（机械电子工程专业论文）陶瓷基摩擦材料及其摩擦副温度场研究.pdf

摘要 摘要 科学技术的发展加快了汽车、火车等交通工具的高速和重载化进程，对制 动装置提出更高要求，进而要求作为制动器核心部件的摩擦材料有更高的性能， 国内外对摩擦材料进行了广泛的研究，陶瓷基摩擦材料具有密度低、耐磨性好、 抗腐蚀能力强等优点，特别是a 1 2 0 3 陶瓷，有巨大的应用潜力，本文以a 1 2 0 3 、 黏土和钾长石作为复合基体，通过气体保护烧结制备陶瓷基摩擦材料，研究混 杂纤维增强陶瓷基摩擦材料的性能，同时建立制动器摩擦制动的几何模型和能 量转化模型，对其温度场进行了计算，最后通过台架实验验证。 本文的主要研究工作和成果如下： 1 以钢纤维作为主要增强体，制备了钢纤维氧化铝陶瓷纤维混杂增强的陶 瓷基摩擦材料，研究了加压烧结和不加压烧结条件下制备出的陶瓷基摩擦材料 的性能。研究表明，加压烧结的摩擦材料磨损率远远低于不加压烧结的，加压 烧结有助于降低磨损率，2 种摩擦材料的摩擦系数基本相同。 2 制备了钢纤维黄铜纤维增强的陶瓷基摩擦材料，对比分析了钢纤维陶 瓷纤维和钢纤维黄铜纤维增强陶瓷基摩擦材料的性能，结果显示，钢纤维陶瓷 纤维混杂增强的材料力学性能较好，但热衰退严重，钢纤维黄铜纤维摩擦系数 较低且很稳定，在此基础上研究了不同铜纤维含量和不同陶瓷纤维含量对陶瓷 基摩擦材料的影响，结果表明，陶瓷纤维对陶瓷基摩擦材料具有提高摩擦系数 的作用，而黄铜纤维具有平稳摩擦系数作用。 3 在钢纤维陶瓷纤维和钢纤维黄铜纤维2 种纤维混杂材料的基础上分别 加入黄铜纤维和陶瓷纤维制备出钢纤维陶瓷纤维黄铜纤维混杂纤维增强的摩 擦材料，研究表明，3 种纤维混杂增强的陶瓷基摩擦材料摩擦系数更高，磨损率 更小；对3 种纤维增强的摩擦材料进行了正交实验，得到摩擦磨损性能较优的 纤维含量组合。 4 研究了盘式制动器摩擦过程中的三维瞬态温度分布情况以及热物性参数 对摩擦副摩擦表面温度场的影响，结果表明，盘式制动器在制动过程的高温时 刻，高温处在沿盘转动方向与摩擦片滑出的区域；制动盘表面温度从高温度区 域沿制动盘转动方向递减，摩擦片表面温度沿盘转动反方向递减；制动过程中 制动盘和摩擦片的径向温度最大值在摩擦区域的中部位置，而外径和内径处温 摘要 度较低，轴向方向由摩擦面表层向内层方向递减；为摩擦材料工作温度的确定、 温度检测位置选择和制动器结构设计提供参考。 5 增大摩擦片或制动盘的热导率、比热容和密度均可降低摩擦副温度值， 但制动盘的导热系数、比热容和密度的变化比摩擦片的这些参数变化对摩擦副 高温度的影响大得多，该结果为制动器材料的选择提供理论依据，此外，还研 究了台架实验制动过程中陶瓷基摩擦材料摩擦副的温度场，结果表明，实验结 果与模拟结果有较好的吻合。 本文的研究工作可为开发高性能陶瓷基摩擦材料、摩擦材料所构成摩擦副 器件结构设计及其材料选择提供技术指导。 关键词：陶瓷摩擦材料；混杂纤维；温度场；摩擦副 i i a b s t r a c t a b s t r a c t t h er a p i dd e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , s p e e du pt h eh i g h - s p e e da n d o v e r l o a d i n gp r o c e s so fc a r s ，t r a i n sa n do t h e rm e a n so ft r a n s p o r t ，i tt h u sd e m a n dm o r e f o rb r a k ed e v i c e ，a sac o r ep a r to ft h eb r a k ef r i c t i o nm a t e r i a l ，i td e m a n dh i g h e r p e r f o r m a n c e ，f r i c t i o nm a t e r i a lh a sb e e nw i d e l ys t u d i e da th o m ea n da b r o a d ，c e r a m i c b a s e df r i c t i o nm a t e r i a lh a st h ea d v a n t a g e sj u s tl i k el o wd e n s i t y ，g o o dw e a l r e s i s t a n c e ， c o r r o s i o nr e s i s t a n c ea n ds oo n ，e s p e c i a l l yt h ea 12 0 3c e r a m i c ，i th a sg r e a tp o t e n t i a lf o r a p p l i c a t i o n ，t h i sa r t i c l eu s ea 1 2 0 3 ，c l a ya n df e l d s p a ra st h ec o m p o s i t em a t r i x ，a d da v a r i e t yo ff i b e rt op r e p a r et h ec e r a m i c - b - a s e df r i c t i o nm a t e r i a l su n d e r c o n d i t i o n so ft h e s i n t e r i n go fg a sp r o t e c t i o na n ds t u d yt h ep e r f o r m a n c eo ft h eh y b r i df i b e r - r e i n f o r c e d c e r a m i c b a s e df r i c t i o nm a t e r i a l s ，a tt h es a m et i m e ，t h eg e o m e t r ym o d e la n de n e r g y t r a n s f o 。r m a t i o nm o d e lo ff r i c t i o nb r a k i n go fb r a k ew e r eb u i l d e d ，a n di t st e m p e r a t u r e f i e l dw e r ec a l c u l a t e d ，f i n a l l y ，i th a sb e e nc e r t i f i c a t e dt h r o u g hb e n c he x p e r i m e n t t h em a i nr e s e a r c hw o r ka n da c h i e v e m e n t sa r ea sf o l l o w s ： 1 u s es t e e lf i b e ra st h em a i nr e i n f o r c eb o d y , c e r a m i c b a s e df r i c t i o nm a t e r i a l so f s t e e lf i b e r a l u m i n ac e r a m i cf i b e r h y b r i d r e i n f o r c e dw e r e p r e p a r e d ，a n d i t s p e r f o r m a n c eo ft h em a t e r i a lp r e p a r e du n d e rt h ec o n d i t i o n so fp r e s s u r es i n t e r i n ga n d n o p r e s s u r es i n t e r i n gw e r es t u d i e d t h er e s u l ts h o wt h a tt h ew e a rr a t eo ff r i c t i o n m a t e r i a lp r e p a r e db yp r e s s u r es i n t e r i n gi sm u c hl o w e rt h a nt h eo n eb yn o p r e s s u r e s i n t e r i n g ，p r e s s u r es i n t e r i n gh e l pt or e d u c et h ew e a rr a t e ，t h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n to f t h e t w ok i n d so f m a t e r i a la r eb a s i c a l l yt h es a m e ； 2 c e r a m i c b a s e df r i c t i o nm a t e r i a l so fs t e e lf i b e r b r a s sf i b e rh y b r i dr e i n f o r e e d w e r ep r e p a r e d ，p e r f o r m a n c eo fc e r a m i cb a s e df r i c t i o nm a t e r i a lo fs t e e lf i b e r b r a s s f i b e ra n df i b e r b r a s sf i b e rh y b r i dr e i n f o r c e dw e r ec o m p a r a t i v ea n a l y z e d ，t h er e s u l t s s h o w e dt h a tt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h em a t e r i a lo fs t e e lf i b e r c e r a m i ch y b r i d f i b e re n h a n c e da r eb e r e r ，b u th a ss e r i o u sh e a tr e c e s s i o n f r i c t i o nc o e m c i e n to ft h e m a t e r i a lr e i n f o r e e db ys t e e lf i b e r b r a s sf i b e ri sl o wb u tv e r ys t a b l e ，t h ee f f e c to f d i f f e r e n tc o n t e n t so fc o p p e rf i b e ra n dc e r a m i cf i b e ro nc e r a m i c - b a s e df r i c t i o n m a t e r i a l sw e r es t u d i e db a s e do nt h i ss t u d y , t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ec e r a m i cf i b e r c e r a m i ch a st h er o l eo fi m p r o v i n gt h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n to fc e r a m i c - b a s e df r i c t i o n m a t e r i a la n db r a s sf i b e rh a st h er o l eo fs m o o t h i n gf r i c t i o ne o e f f i c i e n t ； i i i a b s 仃a c t 3 t h em a t e r i a lo fs t e e lf i b e r c e r a m i cf i b e r b r a s sf i b e r sh y b r i dr e i n f o r c e dw e r e p r e p a r e db ya d d i n gb r a s s f i b e ra n dc e r a m i cf i b e rb a s e do nt h em a t e r i a lo fs t e e l f i b e r c e r a m i cf i b e ra n ds t e e lf i b e r b r a s sf i b e r sh y b r i dr e i n f o r e e d ，s t u d i e sh a v es h o w n t h a tt h ec o e f f i c i e n to ff r i c t i o no fc e r a m i c - b a s e df r i c t i o nm a t e r i a lr e i n f o r c e db yt h e t h r e eh y b r i df i b e re n h a n c e di s h i g h e ra n dt h e w e a rr a t ei s l o w e r ；o r t h o g o n a l e x p e r i m e n t so ff r i c t i o nm a t e r i a l sr e i n f o r c e db yt h r e ek i n d so ff i b e rw e r ed o n e ，a n dg e t ab e t t e rf i b e rc o m b i n a t i o no ff r i c t i o na n dw e a rp r o p e r t i e s 4 t h es i t u a t i o no ft e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o nf o r f r i c t i o np a i r sd e v i c ei nt h e b r a k i n gp r o c e s sa n dt h ee f f e c to f m a t e r i a lt h e r m a lp a r a m e t e r so ni t st e m p e r a t u r ef i e l d w e r ei n v e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o wt h a ti nt h eb r a k i n gp r o c e s so ft h ed i s cb r a k e ，t h e h i 曲t e m p e r a t u r ep l a c ei sl o c a t e do nt h ea r e ao fs l i d i n go u tw i t ht h ef r i c t i o np l a t e a l o n gt h ed i s kr o t a t e sd i r e c t i o n ；t h es u r f a c et e m p e r a t u r eo fb r a k ed i s cd e c r e a s ef r o m t h eh i 曲t e m p e r a t u r ez o n ea l o n gt h ed i r e c t i o no ft h eb r a k ed i s cr o t a t i o n ；s u r f a c e t e m p e r a t u r eo ff r i c t i o np l a t ed e c r e a s ea l o n gt h eo p p o s i t ed i r e c t i o no ft h eb r a k ed i s c r o t a t i o n ；t h em a x i m u mr a d i a lt e m p e r a t u r eo ft h eb r a k ed i s ca n df r i c t i o np l a t ei nt h e b r a k i n gp r o c e s si sl o c a t e do nt h ec e n t r a lp a r to ft h ef r i c t i o nz o n e ，t h et e m p e r a t u r eo f t h eo u t s i d er a d i u sa n di n s i d er a d i u si sl o w e r , t h et e m p e r a t u r eo ft h ea x i a ld i r e c t i o n d e c r e a s ef r o mt h ef r i c t i o ns u l 蕾a c cl a y e rt ot h ei n n e rl a y e rd i r e c t i o n ，i tp r o v i d ea r e f e r e n c ef o rt h ed e t e r m i n a t i o no fw o r kt e m p e r a t u r e ，d e t e c t i o np o s i t i o no ft h ef r i c t i o n m a t e r i a la n dt h es t r u c t u r a ld e s i g no fb r a k e ； 5 i tc a nr e d u c et h em a x i m u mt e m p e r a t u r ev a l u eo ff r i c t i o nd e p u t ys u r f a c eb y i n c r e a s i n ga n yt h e r m a lp a r a m e t e ro ft h eb r a k eo rf r i c t i o np l a t e ，b u tc o m p a r e dt ot h e f r i c t i o np l a t e ，t h ee f f e c to ft h e r m a lc o n d u c t i v i t 弘s p e c i f i ch e a tc a p a c i t ya n dd e n s i t yo f b r a k ed i s ci sm u c hg r e a t e rt h a nt h ee f f e c to ff i - i c t i o np l a t e so nt h et e m p e r a t u r eo ft h e f r i c t i o nd e p u t y , t h er e s e a r c hc o n t e n tc a np r o v i d ear e f e r e n c ef o rm a t e r i a ls e l e c t i o no f b r a k e ，t h ef r i c t i o nd e p u t yt e m p e r a t u r ef i e l do fc e r a m i c - b a s e df r i c t i o nm a t e r i a ld u r i n g t h ep r o c e s so fb r a k i n gt h r o u g ht h eb e n c he x p e r i m e n t sw e r es t u d i e d ，t h er e s u l t s s h o w e dt h a tt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sh a v eg o o da g r e e m e n t 、7 l ，i t ht h es i m u l a t i o n r e s u l t s ； t h er e s e a r c hw o r ko ft h ea r t i c l ec a l l p r o v i d et e c h n i c a lg u i d a n c ef o r t h e d e v e l o p m e n to fh i 曲一p e r f o r m a n c ec e r a m i cb a s e df r i c t i o nm a t e r i a l ，s t r u c t u r ed e s i g n a n dm a t e r i a ls e l e c t i o no ft h ed e v i c ec o m p o s e do ff r i c t i o np a i ro ff r i c t i o nm a t e r i a l k e d v o r d s ：c e r a m i c sf r i c t i o nm a t e r i a l s ；h y b r i df i b e r ；t e m p e r a t u r ef i e l d ；f r i c t i o np a i r i v 第1 章绪论 第l 章绪论 1 1 研究背景与意义 摩擦材料是用在汽车、火车、飞机、风电等制动机械上，依靠摩擦副产生 摩擦力来达到制动和传动作用的部件材料。作为制动器的核心部件，它有制动 器衬片和离合器面片两种类型，也就是我们通常所说的刹车片和离合器片。几 乎所有机器设备和车辆都需要有制动或传动装置。各种机械设备与车辆利用摩 擦材料的制动或传动作用来安全可靠地工作，故摩擦材料既应用广泛又起着关 键的作用。目前，交通道路发展迅速，相继产生的如汽车、火车等交通工具也 向着高速化、重载化方向发展，重载高速化意味着机械装置的制动速度更高， 进而会产生更高的温度，这就要求摩擦材料在更高的温度下依然保持较好的摩 擦磨损性能。 常用的摩擦材料种类主要包括石棉类、金属基类、半金属基类、非石棉有 机类、碳碳复合类和陶瓷基类摩擦材料。石棉被确认为是一种强致癌工业原料 后，无石棉摩擦材料成为主流。对于金属基摩擦材料，如铁基摩擦材料摩擦系 数较高、耐热性好、强度高和成本低，但易与对偶件产生粘着，高温下( 6 0 0 以上) 摩擦系数的稳定较差，耐磨性差，摩擦表面易氧化。与铁基摩擦材料相 比，铜基摩擦材料具有许多优点，如良好的导热性能，稳定的摩擦系数，低磨 损率，但成本比铁基摩擦材料贵且高温性能不够稳定。而半金属摩擦材料则具 有良好的导热性和耐磨性，摩擦系数高，但在温度3 5 0 。c 以上，摩擦性能也不够 稳定，在制动过程中，常出现热衰退率、硬度高等问题，用碳纤维增强碳基体 的c c 复合摩擦材料，具有高温下( 2 0 0 0 ) 热稳定性好、耐磨损性和密度低 等优点。但在常温潮湿的环境下，摩擦表面容易氧化，强烈影响摩擦系数的稳 定性和磨损率，并且制备周期长和成本较高，陶瓷基复合摩擦材料具有密度低， 高耐磨性，高温性能稳定甚至可以达到1 0 0 0 以上，目前以陶瓷为基体复合摩 擦材料研究主要集中在s i c 、a 1 2 0 3 等几种陶瓷材料上。 但陶瓷摩擦材料也存在着一些问题，最主要的是韧性差，在制动性能方面 也存在摩擦衰退现象以及机械强度不足等缺陷。除了材料本身的结构特性，摩 擦材料的摩擦磨损特性受还与制动过程的制动载荷、制动速度、环境气氛以及 第1 章绪论 温度等诸多因素有关。温度相对于其他因素研究的相对比较少，而又是对摩擦 磨损特性的影响的关键因素。在干摩擦条件下制动时，由于接触处的高温超过 了摩擦片材料中低熔点组分的熔点，组分开始熔化，在法向和切向力的作用下， 熔化的组分逐渐被展平而产生润滑作用，润滑点的扩展而形成“润滑膜”。这对减 少制动副的磨损是有益的，将严重地影响制动的可靠性，使摩擦系数下降、制 动性能降低，高温也会产生热弹性变形，这也是造成“热衰退”的重要原因之一。 因此，在于摩擦条件下，有必要深入了解摩擦材料的温度场及其特点，为制动 器的设计和材料的选择提供理论依据。 1 2 摩擦材料 1 2 1 摩擦材料的技术要求 随着汽车、火车的重型化和高速化，它们的运行工况变得更加苛刻。为了 使制动系统或摩擦传动系统的有更高的安全性和可靠性，必须对摩擦材料的性 能提出更高的要求【l 】： ( 1 ) 足够而且比较平稳的摩擦系数 摩擦系数作为摩擦材料重要的性能指标，关系到制动器工作性能的好坏。 材料在使用过程中其摩擦系数并不是固定不变的，温度是摩擦系数的关键因素， 其次工作载荷、工作速度、表面状态等的变化也会影响摩擦系数的大小。 ( 2 ) 耐磨性好 耐磨性直接反映摩擦材料的使用寿命，材料越耐磨，其就表现有更长的使 用寿命。温度不仅影响摩擦系数，同时也影响材料的磨损量，例如有的树脂基 摩擦材料，其使用的粘结剂工作温度是有限的，当摩擦表面达到其分解温度时， 粘结剂将发生分解甚至碳化，而且这种现象的发生概率随温度的升高而增大， 粘结剂分解将使材料各组分的结合强度下降，从而导致摩擦材料的磨损率增大。 汽车工业的快速发展及火车高速重载化要求摩擦材料能够在较高温度下具有较 稳定的摩擦系数和较低的磨损率【2 】。 ( 3 ) 力学性能优良 大多数摩擦材料在做成产品之前，特别是在装配过程中，需要进行钻孔、 铆装及其他装配工序，加工过程中不免会对摩擦材料产生破坏作用，在摩擦制 动过程中，摩擦材料承受比较大的热应力与机械应力的，这些应力的反复作用 2 第1 章绪论 可能致使其在制动过程中发生破坏。所以要求摩擦材料需要有良好的力学性能， 保持一定的强度使其在工作过程中或加工过程中不容易出现变形、破损等。 ( 4 ) 制动噪音低 制动噪音会影响城市交通环境，形成一种噪音污染，一般是在汽车制动时 产生的。针对摩擦材料，造成其制动噪音因素主要有：摩擦材料的摩擦系数， 一般来讲，摩擦系数较高的摩擦材料在工作过程中更容易产生噪音，硬度，作 为摩擦材料的另一性能指标，也是影响噪音的主要因素，硬度过高，比较容易 产生噪音，因此摩擦材料的硬度应该在合适的范围；当制动装置在高速工况或 重载情况下制动，摩擦材料的磨损表面容易产生一层碳化膜，这层膜在制动摩 擦过程中会产生高频振动，振动即会产生噪音。 ( 5 ) 对对偶件的磨损小 摩擦制动过程是摩擦材料通过与对偶件在摩擦力作用下反复作用的过程， 在这样的摩擦过程中，摩擦材料本身被磨损的同时，也会对其摩擦对偶件产生 一定的影响，这就是对对偶件的损伤过程。因此，作为摩擦材料，对对偶件损 伤小也是其中的一项重要指标，对偶件的磨损小，其使用寿命就会变得更长。 1 2 2 摩擦材料组成 摩擦材料不是单一成分构成的，它是由粘结剂、增强纤维、摩擦性能调节 剂以及填料等四大部分组成的复合材料。按摩擦特性可分为减摩材料和增摩材 料。通常将较低的摩擦系数的摩擦材料称为是减摩或润滑材料，高摩擦系数材 料被称为摩阻材料，按摩擦材料的功能作用又可将其分为传动与制动摩擦材料， 制动装置的刹车片，按结构主要可分为盘式和鼓式刹车片两种，按形状可分为 刹车片、刹车带、闸瓦、离合器片等。盘式的大都为平面状，而鼓式大都呈弧 形。在农机和工程机械上常用到刹车带。离合器片产品一般为圆环形状。 ( 1 ) 粘结剂 酚醛树脂和合成橡胶是摩擦材料常用到的有机粘结剂，但而以酚醛树脂类 为主。目前我国摩擦材料目前较多地使用酚醛树脂，腰果壳油改性、橡胶改性 等改性树脂类摩擦材料也是常用到的。 占摩擦材料组分7 - 3 0 左右的粘结剂通常被认为是摩擦材料的基体，粘结剂 的作用是当它在一定的温度下，在较高温度下粘结剂将各种成分均匀地粘结在 一起，形成有一定强度及具有较好的摩擦磨损性能的材料整体。作为摩擦材料 3 第1 章绪论 的重要组成部分，但存在热稳定性差等缺点，热稳定性直接影响摩擦材料的热 衰退性能以及恢复性能，同时也影响其耐磨性。对树脂和橡胶来说其热分解温 度一般是在2 0 0 c , - 4 0 0 c 之间，当达到这个或超出这个温度范围时，摩擦材料的 摩擦系数、磨损率、机械强度的各项性能指标都可能下降，甚至出现严重的热 衰退、膨胀或龟裂现象。因此随着机械高速和重载化的发展趋势，其对摩擦材 料的耐热性能和制动稳定性要求也不断提高，从而要求树脂基体要有较高的热 分解温度，这样才能使摩擦材料具有足够的摩擦系数和优良的热恢复性能及耐 磨性等。 ( 2 ) 增强组分 摩擦材料增强组分的作用是使摩擦材料有一定的机械强度，使其能承受机 械加工过程中所产生的负荷力以及在工作过程中不易被损坏。在摩擦材料中， 主要有有机纤维和无机纤维两类，一般摩擦材料在工作过程中产生的温度较高， 有机纤维一般不能在这种温度下起到作用，基于此，无机纤维在摩擦材料中被 广泛使用，特别是像硅灰石那样的天然矿物纤维海泡石等；还有就是无机纤维， 如氧化铝陶瓷纤维、硅酸铝陶瓷纤维等等；金属纤维也常用在摩擦材料的增强 领域，主要包括钢纤维、铝纤维和黄铜、紫铜纤维。像这样的有机纤维，国外 摩擦行业用的较多的有机纤维是芳纶纤维，碳纤维则用主要用在航空航天摩擦 、 材料上。 ( 3 ) 摩擦性能调节剂 摩擦性能调节剂主要作用是调节和改善其机械性能与摩擦磨损性能，摩擦 性能调节剂按作用主要可分为两类：一类为减摩材料，其莫氏硬度一般小于2 ， 它的主要作用是降低摩擦系数来提高摩擦材料的耐磨性以及减小噪音。这类材 料常见的有石墨、二硫化钼和铜等。另一类是增摩材料，其莫氏硬度一般大于4 ， 可以增加材料的摩擦系数。另外增摩材料也包括一些无机填料和部分金属及其 氧化物。 ( 4 ) 填料 填料的主要作用是调解和改善制品的摩擦磨损性能、物理力学性能，如热 膨胀系数、导热系数等；还有就是减小摩擦材料的制动噪音，调整摩擦材料的 加工工艺；有时摩擦材料为了改善自身的密度，同时降低生产成本，非金属填 料常用的主要是石墨、石油焦、高岭土、长石粉、蛭石、铬铁矿等，常用的金 属填料主要包括铁粉、铜粉、铝粉等，还有就是有机填料如有机摩擦粉、回收 4 第1 章绪论 橡胶粉等3 1 。 其实，摩擦材料有些组分分类没有明确的界限，有些摩擦性能调剂也可以 作为填料使用，如石墨在摩擦材料中既可以看作填料又可以认为是摩擦性能调 节剂。 1 3 摩擦材料成份设计方法 摩擦材料的研制，通常靠个人经验，通过一些实验来确定配方，中间过程 可能工作量大、周期长或存在较多的偶然性。目前，国内外都对材料配方成分 的设计与优化方法高度关注，并提出了一些行之有效的方法。目前用的比较多 的是正交回归优选试验法，还有就是正交试验法，由正交性准则出发，并考虑 因素的均衡性和可比性，通过较少比较有代表性的试验选出配方的较优组合， 这种方法既能减少实验过程中的总次数，又能起到比较好的效果。这种实 验方法在西方发达国家已经得到比较好的应用，也对促进了经济的发展。 在我国，正交实验法的基础和理论研究已经取得很好的效果，并且在生产 中已经得到广泛的推广和应用。 1 4 摩擦材料研究现状 1 4 1 石棉基摩擦材料 石棉原本是一种矿物纤维，具有天然性，石棉资源量广，获取途径多种多 样，同时其摩擦材料硬度低、耐热，而且具有较高的摩擦系数，机械力学性能 也较好，因此被广泛应用在摩擦材料领域，但它在较高工作温度下容易出现“热 衰退”现象，“热衰退”现象即摩擦材料在制动过程中出现摩擦系数大幅下降，磨 损剧增的现象。另外，石棉对人体来说有致癌作用【4 】，所以，上个世纪7 0 年代， 世界大多数国家开始禁止生产和使用石棉类摩擦材料，这类材料已经开始退出 摩擦材料领域【5 】，都将目标放在开发无石棉摩擦材料上，2 0 0 3 年开始，我国命 令禁用石棉类制品的摩擦材料。因此，在摩擦材料领域研究较多的是金属基类、 半金属类、陶瓷基类以及c c 复合摩擦材料。在这些摩擦材料中，金属基摩擦 材料多用在重载及比较恶劣环境条件下。 5 第1 章绪论 1 4 2 金属基摩擦材料 金属基摩擦材料是以铜、铁或铁铜合金粉末为主要成分的粉末冶金类摩擦 材料，在使用过程中也会加入一定的增强纤维、填料等混合均匀后压制成型、 最后通过烧结来制各，烧结工艺比较复杂，我们又将这类材料称为烧结金属摩 擦材料。粉末冶金类摩擦主要有铁基和铜基两类，铁基摩擦材料的摩擦系数比 较高，耐热性良好，强度较高，成本较低，但因为和对偶件材质接近，易与对 偶件产生粘着，高温下特别是6 0 0 以上时的摩擦系数稳定性较差，耐磨性差， 摩擦表面易氧化。耐磨性能是摩擦材料使用寿命的直接反映，姚萍屏【6 】研究了铁 基航空摩擦材料的工艺性能参数，获得的摩擦材料具有较好的摩擦磨损性能。 和铁基摩擦材料相比，铜基摩擦材料又具有很多优点，如导热性能优良，摩擦 系数稳定，较低的磨损率等，但铜基摩擦材料的成本比铁基摩擦材料要高而且 在高温下性能不稳定，王广达等【_ 7 j 研究了氧化锆对粉末冶金摩擦材料摩擦磨损性 能的影响，王文辉等【8 】在重载工况下对铜基陶瓷摩擦材料进行了研究，结果表明 铜基陶瓷材料在这工况下具有一定的适用性；熊翔等【9 】从烧结工艺出发，在不同 的烧结温度和烧结压力工艺参数下对铜基刹车材料进行了研究，陈军等【1o 对铜 基摩擦材料中的碳进行了研究，k o v a c i kj 等【1 1 】针对材料组分对铜石墨复合材 料摩擦性能的影响进行了研究，x i o n gx i a n g 等1 1 2 j 研究了铁和二氧化硅对铜基 粉摩擦材料摩擦学性能的影响，结果表明摩擦材料材料成分及烧结工艺对摩擦 材料性能产生影响，材料成份在一定程度上可以改善摩擦材料的特性。 1 4 3 半金属摩擦材料 半金属摩擦材料是由粘结剂、摩擦性能调节剂与填料以及金属纤维混合而 成的摩擦材料。半金属摩擦材料中金属纤维比例较高，在3 0 6 0 之间，目前 应用较广的半金属摩擦材料是将石棉纤维替代为钢纤维制备的【l 引。 半金属摩擦材料增强组分从原始的单一钢纤维发展到了混杂的纤维增强， 已经有钢纤维铜纤维混杂和钢纤维碳纤维混杂的例子等。金属纤维含量的增加 使得其机械强度变大大，也改善了摩擦材料的摩擦磨损特性。虽然半金属摩擦 材料导热性和耐磨性都比较好，而且摩擦系数高，但在工作温度3 5 0 以上时， 摩擦性能不稳定，常在制动过程中出现热衰退现象。 作为增强组分的纤维在摩擦材料中所起的作用比较复杂，取决于摩擦材料 配方本身。研究表明，钢纤维在使用过程中容易生锈，而且在潮湿环境下，生 6 第1 章绪论 锈现象更加明显，另外，也有研究表明，含钢纤维的半金属摩擦材料比不含钢 纤维的更易出现粘滑现象，致使其在制动过程中产生震动大及磨损大【l 4 1 。 单一的金属纤维增强摩擦材料往往效果不佳，使摩擦材料的性能更好，目 前已经开始采用混杂纤维增强制备摩擦材料，混杂的主要目的是充分发挥各种 纤维性能的优势，实现一种互补，它也是摩擦材料研制中的一种有效途径。研 究表明，半金属摩擦材料中的黄铜纤维、紫铜纤维在一定温度条件下对偶面表 面有铜的涂抹，形成的铜膜改善了其摩擦系数和磨损率，但当黄铜纤维加入量 比较少时，所产生的效果不明显。h u af u ” 指出钢纤维碳纤维混杂增强的半金 属摩擦材料有稳定的摩擦系数和较低的低磨损率。王雪明【l6 】认为铜纤维与芳纶 浆粕混杂可提高摩擦材料的冲击强度。 金属纤维或无机纤维含量高的摩擦材料往往有较高的摩擦系数，但容易损 伤对偶件，研究0 7 表明在半金属摩擦材料中a 1 2 0 3 含量过高时会导致其摩擦系数 和磨损率增大，甚至出现过恢复。v l a s t i m i lm a t e j k a 等【l8 】研究了s i c 含量对半金 属摩擦材料的影响，指出s i c 在半金属摩擦材料含量增加，摩擦系数增大，但 磨损率也增大。硅酸铝陶瓷纤维【l9 j 能改善半金属摩擦材料抗热衰退性，但磨损 率稍有升高。 1 4 4c c 复合摩擦材料 c c 复合摩擦材料是一种新型的摩擦材料，所谓c c 就是用炭纤维强化碳母 体的意思。c c 复合摩擦材料的密度低，在高温下( 通常指2 0 0 0 。c ) 热稳定性 好、耐磨损性也好。近年来，我国摩擦材料行业在航空刹车材料上有了比较大 的突破，成功研制了“高性能c c 航空制动材料制备技术”，使我国成为继英、 法、美之后拥有该项航空制动材料生产技术的国家。黄伯云【2 0 】教授长期从事c c 复合航空摩擦材料的研究，已经得到了实践应用，并且达到国际领先水平，这 为高性能航航空机械制动装备等提供了关键材料。 c c 复合材料在航空刹车领域用的比较多，c c 复合摩擦材料优点较多，然 而，这种材料在常温潮湿的环境下，表面易氧化，那它的摩擦系数的稳定性和 耐磨性将受到较大的影响。k a t a r z y n a 2 l 】等人研究，发现在5 0 相对湿度环境下 制动过程中，出现了c c 复合摩擦材料摩擦表面被氧化的现象，同时放出h 2 0 、 c 0 2 、c o 气体。复合材料中加入纳米材料也是提高复合材料性能的一种有效途 径，q i n - m i n gg o n g t 2 2 1 采用化学气相渗透法将碳纳米管渗入到c c 复合摩擦材料 7 第1 章绪论 中，结果表明，碳纳米管既可使c c 复合材料的摩擦系数变得更加稳定，又能 增加其耐磨性能。 1 4 5 陶瓷基摩擦材料 陶瓷基摩擦材料是一种无机非金属材料，一般情况下摩擦系数较高，陶瓷 金属摩擦副在干摩擦条件下的摩擦系数一般在o 4 1 0 之间【2 3 j 。随着现代工业的 飞速发展，人们对陶瓷材料的性能要求越来越高，传统陶瓷材料具有硬度高、 耐高温等优点【2 4 1 ，特别是它作为一种耐磨材料，体现出了诱人的应用前景 2 5 - 2 7 。 它的主要优点还包括密度小、高熔点、化学性质稳定性，具有较好的抗腐 蚀性能。近年来，研制摩擦系数稳定和耐磨性好的陶瓷基摩擦材料已经成为开 发新型摩擦材料的一个主要方向。陶瓷的种类比较多，但在摩擦材料中得到应 用的主要有碳化物、氧化物、硅化物、氮化物及它们相互组合的材料，这些材 料像氧氮化物、碳化硼、碳氮化物和碳氧化物的组合体。陶瓷基摩擦材料中陶 瓷成分的体积分数一般来说要占4 5 以上，甚至达到8 0 9 0 。现在摩擦材料 中常用到的性能优良的陶瓷有：b 4 c 、s i c 、a 1 2 0 3 、s i 3 n 4 、t i b 2 、s i b 4 、s i b 6 、 a 1 n 、z r c 等。陶瓷基摩擦材料具有较好的耐磨性，高温下性能稳定，甚至工作 温度可以达到1 0 0 0 。ce 2 8 以上。陶瓷基摩擦材料研究目前来看主要集中在s i c 、 a 1 2 0 3 这几类陶瓷材料上 2 9 1 。c c s i c 、c s i c 复合材料是最近几年发展起来的一 种高性能陶瓷材料，有良好的抗氧化性能 3 0 1 ，因此在高速运输机械中具有广泛 的应用前景。徐永东教授【3 1 】等人研究了c c s i c 、c s i c 等复合材料的摩擦磨损 性能，通过化学气相渗透和熔体渗透制得三维c s i c 摩擦材料，结果显示c s i c 摩擦材料具有优越制动及耐磨损性能。但制动过程中摩擦材料表面出现纳米s i c 颗粒和微米s i c 颗粒，前者有助于摩擦材料形成摩擦层，从而使其摩擦系数稳 定，后者能够增强抗磨损性能。s u r e s hk u m a r 3 2 】分析了三维针线纤维对s i c 复合 材料中的影响。研究还表明【3 3 】，c c s i c 摩擦材料在制动过程中摩擦性能不够稳 定，为提高c c s i c 摩擦材料的摩擦磨损性能，肖鹏 3 4 利用f e 改性方法制备出 c c s i c 复合材料，通过熔融f e 和s i 浸渗到c c 多孔体中制备出c c s i c f e 材料，结果它在制动速度为1 2 m s 时，摩擦系数达到0 5 9 。 a 1 2 0 3 是结构陶瓷中的常用材料，一般会应用在承受高温、载荷、腐蚀或绝 缘等不良环境中，这种陶瓷具有耐热、耐磨损、耐腐蚀、质量轻、价格便宜等 优点，所以氧化铝陶瓷已成为材料科学领域中最活跃的一种材料。近来，众多 8 第1 章绪论 学者已经比较关注开发a 1 2 0 3 陶瓷基摩擦材料的研究，a 1 2 0 3 陶瓷基摩擦材料的 费用是以聚合物为基体的摩擦材料的7 5 ，a 1 2 0 3 陶瓷基摩擦材料的使用寿命却 是聚合物基体摩擦材料的3 5 倍。纤维树脂基材料用a 1 2 0 3 陶瓷代替可以将制动 系统的使用寿命延长至7 个月或2 年，而且大大改善摩擦材料的高速反应能力， 还有研究表明，氧化铝热膨胀系数小，和铁之间接触性良好。尽管如此，但a 1 2 0 3 陶瓷脆性大，韧性偏低，阻碍了它的进一步广泛应用【35 1 ，所以对其增韧研究是 非常必要的。 魏明坤等【3 6 】人用a 1 2 0 3 作为主要配方的组分，以黏土作为烧结助剂，制备出 了一种a 1 2 0 3 陶瓷基摩擦材料。王东【3 7 】以钛酸钾晶须为增强组分，制备出a 1 2 0 3 陶瓷基摩擦材料，发现当晶须含量在1 0 时，摩擦材料表现具有最佳的力学性 能以及摩擦磨损性能。从以上可以知道，在a 1 2 0 ，陶瓷基摩擦材料中加入适当的 纤维或晶须等增强体可以有效地提高a 1 2 0 3 陶瓷基摩擦材料的机械性能与摩擦 磨损性能。 从以上各种摩擦材料的特点和研究可以发现，陶瓷基摩擦材料表现出优越 的综合性能，是摩擦材料的主要发展方向，但陶瓷基摩擦材料的不足之处是韧 性差，因此，所要解决的问题是依靠摩擦材料的增强组分来对其进行增韧。 1 5 摩擦材料增强方法 1 5 1 纤维增强 纤维作为摩擦材料的主要成分之一，赋予了摩擦材料一定的机械强度，由 于摩擦材料在生产过程中可能会用磨削和铆接，或在使用过程中会产生冲击力 和剪切力等，这会给其一定的负荷力，纤维的作用就是使其具备一定的负荷能 力，避免其发生破坏和破裂。根据摩擦片的使用工况条件，我国就有