（材料加工工程专业论文）almmc制动盘用树脂基摩擦材料配方及制备工艺研究.pdf

硕士学位论文 摘要 轻量化、高速化已成为车辆发展的必然趋势。采用铝基复合材料( a 1 一m m c ) 替代铸铁制备车辆的制动盘，不仅能够达到显著的减重效果，而且因具有更好的 耐磨性能和散热性能，能够满足高速制动的苛刻要求。由于a i m m c 和铸铁的摩 擦磨损特性不同，用于铸铁制动盘的摩擦材料并不适用于a 1 m m c 制动盘，因此 研制出和a 1 m m c 相适应的摩擦材料是a 1 m m c 制动盘能够成功应用的关键。本 文结合国家8 6 3 计划资助项目，采用多层喷射共沉积制备的1 5 v o l s i c 颗粒增强 a 1 一m m c 作为对偶，研究了树脂基摩擦材料的基体、增强纤维以及制备工艺三个 方面对a 1 一m m c 树脂基摩擦材料摩擦磨损性能的影响，探求出了适用于a 1 m m c 制动盘的树脂基摩擦材料配方及制备工艺。 对树脂基体的研究表明，腰果壳油改性酚醛树脂具有良好的热性能，所制备 的摩擦材料硬度较低，摩擦系数平稳，磨损率较小，因此适合作为a 1 一m m c 制动 盘用摩擦材料的基体。在其含量为2 2 v o l 2 6 v o l ，共混橡胶含量为2 2 v o l 时， 摩擦材料具有最好的摩擦磨损性能。 研究了钢纤维铜纤维、k e v l a r 纤维钛酸钾晶须以及碳纤维三种增强体系摩擦 材料的摩擦磨损性能以及对a 1 m m c 对偶的影响。结果表明，三种增强体系均存 在最佳的增强组分含量。对于钢纤维铜纤维体系，4 v o l 钢纤维与l l v o l 铜纤维 混杂时具有最好的摩擦磨损性能；对于k e v l a r 纤维钛酸钾晶须体系，钛酸钾晶须 的最佳含量为2 0 v o l ；对于碳纤维体系，最佳的碳纤维含量为1 4 v o l 。对三种 增强体系进行的对比表明，钢纤维铜纤维增强摩擦材料具有最高的摩擦系数，摩 擦系数的压力敏感性最小；k e v l a r 纤维钛酸钾晶须增强摩擦材料具有最低的磨损 率和最小的摩擦系数速度敏感性；碳纤维增强摩擦材料不仅摩擦系数最低，磨损 率最大，而且摩擦系数随压力和速度的变化都最大。综合比较，钢纤维铜纤维适 合作为a 1 一m m c 制动盘用树脂基摩擦材料的增强体系。 针对干法直接模压工艺所制备的摩擦材料易开裂和起泡，以及粘结效果不佳 的缺点，提出了新的摩擦材料制备工艺即二次压制工艺。对比表明，二次压制工 艺具有较好的工艺性能，所制各的摩擦材料由于粘结效果得到改善，摩擦系数较 高，高速制动时扭矩曲线平稳，摩擦材料以及对偶的磨损率都较小。 结合上述研究成果，优化了钢纤维铜纤维增强体系摩擦材料的配方，并采用 二次压制工艺制各了制动闸片。1 ：1 台架试验表明，所制备的闸片摩擦系数稳定， 制动距离短，在1 8 0 k m h 和2 0 0 k m h 的高制动速度下也体现出良好的制动性能， 可与a 1 m m c 制动盘配副用于运行速度为2 0 0 k m h 的高速列车。 关键词：a i - m m c 制动盘；摩擦材料；摩擦磨损；树脂基体；增强纤维；制备工艺 硕士学位论文 a b s t r a c t l o ww e i g h ta n dh i g hs p e e dh a v eb e e nt h em a i nt r e n d si nt h ed e v e l o p m e n to f v e h i c l e s o w i n gt ot h ea d v a n t a g e so fl o wd e n s i t y ，g o o dw e a rr e s i s t a n c ea n dh i g hh e a t c o n d u c t i v i t y ，a l u m i n u mm e t a lm a t r i xc o m p o s i t e s ( a 1 - m m c ) a r eg i v e ng r e a ta t t e n t i o n t os u b s t i t u t ef o rc a s ti r o na sb r a k ed i s cm a t e r i a l h o w e v e r , t h et r a d i t i o n a lb r a k ep a d s u s e df o rc a s ti r o nb r a k ed i s ca r en o ts u i t a b l ef o ra 1 m m cb r a k ed i s cd u et ot h e d i f f e r e n c eo ff r i c t i o na n dw e a rc h a r a c t e r i s t i c sb e t w e e nc a s ti r o na n da 1 m m c i ti s n e c e s s a r yt os p e c i f i c a l l yd e v e l o pt h ef r i c t i o nm a t e r i a l su s e df o ra i m m cb r a k ed i s c i n t h i st h e s i s ，t h ei n f l u e n c eo fr e s i na d h e s i v e s ，r e i n f o r c i n gf i b e r sa n df a b r i c a t i o np r o c e s s e s o nt h ef r i c t i o na n dw e a rc h a r a c t e r i s t i c so fa 1 m m c r e s i nn l a t r i xf r i c t i o nm a t e r i a l t r i b o l o g i c a ls y s t e m sw e r ei n v e s t i g a t e da n dt h ep r e f e r a b l ef o r m u l a t i o na n df a b r i c a t i o n p r o c e s so ff r i c t i o nm a t e r i a l su s i n gf o ra 1 - m m cb r a k ed i s cw e r ed e v e l o p e d i nt h ep r e s e n ts t u d y ，c a s h e w m o d i f i e dr e s i nh a dg o o dh e a t r e s i s t a n tp e r f o r m a n c e ， f r i c t i o nm a t e r i a lf a b r i c a t e db yu s i n gt h i sk i n do fr e s i ne x h i b i t e dl o wh a r d n e s s ，s t a b l e f r i c t i o nt o e f f i c i e n ta n dl o ww e a rr a t e t h i si n d i c a t e dt h a tc a s h e w m o d i f i e dr e s i nw a s p r e f e r a b l et ob e u s e da st h em a t r i xo ff r i c t i o nm a t e r i a l t h ef a v o r a b l ec o n t e n to f c a s h e w m o d i f i e dr e s i na n dr u b b e r p o w d e r w e r e2 2 v 0 1 一2 6 v 0 1 a n d 2 2 v 0 1 ， r e s p e c t i v e l y t h ef r i c t i o na n dw e a rc h a r a c t e r i s t i c so fs t e e l c uf i b e r , k e v l a rp u l p ! c l o t a s s i u m t i t a n a t ew h i s k e ra n dc a r b o nf i b e rr e i n f o r c e dm a t e r i a l sw e r ei n v e s t i g a t e d f o rs t e e l c u f i b e rr e i n f o r c e df r i c t i o nm a t e r i a l s ，t h eb e s tf r i o r i o na n dw e a rp e r f o r m a n c ew a so b t a i n e d w i t ht h eh y b r i d i z a t i o no f4 v o l s t e e lf i b e r sa n d11 v o l c uf i b e r s f o rk e v l a r f 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 ra n dc a r b o nf i b e rr e i n f o r c i n gs y s t e m s ，t h ep r e f e r a b l e w h i s k e r sa n dc a r b o nf i b e r sc o n t e n tw e r e2 0 v 0 1 a n d14 v 0 1 ，r e s p e c t i v e l y t h eb e s tf o r m u l a t i o n so ft h et h r e ek i n d so ff i b e r r e i n f o r e e df r i c t i o nm a t e r i a l sw e r e c o m p a r e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h es t e e l c uf i b e rr e i n f e l r e e df r i c t i o nm a t e r i a l e x h i b i t e dt h eh i g h e s tf r i c t i o nc o e f f i c i e n ta n dt h el o w e s tc o e f f i c i e n tp r e s s u r es e n s i t i v i t y ； t h em a t e r i a lr e i n f o r e e db yk e v l a rf 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 rh a dt h el o w e s tw e a r r a t ea n dc o e f f i c i e n ts p e e ds e n s i t i v i t y ；t h ec a r b o nf i b e rr e i n f o r c e dm a t e r i a ls e e m e dn o t s u i t a b l ef o ra 1 m m cf o ri t sl o wf r i c t i o nc o e f f i c i e n ta n dh i g hw e a rr a t e m o r e o v e r , t h e f r i c t i o nc o e f f i c i e n to ft h ec a r b o nf i b e rr e i n f o r c e dm a t e r i a l c h a n g e dg r e a t l y w i t h p r e s s u r ea n ds l i d i n gv e l o c i t y i tc o u l db ec o n c l u d e dt h a ts t e e l c uf i b e rw a sap r o m i s i n g r e i n f o r c i n gs y s t e mo ff r i c t i o nm a t e r i a lu s e df o ra l m m cb r a k ed i s c i i 硕士学位论文 an o v e ld r y - p o w d e rp r o c e s s i n gr o u t et e r m e da st w o - s t e pp r e s s i n gp r o c e s sw a s d e v e l o p e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt w o s t e pp r e s s i n gp r o c e s sp o s s e s s e de x c e l l e n t p r o c e s sp r o p e r t i e sa n da v o i d e dt h ec o m m o np r o b l e m ss u c ha sc r a c k i n ga n ds w e l l i n gi n t h ed i r e c tm o u l dp r e s s i n gp r o c e s s ；c o m p a r e dw i t ht h ed i r e c tm o u l dp r e s s i n gp r o c e s s ， t h ef r i c t i o nm a t e r i a lm a d eb yt w o s t e pp r e s s i n ge x h i b i t e dh i g h e rf r i c t i o n c o e f f i c i e n t ， l o w e rw e a l r a t ea n dm o r es t a b l eb r a k et o r q u ec u r v e s b a s e do nt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa b o v e ，b r a k ep a d sw e r ef a b r i c a t e db yt w o s t e p p r e s s i n gp r o c e s sw i t ho p t i m i z e df o r m u l a t i o na n dt h e i rt r i b o l o g i c a lp r o p e r t i e s w e r e t e s t e db yaf r i c t i o n & w e a rt e s t e rf o rr a i l w a yr o l l i n gs t o c k s t h er e s u l t ss h o w e dt h a t s t a b l ef r i c t i o nc o e m c i e n ta n ds h o r tb r a k ed i s t a n c ec o u l db eo b t a i n e de v e na tt h eb r a k e s p e e do f18 0k m ha n d2 0 0 k m h t h i si n d i c a t e dt h a tt h ed e v e l o p e db r a k ep a d sw e r e s u i t a b l ef o rh i g h - s p e e dr a i l w a yc a rw h i c hr u na t2 0 0 k m h k e yw o r d s ：a 1 - m m cb r a k ed i s c ；f r i c t i o nm a t e r i a l ；f r i c t i o na n dw e a r ；r e s i nm a t r i x ； r e i n f o r c i n gf i b e r s ；f a b r i c a t i o np r o c e s s e s i i i 硕士学位论文 插图索弓 图1 1a 1 一m m c 和铸铁摩擦磨损机理的比较1 3 图2 1摩擦材料制备工艺流程图1 7 图2 2 摩擦材料冲击试样图1 9 图2 3a 1 一m m c 摩擦对偶的微观组织2 0 图2 4m g 2 0 0 0 摩擦磨损试验机结构示意图2 0 图2 5 定速摩擦磨损实验摩擦材料试样图2 1 图2 6m m 一1 0 0 0 惯性制动试验机结构示意图2 2 图3 1不同酚醛树脂的d s c t g 曲线2 5 图3 2不同树脂种类摩擦材料的摩擦系数一滑动距离曲线2 7 图3 3不同树脂种类摩擦材料的平均摩擦系数和磨损率2 8 图3 4 不同树脂含量摩擦材料的摩擦系数一滑动距离曲线3 0 图3 5不同树脂含量摩擦材料的平均摩擦系数和磨损率3 1 图3 6 不同橡胶含量时基体的t g 曲线3 3 图3 7不同橡胶含量摩擦材料的摩擦系数一滑动距离曲线3 3 图3 8 不同橡胶含量摩擦材料的平均摩擦系数及磨损率3 4 图4 1钢纤维铜纤维增强体系摩擦材料的摩擦系数一滑动距离曲线3 9 图4 2钢纤维铜纤维增强体系摩擦材料的平均摩擦系数和磨损率3 9 图4 3钢纤维铜纤维增强体系摩擦材料a 1 m m c 对偶的磨损率4 0 图4 4钢纤维镉纤维增强体系摩擦材料a 1 m m c 对偶表面形貌4 1 图4 5k e v l a r 纤维钛酸钾晶须增强体系摩擦材料的摩擦系数一滑动距离曲线 4 3 图4 6k e v l a r 纤维钛酸钾晶须增强体系摩擦材料的平均摩擦系数和磨损率 4 3 图4 7k e v l a r 纤维钛酸钾晶须增强体系摩擦材料a 1 一m m c 对偶的磨损率 - 4 4 图4 8k e v l a r 纤维钛酸钾晶须增强体系摩擦材料a i m m c 对偶表面形貌 4 5 图4 9碳纤维增强体系摩擦材料的摩擦系数一滑动距离曲线 4 7 图4 1 0 碳纤维增强体系摩擦材料的平均摩擦系数及磨损率4 8 图4 1 l 碳纤维增强体系摩擦材料a 1 m m c 对偶的磨损率4 8 图4 1 2 碳纤维增强体系摩擦材料a 1 一m m c 对偶表面形貌4 9 图4 1 3 不同增强体系摩擦材料摩擦磨损性能的对比5 0 i v 硕士学位论文 图4 1 4 不同增强体系摩擦材料的摩擦系数压力敏感性和速度敏感性5 0 图4 1 5 钢纤维，铜纤维增强摩擦材料的摩擦表面形貌5 1 图4 1 6k e v l a r 纤维钛酸钾晶须增强摩擦材料的摩擦表面形貌5 1 图4 1 7 碳纤维增强摩擦材料的摩擦表面形貌5 2 图5 1二次压制工艺示意图5 5 图5 2 直接模压工艺制品的典型缺陷5 6 图5 3二次压制工艺制备的摩擦材料5 6 图5 4不同工艺制备的摩擦材料的制动扭矩曲线 5 9 图6 11 6 0 k m h 以下紧急制动时瞬时摩擦系数与制动初速度的关系曲线 o o 6 3 图6 21 8 0 k m h 和2 0 0 k m h 紧急制动时瞬时摩擦系数与制动初速度的关系曲 线6 3 图6 3常规制动时瞬时摩擦系数与制动初速度的关系曲线6 4 v 硕十学位论文 表1 1 表1 2 表2 1 表3 1 表3 2 表3 3 表3 4 表3 5 表3 6 表4 1 表4 2 表4 3 表4 4 表4 5 表4 6 表5 1 表5 2 表5 3 表6 1 表6 2 表6 3 表6 4 表6 5 表6 6 附表索引 树脂基摩擦材料常用增强纤维的性能 4 摩擦材料常用填料的莫氏硬度 7 a 1 一m m c 摩擦对偶的基体成分1 9 不同树脂种类摩擦材料的配方2 4 不同树脂种类摩擦材料的密度和硬度2 4 不同树脂含量摩擦材料的配方2 8 不同树脂含量摩擦材料的密度和硬度2 8 不同橡胶含量摩擦材料的配方3 l 不同橡胶含量摩擦材料的密度和硬度3 2 钢纤维铜纤维增强体系摩擦材料的配方3 6 钢纤维铜纤维增强体系摩擦材料的密度和硬度3 7 k e v l a r 纤维钛酸钾晶须增强体系摩擦材料的配方4 1 k e v l a r 纤维，钛酸钾晶须增强体系摩擦材料的密度和硬度4 2 碳纤维体系增强摩擦材料的配方4 6 碳纤维体系增强摩擦材料的密度和硬度4 6 比较制备工艺时所采用的摩擦材料配方5 5 不同工艺制备的摩擦材料的力学性能5 7 不同工艺制备的摩擦材料的摩擦系数及磨损量5 8 台架试验的摩擦材料配方6 1 不同制动初速度下要求的紧急制动距离( 客车) 6 2 】6 0 k m h 以下紧急制动试验结果6 2 不同速度时要求的紧急制动摩擦系数变化范围6 2 1 8 0 k m h 和2 0 0 k m h 紧急制动试验结果6 3 常规制动试验结果6 4 v i 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。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后果 由本人承担。 作者签名： 刘耀窖、 日期：旃硼弦日 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。本人授权湖南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。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密回。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 纠飘日期：刀艿年朔矽日 日期：肜年驴加 硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 随着现代社会的不断进步，轻量化、高速化己成为车辆发展的必然趋势。采 用轻质材料制造车辆的零部件，不仅能够达到节约能耗、降低使用成本的目的， 也为车辆实现高速化创造了有利条件。另一方面，车辆运行速度的提高，对其制 动装置及制动材料提出了非常苛刻的要求【l 2 j 。传统的车辆制动盘采用铸铁或铸钢 制造，由于导热性差，在大制动功率下热容量不足，易产生热龟裂而报废【3 】。颗粒 增强铝基复合材料( a l u m i n u mm e t a lm a t r i xc o m p o s i t e ，a 1 m m c ) 具有低密度、高 比强度、比刚度、优良的耐磨性能、良好的导热性能以及低热膨胀系数等一系列 优点【4 ，5 】，用来制备车辆的制动盘，不仅能够明显减轻重量，节约能源，而且具有 比铸铁更好的耐磨性，导热率更高，抗热裂性更好，能够减轻制动过程中制动盘 和闸片的损伤【6 】。因此，铝基复合材料在制动盘方面的应用得到了世界各国的广泛 关注和研究【7 。9 。德国i c e 一1 线路上的高速列车采用a i m m c 制动盘进行了模拟制 动试验f l “，效果良好。日本三菱铝业制备的a i m m c 制动盘也在1 0 0 n 系新干线 电动车组上进行了装车运行试验j 。 为了实现a i m m c 制动盘在高速列车上的应用，制备出配套的制动闸片十分 关键。现有的闸片主要有树脂基合成闸片、粉末冶金闸片和c c 复合材料闸片3 种【l “。粉末冶金摩擦材料虽然具有摩擦系数稳定、耐磨性好、耐高温、结合平稳、 污染小及材料机械强度高的优点，但制造工艺复杂，成本较高，制动噪音较大， 并容易对盘面造成损伤，加大对偶的磨耗【l ”。用c c 复合材料制备的摩擦材料重 量轻，能载水平高，热强度高，摩擦磨损性能良好，使用寿命长，但存在着高温 氧化、成本高、制备技术难度大的缺点 14 1 ，目前只在飞机和赛车上使用。树脂基 摩擦材料具有以下优点 1 2 , 1 5 1 ：可通过改变材质配方和工艺在一定范围内调整其物 理力学性能，在较高负荷下有良好的摩擦性能，摩擦系数稳定，耐磨性好，制动噪 音小。此外，与其他两种摩擦材料相比，还具有成本低的优势，因此获得了广泛 的应用。 1 。2 树脂基摩擦材料概述 树脂基摩擦材料由树脂基体( 粘结剂) 、增强体、填料三大部分组成。这些组 分的优化组合赋予了摩擦材料优越的力学性能、摩擦磨损性能和加工工艺性能。 1 2 1 树脂基体 树脂基体是摩擦材料的主要组元之一，其主要作用是将摩擦材料的各组分粘 a i m m c 制动盘用树脂基摩擦材料配方及制备工艺研究 结在一起，赋予材料一定的结构强度。树脂的类型及其用量对摩擦材料的摩擦磨 损性能、力学性能特别是耐高温性能有很大的影响。 由于酚醛树脂( p f ) 在耐热性能、力学性能、成型加工性能和成本各方面都 比较优越，成为树脂基摩擦材料最常用的粘结剂。但采用普通酚醛树脂制备的摩 擦材料存在着模量过高、硬度大、质脆等缺点，并且在苛刻制动条件下其耐热性 仍不能满足要求。针对其柔韧性和耐热性的不足，目前已经研究了酚醛树脂的多 种改性措施，根据改性原理的不同，通常分为化学改性和物理改性两种途径。 1 2 1 1 酚醛树脂的化学改性 酚醛树脂的化学改性主要是在树脂制备过程中，除苯酚、甲醛外，还加入能 参与缩聚反应或能与酚醛树脂大分子进行化学反应的组分，进行接枝或嵌段共聚。 通常的改性途径有两个【l6 l ：封锁酚羟基。树脂分子中留下的酚羟基容易吸水， 且耐热性不好，因而封锁酚羟基能改善酚醛树脂的耐热性能。引进其他组分。 通过其他组分分割包围酚羟基，从而达到改变固化速度、降低吸水性、提高性能 的目的。一般来说，若改性组分有较柔软的长链结构，则具有增韧效果；若能形 成稳定的环状结构或引入高能键结构，或减小易氧化的酚羟基、亚甲基比例，则 能起到提高耐热性的效果。以提高柔韧性为目的化学改性方法有腰果壳油改性、 桐油改性和橡胶改性等，以提高耐热性为目的化学改性方法有硼酸改性、钼酸改 性、有机硅改性、芳烃改性以及胺类改性等1 。在众多改性树脂中，以腰果壳油 改性酚醛树脂和硼酸改性酚醛树脂较为常用。 1 腰果壳油改性酚醛树脂 腰果壳油经脱羟处理使其中所含的桢女q 酸转化为损如酚，其主要结构为在苯 酚的间位上带有1 5 个碳的单烯或双烯烃长链，既具有与苯酚相近的反应活性，又 有脂肪族化合物的柔性。将其与苯酚和甲醛在酸催化条件下缩合，即制成热塑性 酚醛树脂l l 。其反应过程如下： + c h 2 0 三 c 1 5 h ” c 1 5 h 2 7 2 硼改性酚醛树脂 硼改性酚醛树脂由于引入了b 一0 键，其形成消耗了酚羟基，且键能高于c c 键3 倍，因而大大提高了树脂的耐热性能。此外，一o b o 一结构的支链度比 较高，对树脂的机械强度亦有所改善 1 7 , 1 9 1 。制备硼改性酚醛树脂最常用的方法是 先将苯酚与甲醛反应，生成中问聚合物酚醇，随后在较高温度下( 1 0 0 1 1 0 ( 7 ) 与硼酸反应制得树脂。其反应过程如下： 2 一 州点 一 ，齿叫a + 叫6 硕士学位论文 c h 2 0 h c h ，o h 除了上述改性树脂之外，针对摩擦材料的特殊要求，人们还开发了三聚氰胺 一腰果壳油改性树脂和硼酸一腰果壳油改性树脂等双改性树脂，兼具增韧和提高 耐热性两个方面的改性效果d 6 。 1 2 1 2 酚醛树脂的物理改性 酚醛树脂的物理改性是指采用某些聚合物与酚醛树脂进行共混。物理共混改 性的效果受两组分的化学结构、分子量及其分布、聚合物之间的相容性、共混物 形态结构、共混比例以及操作工艺等多方面因素的影响。用于摩擦材料的酚醛树 脂共混改性分为两类，即与橡胶的共混改往以及与其他树脂的共混改性。 以适量柔软的橡胶与刚性硬质酚醛树脂进行共混改性，形成所谓“高分子台 金”，是提高摩擦材料基体柔韧性的有效手段口o ，2 ”。在酚醛树脂橡胶共混体系中， 树脂为连续相，橡胶颗粒为分散相，形成“海一岛”式形态结构。橡胶颗粒充作 应力集中中心，当该体系受到外界冲击应力时，在橡胶颗粒处诱发大量的银纹及 剪切带。银纹及剪切带的产生和发展将消耗大量能量，从而显著提高树脂基体的 冲击韧性。此外，橡胶颗粒能够控制银纹的发展，并使银纹及时终止丽不致发展 成破坏性裂纹，这也是韧性提高的另一重要原因 2 2 1 。适合与树脂共混的橡胶主要 有丁腈橡胶、丁苯橡胶、丁二烯橡胶和氯丁橡胶等。摩擦材料中最常用的是丁腈 橡胶( n b r ) ，因为丁腈橡胶具有较高的耐热性，并且其溶解度参数( 9 3 9 9 ) 与酚醛树脂的溶解度参数( 1 0 5 ) 相近，两者共混有较好的相容性，可以达到很好 的增韧效果。 将酚醛树脂与其他树脂共混，主要目的是提高耐热性以及粘结性能。共混常 用的树脂有聚苯硫醚、聚酰亚胺、聚四氟乙烯、聚砜等【1 6 1 。这些树脂分子刚性强 或键能高，可以抵御分子链的热运动或热分解，耐热性较好。 1 2 2 增强体 摩擦材料中增强体的主要作用一方面是使材料具有一定的强度和韧性，在承受 冲击、剪切、拉伸等力的作用下不至于出现裂纹、断裂、崩缺等机械损伤；另一 方面，同摩擦材料中其他组元一起在摩擦界面上承受摩擦力的作用并影响摩擦材 料的摩擦磨损特性。根据增强体形态的不同，可分为纤维、晶须和片状增强体三 种。 3 叫一o 肛l 。l 兽_ o 衄 p 心 + 叫6 a i - m m c 制动盘用树脂基摩擦材料配方及制备工艺研究 1 2 2 1 纤维 纤维是树脂基摩擦材料最为主要的增强材料，包括矿物纤维、金属纤维、有 机纤维、玻璃纤维和碳纤维等。表1 1 给出了摩擦材料常用的增强纤维的性能。 表1 1 树脂基摩擦材料常用增强纤维的性能f 2 3 】 1 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。摩擦材料中使用的矿物纤维种类比较 多，石棉纤维是其中最典型的代表。石棉纤维具有耐热性好、不燃烧、抗拉强度 高、价格低廉等优良性能，非常适用于摩擦材料。但是石棉摩擦材料导热性和耐 热性差，制动时产生的摩擦热难以散掉，摩擦表面温度高，易产生摩擦变质层而 加剧磨损，且在2 5 0 左右就会出现“热衰退”。特别是石棉对环境污染严重，有 致癌的嫌疑，现已被其它各种纤维所取代。 海泡石纤维是一种天然的纤维状富铝硅酸盐矿物，具有内部多孔道、外部多 沟槽的结构和高的比表面积，有很强的吸附能力，加入摩擦材料中能吸附基体材 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。海泡石纤维还具有良好的耐热性能，在4 0 0 。c 以下结构稳定，是较为理想 的摩擦材料增强纤维【2 4 】。 硅灰石是一种结晶状的偏硅酸钙矿物，其外形通常呈针状或粉状，硅灰石性 脆，强度较低，需要与其它纤维材料混杂使用( 2 “。 2 金属纤维 摩擦材料使用的金属纤维主要包括钢纤维、铜及铜合金纤维、铝及铝合金纤 维等。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，因而在摩擦材料中得到广泛应用1 2 6 。钢纤 维是目前替代石棉纤维的最重要的增强材料之一，采用钢纤维增强的树脂基摩擦 材料具有稳定的摩擦系数、优良的抗热衰退性能和耐磨性1 27 1 。但钢纤维硬度较高， 制动时易产生噪声，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。 一4 一 硕士学位论文 铜纤维的硬度低，耐腐蚀性也优于钢纤维，其主要缺点是价格较高，密度较 大。贾贤等人【28 的研究表明，铜纤维具有良好的塑性，能涂抹在对偶表面形成致 密的摩擦转移层，从而改善摩擦界面的接触状态，既能提高摩擦系数又能降低摩 擦材料的磨损。摩擦材料常用的铜纤维是紫铜纤维和黄铜纤维，文献 2 9 】认为紫铜 纤维比黄铜纤维具有更好的摩擦磨损性能。 铝及铝合金纤维的硬度低，密度小，不生锈，但耐热性差，高温强度低，目 前尚很少使用。 3 玻璃纤维 玻璃纤维具有高强度、耐高温性能较好、制备工艺简单、成本较低等众多优 点，是替代石棉纤维用于树脂基摩擦材料的常用增强剂【3 。摩擦材料常用的玻璃 纤维是采用熔融拉丝法制备的中碱c 玻璃纤维和无碱e 玻璃纤维。由于玻璃纤维 表面光滑，与树脂浸润性差，通常需要进行表面处理。用等离子体处理可以使玻 璃纤维表面刻蚀粗化，产生新的表面，比表面积增加，改善玻璃纤维的表面浸润 性。有机硅烷偶联剂一方面与玻璃纤维表面反应生成醚键，另一方面则与树脂基 团结合，依靠自身的不同基团将玻纤与基体树脂很好地连接起来，提高界面的结 合性能。李志军等【3 1 1 对玻璃纤维增强的摩擦材料进行了详细的试验研究，结果表 明经过表面处理的玻纤，可以显著降低磨损量：同时玻璃纤维在质量分数1 5 2 5 ，长度为4 8 m m 时具有最佳的摩擦磨损性能。 但通过对玻璃纤维摩擦材料的研究和使用发现 3 2 , 3 3 】，玻璃纤维摩擦材料的摩 擦磨损特性对载荷、滑动速度及制动温度等因素反应敏感。在重载高温下，摩擦 因数波动较大，稳定性较差，磨损量大，并且出于玻璃纤维的硬度较高，会造成 对偶的擦伤和磨损。 4 ，碳纤维 碳纤维具有比强度高、比模量高、低密度、耐热、耐磨、耐蚀以及热膨胀系数 较适宜等一系列突出优点，是制各大功率制动用摩擦材料的理想增强材料。碳纤 维增强碳基( c c ) 复合摩擦材料已在航空航天工业中已得到了广泛应用。目前， 国内外对碳纤维增强树脂基摩擦材料的性能也进行了大量研究。g o p a lp 等人【j 4 j 对碳纤维增强摩擦材料随载荷、速度及温度特性变化关系，以及衰退恢复性能的 研究结果表明：碳纤维增强摩擦材料有良好的恢复性，在高温及高滑动速度下， 比玻璃纤维增强材料有更好的摩擦系数和低的磨损率。 但对于碳纤维而言，由于其表面惰性，作为增强材料时与粘结剂的相容性较 差 3 5 】。在滑动摩擦过程中，由于与粘结剂的结合力较小，抗犁切的能力差，摩擦 系数减小，碳纤维还容易从基体中脱落造成磨损，限制了其优异性能的发挥。而 经过表面处理后的碳纤维其强度下降有限，表面的含氧官能团增加，提高了碳纤 维与粘结剂的反应性。另外，其表面粗糙度的增加有利于提高“锚固效应”，增加 垒! ：丝坚呈墅垫塞里塑i 量霪堡丝丝墼童垒墅鱼三苎篮茎 碳纤维与粘结剂的结合作用。对碳纤维采用预处理办法，如：表面清洁法、氧化 法、表面涂层法，对改善界面的粘合性都有一定的效果3 6 】。此外由于碳纤维失效 应变低、抗冲击性能差，且本身具有润滑性，尚不能单独作为摩擦材料的增强体， 需要与具有高失效应变和具有增摩作用的纤维，如金属纤维、玻璃纤维、芳纶等 共同使用。 碳纤维制造过程中的中间产品一碳纤维预氧丝具有不熔不燃的特点，并具有 很好的摩擦特性，也被用于摩擦材料，可降低制品成本。 5 有机纤维 摩擦材料常用的有机纤维是聚芳酰胺纤维，即芳纶纤维f a r a m i df i b e r ) 。其特点 是：密度低、比强度高、耐磨、阻燃、耐热性能优良，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4 5 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。芳纶纤 维全称为“聚对苯二甲酰对苯二胺”，分子链沿其长度方向高度取向，并且具有很 强的链间结合力。芳纶纤维最早在2 0 世纪6 0 年代由美国杜邦公司成功地开发。 目前主要的商业品种有美国杜邦的k e v l a r 纤维，荷兰阿克苏诺贝尔公司的t w a r o n 纾维和日本帝人公司的t e c h n o r a 纤维。 用于摩擦材料的芳纶纤维主要包括长度为6 1 3 m m 的短纤维和长度为2 - 5 m m 的浆粕纤维。k a t o 等人【37 】证实了芳纶增强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，指出 芳纶纤维在摩擦过程中，对转移膜的形成起着重要的作用，因此少量的纤维即可 数十倍地减少其磨损，是无石棉摩擦材料的非常好的增强纤维。g o p a lp 1 38 】等人也 得到相似的研究结果。目前存在的问题主要有两个，一是芳纶纤维易结团，导致 混料不均，应用中必须限制其用量，但纡维用量太少必然降低增强效果，因此摩 擦材料中一般是将芳纶与其它种类的纤维混杂使用，如玻璃纤维、金属纤维、矿 物纤维、碳纤维等；二是芳纶纤维的价格较高，导致摩擦材料的成本大大提高， 因而限制了它的广泛应用。 除芳纶纤维外，其它有机纤维如聚丙烯腈纤维、聚乙烯醇纤维、聚芳脂纤维、 聚砜酰胺纤维、聚苯并眯唑纤维等也在摩擦材料中得以应用【3 9 1 。 1 2 2 2 晶须 晶须是在人工控制条件下以单晶结构形式生长的高纯度针状纤维材料。晶须 的直径细小，原子排列高度有序，内含缺陷较少，其强度接近材料原子问键力的 理论值，是一种高性能的增强材料。具有实用价值的晶须直径约为1 1 0 1 m ，长径 比在5 - 1 0 0 0 之间。自1 9 4 8 年美国贝尔电话公司首次发现晶须以来，迄今已开发 出了1 0 0 多种晶须，但已经进入工业化生产的商品晶须仅有s i c 、s i 3 n 4 、t i n 、a 1 2 0 3 、 钛酸钾和莫来石等少数几种晶须。主要由于价格的原因，目前研究在摩擦材料中 一6 ， 硕士学位论文 添加晶须作为主要增强材料的文献不多。k i msj 4 0 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黏附在芳纶纤维上， 形成了稳定持久的摩擦薄层，增加了摩擦界面上转移膜的强度与耐热性，具有优 异的摩擦性能。 1 2 2 3 片状增强材料 片状增强材料是一类新兴的摩擦材料增强材料。由于薄片在增强平面上具有 各向同性的增强效应，增强效果比纤维更为明显。此外，采用片状增强体可以避 免纤维对人体可能存在的危害。曹献坤 4 h 选用二维的片状蛭石与一维的芳纶纤维 ( k e v l a r ) 混杂作为增强体，研制出的摩擦材料性能良好。因片状蛭石在加工中形 成平行于表面的排列，与纤维材料相比，其热渗透系数显著降低，热量渗透路径 更曲折，这种独特的混杂结构组合和材料性能匹配，迫使表面产生的摩擦热大部 分从对偶散失，有效地保持了摩擦性能的稳定，降低了磨损，而且有较好的恢复 性能。 1 2 3 填料 填料是摩擦材料中不可缺少的组分，在摩擦材料中主要起改善材料的物理力 学性能、调节摩擦磨损性能及降低成本的作用。通常根据其化学性质和在摩擦材 料中功能的不同，区分为有机填料、无机( 非金属) 填料和金属填料三种。鉴于 选用填料尤其是无机填料时，其莫氏硬度非常重要，表1 2 给出了摩擦材料常用填 料的莫氏硬度，括号内的数值为矿物类填料在不同成分及纯度时的硬度变化范围。 表1 2 摩擦材料常用填料的莫氏硬度【2 3 】 1 2 3 1 有机填料 有机填料在摩擦材料中的主要作用为降低模量，提高摩擦副的贴和性能，稳 7 硕+ 学位论文 添加晶须作为主要增强材料的文献小多。k i msj 4 伽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，发现细小的陶瓷品须黏附在芳纶纤维上， 形成了稳定持久的摩擦薄层，增加了摩擦界面上转移膜的强度与耐热性，具有优 异的摩擦性能。 1 2 2 3 片状增强材料 片状增强利料是一类新必的摩擦材料增强材料。由于薄片在增强平面上具有 各向同性的增强效应，增强效果比纤维更为明显。此外，采用片状增强体可以避 免纤维对人体可能存在的危害。曹献坤【4 1 】选用二维的片状蛭石与一维的芳纶纤维 ( k e v l a r ) 混杂作为增强体，研制出的摩擦材料性能良好。因片状蛭石在加工中形 成平行于表面的排列，与纤维材料