039] 纳米钻石烯的性能测试如下：
[0040] （1）XRD分析
[0041] 图2是a:爆炸法纳米金刚石；b：本发明中纳米钻石烯；c：石墨；d：石墨烯的XRD谱图。
[0042] 由图2的XRD谱图可知，通过X射线粉末衍射仪(Cu Kα射线，管电压40Kv，管电流40mA，λ=1.54056Å)测试表明，本发明的纳米钻石烯在衍射角2θ=43.93°和75.3°可以看到非常明显地衍射峰，与典型的金刚石相(111)、(220)晶面相对应，可以证明本发明的新型纳米钻石烯是具有金刚石物相结构的碳纳米片，同时从XRD谱图上可以看出本发明的新型纳米钻石烯的衍射主峰(111晶面)的衍射强度远大于爆炸法合成的纳米金刚石，说明本发明的钻石烯结晶性远比爆炸法合成的纳米金刚石强。同时可以看出石墨烯和石墨在衍射角2θ=
26.4°可以看见明显地衍射峰，与典型的石墨烯和石墨(002)晶面对应，与本发明的新型纳米钻石烯出峰位置不同，这说明本发明的新型纳米钻石烯与石墨、石墨烯的物相构成是不同的，石墨、石墨烯的主衍射峰的出峰位置为26.4°，对应的晶面为(002)，这与本发明的钻石烯也是不同的。根据谢乐公式D= Kγ/(βcosθ)，K为常数，β为半高宽，本发明的钻石烯晶粒大小是爆炸法合成的纳米金刚石的5倍左右，这意味着本发明的钻石烯在碳原子结构上畸变很小，结晶性良好，因为晶粒越小越容易产生晶格畸变，这对于扩大纳米钻石烯的应用范围更为有利。
[0043] （2）TEM分析
[0044] 图3是a：爆炸法纳米金刚石；b：本发明的新型纳米钻石烯；c：石墨；d：石墨烯的TEM分析图。a1、b1、c1、d1分别为对应的a、b、c、d的局部放大图，a2、b2、c2、d2分别为对应的a、b、c、d的HRTEM图，a1、b1、c1、d1的左上角插图为对应的SAED图。
[0045] 由图3可以明显地看出本发明的纳米钻石烯的形貌区别于其它碳材料，而且是一种多层片状结构，从b1图左上角的SAED图我们可以看出，本发明的钻石烯是一种单晶结构，而爆炸法制备的纳米金刚石是团聚的颗粒组成的，且为多晶结构，石墨和石墨烯均为片状结构，这种片状结构与本发明的钻石烯不同，本发明的钻石烯的片长在200-500nm之间，石墨和石墨烯的片长在10μm以上，而且厚度也比石墨、石墨烯要厚。从SAED图我们也可以看出，虽然都呈现单晶电子衍射，但石墨和石墨烯的SAED图是典型的六角晶系的SAED图，不同于本发明制备的钻石烯，这说明本发明的钻石烯与石墨、石墨烯具有不同的晶体结构。
[0046] 从HRTEM图可以看出晶格间距均为0.21nm，与金刚石相(111)晶面晶格间距0.206nm接近，这说明这种片状结构的产物都是沿着(111)晶面的，从图中我们还可以看出纳米钻石烯分散性远比爆炸法制备的纳米金刚石要好，且比表面积大，更加容易在表面上吸附其它官能团，从而实现对金刚石表面的功能化处理，扩大其应用范围。
[0047] （3）MAS NMR分析
[0048] 图4是a：本发明的纳米钻石烯、b：爆炸法纳米金刚石的MAS NMR分析。
[0049] 由图4可以看出本发明的纳米钻石烯为层状结构，爆炸法合成的纳米金刚石是由两种不同的碳C1和C2构成的，其中C1碳的出峰位置与本发明的钻石烯不同，这说明这两种纳米金刚石里面的碳原子排布存在着一定的差别。本发明的纳米钻石烯是具有sp3轨道杂化碳和sp2轨道杂化碳两种不同的碳结构，同一片层的碳原子之间为sp3轨道杂化碳键连接，层与层之间的碳原子之间为sp2杂化碳键连接，使层与层之间有许多电子空位，电子空位方3 2
便电子自由出入，其中，如图5所示，sp轨道杂化碳是立体结构的杂化碳，sp轨道杂化碳是平面结构的杂化碳这与爆炸法合成的纳米金刚石的碳结构是不同的。而石墨烯具有一种二维晶体结构，它的晶格是由六个碳原子组成的六边形，碳原子之间的结合方式是sp2轨道杂化，石墨是同层的六个碳原子组成的六边形，同层的碳原子之间的结合方式是sp2轨道杂化
2
形成化学键，而层与层之间是靠范德华力连接的，纳米管中的碳原子以sp 轨道杂化为主，同时还存在着一定的弯曲，可形成一定的sp3杂化键，即在同一弯曲面内形成的化学键同时具有sp2和sp3混合杂化状态，这些碳材料的碳原子排布均不同于本发明的纳米钻石烯。
[0050] （4）Raman光谱分析
[0051] 图6是纳米钻石烯的Raman光谱图，（a）粒径250nm；（b）粒径200nm；（c）粒径100nm；（d）粒径50nm。
[0052] 从图6可以看出，合成的不同粒径的层状结构的钻石烯具有爆炸法合成的纳米金刚石类似的Raman光谱图，但是与其不同的是，随着样品粒径的变化，Raman光谱图也发生着规律性的变化，其两个主峰D峰和G峰的强度逐渐在减弱，这主要是由于样品本身的结构发生了改变，sp2碳和sp3碳两种碳原子构成了一种特殊的二聚体结构，随着样品粒径的变化，这种特殊的二聚体结构含量逐渐增大导致两个主衍射峰强度逐渐减弱。
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