石墨和焦炭在摩擦材料产品的应用

1、石墨和焦炭在摩擦材料产品的应用,撰稿人：Nicholas T. Mares 报告人：张世忠 CFMSA 培训班2008.3,石墨和焦炭在摩擦材料产品的应用,本报告分五部分 基本的配方 在不同的配方和市场中石墨和焦炭的应用种类 石墨和焦炭在摩擦材料中的功能 石墨和焦炭材料的分类 几种有代表性的材料在盘式片的DEA测试,半金属配方 金属纤维 金属粉末 摩擦粉 焦碳 石墨 酚醛树脂 重晶石 橡胶,陶瓷配方 酚醛树脂 芳纶 重晶石 陶瓷纤维 铜纤维 腰果壳 橡胶 二硫化钼 石墨 焦碳 硫化锑 其它的金属硫化物 钛酸钾 其它填料,NAO 配方 各种有机纤维 摩擦粉 橡胶 石 墨 焦碳 酚醛树脂 芳纶 云母 金属硫化物,配方,石墨和焦炭在配套产品的应用,碳素在售后产品的应用,很好的黏着性，很好的成型性 能够帮助形成转移膜 提高润滑性能，大大减少对刹车盘的损耗 缓和摩擦力 具有抗高温性 具有高导热性能，热膨胀系数低 具有抗氧化性能 具有很好的稳定性，几乎不与任何物质发生反应 能有效减少噪音,石墨在摩擦材料配方中的作用,润 滑 性,石墨在整个摩擦材料混合物质中的主要作用是缓和摩擦力 摩擦材料的整体摩擦

2、系数可以通过控制润滑剂和非润滑类填料的量比来进行调节。,石墨为何具有润滑性？,石墨具有润滑性能是因为它独特的晶体结构，使得石墨层很容段落滑落而在接触表面形成具有润滑性的石墨薄模。薄片结构的形成由于石墨晶体的结构之间微弱的连接而成。 润滑性是基解理的结果，而断裂是由于石墨各向异性导致。,什么是“各向异性”？,各向异性是指石墨的一种首选定向的性能，这主要是由化学键的位置决定的。不同的化学键在组织结构中具有不同的位置，那么在结构中所处的物理/化学环境就不同。 材料的的化学惰性、强度、硬度、光学等性能也随着方向的不同而变化,各向异性的形态,各向异性形态,粒子显示了基本的方向,各向同性的形态,各向同性的形态,粒子极少或没有特殊的方向,高温摩擦性/润滑性,在500C温度范围内，石墨具有良好的润滑性 当温度超过500C，润滑性能降低 润滑性能在500C以上降低的原因是水分挥发 温度较高时，可以在石墨中加入氟化钙，增加润滑性能 降低的润滑性是可恢复 配方中可以根据温度的不同加入不同的润滑剂来调节润滑性能，如硫化钼和锑类化合物等,柔韧性在摩擦面中的重要作用,完美的基解理赋予石墨良好的润滑性能。 石墨的柔

3、韧性，无论接触摩擦面的晶状结构方向如何，都会起到润滑效果。,可弯曲性石墨与摩擦面,石墨和摩擦转移膜,石墨是一种柔软的物质。 当石墨在摩擦材料复合物的表面受到磨擦时，石墨会附着在摩擦面而形成转移模。 石墨不会熔化，变软或者变黏。因此它不会在摩擦面上形成黏结或结胶。,石墨的导热性,石墨是一种非金属的，耐高温的润滑材料，具有良好的热传导性。 石墨能够有效地转移摩擦表面产生的热量 石墨热转移性能在非金属配方中尤其有效 即使摩擦性能暂时降低，导热性不会受影响,Asbury Graphite Mills, Inc. Founded 1895,热传导在摩擦材料中的作用,/无石墨,无热传导性的摩擦材料,迅速形成热点，高温敏感材料的会局部分解而形成烧灼点。,以石墨等作填料的热导性复合材料,石墨的热传倒性，热量容易散发。不会形成灼烧点。,摩擦不均,摩擦不均,化学和热稳定性,石墨结构中碳原子结合的稳定性, 使石墨具有极好的化学稳定性。 在正常的工作温度下，石墨与其他摩擦材料几乎是不反应的。 即使在高温烧结的摩擦材料中，如烧结黄铜，紫铜或青铜这类特殊摩擦材料，石墨也不会与其发生反应。 这就是我们所说的石墨的化

4、学惰性。,以上幻灯片主要解释了为什么在摩擦配方中使用石墨和焦炭材料。 以下幻灯片将向您说明各种不同的石墨和焦炭材料分类。,人造石墨,原生人造石墨 普通人造石墨,原生人造石墨,是碳素材料经过2500度的高温处理石墨化而成的。 不含沥青粘结剂,粒度 从英寸到2微米不等,含碳量 通常为99%以上,普通人造石墨,从电极得来 电极是由针状焦或者海绵状焦和针状焦混合生成。原料的粒度从 英寸到 + 50 目 从特殊石墨得来 此种石墨是由各向异性的焦炭的微粉制成。这种原料的粒度可以达到35微米。,含碳量 通常从98%到99%,上述的材料和沥青混合成形，经过一定时间的2600度高温焙烧石墨化而成。,粒度 车床加工下来的原料在是1英寸以下。然后根据需要被进一步粉碎，碾磨，筛分，来达到客户的要求。,人造石墨的微观形态,粒度在20微米以下时,其结构则主要呈片状,人造石墨的形态,石墨化焦,石墨化焦,现有的粒度 01英寸 100目到20目 5微米以上的细粉,含碳量 99%以上,人造石墨的性能,应用于摩擦材料的人造石墨规格,纯度一般在99%以上 颗粒状的粒度在9mm和0.2mm之间 粉末状的粒度从100到2 艾斯博

5、瑞的优势还在于保证材料的高质量 保证粒度分布 保证纯度 包装,天然石墨,鳞片石墨 （晶质石墨） 晶质脉状状石墨（斯里兰卡石墨） 无定形石墨（隐晶质石墨）,天然鳞片石墨,含碳量 原矿 75%98%含碳量 深加工后 9799.99%含碳量,粒度 原矿及加工以后 80% + (50 / 80 / 100) 80% - (80 / 100 / 325) 深加工后 平均从50目到3微米不等,矿藏分布 加拿大 中国 巴西 非洲 挪威 马达加斯加岛,天然鳞片石墨的形态,天然石墨是一种天然形成的矿物 分散的“化石碳”在特定的地质环境中经过高温和压力作用而形成 不论颗粒大小, 鳞片石墨总是呈现各向异性的形态, 首选定向是其规律,粗颗粒鳞片石墨 标称100+um,天然鳞片石墨-主要性能,应用于摩擦领域的天然鳞片石墨的规格,. 含碳量在80到99之间 经化学方法提纯,含碳量在98%以上. 经过筛分的大鳞片,粒度从0.1到0.8mm之间。 从100微米到3微米的微细粉. 艾斯博瑞的优势还在于保证材料的高质量 保证粒度分布 保证纯度 包装,天然石墨隐晶质石墨,矿藏分布 中国 韩国 墨西哥,含碳量 原矿含60%8

6、5%的碳,粒度 原矿从块状到1/4英尺的颗粒. 需要再加工处理成颗粒或粉末状，粒度从英寸到3微米不等。,”隐晶质”石墨,一种天然形成的层状分布矿物质。 它是在一定的地质条件下，由无烟煤的矿层在热力与压力的共同作用下形成的。 并不是真正的非晶体，只是因为微晶体结构无法用肉眼看到。 虽然所有的石墨都具有各向异性的特点,但对于隐晶质石墨来说,直到将其磨到细粉状态时,该特点才能显现出来.,隐晶质石墨的性能,应用于摩擦领域的隐晶质石墨的规格,含碳量在75-85 从0.5mm到100mm之间的粗颗粒 从100um到3um之间的微细粉 艾斯博瑞的优势还在于保证材料的高质量 保证粒度分布 保证纯度 包装,天然石墨晶质脉状石墨,矿藏分布 只产于斯里兰卡,含碳量 含碳量从80%到99%以上,粒度 从1英寸到5微米不等,脉状石墨形态,斯里兰卡晶质脉状石墨性能,所有的石墨都有晶状结构,人造石墨 ,隐晶质石墨,晶质脉状石墨,鳞片 ,焦碳在摩擦配方中的作用,稳定摩擦力 很高的热性能， 不伤摩擦面 能提高摩擦材料内部的孔隙率从而帮助减少噪音 可以延长摩擦材料的寿命,焦碳,石油焦 沥青焦 冶金焦,石油焦,煅烧海绵状石

7、油焦 煅烧针状焦 煅烧圆形焦,粒度从3英寸到5微米不等。,大多数石油焦，含碳量在99%以上，但是也可以提供含碳量为96%的石油焦。,海绵焦形态,针状焦形态,圆形焦形态,Equal Properties in all directions,焦碳性能,现在我们来看看，不同种类的石墨和焦炭材料在相同的粒度下的性能比较。,产品对照20目到100目,产品对照 -200目,灰分分析的对比,测试数据,前面我们介绍了石墨和焦炭，接下来的幻灯片将展示它们在实际应用中的测试数据。,回归比力矩,回归比力矩（简称RST)用来替代以下数据中的摩擦系数(简称COF） RST不等于COF，但是成比例关系。单位是Nm/kPa，等于有效的制动转矩除以制动系统的压力。 RST方法是一种简单化的模型，被格林实验室所应用。,测试内容说明,最常用的半金属配方中石墨所占的比例大约占17（按重量比）。盘式刹车片成型后, 使用制动测力计来测试。 该部分主要研究用在半金属配方盘式刹车片的各种石墨和焦炭材料。,碳素材料物理和化学属性,孔隙分析,较低的真实密度说明石墨化焦和针状焦具有一些孔隙结构， DS9019也具有相当多的孔隙结构。 假

8、设碳素具有的比重是2.2,下面三种材料的内孔隙的比重为：,Graphco 5.5 DS9019 27.3% F108A 4.1%,灰份分析,半金属配方,半金属配方加工过程,配方混合: Patterson Kelley 混料机 批次重量- 3.2 kg,成型: 使用成型机来生产#FMS1 7136-D215 盘式刹车片,摩擦材料的测试,制动测试由格林实验室DEA测试完成。（测试结果以具体的比力矩为基础） 在DEA功能测试的最后，通过测试比力矩来测试试验后的摩擦水平。 两轮磨损测试后就可以确定磨损的程度。 通过检验每次制动后的衬片厚度来检测。 根据制动测试进行三次后，得到各种石墨的磨损率。 刹车盘的磨损也进行测试和说明。 每制动一百万次，测一次刹车盘的磨损。 在测试的开始和结束时，测试刹车盘表面的磨损程度。 测试结束后，评估盘式刹车片和刹车盘的总体情况。,测试样品的产生,. 使用以下两种方法进行预成型： 方法A 2.5 tons/in2 60 seconds 方法B-1.25 tons/in2 10 seconds 很明显方法A比方法B的压制效果更好，成型越薄强度越高，也就越满意，这样在试

9、验中就不容易粉碎。 下面的六种石墨和焦炭材料按照厚度的增加（也就是强度的减少）排列顺序如下： 4071 SD20/100 F108A Graphco DS9019 在方法A中， DS9019的性能很软，其他材料的强度适中。在方法 B中，所有的材料成型都很软，石墨化焦和DS9019的强度比其他材料更软, DS9019最软。,各种材料的厚度的比较,DEA测试结果,图片中的平均摩擦水平清楚说明了大部分的摩擦性都相似，除了高纯度的隐晶质石墨具有较高的摩擦性能。 下面的幻灯片提供了很多测试过程中摩擦性能的比较。,不同温度的平均摩擦水平,在315度和425度的温度下，各种材料的摩擦水平。 SD20/100的磨损程度比4071的要高。 4071 的磨损程度跟DS9019石墨化焦很相似，但是它们的在不同的温度下却表现处不同的特点。 4071具有很好的摩擦稳定性，而1155的摩擦损失是最大的。,磨损1,格林实验室报告首先概括了15个刹车片的制动测试仪的报告，然后每5个刹车片的分析数据，得到最终的平均磨损数据。所以这样的数据很有代表性，能说明磨损测试过程中的摩擦性能的情况。,每次制动后磨损,磨损2,1.SD20/100的磨损比4071人造石墨要高。 2.石墨化焦和F108A针状焦的磨损数据显示，其磨损性能跟4071相似。 3.DS9019脱硫石墨的磨损跟4071人造石墨和石墨化焦相似。 4071人造石墨具有很好的摩擦稳定性，1155的磨损最大。,摩擦材料磨损,1.相比4071， SD20/100的磨损非常高。 2.F108A针状焦跟SD20/100具有相似磨损率。 3.石墨化焦跟4071人造石墨具有相似的磨损。 DS9019脱硫石墨在低温时比4071的磨损要底，在425度时磨损几乎相似。,刹车盘磨损 1,刹车盘的厚度的增加和降低都能说明刹车盘的磨损情况.,刹车盘磨损,总体来说，以上数据说明刹车盘的磨损不是很大。在很多的情况下，测试末尾，刹车盘净磨损可以忽略不计。 以上的结果说明，比如1155，在低温时，刹车盘磨损，高温时会在刹车盘表面堆积。F108针状焦的测试结果也能说明该现象。,结论,现在您就明白了 所有

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