一种2.5维碳纤维机织预制体增强树脂基摩擦材料

摘要

本发明公开了一种2.5维碳纤维机织预制体增强树脂基摩擦材料，该摩擦材料采用2.5维碳纤维机织预制体作为增强结构，与基体树脂胶液复合固化而成；具体制备过程包括：碳纤维的前处理，2.5维碳纤维机织预制体的制备，基体树脂胶液的制备以及摩擦材料的制备。本发明摩擦材料中碳纤维经过前处理具有优异的强伸性和可织性；接结经纱贯通材料整个厚度方向形成三维立体结构，克服了脱层问题，增加了层间剪切强度，机械性能突出，使用寿命延长；同时本发明制备工艺简单，制品气孔率低、均匀致密、表面平整光洁、生产成本低廉、便于推广。

说明书

技术领域

本发明涉及材料科学和加工技术领域，尤其是涉及一种通过2.5维碳纤维机 织预制体与树脂材料复合、固化成型制备的摩擦材料。

背景技术

碳纤维增强树脂基摩擦材料制备工艺简单且具有良好的热稳定性能、机械性 能和优异的摩擦磨损性能，在汽车工业中已得到了广泛应用，具有广扩的发展 前景。近年来大量有关纤维混杂热压成型碳纤维树脂基摩擦材料的研究，表明 纤维杂乱热压的制备工艺使得摩擦材料存在结构整体性差、可设计性低、易分 层破坏的缺点，难以承受大的扭转力矩，在高转速、大压力等苛刻工况条件下 易失效的缺陷，仅应用于中低能载工况。随着车辆向高速重载方向发展，对传 动系统的安全性和稳定性提出了更高的要求，如何克服摩擦材料的上述缺陷成 为解决问题的关键。

2.5维机织结构即三维角联锁结构，包括三维正交，浅交弯联和深交联等多 种结构形式，作为三维织物结构的重要组成部分，其最大特点是部分经纱沿与 织物的厚度方向呈一定角度的方向配置，克服了脱层问题，增加了层间剪切强 度，使得2.5维复合材料具有优异的结构可设计性、整体抗冲击性能和耐疲劳性 能；然而由于2.5维机织碳布在制造过程中较大的机械力和摩擦外力导致大量毛 羽产生，纤维损伤严重，又因为碳纤维的导电性强，大量毛羽飞散容易损坏机 械，造成无法预计的损失，这些问题无疑迟滞了2.5维碳纤维机织物的生产与应 用。如何增强碳纤维可织性，避免纤维毛羽和过度磨损的产生是2.5维碳纤维机 织技术得以推广的关键所在。

目前有关于碳纤维二维布增强树脂基复合材料的研究多采用手糊、预浸渍、 模压、层合等传统成型工艺，容易出现制品一次成型性差、表面粗糙、气孔率 高、浸渍复合不均匀等问题，严重影响了碳布复合材料的性能；层合工艺得到 的复合材料，层间剪切强度差、易分层破坏，且具有各向异性，成型工艺复杂。 由于2.5维碳纤维机织物具有多层三维立体网状结构，厚度较高，并且2.5维碳 纤维机织增强树脂基摩擦材料还包括了一定量的基体组分固体粉末，探索优化 适应的成型固化工艺是制备优质2.5维碳纤维机织增强树脂基摩擦材料的关键， 也为其他高厚度、多组分2.5维碳纤维机织物树脂基复合材料的制备提供参考。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本申请人提供一种2.5维碳纤维机织预制体 增强树脂基摩擦材料及其制备方法。本发明摩擦材料中碳纤维经过前处理具有 优异的强伸性和可织性；接结经纱贯通材料整个厚度方向形成三维立体结构， 克服了脱层问题，增加了层间剪切强度，机械性能突出，使用寿命延长；同时 本发明制备工艺简单，制品气孔率低、均匀致密、表面平整光洁、生产成本低 廉、便于推广。

本发明的技术方案如下：

一种2.5维碳纤维机织预制体增强树脂基摩擦材料，该摩擦材料采用2.5维 碳纤维机织预制体作为增强结构，与基体树脂胶液复合固化而成；具体制备过 程包括：碳纤维的前处理，2.5维碳纤维机织预制体的制备，基体树脂胶液的制 备以及摩擦材料的制备。

所述碳纤维的前处理方法为：在整浆联合样机上对碳纤维进行上浆处理；其 中，上浆剂为环氧树脂、酚醛树脂、聚酯、乙烯基酯、双马来酰亚胺中的一种 或几种；上浆剂用量在0.1％～8％；

所用碳纤维为聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维、黏胶基碳纤维或酚醛基碳 纤维的预氧丝或氧化长丝。所述碳纤维上浆前经过捻状加捻、解捻或无捻处理。

所述2.5维碳纤维机织预制体的制备方法为：在剑杆织机上将经纬纱交织成 平纹、斜纹、缎纹中的一种，接结纱沿厚度方向呈0°～90°贯穿各层，织成浅 交弯联、深交联或三维正交结构的碳纤维机织预制体；其中碳纤维体积含量为 15％～75％，纬纱层数为2～30层，碳纤维预制体密度为0.25～1.2g/cm³。

所述基体树脂胶液所含原料及各原料的重量份数为：粘结剂10～50份，增磨 剂5～30份，减磨剂5～30份，填料10～40份，添加剂5～20份；将各原料充分混 合，制备分散均匀且具有适宜流动性的基体树脂胶液，常温常压下所述基体树 脂胶液的粘度应在50～600Pa·s。

所述粘结剂为环氧树脂、酚醛树脂、聚酯树脂、乙烯基酯树脂中的一种或多 种，所述粘结剂常温下粘度为100～500Pa·s；所述增磨剂为氧化铝粉、氧化铁粉， 二硫化钼中的一种或多种；所述减磨剂为石墨、焦炭中的一种或多种；所述填 料为石粉、硫酸钡、黏土中的一种或多种；所述添加剂为紫铜粉、黄铜粉、铝 粉中的一种或多种。

所述摩擦材料的制备方法为：

(1)将2.5维碳纤维机织预制体放入模具中铺平，依次平铺剥离布、导流网， 然后将模具放入真空袋中，采用密封条封闭完好，预留一个抽气口和一个进胶 口；

(2)采用真空泵连接抽气口并将进胶口导管插入基体树脂胶液中，借助真 空袋与模具之间抽真空形成的负压或袋外施加压力，使基体树脂胶液与2.5维碳 纤维机织预制体复合后，置于温度为30～60℃，真空为-0.06～-0.09MPa的真空烘 箱中静置15～30min；

(3)将真空袋与模具转移至热压罐中50～70℃条件下保温0.5～6h，待胶液趋 于黏稠，热压罐加压升温，按照温度-压力-时间的双Y轴曲线进行固化；

(4)固化完成后自然冷却，脱模取料，对制得的毛坯样进行磨削、清洗得 到所述摩擦材料制品。

本发明有益的技术效果在于：

(1)本发明通过对碳纤维的表面上浆、捻状处理等措施，提升了碳纤维强 伸性和光洁度，在2.5维结构机织过程中，有效减少了碳纤维毛羽和损伤的产生， 同时提升纤维表面活性，增强与基体材料的界面结合力。

(2)本发明首次将2.5维碳纤维机织物增强技术应用于摩擦材料的制备，所 得的碳纤维增强树脂基摩擦材料形成三维立体结构，克服了脱层问题，增加了 层间剪切强度，机械性能突出，使用寿命延长，具有优异的结构整体性和可设 计性。

(3)本发明提出了高厚度、多组分的2.5维碳纤维机织预制体增强树脂基摩 擦材料的制备工艺，所提出的特殊真空袋倒模-热压罐成型复合固化方式，工艺 简单，制品气孔率低、均匀致密、表面平整光洁、生产成本低廉、便于推广； 此外，该工艺适用性强，为其他类型高厚度、多组分树脂基复合材料的制备提 供参考。

(4)本发明摩擦材料的基体树脂胶液由粘结剂、增磨剂、减磨剂、填料、 添加剂组合使用，其协同作用的发挥可有效改善材料的物理机械性能、调节摩 擦性能和降低成本。

(5)本发明中所用剑杆织机具有多棕眼，大动程，多开口的特点，可逐次 单根引纬织造，也可同时引入多根纬纱一次打纬。

附图说明

图1为本发明所用真空袋倒模-热压罐成型体系示意图；

其中，1、压缩气体入口；2、预制体；3、真空袋；4、热压罐；5、模板；6、 抽真管。

图2为实施例1所得浅交弯联碳纤维机织物增强酚醛树脂基摩擦材料样品。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明进行具体描述。

图1为本发明所用真空袋倒模-热压罐成型体系示意图，从图中可知，采用真 空袋密封模具-预制体，真空泵抽真空形成的负压或袋外压力，使得浸渍充分， 排除气泡，预制体紧贴模具；采用热压罐，按温度-压力-时间的双Y轴曲线进行 固化，使得制品表面平滑光洁。

实施例1

一种2.5维碳纤维机织预制体增强树脂基摩擦材料，该摩擦材料采用2.5维 碳纤维机织预制体作为增强结构，与基体树脂胶液复合固化而成；具体制备过 程包括：

(1)碳纤维的前处理，选用聚丙烯腈基氧化碳纤维长丝，捻状加捻，捻度 为3捻/cm，然后采用环氧树脂为上浆剂对碳纤维进行上浆处理，上浆剂用量为 碳纤维质量的0.5％；

(2)2.5维碳纤维机织预制体的制备，在剑杆织机上将经纬纱交织成平纹， 接结纱沿厚度方向呈45°贯穿各层，织成浅交弯联碳纤维机织预制体；其中碳 纤维体积含量为40％，纬纱层数为4层，碳纤维预制体密度为0.85g/cm³；

(3)基体树脂胶液的制备，所述基体树脂胶液所含原料及各原料的重量份 数为：热固性酚醛树脂粘结剂(室温下粘度100Pa·s)30份，氧化铝粉15份， 天然石墨10份，硫酸钡35份，紫铜粉10份；将各原料充分混合，制备分散均 匀且具有适宜流动性的基体树脂胶液，常温常压下所述基体树脂胶液的粘度为 400Pa·s；

(4)摩擦材料的制备，具体方法为：

①将2.5维碳纤维机织预制体放入模具中铺平，依次平铺剥离布、导流网， 然后将模具放入真空袋中，采用密封条封闭完好，预留一个抽气口和一个进胶 口；

②采用真空泵连接抽气口并将进胶口导管插入基体树脂胶液中，借助真空袋 与模具之间抽真空形成的负压或袋外施加压力，使基体树脂胶液与2.5维碳纤维 机织预制体复合后，置于温度为40℃，真空为-0.08MPa的真空烘箱中静置20min；

③将真空袋与模具转移至热压罐中50℃条件下保温2h，待胶液趋于黏稠， 热压罐加压升温，压力20MPa，升温速度10℃/h，按设定的温度-压力-时间的双 Y轴曲线，保压升温至180℃固化成型；

④固化完成后自然冷却，脱模取料，对制得的毛坯样进行磨削、清洗得到所 述摩擦材料制品样品，如图2所示。

实施例2

一种2.5维碳纤维机织预制体增强树脂基摩擦材料，该摩擦材料采用2.5维 碳纤维机织预制体作为增强结构，与基体树脂胶液复合固化而成；具体制备过 程包括：

(1)碳纤维的前处理，选用粘胶基氧化碳纤维长丝，捻状加捻，捻度为3捻 /cm，然后采用双马来酰亚胺为上浆剂对碳纤维进行上浆处理，上浆剂用量为碳 纤维质量的2％；

(2)2.5维碳纤维机织预制体的制备，在剑杆织机上将经纬纱交织成斜纹， 接结纱沿厚度方向呈30°贯穿各层，织成深交联碳纤维机织预制体；其中碳纤 维体积含量为60％，纬纱层数为4层，碳纤维预制体密度为0.82g/cm³；

(3)基体树脂胶液的制备，所述基体树脂胶液所含原料及各原料的重量份 数为：双酚A环氧乙烯基酯树脂粘结剂(室温下粘度200Pa·s)10份，氧化铁 粉25份，天然石墨20份，黏土15份，黄铜粉5份；将各原料充分混合，制备 分散均匀且具有适宜流动性的基体树脂胶液，常温常压下所述基体树脂胶液的 粘度为400Pa·s；

(4)摩擦材料的制备，具体方法为：

①将2.5维碳纤维机织预制体放入模具中铺平，依次平铺剥离布、导流网， 然后将模具放入真空袋中，采用密封条封闭完好，预留一个抽气口和一个进胶 口；

②采用真空泵连接抽气口并将进胶口导管插入基体树脂胶液中，借助真空袋 与模具之间抽真空形成的负压或袋外施加压力，使基体树脂胶液与2.5维碳纤维 机织预制体复合后，置于温度为40℃，真空为-0.06MPa的真空烘箱中静置30min；

③将真空袋与模具转移至热压罐中60℃条件下保温0.5h，待胶液趋于黏稠， 热压罐加压升温，压力20MPa，升温速度10℃/h，按设定的温度-压力-时间的双 Y轴曲线，保压升温至110℃固化成型；

④固化完成后自然冷却，脱模取料，对制得的毛坯样进行磨削、清洗得到所 述摩擦材料制品。

实施例3

一种2.5维碳纤维机织预制体增强树脂基摩擦材料，该摩擦材料采用2.5维 碳纤维机织预制体作为增强结构，与基体树脂胶液复合固化而成；具体制备过 程包括：

(1)碳纤维的前处理，选用沥青基氧化碳纤维长丝，捻状加捻，捻度为3捻 /cm，然后采用乙烯基酯树脂为上浆剂对碳纤维进行上浆处理，上浆剂用量为碳 纤维质量的8％；

(2)2.5维碳纤维机织预制体的制备，在剑杆织机上将经纬纱交织成缎纹， 接结纱沿厚度方向呈45°贯穿各层，织成浅交弯联碳纤维机织预制体；其中碳 纤维体积含量为60％，纬纱层数为4层，碳纤维预制体密度为0.97g/cm³；

(3)基体树脂胶液的制备，所述基体树脂胶液所含原料及各原料的重量份 数为：环氧树脂粘结剂(室温下粘度300Pa·s)40份，二硫化钼10份，天然石 墨10份，石粉20份，铝粉20份；将各原料充分混合，制备分散均匀且具有适 宜流动性的基体树脂胶液，常温常压下所述基体树脂胶液的粘度为400Pa·s；

(4)摩擦材料的制备，具体方法为：

①将2.5维碳纤维机织预制体放入模具中铺平，依次平铺剥离布、导流网， 然后将模具放入真空袋中，采用密封条封闭完好，预留一个抽气口和一个进胶 口；

②采用真空泵连接抽气口并将进胶口导管插入基体树脂胶液中，借助真空袋 与模具之间抽真空形成的负压或袋外施加压力，使基体树脂胶液与2.5维碳纤维 机织预制体复合后，置于温度为50℃，真空为-0.07MPa的真空烘箱中静置15min；

③将真空袋与模具转移至热压罐中60℃条件下保温4h，待胶液趋于黏稠， 热压罐加压升温，压力20MPa，升温速度10℃/h，按设定的温度-压力-时间的双 Y轴曲线，保压升温至80℃固化成型；

④固化完成后自然冷却，脱模取料，对制得的毛坯样进行磨削、清洗得到所 述摩擦材料制品。

对比例1

为了对比2.5维碳纤维机织预制体增强树脂基摩擦材料的优势，本发明人在 相同材料组分配方和成型工艺条件下，制备了传统短切碳纤维增强树脂基摩擦 材料，该摩擦材料的制备方法包括碳纤维前处理及短切碳纤维增强树脂基摩擦 材料的制备两个步骤；

(1)碳纤维的前处理，选用聚丙烯腈基氧化碳纤维长丝，捻状加捻，捻度 为3捻/cm，然后采用环氧树脂为上浆剂对碳纤维进行上浆处理，上浆剂用量为 碳纤维质量的0.5％；将碳纤维切断成长3mm的短纤维；

(2)基体树脂胶液的制备，所述基体树脂胶液所含原料及各原料的重量份 数为：热固性酚醛树脂粘结剂30份(常温下粘度在100Pa·s)，氧化铝粉15份， 天然石墨10份，硫酸钡35份，紫铜粉10份；将各原料充分混合，制备分散均 匀且具有适宜流动性的基体树脂胶液，常温常压下所述基体树脂胶液的粘度为 400Pa·s；

(3)短切碳纤维增强树脂基摩擦材料的制备，具体方法为：

①将短切碳纤维与基体树脂胶液充分混合搅拌放入模具铺平；平铺剥离布， 将模具放入密封袋中，采用密封条封闭完好，预留一个抽气口；

②采用真空泵连接抽气口并将进胶口导管插入基体树脂胶液中，借助真空袋 与模具之间抽真空形成的负压或袋外施加压力，使短切碳纤维与基体树脂胶液 形成的复合材料坯料紧贴模具，置于温度为40℃，真空为-0.08MPa的真空烘箱 中静置20min；

③将真空袋与模具转移至热压罐中50℃条件下保温2h，待胶液趋于黏稠， 热压罐加压升温，压力20MPa，升温速度10℃/h，按设定的温度-压力-时间的双 Y轴曲线，保压升温至180℃固化成型；

④固化完成后自然冷却，脱模取料，对制得的毛坯样进行磨削、清洗得到短 切碳纤维增强树脂基摩擦材料制品。

性能测试：利用Instron-3385H万能材料试验机，分别参照国标JC/T773-2010 和GB/T1449-2005对实施例1、对比例1所得材料进行剪切和弯曲性能测试； 采用Archimedes原理，运用排水法测试碳纤维织物预制体的密度及摩擦材料的 密度和孔隙率。测试结果见表1所示。

表1

结果表明，对不同碳纤维进行前处理，采用真空袋倒模-热压罐成型体系得到 的不同种类碳纤维树脂基摩擦材料均具备优异的致密度，表面平整且纤维与树 脂界面结合良好。由表1所列数据可以看出，相较于短切碳纤维增强树脂基摩 擦材料，2.5维碳纤维机织预制体增强树脂基摩擦材料的密度与孔隙率适度，碳 纤维与树脂基体胶液结合紧密，材料具有优异的抗弯强度和剪切强度，结构整 体性和可设计性突出，材料抗分层破坏性能优异，破坏过程平稳，材料性能具 有较大提升。