（材料学专业论文）多纤维增强汽车制动器摩擦材料的研制.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 随着汽车工业的发展和人们环保意识的提高，对摩擦材料的要求也提出了越 来越高的要求。由于石棉致癌，国内外纷纷展开了无石棉摩擦材料的研究，且取 得了很大进展。与国外相比，我国的摩擦材料还有一定的差距，且随着我国加入 w t o ，摩擦材料将面临更加严峻的考验，必须加快研究和开发具有自主知识产权 的高性能摩擦材料。 本文在查阅和分析国内外大量文献及试验的基础上，选择腰果壳油改性的酚 醛树脂为基体，芳纶浆粕、玻璃纤维、硅灰石纤维和钛酸钾晶须作为增强体，氧 化铝( a 1 2 0 3 ) 、氧化铁( f e a 0 3 ) 、焦炭、蛭石、石墨等作为填料。利用芳纶浆粕、 玻璃纤维、硅灰石纤维和钛酸钾晶须之间的混杂效应，通过正交实验和方差分析， 得出基体、纤维和填料对摩擦材料的摩擦磨损性能的影响程度和配方中各成分的 最佳质量百分比。通过扫描电镜观察了不同温度下所研制的摩擦材料的表面形貌， 并分析其摩擦磨损机理。 通过对实验结果的分析和研究得出：优化得出适合重型汽车制动器摩擦材料 的最佳配方为：芳纶浆粕3 ，玻璃纤维1 2 ，硅灰石1 2 ，钛酸钾1 0 ，树脂 1 2 ，蛭石6 ，石墨4 ，焦炭8 ，摩擦粉6 ，其他5 0 ；芳纶浆粕与玻璃纤 维、玻璃纤维与钛酸钾晶须、芳纶浆粕与钛酸钾之间有着明显的交互作用，对摩 擦磨损起着重要的作用；树脂是粘结剂，在高温阶段由于树脂基体的分解，摩擦 系数降低，磨损增大，因此适当的降低树脂的用量可以减少热衰退的产生；膨胀 蛭石在高温阶段对摩擦系数和磨损率有显著影响，加入膨胀蛭石不仅可以降低制 品的密度和硬度，还可以提高锖0 品的热稳定性；摩擦材料的高温磨损主要是磨粒 磨损和热疲劳磨损。转移膜的形成对摩擦磨损起着重要的作用。 所研制的摩擦材料完全满足重型汽车制动性能的要求，具有足够的机械性能 和优越的摩擦磨损性能，热衰退小、恢复性能好，耐磨损、噪声小。 关键词：摩擦材料；增强纤维；摩擦磨损；改性树脂 江苏大学硕士学位论文 w i t hd e v e l o p m e n to fm o d e r na u t o m o t i v ei n d u s t r ya n dt h ee l l l l a n c c m c n to f c o n s c i o u so ne n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n , t h ep e r f o r m a n c eo ft h ef r i c t i o nm a t e r i a l sw a s r e q u i r e dh i g h e rb e a m s et h ef r i c t i o nm a t e r i a li na l la u t o m o t i v eb r a k es y s t e mp l a y sak e y r o l ef o re f f e c t i v ea n ds a f eb a k ep e r f o r m a n c e b c c a t l s et h ea s b e s t o si sc a r c i n o g e n i c , s c h o l a r sa no v e rt h ew o r l d , r m r t c dt or e s e a r c ho nt h en o n - a s b e s t o sf r i c t i o nm a t e r i a l sa n d m a k eag r e a tp r o g r e s s b u tc o m p a r e dt of o r e i g nc o u n t r y , t h e r ei ss o n i cd i s t a n c e a s c h i n a se n t r a n c ei nw t o ，f x i c t i o nm a t e r i a l sh a v et of a c ew i t hr i g o r o u sc h a l l e n g ea n d m u s ta c c e l e r a t et h es t e p0 1 1d e v e l o pa u t o m o t i v ef r i c t i o nm a t e r i a l se s p e c i a l l yo nh 讪 p e r f o r m a n c ef r i c t i o nm a t e r i a l t h em e c h a n i s mo ff r i c t i o na n dw e a l a n dt h es u r f a c e m o r p h o l o g yo ft h er e s u l t e df r i c t i o nm a t e r i a lo b t a i n e da td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e sw e r e a n a l y z e db ys c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ( s e m ) b a s e do nc o n s u l t i n ga n da n a l y z i n gl o t so fi n t e r n a la n do v c l s l ：a 8d o c u m e n t sa b o u t f r i c t i o nm a t e r i a l s ，t h i sp a p e rs t u d yak i n do fh i g hp e r f o r m a n c ef r i c t i o nm a t e r i a l ，t h i s f r i c t i o nm a t e r i a lc o n t a i n sc a s h e wn u ts h e l ll i q u i dm o d i f i e dr e s i n , r e i n f o r c i n gf i b e r s ： k e v l a rp u l p 、g l a s sf i b e r 、p o t a s s i u mt i t a n a t ew h i s k e r s 、g r a m m i t e ，a n df d l e r s ：a 1 2 0 3 、 f e 2 0 3 、v e r m i c u l i t e s 、c a s h e wd u s t 、b a r i u ms u l p h a t ee t c u t i l i z i n gt h eh y b r i dr e i n f o r c i n g l n a n n c ro fk e v l a rp u l p 、g l a s sf i b e r 、p o t a s s i u mt i t a n a t ew h i s k e r sa n dg r a m m i t e d e s i g n i n gt h ef o r m u l ab yo r t h o g o n a lt e s ta n da n a l y z i n gt h ei n f l u e n c eo fc o n t e n to i lt h e f r i c t i o n a lp r o p e r t y , a n dm a k i n gv a r i a n c ea n a l y s i sa n df o r m u l ao p t i m i z a t i o nb a s e do i lt h e c o n s t a n ts p e e dt e s tr e s u l t s t h ei m p o r t a n tr e s u l t sf r o mt h i ss t u d ya r es u m m a r i z e da s f o l l o w s ：f o r m u l ao p t i m i z a t i o n ：k e v l a rp u l p3 ，g l a s sf i b e r l 2 ，p o t a s s i u mt i t a n a t e 1 0 ，g r a m m i t e1 2 ，v e r m i c u l i t e6 ，g r a p h i t e4 ，c o k e8 ，f i - i c t i o np o w d e r6 ， t h eo t h e r5 0 ：t h e r ea r eo b v i o u sh y b r i de f f e c tb e t w e e nt h ek e v l a rp u l pa n dg l a s sf i b e r , g l a s sf i b e ra n dp o t a s s i u mt i t a n a t ew h i s k e r s ，k e v l a rp u l pa n dp o t a s s i u mt i t a n a t ew h i s k e r s ， w h i c hi si m p o r t a n tt ot h ef r i c t i o na n dw e a l p h e n o l i cr e s i nw a sa g g l o m e r a n ti nf r i c t i o n m a t e r i a l f a d ew h i c hc a u s e db yp y r o l y s i so f m o d i f i e d p h e n o l i c r e s i na t h i g h t e m p e r a t u r e s 啪b er e d u c e db yd e c r e a s i n gt h ec o n t e n to fp h e n o l i cr e s i np r o p e r l y v e r m i c u l i t eh a sam a r k e de f f e c to nf r i c t i o nc o e f f i c i e n ta n dw e a rr a t ei nh i g ht e m p e r a t u r e v e r m i c u l i t en o to n l yc 弛d e c r e a s et h ep r o d u c t sd e n s i t ya n dh a r d n e s s 。b u ta l s o 咖 i n c r e a s et h ef r i c t i o ns t a b i l i t y i nh i g ht e m p e r a t u r er a n g ，t h ew e a l m e c h a n i s mo ff r i c t i o n 江苏大学硕士学位论文 m a t e r i a lm a i n l yw a $ c o h e s i v e n e s sf r i c t i o na n df a t i g u ea b r a s i o n t h et r a n s f e rf i l mp l a y s a k e y r o l ef o rp e r f o r m a n c eo f 衔c t i o na n dw e a r e x p e r i m e n tt e s tr e s u l ts h o w st h a tf o r m u l am a t e r i a lw i t har e l a t i v e l ys u i t a b l e f i - i c t i o nc o e f f i c i e n t 、g o o dc o e f f i c i e n t 、g o o df a d er e s i s t a n c ea n dr e c o v e r y 猫w e l l 勰l o w w e a rr a t i o 啪m e e tt h en e e do ft h eb r e a kp r o p e r t yo ft h ea u t o m o t i v e t h i sk i n do f b r a k em a t e r i a lf o r m u l a 锄b ea c h i e v e df o r h e a v ya u t o m o b i l e k e y w o r d s ：m c f i o nm a t e r i a l ：r e i n f o r c i n gf i b e m ；f r i c t i o na n dw e a r ：m o d i f i e dp h e n o l i cr e s i n 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并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。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密日。 学位论文作者签名：私唯 纠年6j ：j 孑| 二i i 指导教师签 矽一删 独创性声明 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 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究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结果由本人承担。 学位论文作者签名：和侠 h 期。邛5 月扩日 江苏大学硕士学位论文 1 1 问题的提出 第一章绪论 从1 8 8 6 年德国人卡尔本茨发明制造了第一辆汽车以来，至今已有一百多年 的历史，汽车工业在世界经济发展中的地位越来越突出。汽车以惊人的数量、卓 越的性能和广泛的用途渗透到人类活动的各个领域，成为人类不可缺少的生存和 发展伙伴1 1 1 。 当今世界汽车的发展趋势是两低( 低能耗、低公害) 、三化( 车身轻量化、控 制电子化、动力多样化) ，四性( 行驶安全性、耐久性、乘坐舒适性、操作方便性) 。 而制动器正是涉及汽车行驶安全性的关键部件刚，因为汽车制动系统中摩擦副的 性能与结构是汽车乘坐舒适性、耐久性特别是行驶的安全性的根本影响因数。每 年发生的交通事故中有相当一部分是由于刹车失灵造成的，可见制动摩擦材料及 其结构己成为制约汽车工业发展和上水平上档次的重要因数之一。 1 1 1 研究背景 自1 9 7 2 年国际肿瘤医学讨论会确认，石棉纤维是影响人体健康的致癌物质， 被列入十大有害工业原料之一后m ，国际上掀起了一股排除使用石棉的摩擦材料 的浪潮。美、英、德、瑞典等国纷纷采取应急措施，相继做出了对石棉及其制品 的生产及应用加以限制的种种决定，如美国环保局规定为1 9 8 3 年，瑞典规 定为1 9 8 4 年，欧共体规定为1 9 9 0 年，澳大利规定为2 0 0 3 年【叨。我国g b l 2 6 7 6 - 9 9 汽车制动系统、结构和性能实验方法国家标准规定从2 0 0 3 年1 0 月开始，刹 车片中不能含有石棉。 为保证汽车高速下的稳定性和制动安全性，汽车重心降低、制动比缩小，热 容量也相应减小，特别是轿车，促使制动器结构由鼓式改为盘式，减少了重量， 而摩擦表面积只有鼓式的l 和1 ，6 ，单位面积的吸收能量则增加了4 。6 倍，摩擦副 表面闪温可高达1 0 0 0 ( 2 4 1 ，因此对摩擦材料提出了更高的要求。近年来国内外制 动摩擦材料行业的生产、技术和市场情况也发生了重大变化，使制动摩擦材料面 临更加严峻的形势。 此外摩擦材料属易耗件，通常行驶的车辆，前制动器刹车片寿命为3 。5 万公 江苏大学硕士学位论文 里，后制动器刹车片的使用寿命为1 2 1 5 万公里。2 0 0 4 年国内摩擦材料产量为1 9 4 万吨，其中盘式刹车片和鼓式刹车片占8 5 。近年我国汽车保有量持续上升，截 至2 0 0 6 年末我国民用汽车的保有量已经达到4 9 8 5 万辆，比上年末增长1 5 2 ，目 前我国重型汽车的保有量已经超过1 6 0 万量，我国刹车片市场的需求量非常之大。 目前对于刹车片的研究重点放在了轻型轿车上，而对于重型汽车摩擦材料的研究 却不是很多。重型汽车摩擦材料的类型目前主要有金属陶瓷、半金属、粉末冶金 等摩擦材料，对于无石棉，无金属树脂基重型汽车摩擦材料的研究却不多。而树 脂基摩擦材料以其结构的可设计性、优良的摩擦磨损性能成为汽车摩擦材料的主 流，针对摩擦材料的研究与发展所面i 临的形势，研究开发新型的高性能的无污染 的重型汽车摩擦材料是汽车工业急需解决的问题。 1 1 2 研究目的及意义 近几年来我国汽车工业的迅速发展，使得汽车摩擦材料的需求量很大，但我 国摩擦片的研究比国外起步晚，在工业基础、技术水平、工艺设备以及产品的品 种、数量和性能等方面与世界发达国家还有较大差距，且随着对汽车制动安全性 的要求越来越高，入世带来的挑战，对摩擦材料的要求越来越高。可见应尽快研 制出适应汽车发展，在性能和成本指标上满足目标要求的摩擦材料，特别是适应 车辆的高速化、轻量化的耐高温摩擦材料。 本课题基于复合材料的设计思想，采用多种纤维混杂增强，利用芳纶浆柏及 其他纤维自身的优点，取长补短，并兼顾到材料的性能和经济性。通过对原材料 选择、配方以及性能与机理的系统研究，分析研究不同纤维对摩擦材料摩擦磨损 性能的影响。 积极开发研究新型高性能摩擦材料特别是耐高温、低噪声、无金属的刹车片 是今后摩擦材料研究的重点。研究开发新型重型汽车制动器摩擦材料，同时深入 理论的研究具有重要的社会意义、经济意义及理论价值。本文对混杂纤维增强的 摩擦材料的配方及其摩擦磨损的理论研究，以期能为实际摩擦材料的配方积累数 据及提供理论依据。 1 2 汽车制动器摩擦材料研究现状 摩擦材料是以摩擦为主要功能，并兼有结构强度的多元体系复合材料，主要 2 江苏大学硕士学位论文 包括刹车片和离合器两大类，在车辆和动力机械中担负着制动和传动( 包括起动、 转向、调速、控制) 等重要功能。随着科学技术的发展，机器的功率、速度和载 荷日益提高，以及人们对环境意识的提高，故对摩擦材料的综合性能也提出了更 高的要求。即通常除了有适当的摩擦系数高温( 高速) 和高压下保持稳定外，还 要求耐磨性好、强度高、导热性好、耐腐蚀、低噪声、无污染、原材料来源充足、 制造工艺简单、造价较低等。由于石棉致癌，已被禁止使用。目前所用的摩擦材 料主要可分为：半金属摩擦材料、非石棉有机摩擦材料( n a o ) 、粉末冶金摩擦材 料、c c 复合摩擦材料。 1 2 1 半金属摩擦材料 半金属摩擦材料是2 0 世纪7 0 年代发展起来的一种新型制动材料。其配方中 通常含有3 0 - - 4 5 左右的铁质金属物( 如钢纤维、还原铁粉、或泡沫铁粉) 该材 料热稳定性好、导热性好、克服了石棉摩擦材料热衰退严重、摩擦表面易开裂等 缺点。目前，国内许多厂家己开始批量生产钢纤维，生产的半金属摩擦衬片在国 产轿车如奥迪、桑塔纳、夏利等多种车型上得到应用。但钢纤维硬度较高，对对 偶件有攻击性，制动时产生制动噪声。并且钢纤维容易生锈，摩擦片生锈后强度 降低、磨损加剧。研究表明嗍，加入一定量的锌粉可以增强材料的防锈性能，而对 摩擦性能无明显影响。j i a 即等认为半金属摩擦材料含有1 5 2 0 w t 的黄铜纤维表现 出良好的耐磨损性能。钢纤维和矿物纤维及有机纤维混杂使用也可进一步降低材 料的密度及改善制动噪声。 1 乏2 非石棉有机摩擦材料( n a 0 ) 非石棉有机摩擦材料广义上是指非石棉非钢纤维型摩擦材料。不过有些盘式 刹车片中也含有少量的钢纤维。非石棉有机摩擦材料采用改性的高温树脂及橡胶 作粘结剂，将纤维质增强材料与增摩剂和减摩剂，经配料及混合后，通过压制成 型或热压及固化而成。它采用其他纤维代替石棉，其增强纤维主要有碳纤维、芳 纶纤维、玻璃纤维、陶瓷纤维。 目前增强纤维的种类很多，但却没有一种纤维能够完全在成本、性能上取代 石棉，因此国内外近年来的研究逐渐从单一纤维转向了混杂纤维的研究。两种或 两种以上的纤维进行混杂增强，不仅可以充分降低成本，还可以充分发挥每一种 3 江苏大学硕士学位论文 纤维的优点。弥补相互的缺陷，使性能更加完善，更加优异。刘震云【1 0 l 等用钢纤 维、有机纤维、铜纤维、矿物纤维等混杂纤维制成的摩擦材料，混杂纤维的含量 以体积百分数1 0 为最佳，重量百分比约2 5 ，此时材料有较高的摩擦系数和较低 的磨损量，冲击、弯曲及硬度等性能指标都能达到使用要求。欧洲专利【1 1 l 推荐纤 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。 目前，国内外进行了碳纤维钢纤维、玻璃纤维，有机纤维、钢纤维芳纶、陶瓷 纤维钢纤维芳纶纤维碳纤维有机纤维混杂纤维等的研究，都取得了良好的效果。 1 2 3 粉末冶金摩擦材料 粉末冶金摩擦材料又称可烧结摩擦材料，是将铁基、铜基粉状物料，经混合、 压型，并在高温下烧结而成。用于较高的使用温度，一定程度上解决了高温热衰 退和热磨损问题。但这类制品价格较高、制动噪音大、对偶磨损较大，因此其使 用受到一定的限制。根据基体的类型一般可把粉末冶金摩擦材料分为铁基、铜基 及铜铁基三种常用类型。 铁基摩擦材料有较高的耐热性及高温强度、硬度及热稳定性，成本较低，经 济性较好，目前对于粉末冶金摩擦材料的研究愈来愈倾向于铁基摩擦材料。在俄 罗斯、美国等国家的军、民用飞机上已广泛使用。铁基摩擦材料比铜基摩擦材料 较容易粘合，摩擦因数的变动较大，对对偶件的损伤也较大。在铁基摩擦材料中 广泛使用m o s 2 、w s 2 、b n 来调整摩擦系数，改善抗擦伤性能。对高温重载工况， 则更多采用b a s o + 、c a f 2 等来提高摩擦系数稳定性。在铁基中加润滑组元m o s 2 ， 当m o s 2 含量为4 的材料物理机械性能和摩擦磨损性能都最优异【1 2 1 。 铜基摩擦材料的摩擦因数较小，但导热性好，摩擦因数较稳定，耐磨性较好，主 要用于轻载的干摩擦和油润滑的工作条件。在铜基摩擦材料中f c 、s i 0 2 一般是作 为摩擦组元加入到材料中去的，f c 能有效地提高材料的耐磨性，却对提高摩擦因 数作用不显著【1 2 1 。对负荷极高的制动器可选用金属陶瓷，它也是一种粉末冶金材 料，金属陶瓷的优点在于耐磨性高且有突出的耐热性，工作温度可达1 0 。在 c u 基金属陶瓷中加钢纤维可以增加金属陶瓷的硬度和弯曲强度，钢纤维含量为 1 0 3 0 时材料的综合性能较优【1 3 1 。表1 - 1 为干摩擦条件下使用的铜基摩擦材料 成分1 1 4 l 。 4 江苏大学硕士学位论文 表1 - 1 干摩擦条件下使用的铜基摩擦材料成分( 州) t a b l e l - 1 c o m p o s i t i o n o f c o p p e r - b s s e d f i i c f i o n m a t e r i a l i n t h e c o n d i t i o m o f d r y f r i c t o n 铁铜基粉末冶金摩擦材料中铁和铜的含量基本相当，兼有铁、铜优异的力学、 电学、导热性能和耐磨性能，既具有铁基摩擦材料的高摩擦因数又具有铜基摩擦 材料耐磨性好的优点，在湿式和干式条件下都能应用。李科1 5 l 等用烧结法制备了 一种新型f c 3 a l 金属间化合物基摩擦材料。f e 3 a l 基摩擦材料比f c 基摩擦材料密度 低，具有较高的硬度和强度，综合力学性能好。相比f e 基摩擦材料，重载下摩擦系 数高而稳定，耐磨性能好，磨损率随滑动距离的增加有降低的趋势。 1 2 4c c 复合摩擦材料 c c 复合材料是用碳纤维增强碳基体的一类材料，基体碳可以由多种碳源采用 不同方法获得，典型的方法有树脂法和化学气相沉积( c v d ) 法【坷。除具有难熔性和 低密度外，它在高温下仍能保持其机械特性，它们主要使用在航空领域和一些乘 用车制动系统中，对这些乘用车而言，其载量和性能是首要的，而成本是其次的。 如f - 1 6 、f - 1 8 、波音7 4 7 、协和式飞机、“空中客车”等1 1 7 ，垌。重量轻，其密度仅 为钢的1 4 ：能载水平高，具有比粉末冶金材料、钢材高得多的热容量；热强度高、 无变形、粘结的现象，工作温度可达2 2 0 0 。c ；摩擦磨损性能良好，使用寿命长，由于 具有很高的热特性，碳纤维摩擦材料比铸铁材料轻8 5 ( 在相同的装置中) 。其缺 点是成本高和对氧化敏感性较大。 1 3 树脂基摩擦材料的研究现状 树脂基摩擦材料是以树脂作粘结剂，无机或有机纤维作为增强材料，并以各 种填料作为摩擦性能调节剂和工艺配合剂的高分子多元复合材料。树脂基摩擦材 料以其结构的可设计性、优良的摩擦磨损性能、良好的工艺成为汽车摩擦材料的 主流产品。 5 江苏大学硕士学位论文 1 3 1 基体 基体不仅可使摩擦材料的各部分有机地粘结在一起，赋予材料一定的结构强 度，而且对材料的摩擦磨损性能、特别是对材料的高温性能具有很大的影响。采 用不同种类和不同用量的树脂会对材料的摩擦磨损性能、物理力学性能及热性能 产生重要影响。研究与使用表明：摩擦材料使用的酚醛树脂，要求水含量5 1 5 p 9 1 ， 游离酚含量g 刚，树脂的软化点和聚合速度应保持在一定的范围内，一般要求 软化点在l 一1 1 4 之间，聚合速度在5 0 - l o o 之间。 酚醛树脂一直是树脂基摩擦材料的主流产品【2 1 捌，但是普通酚醛树脂硬度高、 质脆、耐热性低，无法满足树脂基摩擦材料的性能要求，因此必须进行改良。针 对柔韧性和耐热性不足，通过不同途径对树脂进行改性，主要有化学改性和物理 改性。酚醛树脂的化学改性主要是指除苯酚、甲醛外，还加入能参与缩聚反应的 组分，或者加入能与酚醛树脂大分子进行化学反应的组分。酚醛树脂的物理改性 是指用某些聚合物与酚醛树脂共混。改性效果受两组分化学结果、分子量及其分 布、聚合物之间相容性、共混物形态结构、共混比例以及操作工艺等多方面的影 响。提高树脂的耐热性可以有效地防止“热衰退”现象，但还需要树脂有较好的 机械性能、较好的摩擦系数吲。另外树脂的柔韧性对摩擦材料也很重要，柔韧的 树脂界面层有利于吸收冲击能，提高刹车片的冲击强度、降低刹车片的硬度，使 与对偶贴合良好、减少摩擦噪声、减弱对偶件的损伤幽。曾宪佑弘1 等以丁腈橡胶 粉等为改性剂，腰果油改性树脂为添加剂，可制得磨耗低、抗冲击强度高、硬度 和摩擦系数适中、高温下抗热衰退明显的高性能载重汽车制动器内衬片材料。李 屹等嘲研究了硼桐油改性酚醛树脂研究表明，其初始热分解温度达到4 2 0 4 5 0o c ，明显优于未经改性的酚醛树脂，相应地摩擦材料的柔韧性也得到改善，同时 具有良好的摩擦磨损性能。曹献坤闭等以三聚氰胺、腰果壳油改性的酚醛树脂， 其性能优越于纯酚醛树脂。卢荣金等嗍研究甲、乙双组分液体树脂作为粘结剂制 备制动摩擦材料，甲组分树脂为硼改性腰果壳油树脂，乙组分树脂为三聚氰胺改 性酚醛树脂树，甲、乙组分树脂比例在1 ：2 - 2 ：l 范围内，材料都具有良好的工艺 性和摩擦性能，增加甲组分树脂的比例，可以降低材料的硬度。j b i j w e l 2 9 l 等比较 了普通的酚醛树脂、烷基改性的酚醛树脂、腰果壳油改性的酚醛树脂、橡胶改性 的酚醛树脂、亚麻油改性酚醛树脂制成的摩擦材料的性能，得出烷基改性的酚醛 6 江苏大学硕士学位论文 树脂的制品强度、摩擦、衰退和恢复性能比较好，但是磨损最差，亚麻油改性的 酚醛树脂的制品与之相反。树脂含量方面，适当的树脂含量是能够形成稳定的摩 擦表面，保持良好的摩擦磨损性能。中南工业大学刘震云刚等的研究结果表明在 6 1 4 树脂含量( 质量分数) 范围内，材料的冲击强度能满足使用要求，其中以8 为佳。国外树脂含量一般在配方中占1 2 以下，有的仅占7 左右，我国一般占1 2 以上【1 9 1 。 1 3 2 增强体 摩擦材料中的增强体的作用主要是使材料具有一定的强度和韧性，使材料在 承受冲击、剪切、拉伸等机械作用下不至于出现裂纹、断裂等机械损伤p 1 1 。增强 纤维通常采用石棉，但由于石棉致癌，国内外开展了代用纤维的研究。目前广泛 使用的是金属纤维、有机纤维、玻璃纤维、碳纤维、矿物纤维及混杂纤维。 1 3 2 1 金属纤维 金属纤维既有合成纤维的柔软性，又有金属本身优良的导热、耐蚀、耐高温 特性，在高温下具有良好的耐磨性。摩擦材料中使用的金属纤维主要是钢纤维、 铜纤维。钢纤维是目前替代石棉纤维的主要增强材料之一。中国专利p 2 】采用钢纤 维增强树脂基摩擦材料具有良好的耐磨性、耐热衰退性，对偶磨损小，摩擦系数 稳定等优点。但钢纤维硬度较高，并且钢纤维容易生锈，锈蚀后易损伤对偶，磨 损加剧，摩擦系数稳定性变差。 铜纤维的硬度低，耐蚀性也优于钢纤维，在摩擦过程中摩擦材料磨损表面上 形成了富铁贫铜的表面层，可以提高摩擦系数的稳定性和增加材料的耐磨性【3 3 l 。 1 3 2 2 有机纤维 有机纤维主要有芳纶( k e v l a r ) 、聚丙烯纤维、聚乙烯纤维、聚酯纤维等，具 有强度高，可燃烧点高、高温热分解不明显等特点。目前应用较多的是芳纶纤维 和芳纶浆粕，用于摩擦材料的芳纶纤维主要包括6 - 1 3 m m 的短纤维和2 - 5 r a m 的浆 粕。k a t o 3 4 , 3 5 1 等人用芳纶增强的摩擦材料具有很好的摩擦学性能，特别是在高温下 具有和半金属摩擦材料相近的耐磨性，噪声低，密度小等优点。k i ms j 一3 6 1 研究了 钛酸钾纤维与芳纶浆粕的协同效应，对其微观结构的观测分析，发现细小的陶瓷 晶须附在芳纶纤维上，形成了稳定持久的摩擦薄层，增加了摩擦界面上转移膜的 7 江苏大学硕士学位论文 强度与耐热性，具有优异的摩擦性能。文献鲫研究由少量的k e v l a r 纤维并配合蛭 石等补强矿物制成的摩擦制动材料，具有优良的摩擦磨损性能和足够的强度，且 硬度小、成本低。芳纶浆粕纤维是芳纶纤维的一个差别化品种，其分散混合性能 良好，而且具有很好的韧性，因此不论在如何激裂的混合加工过程都不会降低复 合纤维的长径比，这一点一直是碳纤维和其他矿物纤维难以解决的问题l 勰1 。p g o p a l 【3 9 l 认为芳纶浆粕可以提高摩擦性能的稳定性，但略降低摩擦系数，磨损明显 减小，且可以降低以至除去高频噪声( 频率 5 k h z ) 。 1 3 2 。3 玻璃纤维 玻璃纤维具有原料易得、拉伸强度高、断裂伸长低、弹性模量高、防水、耐 热、耐腐蚀和尺寸稳定性好的优点。其表面工艺也得到了较广泛的研究，研究出 多种偶联剂。李志军【删等使用表面处理的玻璃纤维为增强材料，研制出新型无石 棉摩擦材料，其各项性能均达到要求，并得出玻纤的最佳质量分数为1 5 2 5 ， 最佳长度为4 一s m m 研究结果还表明，采用热处理、等离子体处理和偶联剂处理后 的玻纤，可以大大降低磨损量和改善材料的摩擦磨损性能。但玻璃纤维也存在不 足1 4 1 删：工作温度超过8 0 0 时易形成玻璃珠，容易损伤对偶件：在重载高温下， 摩擦因数波动较大，磨损量大。 1 3 2 4 碳纤维 碳纤维具有比强度高、比模量高、耐热、耐磨、耐腐蚀及热膨胀系数适宜等 一系列优点。在摩擦材料中加入少量的碳纤维可以提高材料的耐热性及抗热衰退 性、增加摩擦因素的稳定性、降低磨损【1 9 4 3 - 4 4 。e g o p a l 等人研究表明1 4 5 ：碳纤维 增强材料有良好的恢复性能，在高温和较高滑动速度下，碳纤维摩擦材料较玻璃 纤维摩擦材料具有更高的摩擦系数和更低的磨损率。m i y o s h i 拍l 等认为加入l 4 0 w t 的碳纤维增强，摩擦材料具有较高的摩擦系数和较好的热稳定性。s a t a p a t h y l 4 7 等研究认为摩擦材料中加入3 w t 的碳纤维可以提高材料的抗磨损和抗衰退能力， 但摩擦系数有所降低。韩英淳嗍采用碳纤维做增强纤维制成的新一代摩阻材料具 有摩擦磨损性能好、抗热衰退性能好等优点。文献【4 9 l 研究了用碳纤维增强摩擦材 料的摩擦磨损性能，结果表明摩擦材料的摩擦系数和磨损率都随着碳纤维的含量 增加而减小。 8 江苏大学硕士学位论文 1 3 2 5 矿物纤维 矿物纤维主要指自然界中具有纤维形态的各种矿物，也包括部分化学结构和 形态与天然纤维相同的人工合成的纤维材料。比较常用的有海泡石纤维、硅灰石 纤维、硅酸铝纤维、硅纤维、玄武岩纤维、矿渣棉、岩棉等。 海泡石纤维是一种天然的纤维状富铝硅酸盐，具有较好的热稳定性，由于其 多孔性及表面积大，因此与树脂浸润性好，界面粘结强度高。但海泡石的强度不 高，硬度低，过量加入会导致摩擦因数下降，影响制品的强度。硅灰石纤维是天 然的硅酸钙，较脆，强度较低，需和其他纤维混杂使用。宋旭波【5 0 】等采用经过表 面改性处理的硅灰石和海泡石混杂代替石棉作为增强材料，所制备的汽车刹车片 的各项性能接近石棉刹车片的性能。此外也有钢纤维，硅灰石、硅灰石玻璃纤维、 硅灰石，蛭石混杂增强树脂基摩擦材料，都取得了一定的效果。文献i s l 】中讨论了硅 酸铝纤维和钢纤维混杂增强摩擦材料，结果表明摩擦系数比较稳定。硅纤维作为 增强纤维的摩擦材料具有良好的摩擦性能，但冲击强度太低，加入碳纤维可以提 高冲击性能，并进一步改善摩擦性能【5 2 l 。玄武岩纤维具有类似玻璃纤维增强剂的 优良性能，如较好的耐热性、绝热性、耐化学腐蚀性、阻燃性、摩擦性以及比表 面积大等特点。矿渣棉、岩棉成分相近，耐热性强、价格低，但脆性大、抗拉强 度低，一般不单独使用。 1 3 2 6 混杂纤维 目前增强纤维的种类很多，但却没有一种纤维能够完全在成本、性能上取代 石棉，因此国内外近年来的研究逐渐从单一纤维转向了混杂纤维的研究【5 3 l 。两种 或两种以上的纤维进行混杂增强，不仅可以降低成本，还可以充分发挥每一种纤 维的优点，弥补相互的缺陷，使性能更加完善，更加优异。目前，国内外进行了 碳纤维钢纤维、玻璃纤维有机纤维、钢纤维，芳纶、陶瓷纤维钢纤维芳纶纤维， 碳纤维有机纤维混杂纤维等的研究，都取得了良好的效果。刘震云【1 0 l 等用钢纤维、 有机纤维、铜纤维、矿物纤维等混杂纤维制成的摩擦材料，混杂纤维的含量以体 积百分数1 0 为最佳，重量百分比约2 5 ，此时材料具有较高的摩擦系数和较低 的磨损量，冲击、弯曲及硬度等性能指标都能达到使用要求。欧洲专利【5 4 1 推荐纤 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。 表1 - 2 为各种纤维的性能比较。 9 江苏大学硕士学位论文 1 3 3 摩擦性能调节剂和填料 填料在摩擦材料中主要是对材料的摩擦磨损性能进行多方面调节，通过添加 不同的填料来控制、调节摩擦材料制品的硬度、比重、结构密度、制品外观、改 善制动噪声、降低成本等 5 5 , 5 6 1 。在材料中添加软弹性、多孔性及片状填充材料可 以减少振动。加入焦炭粉、海泡石、片状石墨等均对降低噪声有一定的效果。减 摩性填料以提高摩擦材料的耐磨性能、适度降低摩擦系数和减少制动噪音为目的 主要有石墨、焦炭粉、滑石、云母以及金属的硫化物( m o s 2 、c u 2 s 、s b 2 s 3 、p b s 、 z n s ) 。g u d m m l d - h o y c r l 等a e s 啊c u 2 s 、s b 2 s 3 和p b s 在摩擦材料中的润滑作用进行 了详细的研究，结果表明用c u 2 s 润滑的摩擦材料随着温度升高，摩擦系数会逐渐 下降，而采用s b 2 s 3 和p b s 润滑的摩擦材料低温和高温下摩擦系数都比较稳定。石墨 和m o s 2 是最常用的减摩剂。文献【5 8 】为将石墨和m o s 2 混合使用，不同温度下都具有 很好的润滑效果。增摩填料的莫氏硬度通常在5 以上，主要是金属的氧化物f 如 a 1 2 0 3 、s i 0 2 、z r 0 2 、m g o 、t i 0 2 和f e ；3 0 4 ) 以及s i c 、铬铁矿粉、金刚石粉等。摩擦 材料中用量较大的是莫氏硬度介于3 巧之间的无机填料，如重晶石f b a s 0 4 ) 、沸石和 碳酸钙等。这类填料的使用主要目的是降低摩擦材料成本，但也具有稳定摩擦系 数的重要作用。m i nh y u n gc 鼽o f 5 9 l 等认为材料中随着m g o 量增加，摩擦系数变大， 硅酸锆、c a ( o r 现含量多会产生噪声，但可以降低磨损。加入金属粉末( 铜粉、铁 粉、泡沫铁粉、铝粉、锡粉及锌粉等) 可以提高摩擦材料的热导率。 1 3 4 结论 树脂基摩擦材料以其结构的可设计性、优良的摩擦磨损性能、良好的工艺成 江苏大学硕士学位论文 为汽车摩擦材料的主流产品，并且今后还会有更多种类的高性能的纤维在摩擦材 料中应用，但高性能的纤维存在价格偏高，为了降低成本或弥补摩擦性能的不足， 一般不单独使用，而是与其他纤维一起使用。通过不同的途径对树脂进行改性以 提高其耐热性和韧性及采用高性能纤维和混杂纤维增强将是树脂基摩擦材料的趋 势。 1 4 本课题研究内容和方法 1 4 1 主要内容 根据摩擦材料的要求，本课题研究主要内容集中在寻求新型的纤维组合，改 进树脂、填料的搭配，对材料的机械性能、摩擦磨损性能进行研究。主要内容有； ( 1 ) 对现有的摩擦材料进行分析，选择适合于重型汽车用的基体、纤维、填 料。 ( 2 ) 选用芳纶纤维与玻璃纤维、硅灰石等三、四种纤维混杂，使有机纤维与 无机纤维合理搭配达到最佳效果。 ( 3 ) 探讨各种纤维不同含量对摩擦材料的摩擦磨损性能、机械性能的影响。 ( 4 ) 用正交实验法测定各种配方下摩擦材料的摩擦系数及其稳定性，磨损率。 并应用方差分析的方法优化配方及分析不同纤维对摩擦材料摩擦磨损性能的影 响。 ( 5 ) 用扫描电镜观察分析材料结构和摩擦表面损伤，分析不同纤维之间的混 杂效应及相互影响，分析其界面及摩擦磨损机理。 通过试验找出适合于重型汽车使用的多纤维混杂的新型摩擦材料，为制造重 型汽车制动块摩擦材料提供依据，并分析不同纤维对摩擦材料性能的影响及摩擦 表面磨损破坏机理。 1 4 2 研究方法 摩擦材料配方设计包括：如何选择原材料，如何匹配原材料含量和性能优化 等方面内容，它涉及到原材料种类的选择、材料间的耦合作用及各组分间的比例 组合的优化。 长期以来，摩擦材料配方的设计是典型的经验设计，凭经验粗略确定材料的 种类及其含量。通过样品测试进行各种调整，使产品满足设计要求，事先不能对 1 1 江苏大学硕士学位论文 产品性能进行有效的预测和准确的把握，经验设计方法工作量大、效率低，可靠 性差。 本文先通过查阅国内外大量文献及前期的试验的基础上确定适合重型汽车摩 擦材料的原材料。再通过研究所选用的主要纤维对摩擦材料摩擦磨损性能的影响 确定纤维的大致含量，最后通过正交试验和和方差分析来确定和优化各成分的配 比。 正交实验设计是研究与处理多因素实验的一种科学方法。它借助于一种规格 化的“正交表”，科学地、有计划地、有目的地挑选实验条件，合理安排实验，并 利用数理统计分析实验结果探寻出可能最优的实验方案。 江苏大学硕士学位论文 第二章摩擦材料的制备及性能测试 2 1 制动器摩擦材料组分设计 2 1 1 摩擦材料的技术要求 由于摩阻材料使用环境苛刻，如高温、高冲击、水和油介质中，因此，摩阻 材料必须达到以下性能要求嗍。 1 适宜而稳定的摩擦系数( “) ，摩擦系数关系到摩擦片执行传递和制动性能的 好坏，它受温度、压力、速度、表面状态和周围环境等的影响。摩擦系数过高会 造成车轮抱死，过低则制动距离过长。我国国家标准g b t 5 7 6 3 - 1 9 9 8 及 g b t 5 7 6 4 - 1 9 9 8 分别规定了汽车用制动衬片和离合器面片的摩擦因数指标，如表 2 - 1 所示。 表二1 我国各种汽车制动衬片及离合器面片摩擦因数( p ) 的标准 t a b l e 2 - 1s t a n d a r d o f f r i c t i o nc c l c i 五融( p ) o f v a r i o u s o f c a r b r a k e f a c i n g s a n d c l u t c h f a c i n g s i n o l l rc o u n t r y 制l 类：汽车制动器0 3 0 - 0 7 00 2 5 4 ) 7 00 2 0 - 0 7 0 鍪2 类：微、轻型车鼓式制动器。2 5 - 0 6 5 。2 5 - 0 7 0 o 2 0 - 0 7 0 。1 5 - 0 7 0 衬3 类：中、重型车鼓式制动器0 2 5 - 0 6 50 2 5 - 0 7 0 0 2 5 - 0 7 0 0 2 0 - 0 7 0 0 1 5 - 0 7 0 片4 类：盘式制动器0 2 5 - 0 6 50 2 5 - 0 7 00 2 5 - 0 7 0 0 2 5 - 0 7 0 0 2 5 - 0 7 0o 2 0 - o 7 0 离合器面片0 2 5 - 0 6 00 2 0 - 0 6 00 1 5 - 0 6 0 2 良好的磨损率，摩阻材料在摩擦过程中，磨损是不可避免的，但人们总是 希望它们具有良好的抗磨性，也就是较低的磨损率，因为这表征着其使用寿命的 长短。在我国国家标准g b t 5 7 6 3 1 9