一种氧化锌纳米线/碳布摩擦材料的制备方法【技术领域】
本发明属于摩擦材料领域，涉及一种在碳布上生长氧化锌纳米线/碳布摩擦材料
的制备方法。
【背景技术】
摩擦材料的性能要求：具有良好的摩擦系数和耐磨损性能，同时具有一定的耐热
性和机械强度，能满足车辆或机械的传动与制动的性能。目前常用的摩擦材料主要有有机
摩擦材料和粉末冶金摩擦材料。有机摩擦材料是一中三元复合材料，它是由高分子粘结剂，
纤维增强体和摩擦辅助剂构成，经过热压成型，在机械加工而制成的。碳纤维具有高比强
度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、耐磨损等优点，碳纤维布在横向与纵向均具有很好的强度、
具有高承载压力和优异的摩擦学性能，在复合材料中是性能优异的增强体材料。碳布增强
树脂摩擦材料主要应用于汽车自动变速器、差速器、同步器、扭矩管理器以及其他湿式离合
器中。文献1“公开号为CN102757621A的中国专利中”公开了一种湿式复合摩擦材料及其制
备方法，摩擦材料的组分包括：作为材料骨架的碳纤维、热固性树脂、固化剂和摩擦性能调
节剂。制备的方法为将丙酮或无水乙醇作为溶剂，酚醛树脂、乙二胺和陶瓷颗粒一次混合并
进行超声辅助分散，制成混合均匀、粘度适中的浸渍液，然后浸渍碳纤维布，干燥后对碳纤
维表面进行热压固化热处理。但其使用的碳纤维布未经任何处理，其碳纤维表面缺乏活性
官能团，表面能低，表面惰性大，与基体间的界面结合性能不够理想，界面存在较多缺陷，限
制了碳纤维增强复合材料优异性能的发挥。
纳米氧化物比表面积大，能够与树脂基体充分接触，可有效改善复合材料的摩擦
学性能。文献2“公开号为CN 101759862 A的中国专利中公开了一种纳米颗粒改性摩擦材料
的制备方法。其步骤包括：将树脂溶解在溶剂中形成树脂溶液。再将纳米颗粒分散到树脂溶
液中，然后将增强纤维浸入，同时添加表面活性剂，使得树脂、纳米颗粒以及增强纤维紧密
结合且分散均匀；再将上述表面包覆树脂的纳米颗粒及增强纤维与摩擦材料性能调节混
合，搅拌均匀干燥即可。该方法提高了摩擦材料的摩擦性能使用寿命。但纳米颗粒在树脂中
的均匀性很难保证，且纳米颗粒与增强纤维的结合较差。
【发明内容】
为解决现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种在碳布上生长氧化锌纳
米线/碳布摩擦材料及其制备方法。有效改善摩擦材料界面结合较弱的问题，大幅度提高摩
擦磨损的均匀性和稳定性，进而延长摩擦材料使用寿命。
本发明目的是通过以下技术方案来实现的：
一种氧化锌纳米线/碳布摩擦材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：将碳布在丙酮中浸泡24-48h，再用无水乙醇和去离子水清洗，烘干得样品
A；
步骤二：将样品A在双氧水或甲酸中浸泡12-24h，用去离子水清洗后，在50-80℃的
烘箱烘干得样品B；
步骤三：锌源晶种层溶胶的配置：按锌与OH-摩尔比为1:2将第一锌源和第一碱源
分别溶于无水乙醇中，搅拌得溶液B、C，然后将溶液B和C冷却到室温，从溶液B和C中分别取
少量加入到无水乙醇中得溶液D、E，将D、E两种溶液混合得到溶液F，搅拌混合均匀静置后得
溶胶F；
步骤四：氧化锌晶种层的浸渍：将样品B在溶胶F中浸渍5-30min，在100-150℃的烘
箱中烘干，反复多次得样品C；
步骤五：锌源生长液的配制：按摩尔比为1:1将第二锌源和第二碱源加入到去离子
水中得溶液G；
步骤六：调节生长液的pH：采用碱性溶液将溶液G的pH调节为8-10的到溶液I；
步骤七：将样品C在溶液I中并在水热内衬中进行水热生长，其中，水热温度为70-
120℃，生长时间为10-24h得样品D；
步骤八：样品D浸渍改性的酚醛树脂溶液，浸渍树脂的装置与碳布大小相当，在封
口的条件下浸渍24-48h，取出自然晾干，得样品E，称样品E的质量，使得树脂的质量在复合
材料中占30-35％，对其进行热压成型得到氧化锌纳米线/碳布增强树脂摩擦材料。
步骤一中，所述的碳布裁剪为长方形，四周用线锁边。
步骤三中，所述的第一锌源为二水醋酸锌，所述的第一碱源为氢氧化钠或乙醇胺。
所述锌源晶种层溶胶的配制方法为：将二水醋酸锌与氢氧化钠或乙醇胺分别溶于
乙醇中，在50-80℃下搅拌均匀，得到摩尔浓度比为1：2的溶液B和溶液C，将溶液B和C冷却至
室温后，分别取1/2溶液B和2/5溶液C分别加入到无水乙醇溶液中，得到溶液浓度为B溶液浓
度1/4的溶液D和溶液浓度为C溶液浓度1/2的溶液E，然后在50-80℃下，将溶液E逐滴加入到
溶液D中，搅拌、静置后得到锌源晶种层溶胶。
步骤五中，第二锌源为六水硝酸锌、氯化锌和硫酸锌，第二碱源为环六亚甲基四胺
或氟化铵。
步骤六中，调节生长液的pH采用碱性溶液为氨水或氢氧化钠。
步骤七中，将碳布卷起固定住放置于水热内衬中，其中生长液的体积为水热反应
内衬体积比的40％-60％。
步骤八中，改性的酚醛树脂为丁腈橡胶或腰果壳改性的酚醛树脂。
步骤八中，热压成型的条件为：温度150-170℃，时间8-12min，压力8-12MPa，热压
厚度为0.4-0.6mm。
相对于现有技术，本发明具有以下优点：
本发明的制备方法首先采用丙酮、双氧水对碳布进行浸泡，接着在碳布表面接种
一层氧化锌晶种层，然后利用水热法在一定的生长环境中在碳布表面均匀生长氧化锌纳米
线，对处理后的碳布浸渍改性的酚醛树脂溶液，最后热压成型即可。采用双氧水或甲酸对碳
布进行活化处理，使碳布表面含氧官能团增加且对纤维强度损伤较小，具有简单，对设备要
求低等特点。其次在碳布表面接种一层氧化锌晶种层，有利于在一定的水热生长体系中均
匀生长出氧化锌纳米线，增强碳布与树脂的结合。再者生长在碳布表面的氧化锌纳米线比
直接添加进入摩擦材料中的氧化锌填料更加均匀且结合更强，有利于提高摩擦材料摩擦磨
损性能。在在碳纤维表面均匀生长纳米氧化锌，使纳米氧化锌/碳纤维多尺度增强体“犬牙
交错”状分布在基体中，充分发挥增强纤维、纳米氧化物与基体的协同作用，则将有效改善
摩擦材料界面结合较弱的问题，大幅度提高摩擦磨损的均匀性和稳定性，进而延长摩擦材
料使用寿命。总体是一设备简单、过程可控的制备方法。
【附图说明】
图1为未改性碳纤维与水热生长氧化锌纳米线/碳布SEM照片对比图，其中图1(a)
为未经碳纤维表面微观形貌，图1(b)为氧化锌纳米线/碳布的微观形貌，条件为水热90℃，
10h。
图2为氧化锌纳米棒生长在碳纤维上的XRD图。
图3为样品的摩擦率与原始样品摩擦率的对比图，其中C1为未改性的碳布摩擦材
料，C2为氧化锌纳米线/碳布摩擦材料。
【具体实施方式】
本发明提供了一种氧化锌纳米线/碳布摩擦材料的制备方法，首先采用丙酮、双氧
水(H2O2)等对碳布进行浸泡，前者去除碳布表面有机杂质，使碳布表面含氧官能团增加，接
着在碳布表面接种一层氧化锌晶种层，然后利用水热法在一定的生长环境中在碳布表面均
匀生长氧化锌纳米线，对处理后碳布浸渍改性的酚醛树脂溶液，取出自然风干，用硫化机进
行热压得到其摩擦材料。本发明通过双氧水或甲酸碳布使碳布表面含氧官能团增多，进行
晶种层浸渍有利于氧化锌在一定的水热环境中均匀生长成氧化锌纳米线。氧化锌具有活性
大、硬度适中等特点，生长在碳纤维表面的氧化锌纳米线均匀性好且两者之间结合强度较
大，更有益于碳布与树脂的结合，改善摩擦材料的摩擦磨损性能。具体包括以下步骤：
步骤一：将5cm*8cm碳布在丙酮中浸泡24-48h，再用无水乙醇和去离子水清洗3-5，
然后烘干的样品A。
步骤二：将碳布在分析纯的双氧水中浸泡12-24h。用去离子水清洗3-5次，并在50-
80℃的烘箱烘干的样品B。
步骤三：锌源晶种层溶胶的配置。按摩尔比为1:2将二水硝酸锌和氢氧化钠(或乙
醇胺)分别溶于无水乙醇中，在一定温度下大力搅拌得溶液B、C，然后将溶液B和C冷却到室
温，从溶液B和C中分别取少量加入到一定量无水乙醇中得溶液D、E，在一定温度下将D、E两
种溶液混合地溶液F，搅拌混合均匀静置得溶胶F。具体为：
首先将0.5-5mmol二水醋酸锌溶于40-400ml无水乙醇中，将1-10mmol氢氧化钠或
乙醇胺溶于50-500ml无水乙醇中，在温度为50-80℃，500-800r/min下搅拌5-20min分别得
溶液B、C，将溶液B和C冷却到室温。
然后，从溶液B中取的20-100ml加入到160-800ml无水乙醇中得溶液D，从溶液C中
取出20-100ml加入到50-250ml无水乙醇中得溶液E，在50-80℃下将溶液E缓慢滴加到溶液
D，在500-800r/min下搅拌5-30min得溶液F。将溶液F冷却至室温静置12-48h得溶胶F。
步骤四：氧化锌晶种层的浸渍。样品B在溶胶F中浸渍5-30min，在100-150℃的烘箱
中烘干，反复1-9次得样品C。
步骤五：锌源生长液的配制。按摩尔比为1:1将锌源(六水硝酸锌、氯化锌和硫酸
锌)和碱源(环六亚甲基四胺或氟化铵)加入到200-500ml的去离子水中得溶液G。
步骤六：调生长液的pH。采用碱性溶液(氨水，氢氧化钠)将溶液G的pH调节制8-10
的到溶液I。
步骤七：将样品C在溶液I体积比为40-60％的水热反应内衬中水热生长，其中，水
热温度为70-120℃，生长时间为10-24h得样品D。
步骤八：样品D浸渍改性的酚醛树脂溶液，浸渍树脂的装置与碳布大小相当，在封
口的条件下浸渍24-48h，取出自然晾干，得样品E，称样品E的质量，保证树脂的质量在复合
材料中占30-35％，对其进行热压成型得到氧化锌纳米线/碳布增强树脂摩擦材料。浸渍改
性酚醛树脂溶液保证其质量占复合材料的30-35％，热压温度150-170℃，热压时间8-
12min，热压压力为8-12MPa，热压厚度为0.4-0.6mm。
实施例1
步骤一：将5cm*8cm碳布在丙酮中浸泡24h，再用无水乙醇和去离子水清洗3次，然
后烘干得样品A。
步骤二：将碳布在分析纯的双氧水中浸泡12h。用去离子水清洗3次，并在70℃的烘
箱烘干的样品B。
步骤三：锌源晶种层溶胶的配置。将1mmol二水醋酸锌和2mmol氢氧化钠分别溶于
80ml和100ml无水乙醇中在60℃，500r/min下搅拌得溶液B、C，然后将溶液B和C冷却到室温，
从溶液B取40ml溶液加入到320ml无水乙醇中得溶液D，从溶液C中取40ml加入到100ml无水
乙醇中得溶液E，在65℃下将溶液E缓慢滴加到溶液D中，500r/min搅拌10min混合均匀静置
24h得溶胶F。
步骤四：样品B在溶胶F中浸渍晶种层。样品A在溶胶F中浸渍10min，在100℃的烘箱
中烘干，反复3次得样品C。
步骤五：锌源生长液的配制。将10mmol六水硝酸锌和10mmol的环六亚甲基四胺加
入到250ml的去离子水中得溶液G。
步骤六：调生长液的pH。采用分析纯的氨水将溶液G的pH调节制9得到溶液I。
步骤七：将样品C在溶液I体积比为40％的水热反应内衬中水热温度为90℃下生长
10h得样品D。
步骤八：样品D浸渍改性的酚醛树脂溶液，浸渍装置与碳布尺寸相当，封口条件下
碳布浸渍24h后取出自然晾干，得样品E，称样品E的质量，保证树脂质量分数在30％，对其进
行热压成型得到氧化锌纳米棒/碳布增强树脂摩擦材料，热压成型的条件为：温度：150℃，
时间8min，压力：10MPa，热压厚度为0.4mm。
实施例2
步骤一：将5cm*8cm碳布在丙酮中浸泡24h，再用无水乙醇和去离子水清洗3次，然
后烘干得样品A。
步骤二：将碳布在分析纯的双氧水中浸泡12h。用去离子水清洗3次，并在70℃的烘
箱烘干的样品B。
步骤三：锌源晶种层溶胶的配置。将1mmol二水醋酸锌和2mmol氢氧化钠分别溶于
80ml和100ml无水乙醇中在60℃，500r/min下搅拌得溶液B、C，然后将溶液B和C冷却到室温，
从溶液B取40ml溶液加入到320ml无水乙醇中得溶液D，从溶液C中取40ml加入到100ml无水
乙醇中得溶液E，在65℃下将溶液E缓慢滴加到溶液D中，500r/min搅拌10min混合均匀静置
24h得溶胶F。
步骤四：样品B在溶胶F中浸渍晶种层。样品A在溶胶F中浸渍10min，在100℃的烘箱
中烘干，反复5次得样品C。
步骤五：锌源生长液的配制。将12mmol六水硝酸锌和12mmol的环六亚甲基四胺加
入到250ml的去离子水中得溶液G。
步骤六：调生长液的pH。采用分析纯的氨水将溶液G的pH调节至10得到溶液I。
步骤七：将样品C在溶液I体积比为50％的水热反应内衬中水热温度为90℃下生长
12h得样品D。
步骤八：样品D浸渍改性的酚醛树脂溶液，浸渍装置与碳布尺寸相当，封口条件下
碳布浸渍48h后取出自然晾干，得样品E，称样品E的质量，保证树脂质量分数在30％，对其进
行热压成型得到氧化锌纳米棒/碳布增强树脂摩擦材料，热压成型的条件为：温度：150℃，
时间8min，压力：10MPa，热压厚度为0.4mm。
实施例3
步骤一：将5cm*8cm碳布在丙酮中浸泡24h，再用无水乙醇和去离子水清洗5次，然
后烘干得样品A。
步骤二：将碳布在分析纯的双氧水中浸泡24h。用去离子水清洗5次，并在70℃的烘
箱烘干的样品B。
步骤三：锌源晶种层溶胶的配置。将1mmol二水醋酸锌和2mmol氢氧化钠分别溶于
80ml和100ml无水乙醇中在60℃，500r/min下搅拌得溶液B、C，然后将溶液B和C冷却到室温，
从溶液B取40ml溶液加入到320ml无水乙醇中得溶液D，从溶液C中取40ml加入到100ml无水
乙醇中得溶液E，在65℃下将溶液E缓慢滴加到溶液D中，500r/min搅拌10min混合均匀静置
24h得溶胶F。
步骤四：样品B在溶胶F中浸渍晶种层。样品A在溶胶F中浸渍10min，在100℃的烘箱
中烘干，反复7次得样品C。
步骤五：锌源生长液的配制。将10mmol六水硝酸锌和10mmol的环六亚甲基四胺加
入到250ml的去离子水中得溶液G。
步骤六：调生长液的pH。采用分析纯的氨水将溶液G的pH调节制10得到溶液I。
步骤七：将样品C在溶液I体积比为60％的水热反应内衬中水热温度为70℃下生长
16h得样品D。
步骤八：样品D浸渍改性的酚醛树脂溶液，浸渍装置与碳布尺寸相当，封口条件下
碳布浸渍24h后取出自然晾干，得样品E，称样品E的质量，保证树脂质量分数在30％，对其进
行热压成型得到氧化锌纳米棒/碳布增强树脂摩擦材料，热压成型的条件为：温度：150℃，
时间8min，压力：10MPa，热压厚度为0.4mm。
实施例4
步骤一：将5cm*8cm碳布在丙酮中浸泡24h，再用无水乙醇和去离子水清洗5次，然
后烘干得样品A。
步骤二：将碳布在分析纯的双氧水中浸泡24h。用去离子水清洗5次，并在60℃的烘
箱烘干的样品B。
步骤三：锌源晶种层溶胶的配置。将1mmol二水醋酸锌和2mmol氢氧化钠分别溶于
80ml和100ml无水乙醇中在60℃，500r/min下搅拌得溶液B、C，然后将溶液B和C冷却到室温，
从溶液B取40ml溶液加入到320ml无水乙醇中得溶液D，从溶液C中取40ml加入到100ml无水
乙醇中得溶液E，在65℃下将溶液E缓慢滴加到溶液D中，500r/min搅拌10min混合均匀静置
24h得溶胶F。
步骤四：样品B在溶胶F中浸渍晶种层。样品A在溶胶F中浸渍10min，在100℃的烘箱
中烘干，反复9次得样品C。
步骤五：锌源生长液的配制。将6mmol六水硝酸锌和6mmol的环六亚甲基四胺加入
到250ml的去离子水中得溶液G。
步骤六：调生长液的pH。采用氢氧化钠溶液将溶液G的pH调节制10得到溶液I。
步骤七：将样品C在溶液I体积比为60％的水热反应内衬中水热温度为90℃下生长
24h得样品D。
步骤八：样品D浸渍改性的酚醛树脂溶液，浸渍装置与碳布尺寸相当，封口条件下
碳布浸渍48h后取出自然晾干，得样品E，称样品E的质量，保证树脂质量分数在32％，对其进
行热压成型得到氧化锌纳米棒/碳布增强树脂摩擦材料，热压成型的条件为：温度：150℃，
时间8min，压力：10MPa，热压厚度为0.6mm。
实施例5
一种氧化锌纳米线/碳布摩擦材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：将5cm*8cm碳布在丙酮中浸泡24h，再用无水乙醇和去离子水清洗3，然后
烘干的样品A。
步骤二：将碳布在分析纯的双氧水中浸泡12h。用去离子水清洗3次，并在50℃的烘
箱烘干的样品B。
步骤三：锌源晶种层溶胶的配置。按摩尔比为1:2将二水硝酸锌和氢氧化钠(或乙
醇胺)分别溶于无水乙醇中，在一定温度下大力搅拌得溶液B、C，然后将溶液B和C冷却到室
温，从溶液B和C中分别取少量加入到一定量无水乙醇中得溶液D、E，在一定温度下将D、E两
种溶液混合地溶液F，搅拌混合均匀静置得溶胶F。具体为：
首先将0.5mmol二水醋酸锌溶于40ml无水乙醇中，将1mmol氢氧化钠或乙醇胺溶于
50ml无水乙醇中，在温度为50℃，500r/min下搅拌5min分别得溶液B、C，将溶液B和C冷却到
室温。
然后，从溶液B中取的20ml加入到160ml无水乙醇中得溶液D，从溶液C中取出20ml
加入到50ml无水乙醇中得溶液E，在50℃下将溶液E缓慢滴加到溶液D，在500r/min下搅拌
5min得溶液F。将溶液F冷却至室温静置12h得溶胶F。
步骤四：氧化锌晶种层的浸渍。样品B在溶胶F中浸渍5min，在100℃的烘箱中烘干，
反复2次得样品C。
步骤五：锌源生长液的配制。按摩尔比为1:1将锌源(六水硝酸锌、氯化锌和硫酸
锌)和碱源(环六亚甲基四胺或氟化铵)加入到500ml的去离子水中得溶液G。
步骤六：调生长液的pH。采用碱性溶液(氨水，氢氧化钠)将溶液G的pH调节制8的到
溶液I。
步骤七：将样品C在溶液I体积比为40％的水热反应内衬中水热生长，其中，水热温
度为70℃，生长时间为10h得样品D。
步骤八：样品D浸渍改性的酚醛树脂溶液，浸渍树脂的装置与碳布大小相当，在封
口的条件下浸渍24h，取出自然晾干，得样品E，称样品E的质量，保证树脂的质量在复合材料
中占30％，对其进行热压成型得到氧化锌纳米线/碳布增强树脂摩擦材料。浸渍改性酚醛树
脂溶液保证其质量占复合材料的30％，热压温度150℃，热压时间8min，热压压力为8MPa，热
压厚度为0.4mm。
实施例6
一种氧化锌纳米线/碳布摩擦材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：将5cm*8cm碳布在丙酮中浸泡24-48h，再用无水乙醇和去离子水清洗3-5，
然后烘干的样品A。
步骤二：将碳布在分析纯的双氧水中浸泡24h。用去离子水清洗5次，并在80℃的烘
箱烘干的样品B。
步骤三：锌源晶种层溶胶的配置。按摩尔比为1:2将二水硝酸锌和氢氧化钠(或乙
醇胺)分别溶于无水乙醇中，在一定温度下大力搅拌得溶液B、C，然后将溶液B和C冷却到室
温，从溶液B和C中分别取少量加入到一定量无水乙醇中得溶液D、E，在一定温度下将D、E两
种溶液混合地溶液F，搅拌混合均匀静置得溶胶F。具体为：
首先将5mmol二水醋酸锌溶于400ml无水乙醇中，将10mmol氢氧化钠或乙醇胺溶于
500ml无水乙醇中，在温度为80℃，800r/min下搅拌20min分别得溶液B、C，将溶液B和C冷却
到室温。
然后，从溶液B中取的100ml加入到800ml无水乙醇中得溶液D，从溶液C中取出
100ml加入到250ml无水乙醇中得溶液E，在80℃下将溶液E缓慢滴加到溶液D，在800r/min下
搅拌30min得溶液F。将溶液F冷却至室温静置48h得溶胶F。
步骤四：氧化锌晶种层的浸渍。样品B在溶胶F中浸渍30min，在150℃的烘箱中烘
干，反复9次得样品C。
步骤五：锌源生长液的配制。按摩尔比为1:1将锌源(六水硝酸锌、氯化锌和硫酸
锌)和碱源(环六亚甲基四胺或氟化铵)加入到500ml的去离子水中得溶液G。
步骤六：调生长液的pH。采用碱性溶液(氨水，氢氧化钠)将溶液G的pH调节制10的
到溶液I。
步骤七：将样品C在溶液I体积比为60％的水热反应内衬中水热生长，其中，水热温
度为120℃，生长时间为24h得样品D。
步骤八：样品D浸渍改性的酚醛树脂溶液，浸渍树脂的装置与碳布大小相当，在封
口的条件下浸渍48h，取出自然晾干，得样品E，称样品E的质量，保证树脂的质量在复合材料
中占35％，对其进行热压成型得到氧化锌纳米线/碳布增强树脂摩擦材料。浸渍改性酚醛树
脂溶液保证其质量占复合材料的35％，热压温度170℃，热压时间12min，热压压力为12MPa，
热压厚度为0.6mm。
从图1a为原始的碳纤维图，可以看出直径大约为7um，表面有深浅不一的沟槽；图
1b中可以看出在碳纤维表面均匀生长出纳米线状物质。(实施例1)
从图2的样品的XRD图中可以看出在碳纤维表面生长的物质为氧化锌且物质的结
晶性比较好，在(002)晶面有取向生长，表明在经过氧化后的碳纤维表面生长出了氧化锌纳
米线。
从图3可以看出，样品C1为氧化锌纳米棒生长于碳布上所制成的复合材料，相比于
原始样C0磨损率较低了57％，有助于提高耐磨性。(实施例1)。