一种高导热碳纳米管改性碳纤维增强纸基摩擦材料及其制备
方法技术领域
本发明涉及离合器摩擦材料技术领域，尤其涉及一种高导热碳纳米管改性碳纤维
增强纸基摩擦材料及其制备方法。
背景技术
近年来，随着汽车产业以及航空工业的迅速发展，摩擦材料领域的研究也发生了
急速的增长。纸基摩擦材料作为一类重要的湿式摩擦材料，主要应用于汽车传动系统中的
离合器上。如何提高纸基摩擦材料的摩擦系数、摩擦稳定性、耐热性以及耐磨性仍然是目前
纸基摩擦材料面临的主要问题。为此，许多学者已经从提高材料中纤维与树脂之间的界面
结合与寻找出摩擦性能优异的填料体系两方面入手，展开了研究。《碳纳米管改性碳纤维增
强纸基摩擦材料的制备与研究》一文首先通过添加竹纤维和碳纳米管制备出了界面结合性
较好的纸基摩擦材料。研究发现，碳纳米管的加入能够很好地改善材料中纤维和树脂的界
面结合性能，从而提高了材料的摩擦性能。当碳纳米管含量为4wt.%时，试样的动摩擦系数
达到最大值，为0.1031，此时，试样的摩擦稳定性和耐磨性能也较好。热分析结果显示，试样
在加热到1000℃过程中，添加4wt.%碳纳米管的试样的质量损失比未添加碳纳米管的试样
减少了10%。扫描电镜测试结果表明，在整个体系中，竹纤维能够很好的附着于碳纤维上，改
善了碳纤维和树脂之间的界面结合性能，而碳纳米管优先吸附于竹纤维上，这又保护了竹
纤维在摩擦过程中的受热分解，提高了试样的耐热性能。为了更进一步提高材料的摩擦性
能，我们在上述体系中分别加入了碳化硅、碳化硼、氧化铝、氧化锆以及硼化锆等填料以及
稀土化合物，并研究了填料含量和稀土种类等与试样摩擦性能之间的关系，对不同填料在
体系中的作用形式以及试样的摩擦性能进行了初步探讨。结果表明，当试样中含有3wt.%Ce
(NO3)3和15wt.%硼化锆时，材料的摩擦性能最佳，材料的动摩擦系数为0.13285，动/静摩擦
系数比为0.9010，动摩擦系数在500次摩擦过程中的变异系数为0.75，磨损率为0.6×10-
8cm3J-1。最后，研究了以硼化锆为填料、碳纳米管改性碳纤维增强纸基摩擦材料的压缩回弹
性能、导热性能、耐热性能以及动态力学性能，并分析了这些性能与试样摩擦性能之间的关
系。结果表明，随着硼化锆含量的增加，虽然试样的压缩率和导热系数略有下降，但是，动态
力学测试和综合热分析结果表明，含有15wt.%硼化锆的试样具有较高的储能模量和耐热性
能。通过材料的组成-储能模量-耐热性-摩擦性能关系的研究，发现体系中储能模量和耐热
性能对材料的摩擦性能起关键作用，试样的储能模量越大，制动稳定性越好，耐热性能越
好，摩擦稳定性越高，材料的磨损率越低。
以上得到摩擦材料具有良好的性能，但是直接混合得到的材料容易分离，使得摩
擦性能不稳定，制动性能不稳定。上述文章使用马来酸酐对碳纳米管进行改性，提高了碳纳
米管的分散性，能够分散在竹纤维表面，与竹纤维形成稳定的结合，但是竹纤维的耐热性还
是不尽如人意，虽然碳纳米管改善了竹纤维的耐热性和摩擦性，但是在受热情况下，马来酸
酐形成的高分子物质碳化，碳纳米管与竹纤维分离，影响摩擦性能。
添加芳纶纤维能够改善摩擦材料的摩擦性能，但是芳纶纤维的耐热性较差，使其
在重载荷机械中的应用受到了一定限制。而且芳纶纤维表面惰性、结晶程度高，与基体结合
不好，影响了芳纶的复合材料的性能。用稀土对碳纤维和竹纤维表面进行改性，提高了纤维
的耐磨性和耐热性，但是稀土与纤维的结合并不牢固，摩擦后易分离，造成摩擦性能的改
变。还需要改善摩擦材料的耐热性、摩擦稳定性、抗老化性、抗菌性、韧性、防静电性、耐磨
性、防打滑、致密性、导热性等其他性能。
发明内容
本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种高导热碳纳米管改性碳纤维
增强纸基摩擦材料及其制备方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种高导热碳纳米管改性碳纤维增强纸基摩擦材料，由下列重量份的原料制成：纳米
铜粉1.1-1.4、碳纤维52-54、竹纤维27-28、碳纳米管3.5-4、全硫化纳米粉末羧基丁腈橡胶
2.3-2.8、芳纶浆粕5-5.5、硅烷偶联剂kh-550 1.3-1.5、硝酸铈3-3.5、碳化硅10-11、硼化锆
14-15、固含量为20%腰果壳油改性酚醛树脂10-12、掺钕、镱氧化钪纳米陶瓷粉2.6-3、氧氯
化锆0.8-1.2、水性聚氨酯树脂0.4-0.6、水适量。
所述高导热碳纳米管改性碳纤维增强纸基摩擦材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）将芳纶浆粕分散在水中，加入硅烷偶联剂kh-550，搅拌均匀，再加入纳米铜粉，搅拌
10-15分钟，干燥，粉碎，得到改性芳纶浆粕；
（2）将掺钕、镱氧化钪纳米陶瓷粉、氧氯化锆、水性聚氨酯树脂混合研磨均匀，得到混合
物料；将碳纳米管、全硫化纳米粉末羧基丁腈橡胶混合研磨均匀，得到粉末，将竹纤维加入
水中，边搅拌边加入所述粉末和所述混合物料，搅拌均匀，超声分散7-10分钟，干燥，在11-
12MPa，120-125℃，时间处理40-50s，得到改性竹纤维；
（3）将改性芳纶浆粕、改性竹纤维以及其他剩余成分放入水中，在疏解机中疏解均匀，
得到悬浮液，将悬浮液倒入100-150目筛的纸张成型器中制成厚度为0.7-0.8μm的薄片，将
薄片在105-108℃下真空干燥20-23分钟，将腰果壳油改性酚醛树脂喷涂在薄片上，自然晾
干，再放入硫化机中硫化，硫化条件为11-12MPa，120-125℃，时间为250-260s，即得。
本发明的优点是：本发明使用纳米铜粉吸附在芳纶浆粕表面，提高了芳纶浆粕的
耐热性，使得摩擦材料更加致密，摩擦系数更稳定，客服了芳纶浆粕热稳定性差的缺点。通
过使用碳纳米管对竹纤维进行改性，提高了竹纤维的耐热性，但是受摩擦后容易与竹纤维
分离，使得摩擦系数不稳定，结合使用全硫化纳米粉末羧基丁腈橡胶，经过加热反应，使得
碳纳米管与竹纤维形成稳定牢固的结合，提高了摩擦稳定性，同时提高了竹纤维的稳定性，
在受热时形成柔软的碳化膜，使得摩擦系数高而稳定。通过使用掺钕、镱氧化钪纳米陶瓷
粉、氧氯化锆，在水性聚氨酯树脂的携带作用下，均匀覆盖在竹纤维表面，提高了竹纤维的
导热率和耐热性，防止竹纤维碳化，氧氯化锆还能提高全硫化纳米粉末羧基丁腈橡胶的稳
定性和耐热性。
具体实施方式
一种高导热碳纳米管改性碳纤维增强纸基摩擦材料，由下列重量份（公斤）的原料
制成：纳米铜粉1.1、碳纤维52、竹纤维27、碳纳米管3.5、全硫化纳米粉末羧基丁腈橡胶2.3、
芳纶浆粕5、硅烷偶联剂kh-550 1.3、硝酸铈3、碳化硅10、硼化锆14、固含量为20%腰果壳油
改性酚醛树脂10、掺钕、镱氧化钪纳米陶瓷粉2.6、氧氯化锆0.8、水性聚氨酯树脂0.4、水适
量。
所述高导热碳纳米管改性碳纤维增强纸基摩擦材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）将芳纶浆粕分散在水中，加入硅烷偶联剂kh-550，搅拌均匀，再加入纳米铜粉，搅拌
10分钟，干燥，粉碎，得到改性芳纶浆粕；
（2）将掺钕、镱氧化钪纳米陶瓷粉、氧氯化锆、水性聚氨酯树脂混合研磨均匀，得到混合
物料；将碳纳米管、全硫化纳米粉末羧基丁腈橡胶混合研磨均匀，得到粉末，将竹纤维加入
水中，边搅拌边加入所述粉末和所述混合物料，搅拌均匀，超声分散7分钟，干燥，在11MPa，
120℃，时间处理40s，得到改性竹纤维；
（3）将改性芳纶浆粕、改性竹纤维以及其他剩余成分放入水中，在疏解机中疏解均匀，
得到悬浮液，将悬浮液倒入100目筛的纸张成型器中制成厚度为0.7μm的薄片，将薄片在105
℃下真空干燥20分钟，将腰果壳油改性酚醛树脂喷涂在薄片上，自然晾干，再放入硫化机中
硫化，硫化条件为11MPa，120℃，时间为250s，即得。
实验数据：
本实施例的薄片的动摩擦系数为0.1386，动/静摩擦系数比为0.9164，动摩擦系数在
500次摩擦过程中的变异系数为0.73，磨损率为0.53×10-8cm3J-1。