CN102031088A

CN102031088A - 无机-有机复合摩擦材料及其制备方法

Info

Publication number: CN102031088A
Application number: CN2010105804152A
Authority: CN
Inventors: 丁庆军; 凡玉; 赵淳生
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2010-12-09
Filing date: 2010-12-09
Publication date: 2011-04-27
Anticipated expiration: 2030-12-09
Also published as: CN102031088B

Abstract

本发明涉及一种无机-有机复合摩擦材料及其制备方法，属复合材料领域。该摩擦材料由：液体无机盐或者氧化物、固化剂、有机高分子和其他填料组成。制备方法为：将原料按比例混合均匀，浇铸成型或者涂覆在表面上，并在一定控温程序下烘干、固化、热处理。本发明的摩擦材料以无机物为骨架结构，具有较高的力学性能、化学稳定性和较宽的适用温度范围，填充有机高分子材料改善其脆性，并且在摩擦界面生成转移膜，降低自身和对偶面的磨损，具有优良的耐磨性，是一种综合性能优良的摩擦材料，而且制备工艺简单。

Description

无机-有机复合摩擦材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种无机-有机复合摩擦材料及其制备方法，属于复合材料领域。

背景技术

随着高新技术的不断发展,工程机械、设备及构件的工作条件变得日益苛刻,一般的材料没有足够的机械强度与耐磨性,在受到长时间振动冲击与机械摩擦作用后,会很快磨损,乃至失效。

而随着科学技术的发展，对于摩擦材料的需求也呈现出多元化，目前使用的摩擦材料主要有三类：树脂基、金属基、陶瓷基。有机树脂基摩擦材料被广泛使用在防腐和耐磨涂层，有机树脂基摩擦材料中基体是有机高分子，材料弹性模量较小，耐高低温性能较差，所以在较高的环境温度或者摩擦生热后，摩擦材料会软化、变形，低温下材料变脆，易发生大面积损伤，材料性能也会发生较大的变化。同时，老化问题也制约着其使用寿命。

耐磨陶瓷涂层则由于兼有良好的抗腐蚀作用与优异的机械耐磨性能,已成功地应用于复杂的动态工作环境中,但是耐磨陶瓷涂层对摩擦对偶面的磨损伤害相对较大，而且耐磨陶瓷涂层的制备工艺相对复杂、成本高，如可制备耐磨陶瓷涂层的方法有热喷涂、物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)等。

金属基摩擦材料虽然具有较高的力学性能和耐高温性能，但是其耐磨性则不能满足要求，摩擦噪音也较大。

发明内容

本发明的目的在于，克服现有技术的不足，提供一种具有优良的耐磨性、耐高低温性能和力学性能的无机-有机复合摩擦材料及其制备方法。

一种无机-有机复合摩擦材料，其特征在于：由以下成分按以下质量百分比组成：基料：胶体氧化铝或硅酸盐溶液或磷酸盐溶液，固体含量为40wt%～95wt%；固化剂：根据基料和固化剂的化学反应摩尔比确定其含量，范围为0wt%～40wt%;主要功能填料：有机高分子，含量为5wt%～40wt%；其他填料：0wt%～1wt%偶联剂、0wt%～10wt%增强纤维、0wt%～10wt%减摩剂。

根据权利要求1所述的无机-有机复合摩擦材料，其特征在于：

上述无机-有机复合摩擦材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、将下列原料按质量比例混合，搅拌均匀：基料：胶体氧化铝或硅酸盐溶液或磷酸盐溶液，固体含量为40wt%～95wt%；固化剂：0wt%～30wt%;主要功能填料：有机高分子，含量为5wt%～40wt%；其他填料：0wt%～1wt%偶联剂、0wt%～10wt%增强纤维、0wt%～10wt%减摩剂；步骤二、将配好的材料浇铸在模具内，或者涂覆在表面；步骤三、室温下陈化，加热脱水，然后保温固化、热处理。

第一种：一种氧化铝类复合摩擦材料一般以胶体氧化铝为基料,无需固化剂，直接加入填料配制而成。其质量百分比为：胶体氧化铝60wt%～95wt%，主要功能填料：有机高分子，含量为5wt%～40wt%；其他填料：0wt%～1wt%偶联剂、0wt%～10wt%增强纤维、0wt%～10wt%减摩剂。

上述氧化铝类复合摩擦材料的制备方法包括以下过程：（1）、将组成成分的原料按质量比例混合，搅拌均匀；（2）、将配好的材料浇铸在模具内，或者涂覆在表面；（3）、根据基料和固化剂的类型以及材料厚度不同，室温下陈化8～20小时，在80～100℃加热脱水1～2小时，然后在120～200℃保温固化2～4小时，再根据所填充高分子材料的种类不同，高于其熔点10～30℃热处理10～100分钟。

第二种：一种硅酸盐类复合摩擦材料以碱金属硅酸盐为基料,加入固化剂和填料等配制而成。其质量百分比为：碱金属硅酸盐40wt%～75wt%；固化剂是金属氧化物或金属氢氧化物或硅化物或硅氧化物或磷酸盐或硼酸盐，含量20wt%～40wt%，主要功能填料：有机高分子，含量为5wt%～40wt%；其他填料：0wt%～1wt%偶联剂、0wt%～10wt%增强纤维、0wt%～10wt%减摩剂。

上述硅酸盐类复合摩擦材料的制备方法包括以下过程：（1）、将组成成分的原料按质量比例混合，搅拌均匀；（2）、将配好的材料浇铸在模具内，或者涂覆在表面；（3）、根据基料和固化剂的类型以及材料厚度不同，室温下陈化4～40小时，在100～140℃加热脱水4～12小时，然后在120～200℃保温固化1～4小时，再根据所填充高分子材料的种类不同，高于其熔点10～30℃热处理10～100分钟。

第三种：一种磷酸盐类复合摩擦材料是由酸式磷酸盐或偏磷酸盐或焦磷酸盐为基料，加入固化剂和填料等配制而成。固化剂为金属氧化物或金属氢氧化物或硅酸盐或硼酸盐。其质量百分比为：磷酸盐40wt%～70wt%；固化剂含量20wt%～40wt%，主要功能填料：有机高分子，含量为5wt%～40wt%；其他填料：0wt%～1wt%偶联剂、0wt%～10wt%增强纤维、0wt%～10wt%减摩剂。

上述磷酸盐类复合摩擦材料的制备方法包括以下过程（1）、将组成成分的原料按质量比例混合，搅拌均匀；（2）、将配好的材料浇铸在模具内，或者涂覆在表面；（3）、根据基料和固化剂的类型以及材料厚度不同，室温下陈化4～40小时，在100～140℃保温4～12小时，再根据所填充高分子材料的种类不同，高于其熔点10～30℃热处理10～100分钟。

本发明的摩擦材料的基料是液体无机盐或者氧化物，它是无机盐、无机酸、无机碱金属和金属氧化物、氢氧化物等组成的一类范围相当广泛的能够在较低温度下固化的无机物，主要包括：硅酸盐溶液或磷酸盐溶液或胶体氧化铝，耐高温，强度高，耐久性优良，价格低廉，而且无污染,施工方便。然而纯该类无机物性脆、耐磨性能不够。

添加有机树脂改性，在一定程度上提高材料的韧性。根据实际需求，还可以添加聚四氟乙烯、二硫化钼、石墨、碳纤维、玻璃纤维等提高耐磨性能和韧性。

以固化脱水后的无机物作为材料的骨架结构，使得摩擦材料获得较高的力学性能和耐高低温性能，而有机高分子材料的加入提高了摩擦材料的耐磨性和韧性，偶联剂则提高不同组分之间的界面粘合力，其他功能填料用来提高耐磨性、抗冲击强度等性能，得到一种具有综合性能良好的摩擦材料，而且与传统的以有机高分子为基体，添加无机填料的摩擦材料性比较，具有更好的力学性能和耐高低温性能。如65wt%胶体氧化铝、20%的环氧酚醛树脂和15%其他填料能够形成互穿网络结构，大大有利于获得较高的弹性模量、抗冲击强度，其他功能填料则辅助提高耐磨性能。

总的来说，本发明的摩擦材料具有较高的力学性能、、良好的化学稳定性、热稳定性和耐磨损等特点。其中，关键在于无机物作为骨架结构可以获得较好的力学性能和热稳定性，添加高分子树脂后，改善了材料的韧性，提高了材料的耐磨性，是一种综合性能优良的摩擦材料，而且制备工艺简单。

具体实施方式

具体实施方式1：一种无机-有机复合摩擦材料，其组成和质量百分比：胶体氧化铝75wt%（固含量）、有机高分子聚苯酯粉末20wt%、硅烷偶联剂0.2wt%和减摩剂石墨4.8wt%。

利用上述配比制备摩擦材料，包括以下步骤：

（1）、将组成成分的原料按质量比例混合，搅拌均匀；

（2）、将混合好的料涂覆在作业表面或者装入模具内，室温下陈化16小时以上；

（3）、在90℃下保温一个小时后升温至150℃，保温一个小时，再升温至400℃左右保温10-30分钟，冷却，打磨、加工成所需的表面或形状。

具体实施方式2：一种无机-有机复合摩擦材料，其组成和质量百分比：胶体氧化铝60wt%（固含量）、聚苯酯粉末30wt%、硅烷偶联剂0.2wt%和石墨9.8wt%。

利用上述配比制备摩擦材料，包括以下步骤：

（1）、将组成成分的原料按质量比例混合，搅拌均匀；

（3）、在90℃下保温一个小时后升温至150℃，保温一个小时，再升温至400℃左右保温10-30分钟，打磨、加工成所需的表面或形状。

具体实施方式3：一种无机-有机复合摩擦材料，其组成和质量百分比：胶体氧化铝95wt%（固含量）、聚苯酯粉末4.8wt%和硅烷偶联剂0.2wt%。

利用上述配比制备摩擦材料，包括以下步骤：

（1）、将组成成分的原料按质量比例混合，搅拌均匀；

具体实施方式4：一种无机-有机复合摩擦材料，其组成和质量百分比：磷酸二氢铝60wt%（固含量）、碳纤维15wt%、聚苯酯15wt%、纳米氧化铝5wt%、硅烷偶联剂0.2wt%和石墨4.8wt%。

利用上述配比制备摩擦材料，包括以下步骤：

（1）、将组成成分的原料按质量比例混合，搅拌均匀；

（2）、将混合好的料涂覆在作业表面或者装入模具内，室温下陈化4小时以上；

（3）、在120℃下保温8个小时，然后升温至150℃，保温一个小时，再升温至400℃左右保温10-30分钟，打磨、加工成所需的表面或形状。

具体实施方式5：一种无机-有机复合摩擦材料，其组成和质量百分比：磷酸二氢铝溶液95wt%（固含量）、聚己二酰己二胺4.8wt%和硅烷偶联剂0.2wt%。

利用上述配比制备摩擦材料，包括以下步骤：

（1）、将组成成分的原料按质量比例混合，搅拌均匀；

（3）、在120℃下保温8个小时，然后升温至150℃，保温一个小时，再升温至220℃左右保温20-30分钟，打磨、加工成所需的表面或形状。

具体实施方式6：一种无机-有机复合摩擦材料，其组成和质量百分比：硅酸钠溶液60wt%（固含量）、氧化铝胶体15wt%（固化剂）、聚己二酰己二胺10wt%、碳纤维10wt%、硅烷偶联剂0.2wt%和石墨4.8wt%。

利用上述配比制备摩擦材料，包括以下步骤：

（1）、将组成成分的原料末按质量比例混合，搅拌均匀；

（2）、将混合好的料涂覆在作业表面或者装入模具内，室温下陈化8小时以上；

（3）、在120℃下保温8个小时，再升温至220℃左右保温20-30分钟，打磨、加工成所需的表面或形状打磨、加工成所需的表面或形状。

具体实施方式7：一种无机-有机复合摩擦材料，其组成和质量百分比：硅酸钠溶液78wt%（固含量）、氧化铝胶体17wt%（固化剂）和聚苯酯5wt%。

利用上述配比制备摩擦材料，包括以下步骤：

（1）、将组成成分的原料按质量比例混合，搅拌均匀；

（3）、在120℃下保温8个小时后升温至400℃左右，保温30分钟，打磨、加工成所需的表面或形状。

具体实施方式8：一种无机-有机复合摩擦材料，其组成和质量百分比：胶体氧化铝50wt%（固含量）、聚苯酯粉末25wt%、碳纤维20wt%、硅烷偶联剂0.2wt%和石墨4.8wt%。

利用上述配比制备摩擦材料，包括以下步骤：

（1）、将组成成分的原料按质量比例混合，搅拌均匀；

利用WDW-5000N微机控制电子万能试验机测试摩擦材料弹性模量，在WMM-W1-立式万能摩擦实验机上测试摩擦系数和磨损量，对磨材料为GCr15，摩擦材料的适用温度是根据无机材料基体的材料参数和所填充的有机高分子的玻璃化转变和熔点计算而得。

具体实施方式摩擦材料性能表

	弹性模量	摩擦系数	适用温度	磨损量mm³/m
					实施方式一材料	4.1 GPa	0.35	-150～260℃	2.4×10^-4
实施方式二材料	3.4 GPa	0.33	-150～300℃	1.3×10^-3
					实施方式三材料	5.7 GPa	0.39	-150～300℃	1.5×10^-3
实施方式四材料	3.4 GPa	0.31	-150～300℃	0.9×10^-3
					实施方式五材料	4.3 GPa	0.34	-150～180℃	0.8×10^-3

实施方式六材料	3.8 GPa	0.33	-150～180℃	1.0×10^-3
					实施方式七材料	4.7 GPa	0.37	-150～300℃	0.9×10^-3
实施方式八材料	1.9 GPa	0.28	-150～300℃	1.5×10^-1

从具体实施方式摩擦材料的性能表可以看出，本发明制备的摩擦材料综合性能良好，其中，实施方式1含量组合比较适中，磨损量最低，实施方式8中无机物含量（含固化剂）低于60%，性能比较差。综合考察，本发明的摩擦材料弹性模量较树脂基摩擦材料高一个数量级，较陶瓷基摩擦材料低一至两个数量级，摩擦系数、磨损量和树脂基摩擦材料相当，较陶瓷基摩擦材料高两个数量级以上；适用温度较陶瓷基摩擦材料要窄，较树脂基摩擦材料宽，同时可以调整添加有机高分子的种类获得所需的适用温度，并且温度稳定性好。

Claims

1.一种无机-有机复合摩擦材料，其特征在于：由以下成分按以下质量百分比组成：

基料：胶体氧化铝或硅酸盐溶液或磷酸盐溶液，固体含量为40wt%～95wt%；根据基料和固化剂的化学反应摩尔比确定其含量，固化剂含量范围为：0wt%～30wt%;

主要功能填料：有机高分子，含量为5wt%～40wt%；

其他填料：0wt%～1wt%偶联剂、0wt%～10wt%增强纤维、0wt%～10wt%减摩剂。

2. 根据权利要求1所述的无机-有机复合摩擦材料，其特征在于：

上述基料为胶体氧化铝，其固体含量为60wt%～95wt%；

上述固化剂，其含量为0。

3. 根据权利要求1所述的无机-有机复合摩擦材料，其特征在于：

上述基料为碱金属硅酸盐，其固体含量为40wt%～75wt%；

上述固化剂为金属氧化物或金属氢氧化物或硅化物或硅氧化物或磷酸盐或硼酸盐，含量为20wt%～40wt%。

4. 根据权利要求1所述的无机-有机复合摩擦材料，其特征在于：

上述基料为酸式磷酸盐或偏磷酸盐或焦磷酸盐，其固体含量为40wt%～70wt%；

上述固化剂为20wt%～40wt%。

5. 一种无机-有机复合摩擦材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、将下列原料按质量比例混合，搅拌均匀：

基料：胶体氧化铝或硅酸盐溶液或磷酸盐溶液，固体含量为40wt%～95wt%；

固化剂：0wt%～30wt%;

主要功能填料：有机高分子，含量为5wt%～40wt%；

其他填料：0wt%～1wt%偶联剂、0wt%～10wt%增强纤维、0wt%～10wt%减摩剂；

步骤二、将配好的材料浇铸在模具内，或者涂覆在表面；

步骤三、室温下陈化，加热脱水，然后保温固化、热处理。

6. 根据权利要求5所述的无机-有机复合摩擦材料的制备方法，其特征在于：

上述基料为胶体氧化铝，其固体含量为60wt%～95wt%；

上述固化剂，其含量为0；

上述步骤三具体过程如下：室温下陈化8～20小时，根据材料厚度不同，在80～100℃加热脱水1～2小时，然后在120～200℃保温固化2～4小时，再根据所填充高分子材料的种类不同，高于其熔点10～30℃热处理10～100分钟。

7. 根据权利要求5所述的无机-有机复合摩擦材料的制备方法，其特征在于：

上述基料为碱金属硅酸盐，其固体含量为40wt%～75wt%；

上述固化剂为金属氧化物或金属氢氧化物或硅化物或硅氧化物或磷酸盐或硼酸盐，含量为20wt%～40wt%；

上述步骤三具体过程如下：室温下陈化4～40小时，根据材料厚度不同，在100～140℃加热脱水4～12小时，然后在120～200℃保温固化1～4小时，再根据所填充高分子材料的种类不同，高于其熔点10～30℃热处理10～100分钟。

8. 根据权利要求5所述的无机-有机复合摩擦材料的制备方法，其特征在于：

上述固化剂为20wt%～40wt%；

上述步骤三具体过程如下：室温下陈化4～40小时，根据材料厚度不同，在100～140℃保温4～12小时，再根据所填充高分子材料的种类不同，高于其熔点10～30℃热处理10～100分钟。