本發明涉及摩擦制動材料技術領域，尤其涉及一種無銅環保NAO摩擦材料及其制備方法。
背景技術：
隨著汽車、火車、飛機等交通運輸工具向高速、重載方向發展，人們對安全性、舒適性和清潔性要求的不斷提高，對身體健康和環境保護意識的加強，不僅對摩擦材料的制動性能要求更加苛刻，而且對材料的選用更加嚴格。由于石棉具有優異的性能和低廉的成本，早期的摩擦材料主要是以石棉作為增強材料。但越來越多的資料證明，石棉對人的危害極大，被公認是致癌物質，并且在生產和使用過程中石棉粉塵對環境造成嚴重污染。強制性國家標準GB12676-1999也規定：我國自2003年10月1日起制動摩擦襯片應不含有石棉。隨著摩擦材料的發展，以鋼棉增強的半金屬和低金屬摩擦材料能較好的解決高速和重載問題，因為鋼棉有很好的耐溫性和熱傳導性，能克服在剎車過程中動能轉化為熱能所產生的溫升造成的剎車性能衰退，保證穩定的制動性能，但鋼棉代替石棉而制得半金屬和低金屬摩擦材料由于比重大、硬度高、容易銹蝕、損傷對偶、產生制動噪音和振動、剎車產生的粉塵容易污染輪轂等缺點，也使人們感到不滿意。礦物纖維的成功開發，把礦物纖維應用在摩擦材料中開發出無石棉無鋼棉可以加用少量銅或鋁的NAO材質摩擦材料成為新的發展方向。在過去的10多年時間內，由于大量含銅NAO具有噪音低、磨損小等優點，以日本為代表的摩擦材料生產企業大量推廣使用高含銅量的NAO摩擦材料，使用中大量銅粉塵隨著摩擦材料的磨損，形成粉塵進入空氣中，最終在河流和海灣中沉積，造成大氣與水體的重金屬—銅污染。人們慢慢地意識到傳統NAO摩擦材料中銅對環境的嚴重污染問題，美國的加利福尼亞州、華盛頓州等率先提出在2021年起使用的摩擦材料Cu含量不允許超過5%，2025年起不允許超過0.5%，各大汽車生產商紛紛響應號召，要求開發無銅環保的NAO摩擦材料，因此開發不含銅的環保摩擦材料是大勢所趨，是造福子孫后代的好事。
研究表明，車輛在制動過程中，整個制動系統需要承受巨大的制動功率。一輛中級轎車在時速130kmh時制動需要超過500kw的瞬時制動功率。假設轎車的輸出功率為50KW，那么瞬時制動功率是發動機輸出功率的10倍以上。同時，制動時剎車片和剎車盤的溫度會上升300～400度，如果連續制動或下長坡，摩擦副的溫度會上升到500～600度，表面瞬時溫度會更高。摩擦材料中的高聚物在分解溫度以下，呈現塑性和彈性，產生粘著和變形。在分解溫度以上，高聚物分解為氣體和低分子物，發生混合摩擦，產生衰退。熱衰退指剎車片溫度上升后，其剎車效果減退甚至失效的現象，明顯的感覺就是剎車腳軟，再怎么踩剎車效果也不明顯。高溫下有機物的磨損會呈幾何倍數地增加。對于傳統NAO材質或半金屬的摩擦材料來說，由于本身含有大量鋼纖或銅纖維，導熱性好、熱容高，熱量能有效快速從摩擦表面散發，不容易導致衰退；因此要開發出性能優異的無銅NAO配方，尋找合適的高導熱材料和耐高溫材料是關鍵和重要的研究方向。
現有技術中，也有采用鋁材料作為導熱材料加入，如公開號為CN105531496A的中國專利申請公開了一種摩擦材料，該摩擦材料中加入有1～10重量％的從鋁顆粒、鋁纖維、以鋁為主要成分的合金顆粒以及以鋁為主要成分的合金纖維中選出的一種或兩種以上。然而，如果在材料中大量加入Al纖維或顆粒材料，在高溫下氧化成Al2O3，這是一種硬度極高的結晶氧化物質，具有極高的摩擦系數和對制動盤的攻擊性，使用中會出現大量噪音、制動摩損不均勻且大的情況。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題是克服現有技術的不足，提供一種摩擦系數穩定、高溫衰退小、恢復性好、磨損率小、內剪切強度高、材料比重小、硬度適中、成本低且不含銅等重金屬的無銅環保NAO摩擦材料。
本發明的另一發明目的是提供了一種上述無銅環保NAO摩擦材料的制備方法，該方法操作簡單，過程可控，制備得到的產品質量好，摩擦系數穩定，高溫衰退小，恢復性好，磨損率小，內剪切強度高，材料比重小，硬度適中。
本發明所述無銅環保NAO摩擦材料所采用的技術方案是：按重量百分比計，該材料包括以下組分：
腰果殼油改性酚醛樹脂5～10％；摩擦粉3～5％；輪胎粉1～3％；鋅纖維2～8％；鋁纖維1～5％；其它纖維18～30％；以及填料40～70％。
上述方案可見，本發明嚴格控制NAO配方組分中有機物的用量，使用鋅纖維、鋁纖維等其它金屬纖維替代銅等重金屬材料，經過配方研發、性能測試及裝車試驗，所得產品的摩擦系數穩定、高溫低衰退、恢復性好、磨損率小、內剪切強度高、材料比重小、硬度適中、成本低且不含銅等重金屬。解決了傳統NAO材質摩擦材料含有大量銅等重金屬的問題，滿足未來摩擦材料關于無銅的要求，達到環保的效果。另外，由于鋅纖維具有高導熱性、大熱容、易成膜的特性，將其加入到摩擦材料中，會對摩擦材料的整體起到增大摩擦材料導熱性、使表面形成轉移膜，從而具有穩定摩擦特性、降低高溫磨損的作用；而鋁纖維具有高導熱、高溫氧化物摩擦系數高的特性，將其加入到摩擦材料中，會使得摩擦材料的整體發生高溫摩擦系數穩定的變化，使得摩擦材料實現無銅化，同時鋅和鋁具有高導熱特性，不會發生高溫急劇磨損，更不會造成環境污染。與現有技術相比，本發明以Zn纖維為主，少量添加Al纖維。其中的Zn纖維在摩擦表面會形成錨錠效應，有效穩定高溫摩擦表面，從而形成穩定摩擦性能，Zn氧化后生成ZnO，是一種莫氏硬度與制動盤相近的氧化物，不會對制動盤造成過度磨損與攻擊，因此不會產生噪音與盤過度磨損。同時Zn的活性比制動的Fe高，在潮濕環境下可有效保護制動盤，使其不易生銹，甚至不會產生任何銹粘著力。
進一步地，所述其它纖維為芳綸纖維2～8％；硅酸鹽礦物纖維6～15％；以及鈦酸鉀10～20％。
上述方案可見，以芳綸纖維、硅酸鹽礦物纖維以及鈦酸鉀作為其它纖維加入，使得產品的恢復性更好，磨損率也更小，內剪切強度高，材料比重小，使產品的硬度更加適合應用。
進一步地，所述填料為硫酸鋇3～10％、硅酸鋯12～28％、沸石2～8％、鐵黑5～15％、氫氧化鈣1～8％、人造石墨3～12％、天然鱗片石墨1～6％、金屬硫化物2～10％。
上述方案可見，采用硫酸鋇作為填料可以有效降低成本、提高產品的高溫恢復性能，采用硅酸鋯作為填料可有效穩定高溫摩擦系數，采用沸石作為填料可吸收高溫有機物分解產生的氣體或液體物質，有效降低摩擦材料的高溫衰退，采用鐵黑作為填料可有效穩定摩擦系數，采用氫氧化鈣作為填料可調節整體Ph值，防止摩擦材料產生銹粘著，采用人造石墨作為填料可有效穩定摩擦系數、降低磨損，采用天然鱗片石墨作為填料可有效穩定摩擦系數、降低磨損，采用金屬硫化物作為填料可有效穩定摩擦系數、降低磨損；上述材料作為填料的加入，可使得摩擦材料制備的產品具備成本低、硬度適中、材料比重小的優點。
上述無銅環保NAO摩擦材料的制備方法所采用的技術方案是，該方法包括以下步驟：
（1）混料：按重量百分比稱取所有原材料，分為A料：天然鱗片石墨、芳綸纖維、鐵黑和硫酯鋇，其它材料為B料，先將A料放入犁耙式混料機中，開啟主槳和高速絞刀攪拌5分鐘，再加入B料合混5分鐘，制成摩擦材料混拌料；
（2）預烘：將混合好的混拌料放入80±5℃烘箱中預熱3小時；
（3）熱壓：預熱后的混拌料放入模具中，模具溫度控制在145±5℃、壓制壓力35±2MPa、保溫保壓時間在30s/mm的條件下進行熱壓；熱壓開始15s，以后間隔10s,每次排氣5s,排氣3～5次，保壓360S；
（4）熱處理：從室溫～180℃，等速升溫2h,保溫1h；從180℃～210℃，等速升溫1h,保溫1h；從210℃～230℃，等速升溫1h,保溫3h；得到無銅環保NAO摩擦材料。
上述方案可見，本發明方法流程簡單，操作簡便，與現有的流程相比，其過程未有明顯的增加，該方法制備得到的產品摩擦系數穩定、高溫低衰退、恢復性好、磨損率小、內剪切強度高、材料比重小、硬度適中、成本低且不含銅等重金屬。
具體實施方式
本發明采用芳綸纖維、礦物纖維、鋅纖維和鋁纖維復合增強，使用鋅纖維、鋁纖維、鈦酸鉀替代傳統NAO摩擦材料中的銅纖維或黃銅纖維，以解決傳統NAO摩擦材料在使用中銅等重金屬對環境的污染，屬于摩擦制動材料技術領域。下面以具體的實施例來對本發明作進一步的說明。
實施例1：
按重量百分比計算，所述無銅環保NAO摩擦材料包括以下成分：腰果殼油改性酚醛樹脂7.2%，摩擦粉3.1%，輪胎粉3%，芳綸纖維3%，硅酸鹽礦物纖維11%，鋅纖維7.7%，鋁纖維 2.8，鈦酸鉀 14.2，硫酸鋇3.5%，硅酸鋯12.9%，沸石2.8%、鐵黑10%、氫氧化鈣2.6%、人造石墨9.5%、天然鱗片石墨1%、金屬硫化物5.7%。其中金屬硫化物為硫化銻或硫化鉬。
按上述重量比利稱取各原材料，采用干法成型工藝，按以下四個步驟進行成型：
（1）混料：按按上述組分重量百分比稱取所有原材料，分為A料：天然鱗片石墨、芳綸纖維、鐵黑和硫酯鋇，其它材料為B料，先將A料放入犁耙式混料機中，開啟主槳和高速絞刀攪拌5分鐘，再加入B料合混5分鐘，制成摩擦材料混拌料。
（2）預烘：將混合好的混拌料放入80±5℃烘箱中預熱3小時。
（3）熱壓：預熱后的混拌料放入模具中，模具溫度控制在145±5℃、壓制壓力35±2MPa、保溫保壓時間在30s/mm的條件下進行熱壓；熱壓開始15s，以后間隔10s,每次排氣5s,排氣3～5次，保壓360s。
（4）熱處理：從室溫～180℃，等速升溫2h,保溫1h；從180℃～210℃，等速升溫1h,保溫1h；從210℃～230℃，等速升溫1h,保溫3h。
實施例2：
按重量百分比計算，所述無銅環保NAO摩擦材料包括以下成分：腰果殼油改性酚醛樹脂6.2%，摩擦粉3.3%，輪胎粉1.4%，芳綸纖維4%，硅酸鹽礦物纖維13%，鋅纖維6.5%，鋁纖維 3.5%，鈦酸鉀 13.2，硫酸鋇7.6%，硅酸鋯13.9%，沸石2.8%、鐵黑6%、氫氧化鈣2.8%、人造石墨7.6%、天然鱗片石墨1.5%、金屬硫化物6.7%。
按上述重量比例稱取各種原材料，同實施例1所述工藝步驟制備。
實施例3：
按重量百分比計算，所述無銅環保NAO摩擦材料包括以下成分：腰果殼油改性酚醛樹脂6.8%，摩擦粉4%，輪胎粉2.1%，芳綸纖維3.5%，硅酸鹽礦物纖維8%，鋅纖維5.5%，鋁纖維 4.5%，鈦酸鉀 19.2，硫酸鋇5.3%，硅酸鋯11.9%，沸石3.8%、鐵黑8.2%、氫氧化鈣2.0%、人造石墨5.5%、天然鱗片石墨1.3%、金屬硫化物8.4%。
按上述重量比例稱取各種原材料，同實施例1所述工藝步驟制備。
本發明所述摩擦材料參照GB5763-2008，采用GB5763-2008《汽車用制動器襯片》中規定的測試方法對照實施例1至實施例3所提供的配方制造的摩擦材料進行摩擦磨損測試。摩擦性能要求見表1，測試結果見表2。
表1 GB5763-2008摩擦性能要求
表2 摩擦磨損性能測試結果
從摩擦磨損測試結果來看，隨著溫度升高，摩擦系數很平穩，衰退很小，溫度降低后，摩擦系數又得到很好恢復。并且每個溫度段的磨損率不大，遠遠低于國標要求。本發明所制得的無銅環保NAO摩擦材料的摩擦系數穩定，磨損率小，衰退特別低，無銅環保，符合國際先進潮流和未來摩擦材料發展趨勢。
本發明可應用于摩擦制動材料技術領域。