（机械设计及理论专业论文）复合摩擦材料表面摩擦磨损特性与机理研究.pdf

摘要 摘要 制动摩擦是摩擦学的一个重要分支，在各类摩擦制动器中，复合摩擦材 料( p m c ) 使用的比例高达9 0 以上，是由十几种甚至三十几种，机械性能、 物化特性不同的材料组成，其表面摩擦磨损特性极为复杂。摩擦材料的表层 成分、性质和结构对摩擦磨损起着决定性作用。由于还缺乏对表面摩擦层中 物理和化学过程的精确了解。本文主要从材料组成，表面微观形貌，表面成 分变化，纳米新材料的研制以及制动工况的变化出发对复合摩擦材料的表面 摩擦磨损机理进行了研究和探讨。 通过实验研究和对制动摩擦表面微观形貌和表面成分的分析研究得到以 下得结论：在复合摩擦材料中，树脂材料对摩擦磨损特性的影响是第一因素， 树脂的含量有一最佳值，太多或太少对摩擦磨损都不利。根据对摩擦表面的 观察和成分分析，发现复合摩擦材料的表面瞬时温度可超过1 7 2 3 0 c ，这一温 度要比原来估计的瞬点温度1 5 0 0 0 c 高的多。详细的分析和解释了钢纤维的氧 化磨损过程，并对k e v l a r 纤维在熔融态的磨损过程以及摩擦生成物的形貌特 征进行了说明。对摩擦表面“冲积层”的形成机理和对表面摩擦磨损的影响 进行了分析。解释了摩擦材料表面裂纹产生的原因：在摩擦热和表面力的综 合作用下，导致聚合物结构的破坏和热降解。借助原子力显微镜对复合摩擦 材料和制动盘的摩擦表面微观组织结构和形貌特征进行了观察分析。 通过对纳米复合摩擦材料的制备及其表面摩擦磨损特性的研究表明：在 各种复合摩擦材料中，各组份与树脂粘合强度的强弱，决定了该组份和与该 组份相邻的其它组份在表面抗衡剪切力的时间长短。 在不同制动工况条件下，对摩擦接触界面气体压力的变化进行了初步的 试验研究，结果表明：接触界面的气体压力会随滑动速度，表面温度和制动 载荷的太小而变化。 最后，以摩擦表面温度为基准，建立复合摩擦材料的表层结构模型，并根据 摩擦特性推导出摩擦系数的理论计算公式。根据磨损特性，建立了粘着磨损、 氧化磨损以及磨料磨损的模型，分别给出了磨损计算式。根据计算公式表明： 复合摩擦材料的磨损与摩擦能耗成诈比，并随温度的上升呈指数地增加。通 过类比法，推断出摩擦表面微个体的振动有产生制动噪声的可能性，同时建 立了摩擦表面振动的力学模型，并进行了理论分析。 关键诃：复合摩擦材料；表面特性；制动摩擦；摩擦磨损机理 华南理工大学博士学位论文 a b s t r a c t t t l eb r a l ( i n gt r i b o l o g yi sa ni m p o r t a i l to 仃s e to f 砸b o l o g y r o u 曲l ym o r e 山a n9 0 o f b r a k i n gs y s t e m sa r eo ft h e 帅ep o l y m e rm 出c o m p o s i t e ( p m c ) b 址ep a d s ，m ep m c f r i c t i o nm a t e r i a l sc o n t a i nm o r et h a n1 0 3 0d i f f e f e n ti n g r e d i e n t s ，s u c ha sm e t a l s ，c e r a m i c 伽e r s ，锄耐d 胁r e s ，m b b e r s o l i dl u 晰c a n t sa n dp h c n o l i cr c s i n d u et om ec o m p l e x i 哆o f 衔c t i o np h e n o m e n ai np m c ，t 1 1 ef d c t i o nm e c h a n i s m sh a v en o t b e e nf u yu n d e r s t o o d t h e d i s s e n a t i o nc o n c e n t r a t e so nt h ee 仃b c t so fi n g r e d i e n t s ，( h et o p o 乒a p h i cf e a n l r e so fc o n t a c t a r e a s ，t h ec h e i l l i c a l - p h y s i c a lc h a n g eo fi n g r e d i e n t s ，t h ep e r f 0 锄a n c eo fn e wd e v e l o p e do f n a n o - p m ca n d b r a “n gc o 删t i o n s n l ep u r p o s ei sm ci v e s d g a 垃o no ft h c 衔c t i o na n dw e a r m e c h a n i s m so fm b b i n gs u r f a c e nw a sd e m o n s 眦岫db yt t l e o r t h o g o n a le x p e r i r n e n tt t l a tp h e n o l i cr c s i ni s t h er n o s t i m p o r t a n ti n g r e d i e mi n a l lm a t e r i a l so fp o l y m e rm a 缸xc o m p o s i t e ，t h em c t i o nc o e f f i c i e n ta n d w e a ro fh i g ht e m p e r a t u r ea r es 口o n g l ya 伟e c t e db yp h e n o l i cr e s i n b ym e a n so ft 1 1 ec o m b i n e d u s eo fs c a n i i i n ge l e c 吨nr n i r c r o s c o p y ( s e m ) a n de n e 唱yd i s p c r s i v es p e c 昀m c 时( e d s ) ，m e m e l t i n gq u a r t zi so b s e r v e di nt h er u 岫b i n gs u r f a c e i ts h o w sm a tm em a x i m u mc o n t a c ts u r f a c e t e m p e r a t u r ee x c e e d1 7 2 3 0 c ，m o r et h a nh a v i n gr 印。毗de s t i n l a t c dv a l u e s ( 1 5 0 0 0 c ) t h e o x i d a d o na b r a s i o np m c e s so fs c e e if i b r e si se x p l a i n e da n dm i c r o a n a l y z e di nd e t a i 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a m c l e sw e r es t u d i e db yt h ec o n a s t e x p e r i m e n t t h er e s u l t so fe x p e r i m e n ti n d i c a t e ：d u et o t h en a n op a r t i c l e sa d h e r et o 山e s u r f 犯e so fo t h e ri n g r e d i e n t s ，m es 仃e n g t ho fr e s i nh o l d i n go t h e ri n g r e d i e n t st o g e t h e ri s r e d u c e d ni n d u c e st h a tt i l es t e e lf i b c r sa n dg r a i n sa r ce a s yt 0d i s e n g a g ef r o mt t l e 伍c t i o n s l l i 干a c ef b rt h es h e a rs t i _ e s s e s i i a b s t f a c t a i rp r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r eo nt h ei n t e a c eo fp m cb r a k ep a d sa r em e a s u r e da n dm e i r i k n c e sa r es m d i e da sw e l l t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a ta i rp r e s s u r eo ft h ei n t e - a c e v a r i e sw i t hu l ca p p l i e dl o a d ，s u r f a c et e m p e r a t u r co fd i s c sa n ds l i d i n gs p e e d t h ea n a l y s i so f t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss l l o w st h a tt h ep h e n o m e n aa r ec a u s e db yt w of a c t o r s o n ei st h ea i r t e i i l p c r a t u r ea n dt h eo t t l e ri st h ed i s cr o t a t i o n f i n a h y ，t h el a y e rm o d e lo fm b b i n gs u r f a c es 啪j c t u r ei ss e tu po nb a s i so ft e m p e r a t u r e n ec a l c u l a t i o ne x p r e s s i o no ff r i c t i o nc o e m c i e n ti sd c d u c c db yt h et r i b o l o g i c a lp r o p e r t i e so f p m cd u r i n g b r a k i n g t h ea b r a s i o nr n o d e i so fa d l e s i o n ，o x i d a t i o na n dg r i n d i n ga r e e s t a b l i s h e d t h o s ec a l c u l a t i o ne x p r e s s i o n so fa d h e s i o na r e 舀v e nb yt h ee x p e r i m e n t sd a t aa n d t o p o g r 印t l i cf e a m r e so fp m c n l ea i l a l y s i so fm ee x p r e s s i o n ss h o w sm cw e a rr a t co fp m c i s 幽骱n yp m p o r c i o n a l t o b r a k i n gp o w e ra n di n c r e a s e se x p o n e 嘶a l l yw i 血t h es u r f k e t e m p e r a t u r e b ym e a n so fa n a l o g i s m ，t h ef 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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。本人授权华南理工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、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密刚。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 阼雾 日期：尹嘿佯石月驴日 日期：年月日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 早己广泛地应用在各种机械设备中的摩擦制动器，是利用摩擦材料与运动 对偶材料表面相接触时所产生的摩擦阻力达到减速或终止运动目的的装置。摩 擦制动器实质就是一个能量转换器。它是利用摩擦将运动的机器和机构的动能 全部或部分转换为热能，并通过制动器与外界环境的热交换来散热。摩擦产生 的热量十分庞大，根据制动工况条件不同，对制动性能的要求不一样，摩擦制 动器的种类也是多种多样，按制动器摩擦副的结构型式不同，可分为：蹄式； 盘式；带式耕动器。 在飞机、火车、汽车等交通工具上，摩擦制动器是最关键的机构部件。在 起重设备中，无论是龙门吊、塔吊、一般起重吊以及升降机( 包括电梯) 、高楼 逃生装置川、矿山和建筑提升机等也都是靠运动的转轮与摩擦材料之间的摩擦 作用产生的制动力矩来实现调速、终止运动的。制动摩擦副的工作特性将直接 影响到各类交通工具和机械设备的使用质量和安全可靠性。 图1 1 盘式制动器 f 培l l - d i s kb r a k e 固体表面的结构和性能相当复杂，它们取决于固体的性质，表面制备的方 法和表面与环境之问的相互作用。在摩擦接触过程中，固体表面的特性取决于 其表面层的结构在厚度和组份所发生的变化【2 】。要充分了解摩擦磨损过程，首 先要了解摩擦表面的性能特点和变化过程。 摩擦制动过程，是一个强烈的动态摩擦过程，与一般摩擦副相比，其摩擦 磨损过程更为复杂【3 ，。它不仅与承受的载荷、速度、制动时间、表面污染程度 有关，而且还与摩擦材料和对偶盘的综合材料性能有关。因此，无法用一个公 华南理工大学博士学位论文 认的理论来解释制动摩擦过程中摩擦磨损现象的机理【4 1 。在现有的测试手段 下，摩擦过程还无法直接观察，在摩擦接触下的表面层变化过程甚少为人研究。 表面分析研究由于材料结构的非匀质性而变得困难，只有通过摩擦、磨损结果 来推知摩擦副的摩擦特性，推断摩擦层的变化过程和可能产生的情况。 1 2 制动摩擦材料的分类与特点 2 l 世纪科技发展的趋势是高速、环保和节能。随着世界各国对环境问题的 关注，对摩擦制动器的材料提出了更高的要求。理想的摩擦材料：应该有稳定 的摩擦系数，良好的热稳定性和较长的寿命，对对偶摩擦副的磨损小以及制动 时无噪声5 。j 。根据目前摩擦材料成分和加工工艺的不同主要将其分为以下两 大类：复合类摩擦材料和金属类摩擦材料。 有石棉( 含石棉纤维) j会属纤维增强型( 钢纤维；铜纤维) 【l 有机纤维增强型( 芳纶纤维：聚脂纤维) 无石棉1 无机纤维增强型( 碳纤维；玻璃纤维) 混杂纤维增强型一各种纤维的混合 广粉末冶金 铸铁 l 铸钢 在摩擦材料的使用当中，金属类摩擦材料可用于较高的使用温度，但是其 价格高、制造工艺复杂、制动噪音大、脆性大以及对对偶件的擦伤和磨损大等 缺点使其仅能应用于一些特殊场合，而不能广泛用于汽车特别是轿车上。 复合摩擦材料( p o l y m e rm a t r i xc o m p o s i t e ) 是将不同物化特性的材料与强度 低、韧性好的高分子聚合物基体组成的。由于高分子材料通常不能承受高的应 力和高的温度，为了提高高分子材料的屈服强度，都采用网状结构的热固性树 脂，一般为各种改性的酚醛树脂。同时，为了达到理想的制动效果和综和机械 性能，还需加入各种纤维，润滑材料，磨料以及填料，而其中的高聚物基体材 料几乎只是作为传递或分散载荷的媒介。因此，复合摩擦材料的强度主要取决 于包括纤维在内的其它组份与基体界面的粘结强度【8 1 9 l 。所以在复合摩擦材料 中，也称高分子树脂材料为粘结剂。目前，在各类摩擦制动器中，复合摩擦材 料( p m c ) 使用的比例高达9 0 以上 1 。 2 类 类 合 属 复 金 ，j、l 料 材擦摩 第一章绪论 图l 一2 车用盘式制动衬片 f i g 1 2 b r 习瞄n gp a d 但是在2 0 世纪2 卜7 0 年代，含石棉的复合摩擦材料几乎是一统天下，从 1 9 7 2 年国际肿瘤医学会确认石棉及高温挥发物属于致癌物后，国际上掀起一股 禁止使用石棉摩擦材料的浪潮，此外，现代汽车速度的提高，使制动材料的表 面温度达3 0 0 一5 0 0 。石棉摩擦材料导热性和耐热性差，在4 0 0 左右将失去 结晶水，5 5 0 时结晶水完全丧失，已基本失去增强效果，石棉脱水后会造成 摩擦性能不稳定、工作层材料变质、磨损加剧，出现明显的“热衰退”现象【i l ”】。 含石棉纤维的摩擦材料巳不适应汽车工业和现代社会发展需求。 在近3 0 多年的摩擦材料研究中，绝大部分集中在无石棉复合摩擦材料方 面。在代替石棉的纤维中，除了钢纤维外，目前比较多见的有：玻璃纤维、碳 纤维、芳纶纤维、陶瓷纤维以及这些纤维相混合的混杂纤维【l3 1 。目前石棉摩擦 材料已经逐步被无石棉复合摩擦材料所取代。 p f i l i p 1 4 l 等人为了确定材料的单个组分和微观结构对摩擦磨损的影响， 对美国、日本、欧洲等地生产的摩擦材料进行了系列研究。根据材料的光学性 能把目前国际上流行的复合类摩擦材料分为三大类：“黄色”和“棕色”族代 表无石棉树脂型摩擦材料( n o n a s b e s t o so r g a n i c ( n a o ) ) ；“钢”族代表半金属制 动材料( s e m i m e t a l l i c ( s m ) ) ：“灰色”族代表混杂纤维材料，其配方和性能一般 是n a o 和s m 的综合。黄色族摩擦材料通常由黄铜或紫铜纤维或铜粉和硫酸 钡、三硫化二锑、玻璃纤维、塑料改性剂、煤粉或焦碳粉组成，其基质材料是 酚醛树脂。而棕色族是由酚醛树脂、塑料改性剂、芳纶纤维、玻璃纤维、硫化 物、矿棉和硫酸盐组成。钢族材料的特征是组分包括低碳钢纤维、纯铁粉、氧 化镁和硫酸钡，再加上不同形念的焦碳、天然或人造石墨组成了这一系列的配 方。灰色族材料包含的纤维有铜纤维、钢纤维、玻璃纤维、矿棉、碳纤维等， 如果材料中包含有赛珞珞或芳纶纤维，材料的光学性能会呈现灰红或红色。 华南理工大学博十学位论文 通过对摩擦材料的结构性能、力学性能、热性能的研究结果表明：这几类 材料的摩擦磨损性能各有特点。 以钢纤维或金属粉( 铸铁粉、还原铁粉) 代替石棉纤维，是7 0 年代初美国 本迪斯公司开发的无石棉摩擦材料 1 ”。半金属摩擦材料具有如下主要特点： 摩擦系数在4 0 0 以下比较稳定；耐磨性好，使用寿命是石棉摩擦材料的2 3 倍；在较高负荷下具有良好的摩擦性能，摩擦系数稳定，导热性好，温度梯度 小，特别适合尺寸较小的盘式制动器。在使用中发现半金属摩擦材料存在如下 缺点：钢纤维容易生锈，锈蚀后或者出现粘着对偶或者损伤对偶，使摩擦片强 度降低，磨损加剧，摩擦系数稳定性变差；半金属摩擦材料虽然消除了石棉摩 擦材料容易产生的高频噪音，却易产生低速下的低频噪音。 玻璃纤维的特点是硬度高、热稳定性较好、与树脂亲和性好、价格低廉。 玻璃纤维发展历史较长，是早期无石棉摩擦材料中使用较多的纤维。 v i s h m a n a t h 【1 6 1 等的研究表明，其摩擦系数和磨损率受法向载荷滑动速度的影响 较小。在使用中玻璃纤维摩擦材料都表现出较高的磨损率，造成高磨损率的原 因是由于玻璃纤维的热传导率很差，从而使摩擦表面和次表层的温度很高且具 有极高的温度梯度，聚合物在此高温下软化和分解使纤维和基体的粘结程度减 弱，除此之外，玻璃纤维硬度过高而塑性极差也是造成高磨损率的原因之一。 同时也会对对偶件产生擦伤和磨损，在重载高温下，摩擦系数波动较大，稳定 性较差 1 ”。玻璃纤维磨擦表面形成的由无机填料、玻璃纤维材料、铁或碳组 成的转化膜是引起热衰退的重要原因。单一的玻璃纤维作为增强材料的摩擦材 料很难满足高速制动下的高温摩擦学性能要求。 芳纶纤维又称k e v l a r 纤维，是一种芳族聚酰胺有机人造纤维，是美国杜 邦公司开发的产品。其特征是具有相当高的强度和韧性、中等的模量、很小的 密度、耐磨、耐热、高温下尺寸稳定好，没有碳纤维与玻璃纤维所呈现的脆性， 因此非常适合于作高温摩擦条件下工作的摩擦材料，也是最有希望取代石棉成 为下一代摩擦材料的增强材料。研究表明【l 引，k e v l a r 增强的摩擦材料具有较 高的摩擦系数，而其耐磨性好于石棉摩擦材料，特别是高温下具有和半金属摩 擦材料相近的耐磨性。摩擦材料中k e v l a r 的含量会对其摩擦学特性产生较大 的影响。 t a k a s i s ak a t o 【”l 等人的研究认为，摩擦材料的硬度和导热率随 k e v l a r 含量的增加而线性减少，当k e v l a r 的含量超过1 0 时，摩擦系数降低 5 0 ，磨损率降低一个数量级，但k e v l a r 含量继续增加，摩擦系数基本保持 不变，而磨损率随k e v l a r 含量增加而继续下降。这表明，k e v l a r 的加入极大 地提高了摩擦材料的耐磨性，但其摩擦系数也随之下降。尽管芳纶纤维增强的 摩擦材料具有极明显的耐磨性优势，并且在装车试验中也得到了令人满意的效 果，但由此引起的摩擦系数的降低却是汽车摩擦材料所不希望的。 碳纤维有机摩擦材料的突出优点是其高温摩擦稳定性好、耐磨。但由于较 4 第一章绪论 高的价格影响了它的推广使用。因此作为摩擦材料常用在飞机刹车和赛车制动 器上。碳纤维摩擦材料的研究已有许多，但结论却并不一致。g i l r o w j p 【2 0 1 认 为，碳纤维的类型( 高模量和超高模量) 对摩擦材料的摩擦磨损特性有较大的影 喻，而纤维的排列方向和摩擦过程中界面第三体对摩擦系数和磨损率影响甚 小。 虽然，这几类摩擦材料的摩擦磨损性能各有特点，但其中也有许多的相 同或相似的特点：每一类材料都对温度很敏感，都有一个临界温度，只是临界 温度的高低不同，当低于这一温度，摩擦材料都能很好的工作，而高于临界温 度，摩擦系数降低，磨损率急剧升高2 1 ，22 1 。这几类材料同为复合摩擦材料， 除了都是以高分子聚合物作为基体材料外，其材料组成也基本相同，即都包括 有：纤维，润滑材料，磨料以及填料。主要的不同的是纤维的种类不同。因此， 开展复合摩擦材料表面摩擦磨损机理的研究就是要研究其在表面摩擦过程中 所表现出来的共同特性。 1 3 复合摩擦材料表面摩擦磨损特性 制动摩擦多数处于干摩擦的滑动摩擦状态，由于摩擦材料和对偶材料表面 形貌和接触时的不均匀性，实际的接触面积远远的小于名义接触面积。复合摩 擦材料摩擦系数值的大小及其稳定性，不仅与摩擦副材料的性质( 物理、化学 性质和机械特性) 有关，还与制动时的工况条件( 法向压力的大小、滑动初速 度、制动频率和时间) 、表面状况( 表面光洁度和温度) 等因素有关。在制动 过程中，摩擦材料与摩擦盘之间的相对滑动速度很大，摩擦热能可以达 5 0 0 w c m 2 ，接触表面的温度可达到3 5 0 ，而瞬时闪点温度可达1 5 0 0 以上 【2 3 。26 1 。 所以，摩擦表面的温度对摩擦力的稳定性的影响尤为突出。这将造成摩擦 材料的一系列的物理、化学变化。摩擦系数会随其表面工作温度升高而降低， 即出现所谓的”热衰退”现象。热衰退现象不仅体现在摩擦系数的衰退上，还会 使摩擦材料的磨损量高出正常值几个数量级【2 ”。 在摩擦表面产生摩擦力的同时，表面的相互作用将引起表面材料的流失和 转移，即产生磨损。一般的来说，希望摩擦材料的摩擦系数较高，尤其在高温下 仍能保持较高的摩擦系数，即有足够的制动摩擦力矩。但是摩擦系数越高，摩 擦所产生的剪切力越大，摩擦表层所受的切向应力也大，因而表面材料的流失 或破坏也越严重，产生的磨损越大，摩擦材料的使用寿命也越短。因此摩擦与 磨损是摩擦材料即相关又矛盾的两个方面。 复合摩擦材料，在摩擦过程，界面转移膜( 摩擦转移膜) 的形成及其在摩擦 5 华南理工大学博士学位论文 过程中的减磨作用和高温下的聚合物分解造成热磨损方面的认识是比较一致 的。对于摩擦界面转移膜的形成，一般认为，新制动摩擦副在初始阶段的跑合 过程中，粗糙表面的微凸峰相互接触发生塑性变形和断裂，断裂形成的磨屑在 界面压力和摩擦力作用下，由于界面膜自身内部的粘结力大于其与两表面的粘 结力，在摩擦作用下会沿其中部剪开而粘结在两摩擦体表面，形成摩擦转移膜， 转移膜的成分以高聚物( 或其分解物) 和填料及金属元素组成。 随着转移膜的不断形成，两摩擦表面的粗糙度降低直到形成稳定的转移 膜。在这一过程中摩擦系数变化较大，而磨损率由大到小，一般认为，这段过 程的磨损机理为磨料磨损，在随后的过程中，转移膜的形成、剪切处于动态平 衡，在温度不太高的隋形下，摩擦系数和磨损都处于相对稳定的状态。有人认 为此阶段磨损机理主要是粘着或疲劳磨损。随着温度的增高，高聚物发生降解 从而使摩擦材料表面的无机填料成分增加，转移膜与摩擦材料的结合程度降 低，转移膜破裂而引起严重的热磨损。 在制动摩擦过程中，金属表面与空气中的氧原子反应时，就会形成氧化膜。 这有利于克服金属基体间直接接触而产生“粘着”，但膜的强度低，硬而脆， 在摩擦力的作用下易开裂或破裂，变成磨粒而剥离表面。制动时由于摩擦热的 作用，将会加速金属表面的氧化过程。在制动摩擦过程中，温度不断增高，氧 化膜厚度增大，膜的强度降低，易脱落且呈鳞片状。氧化膜与金属基体是否发 生“粘着”磨损，还与金属基体的硬度与氧化膜的硬度比有关，两者的硬度相 差愈大，则氧化膜愈脆，屏蔽作用就越小，产生“粘着”的可能性也愈大，使 膜破坏的载荷也就愈小。 制动过程中，当摩擦面的温升大于2 2 0 一3 0 0 时，由于衬片中酚醛树脂 的热分解而产生大量的气体生成物( c o 、c 0 2 、c h 4 等) ，因而在摩擦面上形成 了局部区域的一层“气垫膜”。在切向摩擦力的作用下，由于表层的塑性变形， 微凸体凹处气体被包复，在反复制动下，成为表层承受循环应力的薄弱环节， 从而加速表面膜的破裂和磨粒的剥离。因此“气垫膜”的产生将使摩擦系数下 降，影响制动的稳定性，且对摩擦面的磨损也不利。 摩擦制动器的磨损当然不只取决于摩擦片的材料，它与接触盘的材料也有 关系。常用的接触盘材料是具有细晶粒的珠光体灰铸铁或合金铸铁，硬度为 h b l 8 0 一3 0 0 。铸铁的优点是，与大多数摩擦材料配对时，不易产生由于粘着 作用而发生严重损伤接触盘表面的热胶合。测试表明，在制动器的磨屑中，一 般有l 一2 0 是来自接触盘的表面材料。此外，猛烈的制动，还有可能使接 触盘因热应力过高而直接产生表面裂纹。但是与摩擦材料相比，制动盘材料种 类十分单一且相对发展较慢。目前，使用和正在研究的制动盘材料主要有铸铁 和金属基复合材料两大类2 8 。0 1 。 第一章绪论 f 4 复合摩擦材料表面摩擦磨损的研究现状 1 4 1 复合摩擦材料的研究进展 复合摩擦材料配方设计的关键是选择性能优良的粘结剂、各种填充材料、 增强材料和摩擦改善剂和适合的生产工艺。 翟玉生f 3 l 】等人研制无石棉自增强摩擦材料的基本配方( 以质量分数计) ：酚 醛树脂l o 一1 8 ，丁脂橡胶8 一l s ，漂珠2 4 一4 0 ，摩擦改善剂 l 5 一3 5 和助剂1 0 一1 5 。其特点是材料中无增强纤维，起增强材料的是 漂珠，通过机械搓合和化学交联使之成为具有弹性的网状结构，可以填入大量 的填充材料和摩擦改善剂。用热固性酚醛树脂作为丁脂橡胶的补强剂，能够提 高橡胶的机械强度和硬度，对橡胶起改性作用。研究证明：用酚醛树脂补强的 硫化橡胶的抗拉强度高达1 7 9 m p a ：通过调整树脂和橡胶的比例，可以改善摩 擦材料的硬度、冲击强度、耐温性和摩擦磨损性能。 曹献坤【3 2 1 等人对k e v l a r 增强纤维的摩擦材料配方进行了研究设计。应用 正交试验设计方法，以摩擦制品的摩擦系数、磨损量和冲击强度为试验指标， 由多因素方差分析进行配方优化，得材料配比( 重量) 为：k e v l a r 纤维 l 一5 ，膨胀蛭石片( o 1 5 3 2 5 m m ) 4 0 5 0 ，改性酚醛树脂粉( 2 5 0 目) l6 一l9 ， 石墨5 8 ，有机摩擦粉lo l5 ，无机填料lo l8 ，其它( 余数) 。 杨金生 33 】等人对半金属制动材料的成分配方进行了改进并获得了较好的 制动摩擦磨损效果。沈上越【3 4 1 等人一直进行着矿物纤维作为汽车制动片增强 材料的实验研究并研制出完全可以替代石棉摩擦材料的新型矿物纤维制动材 料。李溪滨，于澍【3 副等人对c c 复合材料作为一种性能优良的制动材料，进 行了研究，研制工作取得了较大的进展和突破并取得了具有自己知识产权的 c ，c 复合材料飞机刹车盘。 国外商用摩擦材料的配方设计，由于涉及到商业秘密而很少公开。但是在 摩擦磨损的机理研究中，会给出试验用材料的简单配方。 韩国的h oj a n g 【” 等学者，对复合摩擦材料中的s b 2s 3 和z r s i 0 4 在表 面摩擦过程中的特性进行了研究，并给出了材料的配方( 重量w t ) ：酚醛树 脂2 0 ，聚酰胺纤维6 ，陶瓷纤维3 ，铜纤维3 ，氢氧化钙3 ，二硫化 钼3 ，石墨5 ，腰果油粉粒l o ，蛭石3 ，橡胶粉3 ，云母3 ，硫化锑 2 6 ，硫酸锆2 6 ，其余钛酸钾。 p f i l i p 【3 ，对复合摩擦材料表面层的形成进行了研究，并给出了试验用 材料的配方( v o l ) ：钢纤维7 ，铜纤维6 ，石墨2 3 ，聚丁橡胶l l ， 7 华南理工大学博士学位论文 二硫化钼4 ，硫化锑5 ，硫酸锆7 ，酚醛树脂3 4 。 m h c h o ai ”1 对灰铸铁制动鼓在摩擦过程中，灰铸铁摩擦表面的微观形 貌变化进行了研究与制动鼓，并比较了有钢纤维摩擦材料与无钢纤维摩擦材料 对灰铸铁表面的影响特性。同时给出了两种试验用复合摩擦材料的配方见下 表。 表1 一l 某复合摩擦材料的配方和物理特性表 t a b i el 一1 c o m p o s i t i o no fm eb r a k ep a da n dp r o p c r t y 在制动摩擦材料的发展过程中，新材料、新工艺的研究从来没有停止过。 纳米材料是8 0 年代初发展起来的新材料，它的奇特性能和广阔的应用前景， 被誉为跨世纪的新材料，先后被列入国内外高技术研究计划。纳米粒子( l o o n m ) 是介于宏观物质与微观原子或分子之间的过渡亚稳态物质，具有小尺寸效应、 量子尺寸效应、表面效应与宏观量子隧道效应等，从而表现出了一些特殊的性 质3 8 珈】。 随着纳米材料制备工艺的完善和微观摩擦学的发展，研究发现纳米技术可 以使许多传统产品发生根本性的改变，把纳米颗粒或者纳米材料添加到传统材 料中，可改进或获得一系列特殊功能和意想不到的结果，这种改进并不见得昂 贵，但却使产品附加值更高且更具市场竞争力 4 ”。 将纳米粉体颗粒作为固体磨料或介质，直接添加到复合摩擦材料的基体 中，在干接触条件下，纳米粉体颗粒是否也能表现出较好的减摩耐磨特性? 纳 第一章绪论 米粉体颗粒是否也能起到填补和修复工作表面的作用? 是否也能产生类似“微 轴承”的作用? 在干接触条件下，纳米颗粒是否会与金属表面产生物理的和化 学的变化，化学产物是什么? 纳米颗粒是否能够吸附在摩擦金属表面? 纳米颗 粒的粒度与摩擦表面的微观不平度之间的相互关系是否对摩擦磨损产生影 响? 因此，开展纳米复合摩擦材料的研制，不仅可以了解在制动摩擦过程中， 摩擦系数和磨损量的相关变化，还可以为表面摩擦磨损特性的研究提供试验数 据。 纳米复合材料的概念于2 0 世纪8 0 年代中期由r o y 4 2 】提出。纳米复合材料 具有优异的性能和广泛盼应用价值，利用纳米粒子取代普通无机填料与聚合物 基体复合，从而大幅提高聚合物材料的整体性能【4 3 。贺鹏等锵其作用归纳为 以下几点：提高热性能，如热膨胀系数降低、热导系数大幅提高、热稳定性提 高、阻燃性能增强：改善力学性能，如同时增加强度和增加韧性、增强耐磨性、 改进光电性能等。 ， 葛世荣【4 5 l 等人，制备了纳米s i 0 2 和纳米t i 0 2 填充p a l o l o 尼龙复合材料， 测试和研究结果表明：填充纳米颗粒可以提高尼龙复合材料的力学性能，纳米 s i 0 2 和纳米t i 0 2 作为填料可以提高p a l o l o 的耐磨性，降低摩擦系数。其中纳 米颗粒的最佳质量分数为l o 。 马世宁等对纳米固体润滑干膜的摩擦学性能【舶l 进行了研究，试验表明：添 加纳米a 1 2 0 3 粉末在摩擦系数略有增加的情况下，耐磨性得到了大幅度提高。 汤戈等开展了纳米a 1 2 0 3 粉末改善环氧树脂耐磨性的研究m 】，利用超声分散法 将不同质量的纳米粉末加入到环氧树脂之中，尝试开发具有高防腐蚀性能和耐 磨性能的复合涂层材料，解释了纳米a 1 2 0 3 提高耐磨性能的机理，并确定了较 优的纳米氧化铝的添加量。 何春霞等开展了不同纳米材料与石墨混合填充p t f e 复合材料摩擦磨损性 能的研究工作【4 8 l ，在干摩擦条件下，对s i 0 2 、t i 0 2 、a 1 2 0 3 三种不同纳米材料与石墨混 合填充p 砸复合材料进行了摩擦磨损性能测试，分析比较了它们的摩擦学性能，并探 讨了它们磨损机理。王其华【4 9 l 将s i 0 2 纳米粒子( 粒径小于1 0 0 n m ) 填充的聚醚醚酮 ( p e e k ) ( 块状) 紧压在滚动钢球上，研究发现：有纳米s i 0 2 粒子填充的聚醚醚团 对钢球的摩擦磨损作用显著降低，而且随着载荷的增大，摩擦系数相应减小： 钢球的磨损率随着纳米粒子添加量的增大而降低。美国马里兰大学材料系在实 验室罩研制成功纳米a l ：o ，与橡胶的复合材料。这种材料与常规橡胶相比，耐 磨性大大提高，介电常数提高了将近l 倍即】。 将不同的纳米粉末材料与其他的基体材料或粘结剂共混，然后，涂抹到工 件表面或压制成纳米复合材料。通过摩擦磨损实验，比较实验结果，并对纳米 材料和摩擦表面进行分析和观察，以此来判断或推断出表面摩擦磨损的机理。 以上的研究方法，可以用来借鉴开发和研究新的纳米复合摩擦材料。 9 华南理工大学博士学位论文 1 4 2 表面摩擦磨损机理的研究现状 李国平等人对筑路工程机械中的摩擦制动情况进行了研究1 5 “，研究表明， 摩擦片的磨损主要是由于材料的裂纹引起的，裂纹的表现形式为3 类： 1 ) 垂直于运动方向的裂纹，这些裂纹是由于摩擦力引起摩擦片表层内剪 应力的作用所造成的； 2 ) 平行于运动方向的裂纹，这些裂纹是由于摩接片材料本身的热弹性和 热塑性不稳定所造成的； 3 ) 距表面一定深度的裂纹，这些裂纹是摩擦片与接触盘之间掉入粗大的 硬质磨粒，致使摩擦面上应力急剧升高所造成的。 在这3 类磨损表现形式中，前2 类可归结为疲劳磨损，第3 类则归入磨粒 磨损的范畴。 德国d s e v e r i n 的研究表明【4 ：不同的基础材料，其浓度和变化的工艺参 数导至不同的摩擦性能。对摩擦材料来说，其共同之处是：在不断进行的摩擦 过程中，在衬片表面形成了5 至5 0 um 厚的摩擦生成层，专业上称之为摩擦层。 该摩擦层保护了下面的基础材料不受热负荷。除此之外，摩擦层还是摩擦过程 中起决定作用的量，因为它和施加的负荷一道共同控制着两摩擦配件之间的摩 擦系数和磨损量。 德国材料研究和测试所的0 s t e r l e 对有机矿物纤维摩阻材料的表面微观特 性进行了研究【5 “，并推断出硬颗粒在制动摩擦过程中的作用和磨损过程。实验 表明：普通较软的材料组份，很难在摩擦过程中，提供稳定有效的摩擦力。在 摩擦剪切力的作用下很容易被磨掉，并随着摩擦表面的滑动，脱离摩擦接触区。 只有较硬的大颗粒才能在摩擦过程中，提供较大和稳定的摩擦力。但是，硬大 颗粒会加剧对偶材料的磨损。 图l 一3制动摩擦表面的实际接触面积 f i g 1 3 g e n e r a lv i e wo f 血eb r m r ep a d a r e aa r i da r e a so fr e a lc o n t a c t l o 第一章绪论 瑞典的m e r i k s s o n 5 3 ，5 4 】，对摩擦材料在制动过程中的表面微观特性进行了 研究，发现摩擦片与摩擦盘的表面实际接触面积，只占总面积的1 5 2 0 ，即 使增加制动压力和延长制动时间实际接触面积也不会超过2 5 。因此，制动力 也由这些实际的接触微凸体提供，而这些微凸体主要由增强纤维组成。其他的 材料在摩擦过程中很快就会被磨掉，形成磨屑被代走，不能形成稳定的接触磨 损。摩擦材料在制动中的多变性和复杂性，使建立有关制动摩擦特性的相关计 算方程或磨损的数学模型存在一定的难度，但数学模型的建立对开发和改进制 动系统会有很大的帮助。 法国的i s a l l i t 等对复合摩擦材料在制动过程中对金属摩擦盘的摩擦磨损 机理进行了研究 5 针，根据实验数据和s e m 图象进行了分析，并建立了相关的 磨损模型，分析了金属摩擦表面磨损的几种情况，以及微裂纹形成的几种推断。 美国的p f i l i p 等对复合摩擦材料在制动过程中摩擦表面膜的形成进行了 研究【1 4 一，实验表明