（材料学专业论文）晶须复合材料增强耐磨性能的研究及其应用.pdf

摘要 摘要 摩擦材料是一种应用在动力机械上，依靠摩擦作用来执行制动和传动功能的部件材 料，系一种高分子三元复合材料，它由高分子粘结剂、增强纤维和摩擦性能调节剂三大 类组分及其他配合剂构成，惊异系列生产加工而制成的制品。晶须是一种针状的新型纤 维材料，本文采用碳酸钙晶须和钛酸钾晶须作为纤维增强材料，与高分子粘结剂和摩擦 性能调节剂按照一定的混合条件和加工工艺加工成刹车片，然后利用相关仪器进行表 征。 研究了碳酸钙晶须用于鼓式刹车片中的摩擦磨损性能。通过对x d m s m 定速式摩 擦试验机测试石棉、重质碳酸钙和碳酸钙晶须三种摩擦材料的摩擦磨损性能进行比较， 发现碳酸钙晶须作为摩擦材料的纤维增强材料的摩擦系数在o 4 0 5 之间，磨损率也较 小，只是石棉纤维增强材料的6 5 。通过大量试验进行筛选，当碳酸钙晶须的用量为 1 5 时，其高温摩擦系数稳定，磨损率小，强度高等优点，对该配方进行成本计算，成 本为2 4 7 元片，而后又做了c h a s e 试验，从试验结果发现，该产品n = 0 4 8 2 ，h - - 0 4 8 7 ，为g g 级。重量磨损率：3 1 ，体积磨损率：2 5 ；符合设计要求。利用扫 描电镜对其形貌作了分析，根据其分散状况推测其增强耐磨机理。 考察了碳酸钙晶须与钛酸钾晶须的复合作为盘式刹车片的增强纤维材料的摩擦磨 损性能的比较。通过对比只有碳酸钙晶须，只有钛酸钾晶须及同时加入碳酸钙晶须和钛 酸钾晶须的摩擦磨损性能。发现同时加入1 0 碳酸钙晶须和5 钛酸钾晶须的盘式刹车 片具有摩擦系数稳定，磨损较小及成本小等优点，特别是高温下的摩擦系数稳定，且在 o 4 左右，没有热衰退现象产生。 另外，本文根据塑料填充改性的原理，选聚氯乙烯为基体树脂，碳酸钙晶须填充于 聚氯乙烯，添加适量的助剂，采用双辊混炼工艺，用平板硫化机压制成型，然后对试样 进行力学性能的测试。 研究结果表明，碳酸钙晶须的含量对复合材料冲击强度的影响呈现先增大后减小的 趋势，且在1 1 5 时达到最大值，而拉伸强度和断裂伸长率仍然随着碳酸钙晶须含量的 增加而降低。 关键词：碳酸钙晶须；摩擦材料；耐磨机理；复合材料；塑钢门窗 a b s t r a c t a b s t r a c t f r i c t i o nm a t e r i a l si sak i n do fc o m p o u n dw h i c hi su s e di np o w e rm a c h i n e r y ，r e l y i n go n f r i c t i o nt ob r a k ea n dt r a n s m i s s i o nf u n c t i o n s ，f r i c t i o nm a t e r i a l si sa p o l y m e rm a t e r i a l s ， i n c l u d i n gp o l y m e rb i n d e r ，e n h a n c ep e r f o r m a n c ef i b e r sa n df r i c t i o nm o d i f i e r w h i s k e r si sa n e e d l e l i k en e wf i b e rm a t e r i a l ，t h ep a p e ru s e dt i t a n i u mp o t a s s i u ma n dc a l c i u mc a r b o n a t e w h i s k e r sa saf i b e r - r e i n f o r c e dm a t e r i a l s ，a d h e s i v e sa n dp o l y m e rf r i c t i o nw i t ht h ep e r f o r m a n c e o ft h er e g u l a t o ri na c c o r d a n c ew i t hc e r t a i nc o n d i t i o n sa n dm i x e d p r o c e s s i n gp r o c e s s e d i n t o b r a k e s ，a n dt h e nw eu s eor e l e v a n te q u i p m e n tw h i c ht e s tt h e i rp e r f o r m a n c e s i nt h i sp a p e r ，t h es t u d yu s e dc a c 0 3w h i s k e r si nb r a k el i n i n g s ，a n dr e s e a r c h e di t s p r o p e r t i e so fi n c r e a s i n gf r i c t i o nc o e f f i c i e n ta n dd i m i n i s h i n gw e a rr a t e ，t h ed i f f e r e n c e so f a s b e s t o s ，g r o u n d e dc a c 0 3a n dc a c 0 3w h i s k e r sw e r ed i s c u s s e db yx d - m s mc o n s t a n ts p e e d t e s t e r w ef o u n dt h a tc a l c i u mc a r b o n a t ew h i s k e ra saf r i c t i o nm a t e r i a lo ft h ef i b e r - r e i n f o r e e d m a t e r i a l si nt h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n tb e t w e e n0 4 0 5 t h ew e a l r a t ei ss m a l l e r , o n l ya s b e s t o s f i b e r - r e i n f o r c e dm a t e r i a l s6 5p e r c e n t t h r o u g has c r e e n i n gt e s t ，w h e nt h ea m o u n to fc a l c i u m c a r b o n a t ew h i s k e ro f15p e r c e n t ，i t sh i g ht e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n to ff r i c t i o ns t a b i l i t y , w e a rr a t e o nt h es t r e n g t ho fh i g h e rm e r i t s ，t h ef o r m u l af o rc a l c u l a t i n gt h ec o s t ，c o s t2 4 7y u a n f i l m ， a n dt h e nd ot h ec h a s e p i l o t ，t h ep i l o tf o u n dt h a tt h ep r o d u c t 肛n = 0 4 8 2 ，肛h = o 4 8 7 ，f o r t h eg gl e v e l w e i g h tw e a l r a t e ：3 1p e r c e n t ，t h ev o l u m ew e a rr a t e ：2 5 ；m e e tt h ed e s i g n r e q u i r e m e n t s s e ma na n a l y s i so fi t st o p o g r a p h y , a c c o r d i n gt ot h ed i s p e r s i o no fs p e c u l a t i o n e n h a n c e si t sw e a r - r e s i s t a n tm e c h a n i s m t h em e c h a n i s mo fr e i n f o r c e da n dw e a r a b l ei s i n v e s t i g a t 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 i c ( s e m ) a sar e s u l t ，15w t c a c 0 3w h i s k e r si n d r u mb r a k el i n i n g sa r et h eb e s tc o m b i n a t i o nf o rf r i c t i o nc o e f f i c i e n t ，w e a rr a t ea n dc o s t ，w h o s e r a t i oo fq u a l i t ya n dv a l u ei sw e l l ，s t ) i tc o u l dr e p l a c ea s b e s t o s i nt h i st e s t ，15 c a c 0 3 w h i s k e r sa n d5 t b fw e r ef i l l e di nd i s hb r a k el i n i n g s w h i c hh a v eo u t s t a n d i n gw e a r a b l e p e r f o r m a n c e w es t u d i e dt h et i t a n i u mp o t a s s i u ma n dc a l c i u mc a r b o n a t ew h i s k e r sc o m p o s i t ed i s cb r a k e sa s t h es t r e n g t h e n i n go ft h ef i b e rm a t e r i a lf r i c t i o na n dw e a rp r o p e r t i e sc o m p a r i s o n o n l yb y c o m p a r i n gw h i s k e ro fc a l c i u mc a r b o n a t e ，p o t a s s i u mt i t a n a t ew h i s k e r sa n do n l ya tt h es a m e t i m ea d d i n gt i t a n i u mp o t a s s i u ma n dc a l c i u mc a r b o n a t ew h i s k e r so ff r i c t i o na n dw e a l p r o p e r t i e s a tt h es a m et i m ef o u n dt h a t10 c a l c i u mc a r b o n a t ew h i s k e rw h i s k e r sa n d5 p o t a s s i u mt i t a n i u mw h i s k e r si nd i s cb r a k e sw i t hf r i c t i o nc o e f f i c i e n ts t a b i l i t y ，a n dl e s sw e a r a n dt e a ro nt h ec o s ta d v a n t a g e s e s p e c i a l l yu n d e rh i 【g ht e m p e r a t u r ec o e 伍c i e n to ff r i c t i o n s t a b i l i t y ，a n di na b o u t0 4 ，n oh e a tr e c e s s i o np h e n o m e n o n i nt h i sp a p e r , p o l y v i n y lc h l o r i d er e s i nw a ss e l e c t e dm a t r i xr e s i n ，w h a ti sf i l l e du s i n g c a c 0 3w h i s k e r so nt h eb a s i so ft h ep r i n c i p l eo fp o l y m e rf i l l i n gm o d i f i c a t i o nt h r o u g ht h e t e c h n i q u eo fc o m p o u n dm i x i n g t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fc a c 0 3w h i s k e r s p v cw e r e t e s t e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tw h e nt h ec o n t e n to fw o o df l o u rm o d i f i e db ys a l i n ec o u p l i n g a g e n ti n c r e a s e st h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fc o m p o s i t em a t e r i a l sr e d u c e ；w h e nt h ec o n t e n to f c a c 0 3w h i s k e r si n c r e a s e s ，i m p a c ts t r e n g t ho fc o m p o s i t em a t e r i a l ss h o w e dt h ef i r s ti n c r e a s e i i a b s t r a c t a f t e rd e c r e a s et r e n d w h e nt h ec o n t e n to fc a c 0 3w h i s k e r si nc o m p o s i t em a t e r i a l si s11 5 i t r e a c h e si t sm a xi m p a c ts t r e n g t hv a l u e t e n s i l es t r e n g t ha n de l o n g a t i o na tb r e a kr e d u c e dw i t h t h ec o n t e n to fc a c 0 3w h i s k e r si n c r e a s i n g k e y w o r d s ：c a l c i u mc a r b o n a t ew h i s k e r ：d r u mb r a k el i n i n g s ；f r i c t i o na n dw e a l m e c h a n i s m ； c o m p o s i t em a t e r i a l s ：p l a s t i c s t e e lw i n d o w i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对j t , j o f 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签 名：弘1 3 乏轰 日 期：丝! 呈：2 窆 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将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、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签 名：宝盘生芝盘 导师签名： 日 期：翌竺：z ：兰乞 第一章绪论 第一章绪论 1 1 摩擦材料 1 1 1 概述 摩擦材料是一种应用在动力机械上，依靠摩擦作用来执行制动和传动功能的部件材 料，它主要包括制动器衬片( 俗称刹车片) 和离合器面片( 俗称离合器片) 。刹车片用于制 动，离合器片用于传动。 在任何机械设备与运动的各种车辆，都必须要有制动或传动装置。摩擦材料是这种 制动或传动装置上的关键性部件。它主要的功能是通过摩擦来吸收或传递动力。离合器 片传递动力；制动片吸收动能。他们使机械设备与各种机动车辆能够安全可靠地工作， 所以说摩擦材料是一种应用广泛，又是关键的材料。 摩擦材料系一种高分子三元复合材料，它由高分子粘结剂( 树脂与橡胶) 、增强纤维 和摩擦性能调节剂三大类组分及其他配合剂构成，经一系列生产加工而制成的制品。这 种材料的特点是具有良好的摩擦系数和耐磨损性能、同时还具有一定的耐热性和机械强 度，能满足车辆或机械的传动与制动的性能要求。他们被广泛应用在汽车、火车、农用 车辆、飞机、船舰、石油钻机、矿山机械及各类工程机械设备以及自行车、洗衣机等生 活用品方面、作为动力的传递或制动减速用不可缺少的材料。 1 1 2 摩擦材料的分类 在大多数情况下，摩擦材料都是同各种金属对偶相摩擦的。一般公认，在干摩擦条 件下，同对偶摩擦系数大于0 2 的材料，称为摩擦材料。 材料按其摩擦特性，分为低摩擦系数材料及高摩擦系数材料。低摩擦系数材料，又 称减摩材料或润滑材料，其作用是减少机械运动中的动力损耗，降低机械部件磨损，延 长使用寿命。 本文所述对象是高摩擦系数材料，又称摩阻材料，在本文中简称摩擦材料。 摩擦材料分类【l 】示意图如图1 一l ： 江南人学硕十学位论文 车机程车 用摩机闸 摩擦械瓦 擦h - 摩 片 擦 片 油机托用 钻摩车摩 刹擦摩擦 车片擦片 块 片 图1 1 摩擦材料的分类 f i g1 - 1c l a s so ff r i c t i o nm a t e r i a l s 1 1 3 国外摩擦材料的现状和趋势 目前，代表世界摩擦材料先进水平的欧洲和北美国家中，其摩擦材料的配方技术和 生产检测设备的特点主要表现在一下几个方面【2 】： 一、 当前先进技术的配方特征在于：无石棉、无金属、无k e v l a r 等化学纤维和天然 纤维、树脂含量少至5 6 ，采用第二粘结剂及多孔性结构的原料，热压时间 3 0 s 9 0 s ，热处理温度高达2 4 0 2 8 0 。 对上述类型配方加以分析，其优点为： 二、 无石棉符合环保要求。 三、 无金属和多孔性材料的使用可降低制品密度，有利于减少损伤制动盘( 鼓) 和产生 制动噪音的程度。 四、不使用化学纤维和天然纤维，可大幅度降低制品原料成本，并减少摩擦材料热 衰退的程度。 五、降低树脂含量，有利于减少热衰退的发生，减少制品起泡、膨胀的发生，并有 利于降低制品成本。有的低树脂含量的刹车片中树脂用量仅5 6 。 第二粘结剂系某种填料在高温下发生化学变化形成高温粘结剂以弥补低用量比例 的树脂在高温工况条件下因热分解、碳化而导致对制品材料其他组分粘接作用的降低。 六、热压时间的缩短可大幅度提高热压机的生产效率，适合于自动化生产。 七、 高达2 4 0 。c 一2 8 0 c 的热处理温度，更有利于高温摩擦性能的稳定。 配方设计思想的进一步扩展：从减少热衰退、降低制动噪音的角度出发，不单纯是 采用具有多孔性结构的原料组分，而且进而构思设计摩擦材料的内部结构。具体做法是 2 一一一一一 -_lr_r11lrl 第一章绪论 采用造粒技术，全部或部分采用颗粒料，有效控制摩擦材料密度、气孔率、可压缩性和 导热性，特别是可以设计颗粒料的内部结构，而这种造粒工艺是通过造粒式混料机来实 现的。 1 1 4 摩擦材料的结构与组成 摩擦材料属于高分子三元复合材料，它包括三部分：以高分子化合物为粘结剂；以 无机或有机类纤维为增强组分；以填料为摩擦性能调节剂或配合剂。故本文中的摩擦材 料有的也称为合成摩擦材料，以区别于烧结加工成的不含有机粘结剂的粉末冶盒摩擦材 料。 1 1 4 1 有机粘结剂 摩擦材料所用的有机粘结剂为酚醛树脂和合成橡胶，而以酚醛类树脂为主。它们的 作用是当处于一定加热温度下时先呈软化而后进入粘流态，产生流动并均匀分布形成材 料的基体，最后通过树脂固化和橡胶硫化作用，把纤维和填料混合在一起，形成质地致 密的有相当强度及能满足摩擦材料使用性能要求的摩擦片制品。 对于摩擦材料而言，树脂和橡胶的耐热性是非常重要的性能指标。因为车辆和机械 在车辆制动和传动工作时，摩擦片处于2 0 0 4 0 0 。c 左右的高温工况条件下。此温度范围 内，纤维和填料的主要部分为无机类型，不会发生热分解，而对于树脂和橡胶来说，已 进入热分解区域。摩擦材料的各项性能指标此时都会发生不利变化( 摩擦系数、磨损、 机械强度) ，特别是摩擦材料在检测和使用过程中发生的三热( 热衰退、热膨胀、热龟裂) 现象，其根源都是由于树脂和橡胶的热分解所致。因此选择树脂与橡胶对摩擦材料的性 能具有非常重要的作用。选用不同的粘结剂，就会得到不同的摩擦性能和结构性能。作 为摩擦性能常用的粘结剂有许多种。但是应用时间较早，使用量最大的仍属酚醛树脂， 而且酚醛树脂现在仍是使用最为普遍的一种粘结剂。它能在摩擦材料使用的条件 ( 2 0 0 3 5 0 。c ) 下正常使用，而且还具有良好的加工工艺性能，既可被加工成2 0 0 目左右的 细粉，又可以溶于一些低成本的溶剂，如酒精，火碱溶液中，因而既适用于摩擦材料生 产的干法加工工艺，也适用于湿法加工工艺。 未经改性的酚醛树脂，即纯酚醛树脂，在国内摩擦行业中称之为2 1 2 3 树脂，它存 在一些不足之处，如质地脆硬，韧性差。采用改性的酚醛树脂，可以改进摩擦材料的各 方面性能。如橡胶改性酚醛树脂和腰果壳油改性酚醛树脂，能降低摩擦材料的弹性模量 和硬度，提高冲击强度；三聚氰胺改性酚醛树脂和硼酸改性的酚醛树脂，可提高树脂的 耐热性；采用环氧改性的酚醛树脂，可提高摩擦片和钢纤维的粘结性。 我国摩擦材料目前多使用酚醛树脂及其改性树脂，如使用腰果壳油改性，橡胶改性 及环氧改性酚醛树脂作为摩擦材料的粘结剂。 在摩擦材料使用的粘结剂中，还有其它类型的粘结剂，例如环氧树脂，糠醛树脂等。 国外生产的摩擦材料，绝大多数也是以有机粘结剂为生，例如酚醛树脂或改性酚醛树脂 腔 弓于。 美国多采用耐高温的酚醛树脂、腰果壳油改性树脂、呋喃树脂、硼酸树脂等。 江南人学硕七学位论文 美国多采用腰果壳油改性酚醛树脂，也经常使用橡胶或胶乳改性的酚醛树脂。 前苏联多采用松香改性的酚醛树脂作粘结剂或者丁钠橡胶作粘结剂，还使用橡胶和树脂 的共混基体作粘结剂。 日本则多用酚醛树脂及其改性树脂，也有用橡胶等做主要粘结剂的。还有使用烷基 改性、腰果壳油改性树脂的，也有应用三聚氰胺改性树脂作为粘结剂。 近来有开始使用双种材料对酚醛树脂进行改性的，如采用橡胶与对二甲酰二乙基二混胺 改性酚醛树脂除能提高摩擦材料耐热性外，对其提高耐磨性也有一定的改善作用。 摩擦材料生产企业对树脂的质量要求是1 3 1 ： ( 1 ) 耐热性好，有较好的热分解温度和较低的热失重。 ( 2 ) 粉状树脂细度要高，一般为1 0 0 2 0 0 目，以2 0 0 目为最宜，有利于混料分散的均 匀性，降低配方中树脂用量。 ( 3 ) 游离酚含量低，以1 3 为宜。 ( 4 ) 适宜的固化速度4 0 6 9 s ( 1 5 0o c ) 和流动距离( 1 2 5 ，4 0 8 0 m m ) 。 大部分摩擦材料制品中，橡胶作为辅助材料被加用，目的是降低制品的硬度和弹性 模量，提高韧性和冲击强度。但在有些品种中，例如城市公交汽车用的软质或半硬质刹 车片中，或缠绕型离合器片，某些工程机械用摩擦片，橡胶的用量比例高达6 以上， 或与实质用量相当，也有超过树脂用量比例的情况，如橡胶刹车带中，橡胶成为制品中 有机粘结剂的主体成分。 摩擦材料所用的橡胶制品中，常用的是丁苯橡胶和丁腈橡胶。丁苯橡胶的价格便宜， 耐磨性好，故使用最广泛。丁腈橡胶耐热性，抗拉强度均优于丁苯橡胶，但价格较高， 一般用于性能要求比较高的摩擦材料，如盘式刹车片或重负荷载重汽车的鼓式刹车片。 天然橡胶虽然抗拉强度和伸长率均很好，但其耐热性相对较软，价格又稍高，故现在较 少在摩擦材料中应用。 在生产上，干法生产工艺中，橡胶可单独以粉末状态应用于摩擦材料组分中，或与 树脂在炼胶机上混炼均匀，经粉碎后进一步使用。在湿法工艺中，一般将橡胶和溶剂加 工成胶浆液后或以湿法捏合方式或以浸渍连续纤维方式加入到组分中去。 1 1 4 2 纤维增强材料 纤维增强材料构成摩擦材料的基材，它赋予摩擦制品足够的机械强度，使其能承受 摩擦片在生产过程中的磨削和铆接加工的负荷力以及使用过程中由于制动和传动所产 生的冲击力、剪切力、压力、离合器片高速旋转的作用力，避免发生破坏和破裂。 我国有关标准及汽车制造厂根据摩擦片的实际使用工况条件，对摩擦片提出了相应 的机械强度要求，如抗冲击强度、抗弯强度、抗压强度、剪切强度、旋转破坏强度等。 为了满足这些强度性能要求，我们需要选用合适的纤维品种。在进行选择时，纤维 的增强性能价格比，是很重要的选择原则，即不但要有好的增强效果，还有能被市场接 受的成本价格，这对无石棉摩擦材料尤为重要，因为只有具有良好的技术经济综合性能 的摩擦制品，才能够具有较强的市场竞争力。 摩擦材料对其使用的纤维组分要求是： 4 第一章绪论 ( 1 ) 增强效果好； ( 2 ) 耐热性好，在摩擦工作温度下，不会发生熔融，碳化与热分解现象； ( 3 ) 具有基本的摩擦系数； ( 4 ) 硬度不宜过高，以免产生制动噪音和损伤制动盘或鼓； ( 5 ) 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工况下，一般有机纤维无法承受这种高温 条件，故而摩擦材料中多数是应用无机纤维，它们包括天然矿物纤维类，如石棉纤维， 海泡石，硅灰石等；人造矿棉和无机纤维类，如陶瓷纤维，硅酸铝纤维，岩棉，复合矿 物纤维，玻璃纤维等；金属纤维类，如钢纤维，铜纤维，铝纤维等。除了无机纤维外， 一些有机类纤维也被应用在摩擦材料中，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。芳纶纤维在国内外摩擦材料行业中应用较多，特别是要求性能 较高的制品中。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，但主要作为辅助组分被少量使用。 目前，国内外习惯将摩擦材料分为两大类：即石棉摩擦材料和无石棉摩擦材料。 石棉在摩擦材料中至今仍具有不可完全被取代的特性。即它可以提供较高的机械强 度及良好的耐热性，耐磨性；有相当好的对粘结剂的吸附性等，可使制品获得使用中所 必需的各种物理机械性能指标。虽然石棉( 石棉粉尘) 对环境造成了危害，但因为各种各 样石棉代用材料也不断发现环境危害，所以以石棉为增强材料的石棉系列摩擦材料，由 于它具有良好的综合性能与较低的价格，使它在今后若干年内，仍将会在摩擦材料生产 中占有一定的地位。 在无石棉摩擦材料方面，根据上述的五项要求，再加上价格成本的要求，可以认为， 各种非石棉纤维中很难找到任一种纤维能单独承担代替石棉的角色，较好的满足这多方 面的性能要求。铜纤维虽在盘式刹车片中可被用作主体纤维，但在鼓式刹车片，离合器 片中，它无法单独担任增强组分的角色，因此，在无石棉摩擦材料的组分中，最常采用 的是多种纤维的组合使用。在选用纤维时，一个重要的原则是纤维及制品的综合技术经 济性能，即合理的性能价格比。根据不同的品种，不同的用途，用户的不同要求，来选 择不同的纤维组合，使其摩擦材料制品，即能满足用户的使用要求，又有较强的市场竞 争力。 1 1 4 3 填料 摩擦材料组分中的填料，主要是由摩擦性能调节剂和配合剂组成，使用填料的目的， 主要有以下几个方面，它们剧4 】： ( 1 ) 调节和改善制品的摩擦性能、物理性能与机械强度； ( 2 ) 控制制品热膨胀系数、导热性、收缩率、增加产品尺寸的稳定性； ( 3 ) 改善制品的制动噪音； ( 4 ) 提高制品的制造工艺性能与加工性能； ( 5 ) 改善制品外观质量及密度； ( 6 ) 降低生产成本。 江南大学硕+ 学位论文 在摩擦材料的配方设计时，选用填料必须要掌握和了解填料的性能和结构，以及其 在各种特性中所起的作用。j 下确地选用填料，在决定摩擦材料的性能以及在制造工艺上， 都是非常重要的。 根据摩擦性能调节剂在摩擦材料中的作用，可将其分为增摩材料和减摩材料两类。 摩擦材料本身属于摩阻材料，为能执行制动和传动功能要求具有较高的摩擦系数，因此 增摩填料是摩擦性能调节剂的主要部分，不同的填料的增摩作用是不同的。由于摩擦材 料中的树脂成分在2 0 0 2 5 0 时，会放出低分子物并开始发生热分解；摩擦系数丌始出 现热衰退，在我们使用的增摩填料中，有的填料在较低的摩擦工作温度范围，即室温 2 5 0 区域内，能提高制品的摩擦系数，如长石粉、铁粉等；有的填料则能在较高的摩 擦工作温度区域2 5 0 以上直至4 0 0 ，即树脂发生热分解的温度区域，具有较好的摩 擦系数，我们将其称为高温摩擦性能调节剂，如氧化铝、锆英石等。 增摩填料的莫氏硬度通常为3 - 9 。硬度高的增摩效果显著，莫氏硬度膏腴5 5 以上 的填料，属硬质填料，增摩作用明显，但要控制其用量，粒度。 高硬度的填料用量过多以及填料的粒径过粗，就会造成磨损过大，对偶盘或鼓的伤 损增加，制动噪声也会变大。 减摩填料一般为低级硬度物质，特别是莫氏硬度低于2 的矿物，如石墨，二硫化钼， 滑石，云母等，其中工业上常用的是石墨，二硫化钼。它既能降低摩擦系数又能减少对 偶材料的磨损，从而提高摩擦材料的使用寿命。 摩擦材料是在热与较高压力的环境下工作的一种特殊材料，因此就要求所使用的主 要填料成分，必须有良好的耐热性，即热稳定性，包括热物理效应和热化学效应等。 摩擦材料中使用的填料的导热系数，可直接影响其制品的导热性能。导热性好的填 料可以使制品相对的提高耐热性。具有关资料介绍，无机填料的导热系数为( 1 8 ) x l o 。 有机填料的导热系数为( 1 1 0 ) x l o 弓以下。石墨是一种特殊的材料，导热系数为0 1 。 填料的堆砌密度，对摩擦材料的性能影响很大，摩擦材料的不同的性能要求，对填 料的堆砌密度的要求也是不同的。例如，使用增量填料，这仅仅增加数量( 数量) ，节省 制造制品的原材料，降低产品成本，所以在生产中希望加入的填料数量越多越好。这就 希望填料堆砌达到最大密堆砌。 填料在堆砌过程中，最大颗粒的堆砌决定了体系的总体积。体系中的颗粒之间存在 着大量的空隙，如果将较细的颗粒填充到这些空隙中，其体系的总体积不会改变。而此 时又加入更细的颗粒时，其颗粒之间仍然存在着空隙，这些空隙再被更细的颗粒填充， 使用充填的颗粒越来越细，直至无穷小，此时体系的总体积等于填料的真实体积，所以 应用特定的颗粒粒径分布，可以获得填料的最大的密堆砌体系，此时在摩擦材料中使用 的基体树脂量最少。相反，应用单一粒径的颗粒填料，就可以得到最小密砌体系。此时 摩擦材料中使用基体树脂量最多。 摩擦材料生产中使用的填料，均为固体填料，所以填料的颗粒大小的分布、颗粒的 形状导致了填料的不同分布方式，不同的填料会呈现出不同的形状的颗粒。颗粒大小可 用筛析法测定。 6 第一章绪论 表面积大小是填料最为重要的性质之一。填料的许多效能都与其表面积有关，特别 是制品中使用其它的表面活性剂、分散剂等，都可能被填料表面所吸附或与填料表面发 生化学反应。 有异类矿物填料，既具有一定的摩擦系数，价格又非常低，这类填料有陶土、萤石、 石狄粉、硅藻土、碳酸钙、方解石等。它们在组分中的加入量可从5 1 5 范围，这样 可以有效的降低摩擦片的成本。 另外一些填料配合剂，有的作为着色剂使用，如碳黑、氧化铁、铁黑等，它们不仅 有着色作用，同时也有一定的摩擦系数。 硬脂酸、硬脂酸锌一类的物质被作为脱模剂使用。 有机摩擦粉，是摩擦材料生产中选用的一种具有特殊功能有机类填料。因这类材料 多为有机物制成的一种粉状物，所以一般习惯于称之为有机摩擦材料粉。现生产中比较 经常采用的有机摩擦粉，主要有腰果壳油摩擦粉。它是由腰果壳油经反应、固化、粉碎 制成。还有一种有机摩擦粉即橡胶屑，主要是用各种回收废橡胶制品( 各种橡胶制品， 如轮胎胶粉等) ，经粉碎后制成。根据回收废橡胶制品的不同，所制成的胶粉又分为轮 胎粉与杂胶粉两类，在摩擦材料中使用的是轮胎粉。轮胎粉价格较低，使用方便。 使用有机摩擦粉的摩擦材料制品的摩擦系数比较稳定，耐磨性较好，对制品的硬度 及弹性模量也有所改善，但在摩擦材料组分中的用量要适宜，否则反而会对摩擦材料制 品耐热性产生负面影响。 1 2 塑钢门窗 1 2 1 概述 门窗是建筑物的围护构件，是安装在外墙上的四边承受支撑的超静定薄壁结构，它 承受本身的自重，启闭时的丌关力和侧面吹来的风的压力，所以要求塑钢门窗具有良好 的机械强度，抗拉强度以及优异的耐候性等特性【5 1 。由于塑钢有着生产能耗低、产品强 度高、隔热保温性能好、节能效果佳、耐腐蚀、色泽美观、不易变形、阻燃自熄、经久 耐用等优异特性，被誉为继木门窗、钢门窗、铝合金门窗之后的第四代门窗，是当今世 界建筑材料市场中最理想的节能产品，因此，成为绝大部分场馆和基础设施所涉及的门 窗材料的首选已是必然。塑钢的主要原材料p v c ( 聚氯乙烯) 作为5 大通用塑料之一，具有 节能、节材、防腐、阻燃等优点，而且其生产消耗掉了电解盐生产烧碱时产生的大部分 氯气，有效的减少了环境污染，使他在世界得到迅速的发展和应用，成为最主要的生态 化学建材之一。 1 2 2 塑钢门窗用碳酸钙晶须的研究进展及发展趋势 材料的复合化是材料发展的重要趋势，高性能复合材料的发展水平是衡量一个国家 科学技术的重要标志之。晶须填充聚合物对于新型功能复合材料的开发具有重要意 义，同时也是目前乃至今后几十年的研究热点之一。晶须的发展为高分子材料的增强和 新品种、新材料开发提供了重要的条件。不仅可以大大降低材料的成本，而且可以显著 江南人学硕十学位论文 地改善材料的各种性能，赋予材料新的特性和功能，以扩大其应用范围。晶须用作各种 材料，特别在高分子聚合物的增强剂中，远远超过目前大量使用的各种增强剂。 1 2 2 1 国内外对塑钢门窗的研究概况 同本和美国均进行了碳酸钙晶须的研究与丌发，并有不少相关专利发表。同本丸尾 钙株式会社于1 9 9 5 年实现了碳酸钙晶须的工业化生产，产品的特点为：价格低，经济 性好；增强制品内部各向同性且表面平滑；耐热性好，折射率接近树脂( 1 5 3 1 6 8 ) ，已应 用于塑料、橡胶、医学、化妆品等许多领域。 在国内，粉状碳酸钙作为价廉易得的一类无机填料，已广泛用作热塑性塑料及橡胶 加工的填充改性剂。近年来，国内已有多家公司进行纳米碳酸钙粉末的工业化开发，形 成了较大的生产能力，在建材、造纸等领域的应用显示出了极好的性能。但对于同样具 有极好市场开发前景的碳酸钙晶须，企业参与的工业化开发还极为不足。总体来看，国 内在碳酸钙晶须的工业化丌发上基本上还处于起步阶段。 国内外对晶须在塑钢门窗上的研究还没有，大多数是研究碳酸钙晶须与p p 、p v c 复合材料的力学性能，但不是作为塑钢门窗用的复合材料。 1 2 2 2 塑钢门窗复合材料的发展趋势 ( 1 ) 向生态环境材料方向发展：c a c 0 3 晶须与塑料复合所得的产品要能够作为生态 环境材料必须有三大特点：1 要能满足使用上的性能要求；2 必须考虑尽可能节约资源 和能源，尽可能减少对环境的污染；3 在研究、设计制备材料及使用废弃材料和生产的 各个环节中，材料或产品在整个寿命周期中必须满足对环境的协调性要求。 ( 2 ) 向结构和功能复合材料方向发展：c a c 0 3 晶须填充p v c 复合材料加入一定量的 功能材料，可使其具有耐磨、阻燃、耐老化性能以及可降解等功能。应使材料从低级到 高级、从单功能向多功能的方向发展。通过调节其复合度、选择其连接形式和改变其对 称性等因素，以达到功能材料所追求的高价值。在进行功能c a c 0 3 晶须填充p v c 复合 材料的研究过程中应考虑各组成的物理及化学性质，以避免各组成之间的冲突。要充分 提高其主要力学性能，使其能够作为结构材料使用。 ( 3 ) 改善c a c 0 3 晶须填充p v c 复合材料界面相容性，提高其综合性能。尽管科研 人员在改善c a c 0 3 晶须和塑料界面相容性方面已作了大量工作，也取得了可喜的成绩， 但研究出更有效的相容剂仍是今后的一个重点和难点，仍需继续做出更大的努力。 ( 4 ) 提高c a c 0 3 晶须增加量，扩大使用范围。c a c 0 3 晶须填充p v c 复合材料由低 份数向高份数发展，甚至向1 0 0 份以上发展，进一步降低成本，扩大其应用领域，使之 得到普及。 ( 5 ) 进一步改进其生产设备和技术，研究出新的成型方法。如：从单螺杆向双螺杆 发展，由水冷成型挤出向空气冷却成型挤出发展。 8 第一章绪论 1 3 当前增强耐磨材料中存在的问题 1 3 1 摩擦材料技术中存在的问题 我们对摩擦材料的使用已有一百多年的历史了，但是自从上世纪初把石棉作为摩擦 材料的纤维增强材料以来，现在仍在使用，摩擦材料中新材料的开发应用方面存在不足： ( 1 ) 石棉是一种天然的矿物纤维，它具有较高的耐热性和机械强度，还具有较长的纤 维长度，较高的劈裂性和很好的分散性。但是人们逐渐认识到石棉对人体健康有一定的 危害性。石棉在开采加工过程中，在石棉摩擦材料的生产和使用过程中，微细的石棉纤 维易飞扬在空气中被人吸入肺部，长时间处于这种环境下的人们，比较容易患上石棉肺 或间皮瘤一类的疾病，因此人们丌始寻求能取代石棉的其他纤维材料来制造摩擦材料， 即无石棉摩擦材料也称非石棉摩擦材料。寻找一种具有较高的耐热性和机械强度，一定 长径比的纤维材料，较高的劈裂性和很好的分散性，并且原料来源丰富的新材料比较困 难。 ( 2 ) 大多数用户在选用汽车制动器衬片时比较倾向于传统较成熟的材料，不愿意承担 使用新产品的风险。 ( 3 ) 新产品研发投入大，成本相对偏高，但性能更好，而用户一味考虑采购成本，忽 视技术要求，也影响了汽车制动器衬片生产企业研发投入的积极性。 1 3 2 塑钢门窗技术中存在的问题 由于塑钢门窗生产能耗低，占用空间也较小，几个人和一个小小的作坊就可以生产， 造成现在塑钢门窗的生产制造者迅速增多，虽然竞争者多了，但是技术和产品性能仍存 在许多问题： 随着经济生活水平的提高，建筑物的翻新改造逐渐增多，塑钢门窗的需求也逐渐增 加，但是目前生产的塑钢门窗在不用之后造成环境污染问题，因为配方中存在些填料不 能降解，或者降解分解的产物造成空气污染，需要探索新材料使报废的塑钢门窗能够进 行生物降解，降解产物不给环境造成污染，有利于环保。 1 4 本文的研究内容 针对当前高分子增强耐磨材料中存在的问题，以及工艺技术和产品性能的要求，本 课题研究了把针状的新型晶须材料用在高分子增强耐磨材料中，来实现使高分子材料成 为环境友好型材料。 1 4 1 摩擦材料主要研究内容 碳酸钙晶须是一种白度高、生产成本低、机械强度高、高温耐磨、填充性能好、无 污染的新型针状晶须材料。本课题在了解摩擦材料组成，技术要求及加工工艺的基础上， 从理论及市场实际情况出发，选用合适的高分子粘结剂，摩擦性能调节剂，添加针状的 新型晶须材料，经高速混合机混合之后，在一模多腔的刹车片热压机上进行压制成型， 再经热处理和后续加工得到晶须复合摩擦材料产品。选择一定用量的碳酸钙晶须添加在 9 江南人学硕+ 学位论文 鼓式刹车片中，经过定速式摩擦试验机和c h a s e 试验机测试，与石棉摩擦材料相比， 考察其摩擦系数，意欲得到在高温下的摩擦系数稳定、磨损率较小、高温情况下无热衰 退现象产生的理想的摩擦材料产品配方；同时研究碳酸钙晶须在定速式摩擦试验机上的 降温试验中的相关性能，期待其能成为石棉材料的理想取代品。 本课题另外需要研究的内容是通过对比添加碳酸钙晶须、钛酸钾晶须及同时加入碳 酸钙晶须和钛酸钾晶须，考察其在盘式刹车片中的摩擦磨损性能。期待研究得到性价比 好的盘式刹车片产品。 1 4 2 塑钢门窗主要研究内容 针对当前塑钢门窗技术中存在的问题，本课题研究采用碳酸钙晶须与聚氯乙烯( p v c ) 复合用于制备塑钢门窗。根据塑料填充改性原理，选择p v c 为基体树脂，碳酸钙晶须 作填充料，添加适量的助剂，采用双辊混炼工艺，用平板硫化机压制成型，然后对试样 进行力学性能的测试及用扫描电镜观测其冲击断面的形态。采用万能试验机和冲击试验 机对样板进行相关性能测试，考察碳酸钙晶须的含量对复合材料冲击强度、拉伸强度和 断裂伸长率的影响。期待得到高性能、低成本的碳酸钙晶须复合塑钢门窗。 1 0 第二二章碳酸钙品须在摩擦材料中的研究及其应用 第二章碳酸钙晶须在摩擦材料中的研究及其应用 2 1 前言 刹车片作为汽车制动系统的关键元件，已有百余年的使用历史。目前，轿车的 总产量已占据我国汽车总产量的3 5 以上【6 】，由于轿车通常为前驱动设计，前轮采 用盘式制动，后轮采用鼓式制动，所以说鼓式刹车片和盘式刹车片都是我国摩擦材 料制品中主要的产品，鼓式和盘式制动片也需要良好的制动性能，不但要求其耐高 温、摩擦性能稳定、无噪音、无震颤、不易摩伤对偶件、满足短距离内制动、使用 寿命长，而且还要具有无污染、制动舒适等特点。 石棉，曾经是汽车刹车片中的当然材料，但因其在高温时脱水而失去增强性能， 其粉尘易让人得肺癌，不符合