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贵州大学硕士学位论文混杂纤维对盘式制动器衬片性能影响的研究 混杂纤维对盘式制动器衬片性能影响的研究 摘要 本课题查阅和分析大量国内外文献，在实验研究增强纤维对材料摩擦磨损性 能影响的基础上，通过正交试验设计，借助方差分析和显著性分析，探讨了三种 非石棉矿物增强纤维及其混杂交互作用对汽车盘式制动器衬片摩擦磨损性能的 影响，为新型摩擦材料开发研究提供了新的思路。 本文主要包含以下内容： 1 ) 制定盘式制动器衬片的压制工艺。 2 ) 通过对五种矿物纤维、有机芳纶纤维的单种纤维增强盘式制动器衬片的 摩擦磨损性能研究，认为将坡缕石纤维、非石棉复合纤维、针状硅灰石及芳纶浆 粕四种增锰纤维馄泶，口j 获得复合协同效应。 3 ) 对盘式制动器衬片配方进行正交设计，并用方差分析法对实验数据进行 处理，对影响制品摩擦磨损性能的因素及交互作用进行显著性分析，获得一个较 优性价比的水平组合，可满足盘式制动器衬片的性能要求。 关键词：混杂纤维；汽车盘式制动器衬片：正交设计；摩擦系数；磨损率；冲击 强度 本课题受国家自然科学基金( e 0 5 0 2 0 2 0 1 ) 和贵州省优秀人才省长基金资助。 i i 贵州大学硕士学位论文混杂纤维对盘式制动器衬片性能影响的研究 s t u d yo f t h eh y b i df i b r e so nf r i c t i o np e r f o r m a n c eo f v e h i c l eb r a k e p a d a b s t r a c t b a s e do nl o t so fl i t e r a t u r eo ff r i c t i o nm a t e r i a l s ，t h e p a p e rs t u d i e st h r e e n o n - a s b e s t o sr e i n f o r c e df i b r e sa n dt h e i rh y b i di n t e r a c t i o n sa f f e c t so nf r i c t i o na n d w e a rp r o p e r t i e so fv e h i c l eb r a k ep a db yo r t h o g o n a lt e s td e s i g nv a r i a n c ea n a l y s i sa n d c o n f i d e n c ea n a l y s i s ，w h i c ho f f e r sa l lo r i g i n a lm e t h o df o ran e wt y p eo ff r i c t i o n m a t e r i a l m a i nr e s e a r c h e so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w i n g ： 1 、e s t a b l i s ht h ef a b r i c a t i o nt e c h n i q u eo ft e s ts a m p l e s ； 2 、t h r o u g ht h er e s e a r c ho ff r i c t i o na n dw e a rp r o p e r t i e so fv e h i c l eb r a k ep a d r e i n f o r c e dr e s p e c t i v e l yw i t hf i v em i n e r a lf i b r e sa n dk e v l a r , t h eh y b i df i b r e s w i t hf i b r o u sp a l y g o r s k i t e ( 2 0m e s h ) ，n o n - a s b e t o sc o m p o u n df i b r e s ( n a c f ) ， s p i c u l a t ef i b r o u sw o l l a s t o n i t e a n dk e v l a rp u l pm a yo b t a i n c o m p o s i t e c o o p e r a t i o ne f f e c t 3 、d e s i g nt h ef o r m u l af o rv e h i c l eb r a k ep a db yo r t h o g o n a lm e t h o d ，b s cv a r i a n c e a n a l y s i s t od e a lw i t ht e s td a t u m ，a n a l y z et h ef a c t o r sa f f e c t i n gf r i c t i o na n d w e a rp r o p e r t i e so fp r o d u c t sa n di n t e r a c t i o nc o n f i d e n c e t h eo p t i m u m c o m b i n a t i o nw i t hc o s tp e r f o r m a n c ea r eo b t a i n e dt om e e tt h ep r o p e r t i e s r e q u i r e m e n t so fv e h i c l eb r a k ep a d k e y w o r d s ：h y b r i df i b r e ；b r a k ep a d ；o r t h o g o n a ld e s i g n ；f r i c t i o nc o e f f i c i e n t ；w e a r i n g r a t e ；i m p a c ts t r e n g t h s u p p o r t e db yn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o r n d a t i o n so fc h i n a ( e 0 5 0 2 0 2 0 1 ) a n d g o v e r n o rf o u n d a t i o nf o re x c e l l e n ts c h o l a ri ng u i z h o up r o v i n c e 1 1 i 贵州大学硕士学位论文 混杂纤维对盘式制动器衬片性能影响的研究 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的 研究在做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：剖耻 日 华千学脚诊寸储田樗舸的吉明 、一jj阻y u 八队j 一 、h 一一 本人完全了解贵州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权贵州大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) ：样新虢咝聊：妇 贵州大学硕士学位论文混杂纤维对盘式制动器衬片性能影响的研究 第1 章前言 1 1 汽车摩擦材料的概况 汽车摩擦材料随着汽车工业的不断发展与扩大，相继经历了石棉摩擦材料、 半金属摩擦材料、混杂纤维增强摩擦材料等发展阶段。在过去的二十多年中，由 于石棉摩擦材料中的石棉被证明对人体有致癌危害1 1 】，在许多国家已禁止使用石 棉摩擦材料。各国近年来积极致力于无石棉摩擦材料的研究。在大部分汽车特别 是轿车的前盘制动器中，都已采用半金属无石棉摩擦材料。半金属摩擦材料，由 于具有散热性能好，摩擦系数稳定，耐磨性好等特点，是国内广泛推广应用的无 石棉制动摩擦材料刚。由于半金属摩擦材料存在密度大、硬度高、易锈蚀、损 伤对偶，特别是易产生制动噪音等问题，限制了它的进一步发展和作用。因此， 摩擦材料行业当前面临的任务是针对发展与应用的要求，从技术、经济和环境等 因素出发，致力于具有更好的抗热衰退性能、更长的寿命且有利于环保和人类健 康的新型高性能摩擦材料的开发研究【”。 l 。1 1 我囤汽车摩擦材料的发展现状与趋势 汽车摩擦材料是汽车工业中的一种重要产品，我国同世界各先进工业国家一 样对汽车摩擦材料的研究给予了极高的重视。我国汽车工业的迅速发展，对摩擦 材料的消费起到了强劲的推动作用，也提出了更高的要求。近年来，我国摩擦材 料的发展呈现出巨大的变化1 5 l 。 我国摩擦材料的年产量快速增长，出口率也不断提高。全行业与国际同行的 交流、合作日趋活跃，在9 0 年代中期，较好地完成了股份改造和资产重组，实 现资产优化配置，促成行业内部的专业化分工，原先必须由制品企业完成的原料 制备工序和工装、模具的加工工作，可由有关的矿山、化工和机械企业等供应， 缩短了工艺流程，减少了技术控制和生产调度的环节，有利于提高产、质量，加 快了技术创新及新产品开发的步伐。而且，许多的大专院校和科研机构进行摩擦 材料的教学和科研开发，成为行业技术进步的坚强后盾。其中著名的有清华大学 贵州大学硕士学位论文混杂纤维对盘式制动器衬片性能影响的研究 的国家级重点实验室一摩擦学实验室、吉林大学机电设备研究所、咸阳非金属矿 研究院、中科院广西物理研究所、长春应用化学研究所，以及华东理工大学、武 汉理工大学、浙江科技学院、中国地质大学、西南交通大学等。 我国的摩擦材料注重环保，无石棉化将成为定局。1 9 9 9 年，国家质量监督 检验检疫总局在强制性标准g b l 2 6 7 6 中做出规定，从2 0 0 3 年1 0 月1 日起，“制 动衬片应不含石棉”。通过技术引进和自主开发，多数摩擦材料企业已完成了实 验室开发或中间试验，研制出形形色色的无石棉刹车片和离合器片，一些企业还 实现了大批量生产。外商向我国推介l a p i n u s 纤维、t w a r o n 纤维和e 1 陌纤维等 非石棉纤维，有部分企业引进使用，但大多数企业仍是结合我国市场实际和资源 优势，选择国产的f k f 纤维、硅酸铝纤维、超细陶瓷纤维、岩棉、膨体玻璃纤 维、芳纶浆粕、纤维素纤维、刚质木质短纤维、蛭石、海泡石、硅灰石、纤维水 镁石等作为代用纤维，通常是使用其中数种材料的混合物。 我国摩擦材料行业的技术水甲明显提高。技术观念焕然更新，工艺方法不断 改进，设备配套能力显著加强。熟练掌握了各种原料的作用及对产品性能的影响， 认识到粗加工物料不利于稳定产品质量，开始倾向于使用结晶性好的工业化原 料，如用工业硫酸钡去代替矿物重晶石粉；用人造石墨、焙烧石油炭粉代替灰分 较大的矿物碳质材料等。过去，对摩擦系数如何设定是长期来争论较多的话题， 通过对照国际标准和为主机厂配套的经验积累，现在日趋一致的看法是不应孤立 地看待摩擦系数，其指标并不是越高越好，而应视车型、地域和行驶条件具体设 定，否则反而不能安全制动，还会产生噪音、污染环境等。现在摩擦材料技术界 比较集中地反映，要想科学、真实地检验产品的质量性能，仅靠定速式试验机是 远远不够的，美国的蔡氏试验机也不能完全胜任，必须通过台架试验设备来完成， 现在有不少企业不惜重金购买这种关键设备，这种认识目前与一些发达国家的技 术思路相吻合。许多新的工艺方法在不断地被创造出，例如对钢纤维的预浸渍及 防锈处理，对无机代用纤维的偶联剂处理，在无石棉摩擦材料的生产中得到了普 遍应用；采用冷压法或低加热法工艺，既节省了能源，又可显著改善产品的质量 性能。新工艺往往伴随着新材料的应用和新产品的诞生，先后出现了柔性刹车片， 层压型刹车片，衬布型鼓式刹车片，纺织型刹车块，缠绕式离合器片，湿法抄取 型刹车片，低密度刹车片等。通过引进、消化、吸收国外先进的设备制造技术， 2 贵州大学硕士学位论文混杂纤维对盘式制动器衬片性能影响的研究 研制出符合我国行业特点的系列化设备，价格远低于同类进口产品，受到企业欢 迎。这些设备主要有犁耙式混料机、2 5 0 t 六层压机、6 m x 8 0 m 自动热压机组、内 外弧全自动磨床、多排多孔钻床、盘式刹车片成套生产设备、缠绕式离合器片成 套生产设备、k l a u s s ( 克劳斯) 试验机、j f l 2 2 型克劳斯惯性台架试验机等。 总的来说，我国摩擦材料呈现良好的发展趋势，但与世界水平相比，仍有一 定的差距i 鹋】。汽车摩擦材料品种( 配方) 比较单一，大多是一种配方用于多种车 型，这不仅使摩擦材料的效益不能充分发挥，而且与我国幅员辽阔，路况不一的 地理条件极不相称。国外摩擦材料产品品种较多，大体上是按所能承担的负载( 温 度、速度、比压) 、耐磨性能分档，同时列出所能覆盖的车种，如小客车、载货 车等。用户根据汽车车型种类、使用条件和要求选配。例如，前西德t e x t a r 公司在1 9 7 6 年即具有2 0 种汽车鼓式制动衬片配方，并完整地提供产品的摩擦系 数、速度、温度、压力和磨损特性。而产品系列化在我国目前还未成定局。我国 汽车摩捧材料生声工艺和技术装备比较落后：生产工艺到旦前为止都是比较传统 的干法工艺及湿法工艺，这些工艺能源消耗大，制品质量难以进一步提高，而其 它先进国家中早已采用冷压法、挤出法、胶乳浸渍法、缠绕法和注射法等新工艺。 目前，我国非石棉摩擦材料如半金属及混杂纤维型材料的研制和生产在制造 技术方面虽取得一些成果，但在连续性、大批量、高速度及优质生产等方面，与 国外相比仍存在很大羞距：1 ) 生产配科及称量万面，幽外采用机械化、自动化 配料和称量，而我国大都为人工操作；2 ) 生产过程中国外对其温度、压力、时 间等工艺参数采用微机控制，而我国大都为人工控制：3 ) 制品外形尺寸的精度， 国外小于0 0 5 m m ，而我国n 4 , 于0 3 m m ；4 ) 制品表面国外采用自动化表面烧 灼处理，而我国对其表面基本未作烧灼处理；5 ) 产品防噪声、防锈蚀及打印商 标等，国外采用自动化或机械化操作，而我国在这方面仍很落后。 我国汽车摩擦材料一直沿用石棉制品，现在无石棉摩擦材料的研制和生产已 取得重大进展，但产品的品种系列性差，性能等级不分明，稳定性、热衰退性及 其它性能也较差。例如f 8 j 非石棉摩擦材料所占比重仍很少：国外非石棉摩擦材料 已占摩擦材料总量的9 0 ，而我国则刚起步；国外产品热衰退率为2 5 3 0 ， 而我国高达4 0 5 0 ；我国同类产品的磨损率比国外高1 倍以上；国外产品的 硬度为h b 2 5 ，而我国为h b 3 5 h b 4 0 ；国外产品的密度为1 7 0 0 8 9 c m 3 ，我国 贵州大学硕士学位论文混杂纤维对盘式制动器衬片性能影响的研究 产品密度大多在2 0 9 c m 3 以上；国外制动片使用寿命高达( 4 5 ) 1 0 4 k m ，而我国 仅( 2 3 ) x 1 0 4 k m ；国外制动片的力学强度高达3 9 2 4 9 0 k p a ，我国为3 4 3 4 4 1 k p a 。 今后，随着汽车工业的发展，道路高速化和单位时间车辆流通率提高，我国 汽车摩擦材料将具备更高的品质【9 l ：发展无石棉和性能更卓越的新型复合摩擦材 料，与国际水平接轨，参与国际市场的竞争；无石棉摩擦材料会较快形成系列产 品进入市场，并从半金属型转化成密度在2 5 9 c m 3 以下的普通型；非金属纤维为 主体的无石棉摩擦材料会成为流通市场的主力，且价格也会有较大幅度下降。 汽车新产品结构发生很大变化，应满足不同车种和行驶条件的要求。从荷载 看，一方面重型汽车载重增多，另一方面汽车进入家庭，微型汽车增多。重型汽 车要求研制摩擦功率大，耐高温的刹车片；微型汽车要求研制抗静弯曲强度高的 刹车片。由于公路车流越来越大，交通更加拥挤，刹车次数频繁，要求研制热衰 退率小、摩擦性能更加稳定的刹车片。对于高速公路上行驶的汽车，要求研制抗 冲击强度大、刹车距离钶的刹车片根摒馥围地域辽阔的具体情况：有必要研制 多品种多档次的摩擦材料产品系列。随着高速公路增多和主机效率提高，带来摩 擦副滑摩线速度增加，如何保证高速滑摩时有效的摩擦系数，将成为严格的考核 项目。汽车盘式制动片大量增加，摩擦材料单位面积上承受负荷成倍增加，仍然 要求保持原来各项摩擦特性等。摩擦材料多数新品种的要求，并非局限于外形和 几何尺、j 。的变化，而是性能上的变异和升级。因此，摩擦材料必须从结构和组份 上进行相应的变革和探索，重点加强对新型摩擦材料配方及生产工艺技术的研 究，加强对汽车制动器综合使用性能要求的研究，满足各类新要求，采用新工艺、 新结构摩擦材料将是未来发展趋势，力争在2 1 世纪初叶赶上国际2 0 世纪9 0 年 代的水平，并形成规模化生产和达到大量装车的应用水平。 1 1 2 国外汽车摩擦材料的研究现状 国外汽车摩擦材料的发展大致经历了以下三个阶段：7 0 年代中期以前，汽 车制动系统多为鼓式制动方式，多采用石棉摩擦材料；7 0 年代中期到8 0 年代中 期，世界能源危机、汽车速度的加快及石棉危害性的确认，均促使汽车制动器向 盘式制动和无石棉摩擦材料方向发展；8 0 年代中期至今，盘式制动和新型摩擦 材料迅速发展，并实现工业化生产【1 0 1 。 4 贵州大学硕士学位论文混杂纤维对盘式制动器衬片性能影响的研究 国外汽车工业向高速、高效、节能、轻型化的方向发展，摩擦材料工业曾发 展了许多无石棉摩擦材料，如半金属摩擦材料、烧结摩擦材料、代用纤维增强或 聚合物粘结摩擦材料以及复合纤维摩擦材料等。但这些材料试用后发现仍存在不 少缺点，促使各国研究人员对这些材料迸一步研制和改进，出现了改良型半金属 材料、粘结陶瓷型材料、新型烧结铁基材料等。各国开发研究新型摩擦材料的工 作是卓有成效的，虽然许多无石棉摩擦材料能满足某些使用要求，但许多材料仍 存在很多问题，如有的材料在性能提高的同时，成本也大幅度提高，有的材料又 出现粘结强度不够、噪声大等问题。全面提高新型摩擦材料的性能仍是各国亟待 解决的一项任务。 目前，国外摩擦材料的研究、应用工作仍是从材料成分、制取方法、工艺路 线、结构设计和试验分析手段等方面出发，各国采用的方法虽然多种多样，但其 目的仍是为了全面提高新型无石棉摩擦材料的性能，以满足汽车工业高速度发展 的需求和社会对环境保护的要求f l l 】。 在材料成分方面，优化摩擦材料的成分包括选择合适的成分组成材料的基 体，使材料在大波动的应用条件下，摩擦面较易生成稳定的摩擦膜，微观组织不 易受高温分解机制的影响，具有稳定的热物理性能、摩擦性能和制动效应。寻找 适宜的天然矿物原料作为添加剂和填料，使其发挥缓冲减震、减重，改变热传导、 降低成本等综台功能。由于单一增强纤维各自优缺点，人1 f j 越米越重视使用棍朵 纤维，如半金属摩擦材料中常用的复合纤维有钢纤维和铜纤维、钢纤维与碳纤维、 钢纤维与玻璃纤维以及铜纤维与碳纤维等1 1 2 1 ，混杂的用两种或两种以上纤维， 能够充分发挥各种纤维自身的优点，制成性能优良、成本较低的摩擦材料，因此， 混杂纤维将成为摩擦材料研究的方向之一。选用适宜的粘结剂。目前，国外主要 使用酚醛树脂，因而发展了各种改性酚醛树脂，常用的有烷基酚改性酚醛树脂、 腰果壳油改性酚醛树脂、油改性酚醛树脂、三聚氰胺改性酚醛树脂及三聚氰胺腰 果油改性酚醛树脂、丁苯改性酚醛树脂等，提高了材料的工作温度1 1 3 1 。 在制造工艺方面，采用了许多先进技术，如对金属纤维的软化处理，对非金 属纤维的蓬松处理和浸渍处理，对硬质原料粉末的球化处理、喷涂、挤压、大气 压力固结技术、组合固结、s t a m i x 混粉技术、快速多相移动成型技术，以及后续 加工和表面处理等，均是为了全面提高材料的综合性能。汽车摩擦材料传统的成 5 贵州大学硕士学位论文混杂纤维对盘式制动器衬片性能影响的研究 型技术是热压法，由于热压法能耗大，操作环境差，因此国内外还研究、发展了 一些新工艺、新技术和新设备，如采用冷压、滚压、缠绕，又如低中温固结和组 合，即压制成型和固结一体化，连续式、全封闭工艺体系；挤压一固结一体化工 艺体系；注塑成型和固结工艺体系等取代了传统的单件单模压制成型；制备过程 还采用了过程统计控制技术，既大大提高了生产率，又能稳定产品质量。得到实 际应用的还有渗透的方法，包括恒温恒压法、温度梯度法、压力梯度法和蒸发膜 法。喷涂法烧结可以不加压，既省却了加压机构又简化了生产工艺，而且，改变 冷却方法和速度可以改善材料的性能。在含氮气氛中烧结，可以使摩擦层和钢背 得到氮化处理，达到改善材料性能的目的。在钢背上形成粗大的多孔组织，再将 摩擦层覆盖在多孔组织上，可提高材料的结合强度。 在结构设计方面，为了解决盘式制动和制动器轻小型化带来的制动不稳定、 制动温度升高、噪声及震颤等问题，许多国家进行了大量的研究工作，其原则目 标是使制动总成及摩擦片在单位质量、单位体积下具有尽可能大的有效摩擦面 积，控制其导热性，设置减震缓冲层，调整材料多孔结构及特性等。目前，已提 出多层结构、碟式结构、异型增容等设想，包括使用高效减震的高碳铸铁、陶瓷 制作制动盘等。对噪声及震颤产生的原因、消声机理、制动效应等也进行了大量 的理论研究，如f i l i pb e r g m a n 等【1 4 】就制动盘外形对制动产牛的影响作了研究。 在试验分析手段方面，目前多采用正交回归优选试验法以满足小i 司制动上况 条件下制动衬片配方的研制。随着材料科学研究及计算机技术的发展，出现了利 用计算机辅助材料工艺设计、结构优化、性能测试等，突破传统的“剪裁”式的 实验方法，用于新材料及其制备技术的探索和开发。引入专家系统、人工神经网 络、遗传算法等人工智能技术来确定影响制动性能的各种因素如材料成分、制取 方法、技术路线、结构设计等，进行摩擦制动副材料的设计，使得选定的制动副 材料，具有高且稳定的制动力，尽可能小或者没有振动，较低的磨损率。 1 2 汽车盘式制动器衬片用增强纤维的研究应用现状 增强纤维是使摩擦材料具备摩擦性能、耐热性和一定的机械强度的“骨架” ( 该“骨架”须经粘结剂连结才起作用) ，它的加入能增大摩擦材料的摩擦系数但 又不致成为磨粒增加磨损，而且对摩擦对偶表面擦伤要小，高温稳定性要好等。 6 贵州大学硕士学位论文混杂纤维对盘式制动器衬片性能影响的研究 它的作用主要是使材料具有一定的强度和韧性，使材料耐得住冲击、剪切、拉伸 等机械作用而不致于出现裂纹、断裂、崩缺等机械损伤。因此增强纤维应满足以 下性能要求：增强效果好；足够的强度、较好的韧性；耐热性好，在摩擦工作温 度下，不会发生熔融、碳化、热分解、脱水与相变等现象；良好的摩擦磨损性能； 良好的可分散性及与树脂的粘附能力；硬度不宜过高，以免产生制动噪音和损伤 制动盘或鼓：工艺可操作性好。 由于摩擦材料制品在工作中长期处于高温状况下，一般有机纤维无法承受这 秘高温条件，故无石棉摩擦材料中多数是应用无机纤维，包括金属纤维，如钢纤 维、铜纤维、铝纤维等；天然矿物纤维，如纤维海泡石、针状硅灰石、纤维水镁 石、纤维坡缕石等；人造矿棉和无机纤维，如陶瓷纤维、硅酸铝纤维、岩棉、复 合矿物纤维( f k f 纤维) 、玻璃纤维等。除了无机纤维外，一些有机纤维也被用 在摩擦材料中，如芳纶，是属于高性能、高价格的一种耐热及抗拉强度均优良的 纤维。芳纶纤维在国内夕l 摩擦材料彳亍业中应用较多，特别是要求性能较高的制品 中。碳纤维则用在航空刹车中，或用于其它一些耐热性能和强度要求高的摩擦材 料制品中。其它一些有机纤维，如纤维素纤维、人造有机纤维或合成纤维、植物 纤维也多有应用，但主要作为辅助成分被少量使用。 虽然有如此众多的石棉代用增强纤维，但非石棉纤维还存在着许多的不足， 如与树脂基体的相容性较差，混合性不好、易断、结团、分散性差；或是价格偏 高；或是制品性能稳定性差等。单一代用纤维摩擦材料虽然某些方面性能已经超 越石棉基摩擦材料，但就整体性能而言还存在较大的差距。 在选择多种纤维混杂时，纤维的增强性能一价格比，是很重要的原则，因为 只有具有良好的技术经济综合性能的摩擦制品，才能具有较强的市场竞争能力。 合理选取增强纤维应遵循以下原则【1 5 l ： 1 ) 纤维的强度和模量都要高于基体，多数情况下，承载要靠增强纤维； 2 ) 纤维和基体之间要有一定的粘结作用，两者间结合要保证所受的力通过界面 传递给纤维： 3 ) 纤维的基体的热膨胀系数不能相差太大，否则在热胀冷缩过程中自动削弱它 们之间的结合强度； 4 ) 纤维和基体之间不能发生有害的化学反应，特别是不发生强烈的反应； 7 贵州大学硕士学位论文混杂纤维对盘式制动器衬片性能影响的研究 5 ) 纤维所占的体积、纤维的尺寸和分布必须适宜。 纤维的选用是灵活的，可以采用两种或多种纤维混杂。在混杂纤维中，每种 纤维在材料中所起的作用各不相同，各纤维的性能、比例等状态都会影响整个材 料的性能。以下是混杂纤维的一些合理搭配方法，可供选用时参考：1 ) 较多使 用高强、耐高温性能优异的碳纤维、有机纤维相混杂，以达到不用石棉目的；2 ) 一般采用性能和价格互补的两种纤维，比如：取陶瓷纤维、天然矿物纤维、玻璃 纤维、金属纤维等的一种或多种容易造成对偶件磨损的硬质纤维与a r a m i d 纤维 ( 芳香尼龙纤维) 、k e v l a r 纤维、碳纤维、丙烯酸纤维等不易造成对偶件磨损的 软质纤维混合；长纤维与短纤维混合；摩擦性能优良的纤维与增强效果优良的纤 维混合等具有良好的效果。3 ) 欧、美国家习惯以钢纤维、木质索、芳族纤维等 生产半金属盘式刹车片；以玻璃纤维、芳族纤维等，生产编织或缠绕离合器面片； 而以矿棉、海泡石、硅灰石、钢纤维、聚丙烯纤维，浆粕等，单独或其中几种混 合，生产其它摩擦材料。 1 2 1 几种常用增强纤维 本文欲利用矿物纤维为主要增强材料，与有机纤维进行混杂，制备一种非石 梳非金属的盛式制动器衬j 探索混杂纤维对盘式制动嚣9 ，, 。g ，1 t x 。陛能的影响。下商 对几种常用矿物纤维及芳纶进行介绍。 1 2 。1 1 。坡缕石纤维 坡缕石( p a l y g o r s k i t e ) 又称凹凸棒a s i ( a t t a p u l g i t e ) ，在矿物学分类上隶属于 海泡石族，性能与海泡石相似，只是纤维束长径比比海泡石小。坡缕石为含水层 链状结构的镁铝硅酸盐矿物，其理想的化学分子式为m g s i o ( o h ) ( o h ) 4 h o 。坡 缕石的晶体结构、形态和化学特点决定了其具有良好的吸附性、离予交换性、分 散性和热稳定性，在化工方面、建筑业、农业、环境保护、原子能工业等方面得 到了广泛应用，但在制动材料中的应用还少有研究。 我国的坡缕石已经在化工、农业、建筑等方面得到较好的开发和应用。由于 纤维状坡缕石具有较低的密度，良好的热稳定性，近来被认为是一种新型的高温 8 贵州大学硕士学位论文混杂纤维对盘式制动器衬片性能影响的研究 耐摩擦材料【1 6 , 1 7 ，开展坡缕石在制动器摩擦材料中的应用基础研究，拓展坡缕石 的应用领域具有非常重要的经济价值。美国专利【1 8 l 报道了坡缕石的含量、粒度 以及坡缕石的含水量、挥发物质含量、烧失量等对所研制材料的性能的影响。将 坡缕石纤维作为制动器材料的增强材料，主要研究坡缕石耐磨损能力、抗高温能 力、热稳定性( 与制动材料的抗热衰退能力有关) 以及坡缕石对制动器材料摩擦 磨损特性、热特性、抗热衰退能力等的影响。 目前，我校贵州省现代制造技术重点实验室对坡缕石正在进行研究，这是来 源于国家自然科学基金项目一贵州坡缕石改性及其作为汽车制动器材料增强组 份的研究。这个项目主要研究产于贵州大方的纤维状坡缕石的晶体结构、热学特 性，研究坡缕石的改性方法，将坡缕石应用于汽车制动材料，以期提高汽车制动 器材料的摩擦磨损特性、高温特性以及抗热衰退特性，最后试制出性能优良的制 动器衬片，并进行道路实验。在本课题研究中，将坡缕石作为石棉的代用增强纤 维材料用丁制备汽车制动器材料，足一个具有重要应用前景的研究项旦，对拓展 坡缕石的应用领域以及保护生态环境和人的身体健康具有重要意义，有利于贵州 资源的开发和当地经济的发展。 产于贵州大方的纤维状坡缕石的成分分析结果如表1 - 1 所示【1 9 】： 表1 - 1 贵州大方纤维状坡缕石成分分析 物相 坡缕石蒙脱石铁矿石石英方解石 9 6 9 61 4 6 1 5 8一 1 2 1 2 针状硅灰石 硅灰石( w o l l a s t o n i t e ) 是一种无穷链状的偏硅酸钙矿物。化学式为c a s i 0 3 ， 化学成分理论组成为c a 0 4 8 3 、s i 0 2 5 1 7 。硬度4 5 、比重2 8 。外观为灰白 色针状纤维物。硅灰石耐酸、耐碱、耐腐蚀，热稳定性好，熔点为1 5 4 0 c ，不 含吸附水和结晶水，在9 0 0 c 时仍很稳定，湿膨润性低、吸油率低。 硅灰石的长径比与其增强作用有密切的关系，一般为6 2 0 ，长径比越大， 其增强作用越好，用于摩擦材料以大于1 5 为最好。有研究认为，硅灰石可作为 辅助增强组分配合其它少量强度好的纤维( 如玻璃纤维、芳伦纤维等) 制造具有 足够强度的摩擦材料制品，而且还有增摩作用，对摩擦材料的常温和高温摩擦系 数均有提高的作用。但硅灰石的纤维长度较短，平均l m m 左右，且质地较脆， 9 贵州大学硕士学位论文混杂纤维对盘式制动器衬片性能影响的研究 加工过程中易断裂，增强作用不如其它纤维，只能作为辅助增强组分配合其它主 体纤维使用。我国硅灰石矿产资源丰富，原料易得，价格又较其它材料便宜，因 此针状硅灰石被许多摩擦材料厂家采用。 针状硅灰石除了增强作用外，还具增摩作用，对摩擦材料的常温、高温摩擦 系数均有提高的作用，并随其用量比例增加而提高。但实际使用中用量很少超过 1 5 2 0 ，因为硅灰石的质地较硬，能产生较高的摩擦系数，用量高时会导致噪 音的产生和加大，应注意避免。 1 2 1 2 纤维海泡石 海泡石( s c p i o i i t e ) 是一种富镁纤维状硅酸盐粘土矿物总称，外观呈淡白色 或灰白色，主要成分是含水硅酸镁，莫氏硬度2 以5 ，密度2 2 9 c m 3 ，化学式为 m g s s i l 2 0 3 0 ( o h ) 4 1 2 h 2 0 。 纤维海泡石具有很大的比表面积( 最大可达1 5 0 m 2 ，g ) 和孔隙度，使其有很 强的吸附性，脱色性和分散性。摩擦材料中加入海泡石能吸附基体材料受热分解 时产生的水和小分子化合物及气体，从而避免因混合摩擦而产生的衰退现象，且 纤维海泡石具有良好的耐热性能，在4 0 0 以下其结构稳定，4 0 0 8 0 0 c 之间晶 格收缩，过波为无水海泡石，8 0 0 以上，f 始转变为顾火解石和u 方英石。 纤维海泡石的外观色泽，纤维直径以及诸多性能( 比重、硬度、比表面积、 吸附性、分散性、耐热性等) ，在摩擦材料制品生产中的工艺性能等与石棉很相 似，且价格便宜，故可较方便的作为石棉的代用材料来使用。现已在许多摩擦生 产厂中被普遍应用。上海捷威摩擦材料公司采用海泡石取代石棉制造摩擦制动 片，产品各项性能指标均符合国家标准，并且大大改善了生产卫生条件例。纤 维海泡石在摩擦材料的生产工艺中，具有以下的特点：1 ) 高的比表面积和孔隙 度，使海泡石与树脂、填料接触时能产生很好的界面效应。因此在搅拌过程中， 能很好地吸收粘结剂和填料，表现为良好的浸润性，并能和填料均匀的混合。2 ) 海泡石的晶道孔隙结构，具有“分子筛”的作用，这有利于减少热衰退的程度。 3 ) 海泡石的巨大内、外表面积，使其吸水性强，易吸潮，故在生产过程中需注 意保持海泡石原料的干燥，避免出现压制起泡现象。但是，纤维海泡石的硬度低、 拉伸强度不高，仅为石棉的1 4 1 1 0 ，过量加入会导致摩擦系数下降。因此它不 1 0 贵州大学硕士学位论文混杂纤维对盘式制动器衬片性能影响的研究 能象石棉那样单独承担摩擦材料的增强功能。通常在摩擦材料配方中，将海泡石 和其它纤维，如钢纤维、矿棉等混合使用来达到制品强度要求。 1 2 1 3 水镁石 水镁石( b r u c i t e ) 化学组成为m g ( o h ) 2 、硬度2 5 、比重2 3 5 ，是一种富 含结晶水的高镁天然矿物质，当受热至3 4 0 ( 2 时开始分解成m g o h 并产生大量的 水汽，主要作为炼镁矿石，制造耐火材料等制品。纤维状水镁石是水镁石的一个 品种，质地较脆，长度相当于六级至四级石棉纤维的长度，但机械强度远低于石 棉，近几年来被一些摩擦材料厂家用于石棉代用材料。有的厂将纤维水镁石和纤 维海泡石以1 ：1 比例混合使用在盘式片和粘接型鼓式片中制成无石棉摩擦材料 制品，取得较好效果，并实现了正式生产应用。 1 2 1 4 非石棉复合纤维 安徽来安县三和工程纤维厂开发生产的纳凯夫纤维是一种新型的非石棉复 合纤维( n o n a s b e t o sc o m p o u n df i b r e s ) ，简称n a c f 纤维。用于非石棉摩擦材 料的增强纤维，替代传统的石棉纤维和价格昂贵的k e v l a rp u l u 纤维。n a c f 纤 维的主要原料是精选的辉绿岩、石灰岩、白云石、冶金焦炭等，配方是根据摩擦 材料对增强纤维的基本要求而设计的，其化学成分稳定，耐热性好，具有作为摩 擦材料增强纤维的全部特性。这些特性是：1 ) n a c f 纤维通过膨化处理，纤维 的比表面积大，且呈绒毛状，具有优良的吸附性能；2 ) n a c f 纤维表面进行过 偶联处理，亲和性好，与摩擦材料配方中的树脂及其他组份的粘结性能优良；3 ) n a c f 纤维含有“复合阻尼剂”，“阻尼”效应降低了纤维( 束) 的内聚力，其受外 力不易卷曲结团，表现出良好的分散性能；4 ) n a c f 纤维的临界形态比( l ，d ) ， 可以通过控制纤维的直径( d ) 和纤维的长度( l ) 来调节；5 ) n a c f 纤维是目 前国内性价比具有优势的一种非石棉纤维。n a c f 纤维的化学成分如表1 - 2 所示： n a c f 6 8 纤维的物理性能如表1 3 所示，用作重型或轻型汽车制动器衬片增 强纤维时，用量( 质量份) 为6 ，1 0 石棉纤维用量的7 0 - 8 0 ，更能体现出其性价 比的优势。在混配料时，普通的高速混料机主机转速高于7 0 0 r p m ，更有利于纤 贵州大学硕士学位论文 混杂纤维对盘式制动器衬片性能影响的研究 维的分散。 表1 - 2n a c f 纤维的化学成分【2 l 】 s i o ：a 1 2 0 3c a o + m 9 0 3 f e 2 0 n a ，o + k 2 0游离碳( 碳氢化合物) 4 0 6 0 1 4 2 1 2 5 2 7 4 6 4 5 6 8 表1 - 3n a c f 6 8 纤维的物理性能【2 1 j 能 平均长平均直径烧失量伤、水份容重 型害 外观 备注 ( m m )( n m ) 8 0 0 c h ) 含量( ) ( g e r a 3 ) 灰黄色或灰 n a c f 6 8 3 o 6 00 0 3 0 0 61 82 52 2 2 4 通用型 白色纤维状 1 2 1 5 有机芳纶纤维 芳纶纤维是一种人造芳香族酰胺有机纤维，是分子主链上至少含有8 5 的直 接与两个芳环相连接的酰胺基团的聚酰胺经溶液纺丝所得到的合成纤维。它的化 学名称是聚对苯二甲酰对苯二胺( p p t a ) 纤维，质地柔软，密度1 4 2 9 c m 3 ，比 表面积5 8 m 2 g 。 芳纶纤维除了具有一般无机型工程型纤维( 玻璃纤维、石棉纤维、钢纤维1 的 高强度、高弹性谈量、耐热性好等优点，还只有有机纤维的优点：芳纶纤维轴向 具有相当高的强度和刚度，比强度极高，超过玻璃纤维、碳纤维和硼纤维；比模 量也超过玻璃纤维、钢纤维、铝纤维等，与碳纤维相近；耐磨、阻燃、对氧稳定、 具有自熄性、很低的压缩强度；热膨胀系数为负值，没有碳纤维与玻璃纤维所呈 现的脆性，其疲劳强度与e - 玻璃纤维相当，而抗冲击性能和耐腐蚀性能则优于 玻璃纤维，适于制作高温高负荷下工作的摩擦材料【硐。芳纶纤维的突出优点在 于它是一种热稳定性很好的有机纤维，在1 8 0 下可长期使用，在2 0 0 下5 小 时的强度下降仅1 0 ，3 0 0 c 下5 0 小时的强度下降5 0 ，初始热分解温度高达 5 0 0 ，而且加热至分解也不熔融。这一点对摩擦材料特别重要，绝大多数天然 纤维、人造纤维和合成纤维等有机纤维的共同特点是耐热性低，初始热分解温度 只有2 0 0 3 0 0 ，部分人造纤维和合成纤维在达到热分解温度前会先软化而后 呈现粘流态，即发生熔融，这些变化都会使摩擦材料的摩擦系数产生热衰退，而 使用芳纶纤维不会对摩擦材料造成这种影响。综合上述优点，使得加用芳纶纤维 贵州大学硕士学位论文 混杂纤维对盘式制动器衬片性能影响的研究 增强的摩擦材料具有如下的优点：低、高温的摩擦系数稳定、磨损小；增强效果 好，有较好的抗冲击强度；产品密度低：制品硬度低，制动噪音低，不损伤制动 对偶。 摩擦材料所使用的芳纶纤维有长度在6 1 3 m m 范围内的短切纤维和长度在 2 5 m m 范国内芳纶浆粕，用得最多的是芳纶浆粕。芳纶浆糨系将芳纶长纤维切 断成短纤维，再研磨使其高度微原纤化，外观类似木材浆粕纤维，表面呈膨松的 毛羽状，沿纤维轴向排列许多微原纤，形成很大的表面积，因而具有良好的吸附 性，能被树脂和填料很好地浸润和结合。芳纶浆粕的物理机械性能大致如表l - 4 所示。 表1 - 4 芳纶浆粕物理机械性能嘲 i指标名称指标指标名称 指标 i密度( g c m 3 ) 1 4 l 1 4 4 伸长率( ) 4 6 抗拉搔度( 1 0 k g c m ：j 1 4 z u 比表面积( m 2 倌) l 杨氏模量( 1 0 4 k g c m ：) 4 5 5 0 热分解温度 5 k h z ) 的噪声。 1 2 2 1 混杂纤维的含量对摩擦材料性能的影响 由于磨损显露出的纤维支撑了接触面之间的大部分载荷，因此纤维可提高摩 擦材料的综合性能。但纤维在摩擦材料中占体积分数过大将降低聚合物和纤维之 间的粘合力及纤维的均匀分散性，从而影响其摩擦学特性。此外纤维增强摩擦材 料在磨损过程中还受多种因素影响，为了获得较好的耐磨性，通常增强纤维的含 量存在一个适用范围。 在纤维增强摩擦复合材料中，纤维的选用是灵活的，可以采用两种以上的各 种纤维混杂，含量占全部摩擦材料的1 0 4 0 。这些纤维比较均匀地分散在基 体之中，在纤维方向增强基体，起最主要的承载作用。纤维增强基体的效果，在 某个合理的纤维体积分数范围内，与以成正比。y ，太小了起不到增强效果。 纤维在基体应变稍大时就己大量断裂，在基体中造成很多缺陷，反而使强度下降， 是不可取的；y ，太大在工艺上不易操作，特别在短纤维增强摩擦材料中。纤维 贵州大学硕士学位论文混杂纤维对盘式制动器衬片性能影响的研究 含量过大时，材料中粘结剂的含量相对降低，各组份之间的粘结力下降，纤维和 基体间由于粘结变差，缺陷增多，界面强度下降；纤维含量过高，纤维磨损断裂 的碎片以及纤维从基体中脱离增多，破坏了复合材料和偶件之间形成的转移膜， 导致磨损增加。有研究认为1 4 1 l ：在纤维含量过高时，磨损增加是因纤维含量过 高引起材料内部出现不均匀和缺陷所致。文献【4 2 删报道的关于芳纶纤维、碳纤维 和玻璃纤维增强尼龙的摩擦学性能的结果表明，存在对应于复合材料最佳耐磨性 能的纤维含量。当纤维含量过低时，纤维因拉伸或剪切而断裂，增强效果并不明 显；而纤维含量过高，纤维磨损断裂的碎片以及纤维从基体中脱离增多，破坏了 复合材料和偶件之间形成的转移膜，从而导致磨损增加。b a h a d u r 等1 4 5 j 研究认为： 1 0 纤维增强聚酯的磨损率最低，且增强材料的摩擦系数和磨损率相应地都降 低。欧洲专利m 也指出一种或多种性质的纤维搭配使用具有很好效果，推荐其 使用纤维的含量在5 3 0 的体积百分比之间，甚至优选在5 1 5 的体积百 分比之间。刘震云认为：增强纤维量为5 体积百分比的摩阻材料，摩擦系数 随温度变化较平稳，磨损量也较小；当增强纤维量在体积百分比为1 0 ( 即质量 百分比为2 5 ) 时，摩擦片有较高的摩擦系数和较低的磨损率；纤维含量在1 5 2 5 体积百分比范围内，材料摩擦系数较低，但较稳定。随着纤维量增加至3 0 3 5 体积百分比时，不仅摩擦系数较低，磨损也较高。本文也将探讨混杂纤维总 量固定时，纤维组分含量变化对摩擦材料性能的影响，试图使摩擦材料得以改善。 1 。2 2 。2 。短纤维增强摩擦材料的增强机理分析 纤维作为汽车制动摩擦材料的增强组分，最新的进展是在短纤维的认识和利 用上：短纤维比长纤维更易于在复杂形状的模具中流动：更易保证均匀的各向同 性；增强纤维之间和周围的区域的作用，短纤维也能获得基体附加增强力。 短纤维增强摩擦材料的增强机理可用应力传递理论解释【柏1 。在摩擦材料受 力时，载荷一般是直接加在基体上，然后通过一定方式传递至纤维，使纤维受载。 与长纤维相比，短纤维的末端效应不能忽略，纤维各部分受力不均，变形不均匀。 如果受到平行于纤维方向的力时，由于一般e ，( 纤维弹性模量) 。( 基体弹 性模量) ，基体变形量将会大于纤维变形量。但因基体与纤维是紧密结合在一起 的，纤维将限制基体过大的变形，于是在基体与纤维之间的界面部分便产生了剪 贵州大学硕士学位论文混杂纤维对盘式制动器衬片性能影响的研究 应力和剪应变，并将所承受的载荷合理分配到纤维和基体上。纤维通过界面沿纤 维轴向的剪应力传递载荷，会受到比基体中更大的拉应力，这就是纤维能增强基 体的原因。 1 2 2 3 混杂纤维制动摩擦材料的混杂效应 混杂纤维增强摩擦材料是由两种或多种纤维增强同一基体混杂复合而成的 材料。按照混杂方式的不同，有层内混杂、层间混杂、夹芯混杂、编织物混杂和 短