树脂基低摩擦因数摩阻材料研究.pdf

塑料工业 CHI NA PLAS TI CS I NDUS TRY 第 4 1 卷第 1 0期 2 0 1 3年 1 0月 树脂基低摩擦因数摩阻材料研究 王全兵，张志军，刘爱学，邓凯恒 ( 株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 4 1 2 0 0 7 ) 摘要：在改性酚醛树脂体系中加入钼碳磷酸盐作为减摩降磨材料，制备了系列力学性能优异且磨损率低的低摩擦 因数摩阻材料。分别研究了树脂含量、钼碳磷酸盐用量对树脂基摩阻材料力学性能和摩擦性能的影响。结果表明，树 脂含量为2 0 ，Mo C为6 所制备的低摩擦因数摩阻材料兼具优异的力学性能和摩擦学性能，其冲击强度为 3 7 k J m ，摩擦因数为 0 2 1 3 ，磨损率为 1 71 0 c m ( N m) 。 关键词：酚醛树脂；钼碳磷酸盐；力学性能；摩擦因数；磨损率 DO I ：1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 5 5 7 7 0 2 0 1 3 1 0 0 0 4 中图分类号 ：T Q 3 2 3 1 文献标识码 ：A 文章编号 ：1 0 0 55 7 7 0 ( 2 0 1 3 ) 1 0 0 0 1 2 0 4 S t ud y o f Re s i n- ba s e d Fr i c t i o n M a t e r i a l s wi t h Lo w Fr i c t i o n Fa c t o r WA N G Q u a n b i n g ，Z HA N G Z h i - j u n ，L I U A i 。 x u e ，D E N G K a i 。 h e n g ( Z h u z h o u T i m e s N e w Ma t e r i a l T e c h n o l o g y C o ，L t d ，Z h u z h o u 4 1 2 0 0 7，C h i n a ) Ab s t r a c t ： S e ria l s o f f r i c t i o n ma t e r i a l s wi t h l O W f r i c t i o n f a c t o r a n d g o o d me c h a ni c a l p r o p e r t i e s we r e p r e p a r e d wi t h mo l y bd e n u m。 c a r b o n ph o s p h a t e a s f r i c t i o n ma t e r i a l s a dd i n g i nt o mo d i fie d ph e no l i c r e s i n T he i n flu e n c e s o f t h e c o n t e n t o f mo d i fi e d p h e n o l i c r e s i n a n d mo l y b d e nu m c a r bo n y l p h o s p h a t e o n t h e me c h a n i c a l a nd t r i bo l o g y p r o p e r t i e s we r e i n v e s t i g a t e d T he r e s u l t s h o we d t ha t t h e f ric t i o n ma t e ria l c o u l d g e t e x c e l l e n t me c h a n i c a l a n d t r i b o l o g y p r o p e r t i e s whe n t h e c o n t e n t o f mo di fie d p h e no l i c r e s i n a n d mo l y bd e n u m c a r b o n y l p h o s p h a t e w a s 2 0 a n d 6 ，i t s i mp a c t s t r e n g t h w a s 3 7 k J m ，t h e f ric t i o n f a c t o r wa s 0 2 1 3，t h e w e a r r a t e w a s 1 71 0一 a m Nmr e s p e c t i v e l y Ke y wo r d s ：P h e n o l i c R e s i n ； Mo l y b d e n u m c a r b o n P h o s p h a t e ； Me c h a n i c a l P r o p e rt y ； F r i c t i o n F a c t o r ； W e a r Ra t e 近年来 ，随着轨道交通 、航天航空等工业 的蓬勃 发展 ，高性能摩阻材料的需求量越来越大 ，科研人员 对摩阻材料的配方体系、成型工艺都做了大量系统的 研究 L 】 - 3 。有关树脂基摩 阻材料的文献 ，多集 中于 报导摩擦 因数为 0 3 5 0 5 0的材料配方、工艺及性 能研究 ，而对 于摩擦 因数 0 3 0的摩阻材料鲜有研 究。在诸多应用场合 ，由于制动装置的需要 ，必须装 备较低摩擦因数 的摩 阻材料。如法 国的 T G V就使用 K型和 L型两种低摩擦因数摩阻材料 ，要求摩擦因数 分别为 0 2 5和 0 1 7 ；而我国 T B T 2 4 0 4 -1 9 9 3和 T B T 2 0 7 1 1 9 8 9也分别规定了车辆和机车使用低摩 擦 因数摩阻材料 的技术 条件 J 。因此 ，研制高性能 低成本的低摩擦因数摩阻材料 ，很有现实意义。 钼碳磷酸盐 ( 简称 M o C )作为一种新型减摩降 磨材料 ，在很多领域可以替代二硫化钼等减摩降磨材 料 ，比如生产各种极压抗磨型润滑脂已成熟应用 ，而 且价格优势明显。但该材料在制备摩阻材料方面很少 有报道。 因此，本文以钼碳磷酸盐为减摩降磨材料 ，分别 研究 了不同树脂含量以及钼碳磷酸盐的用量对树脂基 摩阻材料力学性能和摩擦性能的影响，并且制备 了系 列力学性能优异且磨损率低 的低摩擦 因数 ( 0 2 0 0 2 5 )摩阻材料。 1 实验 部分 1 1实验原料及设备 改性酚醛树脂 ：1 2 5 1 ，圣莱克特化工有 限公 司； M o C：T 3 0 0 B，宁夏东科石 化有 限公 司 ；矿物 纤维 ： 荷兰 L a p i n u s矿物纤维公司 ；石 墨：3 2 5目，大冶旺 平摩擦材料厂；其他 ：市售 。 电热鼓风干燥箱 ：B P J - 9 0 3 0 A，上海和呈仪 器制 作者简介：王全兵，男，1 9 8 5年生，工程师 ，主要从事高性能耐磨材料研究的工作。0 7 3 1 2 8 4 4 5 1 9 3 ，w a n g q b t e g e n 第 4 1卷第 1 0期 王全兵 ，等：树脂基低摩擦因数摩阻材料研究 造有限公司；高速混合机：S H R 。 1 0 A，张家港轻工机 械厂 ；模压机 ：HY L 一 1 5 0 K，衡 阳华意机械有 限公司 ； 电子万能试 验机 ：G P T S 2 0 0 0 S ，深 圳高 品检测设 备 有限公司；球压痕硬度仪 ：T Q Y 。 ，吉林 泰和试验机 有限公司 ；冲击试 验机 ：X J J - 5 0，承德试 验机公 司 ； 销盘式摩擦机 ：MMW一 1 A，济南益华摩擦学测试技术 有限公司 ；金相显微镜 ：L e i c a D MI 5 0 0 0 M，德国徕卡 仪器有限公司。 1 2 试样制备 表 1 试验配方列表 ( 质量分数， ) T a b 1 S a mp l e s o f e x p e ri me n t 采用干法成型工艺 ，按 比例称取好各组分 ，加入 混料机高速搅拌 5 mi n ，制成模 压料 ，装模压制 ，出 模后进行热处理得到试样。 模压条件 ：温度 ( 1 6 0 5 ) o C；压力 1 5 MP a ；时 间 1 5 m i n 。热压初期每隔 1 0 2 0 s 放气一次 ，放气 5 8次。 热处理条件 ：采用梯度升温处理 ，处理工艺为 ： 室温升至 1 2 0 c I = 保 持 2 h ，以 0 5 m i n升 至 1 5 0 ，保持 3 h，然后再以 0 5 mi n升至 1 8 0 o C，保 持 5 h ，最后 以 0 5 mi n升至 2 0 0，保持 2 h 。 1 3 性能测试 冲击强度按照 G B T 1 0 4 3 1 2 0 0 8进行测试 ；球 压痕硬度按照 G B T 3 3 9 8 1 2 0 O 8进行测试 ；摩擦性 能参照 A S T M G 9 9 0 4，测试条件为：采用 小止环摩 擦副，对圆盘施加 6 2 5 N的力 ，以 1 0 0 r mi n的速率 进行试验 ，摩擦时间为 2 h ；采用金相显微镜观察摩 擦材料表面形貌 。 2 结 果与讨 论 2 1 酚醛 树脂 用 量选 择 2 1 1 酚醛树脂用量对材料力学性能的影响 按表 1配比 1 制备了含有不同比例改性酚醛树脂 的系列摩擦材料 ，表 2为摩擦材料的冲击强度和球压 痕硬度随树脂含量的变化情况 。从表 中可 以看 出，随 着树脂含量增加 ，摩擦材料的冲击强度依次增加 ，当 树脂质量分 数 为 2 0 时 ，冲击 强 度增 加 至 3 7 k J m ，而当树脂质量分数达到 4 0 时，冲击强度迅速 降至 2 3 k J m 。摩擦材料的球压痕硬度也表现出类 似的变化规律。这是 由于树脂在摩擦材料 中起粘接作 用 ，可以把各组分有机地粘接在一起，并传递和均匀 载荷 ，树脂含量低时 ，当摩擦材料中的各组分不能有 效粘合 ，致使树脂和其他组分粘接强度低 ；而随着树 脂含量的增加 ，各组分之间粘接得到加强而形成一个 有机整体 ，增强纤维和填料充分发挥其作用 ，冲击强 度和球压痕硬度也随之提高 ；当树脂含量过高后 ，树 脂会 出现 “ 富脂 ” 现象 ，冲击 强度 和 球压 痕 硬 度 降低。 表 2 树脂用量对材料力学性能影响 Tab 2 Ef f e c t o f r e s i n d os a g e o n me c ha n i c a l p r o p e r t i e s o f f r i c t i o n ma t e r i a 1 s 树脂质量分数 1 0 2 4 1 3 4 1 5 2 9 1 5 4 2 0 3 7 1 8 7 3 0 3 5 1 7 9 4 0 2 3 1 5 8 冲击 强度 k J n l 球压痕硬度 2 1 2 酚醛树脂用量对材料摩擦学性能的影响 g 邑 m g 啦 l 0 l 5 2 O 3 0 4 0 树脂质量分数， 图 1 树 脂用量对材料摩擦性能 的影 响 F i g 1 E f f e c t o f r e s i n d o s a g e o n t r i b o l o g y p r o p e r t i e s o f f r i c t i o n ma t e r i a l s 图 1给出了摩擦材料 的摩擦因数和磨损率随树脂 含量的变化情况。可以看 出，随着树脂含量的增加 ， 材料的摩擦因数呈先降低再增加的变化趋势 ，且在树 脂含量为 2 0 时 ，材料摩擦 因数最低 ，约为 0 2 3， 同时磨损率也表现出相似的变化规律 ，在树脂质量分 数为 2 0 时 ，磨 损 率低 至约 1 91 0 c m ( N m) 。这是由于树脂含量低 时 ，各组分不能很好地有 机结合 ，Mo C和石墨等摩擦性 能调 节材料不能发挥 最优效能 ，起不到减摩降磨的效果 ，而随着树脂含量 增加 ，各组分能更好地有机结合发挥最大效能 ；当树 脂质量分数大于 2 0 时，树脂会 出现 “ 富脂 ”现象 ， 第 4 1卷第 1 0期 王全兵 ，等 ：树脂基低摩擦因数摩阻材料研究 1 5 较细 ，材料磨损率也较低 ，这是可能由于在摩擦过程 中，由于犁削 、黏着以及基体树脂的热分解作用 ，使 摩擦 材 料表 层 中的 Mo C脱 离母 体 成为 磨料 。并且 M o C材料的低 硬度和 良好 的延展性 ，在 进一步 的摩 擦过程 中，借助对偶件 的压力 和运 动 ，M o C颗粒会 被磨薄磨 小并 填 补 贴 附在 摩擦 材 料 表 面 的 凹坑处 ( 包括犁沟 ) ，对表面接触起到均化作用 。随着薄 而 小 的颗粒的不断积累 ，在摩擦材料表面逐渐形成一不 连续的富 Mo C薄膜 ，并在对偶表面形成一层转移膜 。 膜 间稳定的接触状态 ，保证材料具有 良好的摩擦磨损 性能。随着 Mo C含量的进一步增加 ，磨痕逐步加宽 、 加深 ，这是 由于 Mo C含量 过多 ，表面未转化为转移 膜的 Mo C会 随着摩擦从表 面剥落 ，从而在表 面形成 过多的 “ 凹点” ，影响转移膜的形成 ，在摩擦过程 中 进一步增加摩擦 因数和磨损率。 从 以上实 验及结果 分析可知 ，当树脂基 含量为 2 0 ，钼碳磷酸盐用量为 6 时 ，可制备力学性 能优 异且磨损率低的低摩擦因数摩阻材料 ，其 中冲击强度 为 3 7 k J m ，摩擦 因数为 0 2 1 3 ，磨损率 为 1 7 1 0 c m ( N m) 。材料性能可 以满足铁道部运装货 车 2 0 0 7 2 5 0号文件关于 铁道货车转向架高分子 复合材料斜楔主摩擦板技术条件及检验方法 ，目前 该材料 已经用 作 铁路 货 车转 向架斜 楔 部 位 的摩 阻 材料。 3 结论 1 )树脂含量为 1 5 一 2 0 时 ，所制备 的摩擦材 料具有优异 的力学性能和摩擦磨损性能。 2 )钼碳 磷酸盐 可 以在 对偶 表面形 成一层 转移 膜 ，可明显降低材料的摩擦因数和磨损率 ，且在加入 量为 3 6 时所制备 的摩擦材料具有低摩擦 因数 和低磨损率。 3 )树脂量为 2 0 ，Mo C为 6 所制备的低摩擦 因数摩阻材料兼具优异的力学性能和低磨损性能。 参考文献 1 S O U T I S C C a r b o n fi b e r r e i n f o r c e d p l a s t i c s i n a i r c r a f t c o n s t r u c t i o n J Ma t e r S c i E n g ，A，2 0 0 5 ，4 1 2 ：1 7 1 1 7 6 2 吴耀庆 ，曾鸣，余玲，等多维复合增强汽车摩擦材料 J 复合材料学报，2 0 1 0 ，2 7( 5 ) ：7 98 5 3 章少阳酚醛树脂制动材料的制备与摩擦磨损性能研究 D 哈尔滨：哈尔滨工业大学 ，2 0 0 7 4 邵守钦 ，龚浩春国外铁道车辆非金属材料的应用现状 及发展趋势 J 国外铁道车辆 ，1 9 9 6( 3 ) ：1 3 5 王海庆，李 丽，孙毅，等，低摩擦系数 摩阻材料研制 J 非金属矿 ，1 9 9 9 ，2 2( 3 ) ：4 8 4 9 ( 本文于 2 0 1 30 81 4收至 ) 塑料加工技术瞄准 “ 新 三化” 中国塑料加工工业协会理事长钱桂敬在接受记者采访时表 示，近期出炉的 塑料加工行业技术进步 “ 十二五”发展指导意 见为塑料加工行业科技创新指 明了方向，即 “ 新三化”功 能化 、轻量化和微成型。 钱桂敬说 ：“ 塑料是未来电子信息、航空航天、生物技术、节 能减排 、环境保护 、智能交通、智慧城市等众多领域 中不可或缺 的材料 ， 而产业技术的进步和 自主创新能力的增强将是其胜任这 一 角色必须练好 的基本功。 ” 他表示 ，塑料制品的功能化、轻量 化 、微成型不仅是世界塑料工业的发展趋势 ，也代表 了塑料加工 业 国际先进成型技术水平，同时也是我 国塑料工业缩小与国际先 进水平差距 的重要抓手。 首先，增强塑料的功能性将满足国民经济和下游行业的迫切需 要。“ 十二五” 以来 ，节能环保、新能源、高端装备制造业 、新能 源汽车、生物技术等新兴行业发展如火如荼 ，对与之配套的塑料材 料性能提