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环保型摩擦控制剂—钛酸盐片晶

作者: 来源: 日期:2016/1/21 9:42:07 人气:54 评论:0 标签:

环保型摩擦控制剂钛酸盐片晶

隗学礼  赵宽放

 (中国科学院金属研究所 沈阳110016; E-mail: xlwei@imr.ac.cn)

许光清  隗益民

(东营山信新型材料有限公司,东营257335, http://www.xynewmat.com

摘要:本文介绍了环保型摩擦控制剂钛酸盐片晶的的制备方法、性能和应用。

关键词:摩擦控制剂,钛酸盐片晶,刹车片

一、引言

用作主要控制摩擦材料性能的摩擦控制剂,近年来有了较大的发展。由于含石棉的摩擦材料耐热性及摩擦磨损性能不佳,特别在高温区耐磨性显著下降,引起刹车热衰退现象发生。加之众所周知石棉是致癌物质,易产生粉尘影响环保和人体健康,使用日益受到限制。在此情况下,迫切需要开发石棉的替代品。针对这一要求,已经提出摩擦材料使用无毒性的钛酸钾晶须作摩擦控制剂,并已主要广泛用于汽车刹车片。这种摩擦材料具有优良的滑动性能和良好的制动效果,几乎不伤制动盘是有利的优点。然而,这种材料耐磨性不够,尤其在高温区磨损速度较快。它们也不能使刹车时所产生的"制动噪音"完全消除。而且由于钛酸钾晶须呈纤维状,堆密度小体积庞大,流动性差,易引起粉尘飞扬,也会导致生产摩擦材料中的一些问题。一些欧美发达国家对摩擦材料性能还出了更高的要求:如环保性、刹车稳定性、舒适性、安全性、及无噪音等。于是本世纪初,又出现了环保型摩擦控制剂——钛酸盐片晶。它堪称当代摩擦材料的最新一代产品,首先由日本大化学(株)研发成功,并于2006年在中国张家港建厂投产,商品名叫TERRACESS PM


由于该产品(钛酸盐片晶)与钛酸钾晶须相比,它熔点更高,高温区磨损更小,能保证在高温区的摩擦性能;它堆积密度较大,能减小粉尘飞扬引起的环境污染。加上它能完全解决发生于制动装置的"刹车噪音",所以该产品正作为目前最时髦的环保型的摩擦控制剂在国内、外广泛使用。

 我们中国科学院金属研究所紧跟世界高新技术前沿,从1991年以来,就开发出了一系列新产品,如钛酸钾晶须等,它已获得了国家发明专利(专利号:ZL 93111038.6)。1994年建立了我国第一条钛酸钾晶须中试生产线,年生产能力50吨,填补了我国的空白。

2003年,我们又率先在国内研发钛酸盐片晶,并以创新的生产工艺研发成功。2005年,申请国家发明专利(专利号:200510047963.8),现已获专利授权,有生产产品自主知识产权。

 

2006年,我们与山东信义集团公司合作,成立了《东营信义新型材料有限公司》,建立了生产线,目前该生产线已成功投产,年生产能力600吨。两种产品都能生产。商品名定为:FRICON P 是钛酸盐片晶(扁粒晶),和FRICON W是钛酸钾晶须。

由于钛酸盐片晶为填补我国空白的新材料,在生产工艺技术上有多项创新,2007年,荣获国家科技部中、小型企业科技创新基金和山东省科技创新基金的无偿资助。并获得荣誉证书和高新技术企业。

二、钛酸盐片晶的的制备方法

钛酸盐片晶和钛酸钾晶须是两种完全不同的物质。(见表1

 

表1钛酸盐片晶和钛酸钾晶须的异同点


钛酸盐片晶(FRICON P

钛酸钾晶须(FRICON W

化学成分

钛酸钾镁

K2Ti6O13

晶体结构

纤铁矿结构

单斜晶

外观

白色粉状

白色粉状

显微形貌

扁粒状晶体

针状晶体

平均尺寸(可控制)

片:10~35μm

长:10~80μm

厚:50~3000nm

径:0.5~2μm

莫氏硬度

4

4

真密度

3.3~3.4 g/cm3

3.3~3.4 g/cm3

堆积密度

0.9~1.1 g/cm3

0.2~0.4 g/cm3

PH

9~10

7~9

熔点℃

高于1370

1300

 

由表1可以明显看出这两种物质的化学分子式、晶体结构、显微形貌、堆密度等都明显不同。当然它们的制备方法也不同。

鉴于目前生产工艺的保密性,这里只能作简单介绍。目前生产钛酸盐片晶的主要采用两种方法:即助熔剂法和烧结法。采用助熔剂法生产则需要在原料中加入某些熔剂(如钨酸钾、钼酸钾、或氯化钾等),这些熔剂在1000以上的高温下,呈熔融状态,晶片在这里发育生长出来;烧结法则不采用外加的熔剂,而利用参加反应的配方组元,在适当的条件下生长出钛酸盐片晶。其原料中主要为含钛、钾及镁的化合物等。目前,我们是用烧结法生产。

三、钛酸盐片晶的主要性能特征

3.1. 钛酸盐片晶材料的主要性能:

      钛酸盐片晶的扫描电子显微镜形貌如图所示,可看出为片状结晶体。

   钛酸盐片晶扫描电镜照片

试验表明,这种材料的摩擦性能特别好:


1.从室温到高温都能保持稳定的摩擦系数,保证了刹车的平稳。

        2.因其硬度适中,刹车时不损伤制动盘。

        3.耐热性好,尤其在高温区磨损很小。

        4.无摩擦噪音,能避免刹车时产生的"尖叫声"

5.堆密度较大,有较好的流动性,有利于制造摩擦材料工艺。

6.卫生鉴定该产品无毒性,是绿色环保型产品。


 3.2
钛酸盐片晶材料的主要用途:

由于产品的上述特征,钛酸盐片晶材料特别适合用作为摩擦控制剂制作汽车刹车片、火车闸瓦、离合器摩擦片等摩擦材料产品。同时可作为塑料的增强剂增强塑料复合材料,提高塑料的机械性能。用于制作各种高强、耐热、耐磨的精密塑料部件制品。

四、摩擦材料试验结果:

4.1.单元材料摩擦性能分析:

4.1.1 样品制备

分别制备单一的树脂样品和二元混合物样品。二元混合物为单元材料加树脂,其重量比为85:15,单元材料是钛酸盐片晶或石棉。

首先将配方原料混合均匀,放于模具中,在416Kg/cm2压力下、150℃进行热压,保温保压10分钟。然后进行热处理,条件:160℃60分钟,200℃60分钟,再制备成定速试验机标准样块。

4.1.2 摩擦性能试验

摩擦性能试验采用GB5763-98标准,在JF150D定速试验机上进行。结果列入表2~4

 

 

表2单一树脂样品的摩擦系数和磨耗

温度

100

150

200

250

300

350

摩擦系数μ

0.27

0.23

0.24

0.24

0.26

0.28

磨耗w (10-6g/M.cm2)

总试验磨耗: 0.23

 

表3钛酸盐片晶与树脂重量比为85:15混合物样品的摩擦系数和磨耗

 

 

温度

100

150

200

250

300

350

摩擦系数μ

0.37

0.34

0.35

0.35

0.36

0.38

磨耗w (10-6g/M.cm2)

总试验磨耗:0.46

 

表4石棉与树脂重量比为85:15混合物样品的摩擦系数和磨耗

温度

100

150

200

250

300

350

总磨耗

摩擦系数μ

0.31

0.34

0.33

0.31

0.35

0.48

磨耗w (10-6g/M.cm2)

0.44

0.66

0.80

0.85

2.02

4.06

10.58

按"体积理论"计算方法,能分别计算出钛酸盐片晶、石棉各单组元的摩擦系数和比磨耗量,并列入下表5-6

 

表5钛酸盐片晶单组元的摩擦系数计算结果

温度

100

150

200

250

300

350

摩擦系数μ

0.4167

0.3913

0.4013

0.4013

0.4067

0.4267

 

表6钛酸盐片晶与石棉磨耗的比较

品名

钛酸盐片晶

石棉

比磨耗w (10-6g/M.cm2)

0.56

13.28

由上表56数据可见,钛酸盐片晶的摩擦系数从低温到高温摩擦系数都十分稳定,磨耗很小,比起来,石棉的磨损量几乎大钛酸盐片晶的24倍。

4.2.在汽车刹车片中的应用结果

目前,钛酸盐片晶材料已经大批量用于东营信义汽车配件有限公司和青岛盛博机电有限公司生产的汽车刹车片中,产品质量达到国际先进水平,并已成为克莱斯勒、福特等国内、外三十多家汽车生产商、装配厂的配套产品。现在市场在不断扩大,山东金麒麟集团、临沂金辰汽配、曲阜天博、西安唐铁、武汉精技、山西益新、重庆红宇等厂家已成为我公司重要客户。Honeywell 摩擦材料公司也来我公司考察,正在与我公司谈判订货事宜。目前我公司年销售量已超过二百吨。使用实践证明效果很好,完全可以与日本大化学(株)的TERRACESS PM产品

五、结束语

由上述事实可以表明,我们公司生产的钛酸盐片晶(TFC)材料的确是一种新型的环保摩擦控制剂。因为该材料具有许多优良的特性,如从室温到高温摩擦系数稳定、能保证刹车平稳,它在高温区磨耗很小,而且不损伤制动盘,刹车时无噪音,以及流动性好有利于生产摩擦材料工艺等等,所以该材料值得推荐,并将在摩擦材料和塑料复合材料中大量被采用。


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