矿物基摩擦材料的研究进展赵晓光

矿物基摩擦材料的研究进展赵晓光矿物基摩擦材料的研究进展赵晓光 2019 Vol 33 No 6 mater rep jingouyang csu edu DOI 10 11896 cldb 18090180基金项目 国家重点研发计划资助项目 xxYFB0310903 This workwas financiallysupported bythe NationalKey D Programof China xxYFB0310903 矿物基摩擦材料的研究进展赵晓光1 2 欧 阳静1 2 3 张毅1 2 3 杨华明1 2 31中南大学资源生物 学院 长沙4100832中南大学矿物材料及其应用湖南省重点实验室 长沙4100833中南大学建筑材料行业黏土矿物功能材料重点实验室 长沙410083摩擦材料是一种采用有机体 无机物压制而成的复合材料 广泛应用于运动车辆与工程机械中 发挥制动和传动功能 是工 作中的核心部件 摩擦材料在汽车工业中应用最广 其性能优劣对汽车的安全性 稳 定性具有十分重要的影响 矿物材料具有无毒 耐热性及化学稳定性好 无污染等优异的物理 化学性质 且部分材料具有天然的纤维状 层状等特殊形貌结构 对摩擦材料的性能具有显著影响 是当前摩擦科学和工程领域关注 的重点对象 然而 矿物材料的种类众多 成分和结构大相径庭 物化性能各有 差异 导致矿物材料在摩擦材料中发挥作用的方式和机理也不尽相 同 基于此 本文从矿物增强摩擦材料 矿物基摩擦材料的性能调控两 方面 对矿物材料的成分 结构和物理化学性质及其对摩擦材料制 品性能和使用效能的影响进行了综述 进一步从纤维状矿物增强调控 颗粒状矿物增摩调控和层状矿物减 摩调控三个方面重点阐述了矿物调控摩擦材料的机理 开发新型矿物材料 加快表面改性及有效除杂等新技术的研发 加 强矿物材料在摩擦材料中的作用机理研究 可以作为未来矿物基摩 擦材料进行工业应用和理论研究的发展方向 关键词矿物摩擦材料物化特性性能调控 TB332 A esearch Progressin Mineral based FrictionMaterialsZHAO Xiaoguang1 2 OUYANG Jing1 2 3 ZHANG Yi1 2 3 YANG Huaming1 2 31School of Minerals Processing and Bioengineering Central SouthUniversity Changsha4100832Hunan Key Laboratory ofMineral Materials and Application Central SouthUniversity Changsha4100833KeyLaboratoryof ClayMineral FunctionalMaterials in China BuildingMaterials Industry Central SouthUniversity Changsha410083Friction materialsare consideredto beposites consistingof organicand inorganicmaterials As amain workingpart they playan impor tant rolein brakingand transmittingin the fields oftransportation andindustrial equipment Friction materialsare themost widelyused inauto mobile industry and theirperformance has a veryimportant impacton thesafety andstability ofautomobiles Mineral materialshave excellentphysical and chemical properties such as non toxic heat resistant chemical stability no pollution and someof themhave specialmorphology fibrous andlayered structure which arecurrently ofconcern inthefieldof frictionscience andengineering However the function of mineralmaterialsused in friction materialsis different because of the variety of mineral materials anddifference of their position and structure Based onthis the position structure physicalandchemicalpropertiesof mineral materials andtheir effectson theproperties andserviceefficiency of friction productsare reviewedin thispaper Furthermore the mechanismof regulatingfriction materials by mineralsis discussedfromthree aspects the reinforcementof friction materialsbyfibrous minerals friction increased regulationby granularminerals andfriction reductionregulation bylayered minerals Developing novelmineralmaterials aelerating thedevelopment ofnew technologiessuchassurface modifica tionandeffective impurityremoval and strengtheningthe study on theinfluence mechanismof mineralmaterials infriction materialscan bedeemedto thedevelopment directionsof futureindustrial applicationand theoreticalresearch ofmineral based friction materials Key wordsmineral frictionmaterial physicochemical characteristic property control0引言摩擦材料是一种应用在工程动力机械中的关键性部件 材料 它既可通过摩擦力传递动力 又能依靠摩擦作用将动能转化 为热能 进而实现制动效果 1 8 摩擦材料是动力传递和减速制动必不可少的材料 其性能优劣直接 关系着系统运行的可靠性和稳定性 而摩擦材料在汽车工业中的消耗量高达80 其性能更是对汽车的安 全性 制动稳定舒适性具有十分重要的影响 9 12 目前 汽车工业中使用的摩擦材料可分为半金属摩擦材料 非金属 有机 NAO 摩擦材料和陶瓷材料 13 矿物材料具有无毒 耐热性及化学稳定性好 无污染等优异的物理 化学性质 且部分材料具有天然的纤维状 层状等特殊形貌结构 是当前摩擦科学和工程领域研究的重点 14 17 目前 研究者们对摩擦材料用矿物材料开展了许多研究 Singh等 18 探究了粉末状和纤维状的硅灰石对制动复合摩擦材料 摩擦学性能的影响 结果显示 粉末状的硅灰石可以提高复合材料的摩擦系数并降低磨 损率 纤维状的硅灰石有助于复合材料形成光滑的接触平台 减少 磨损 Tong等 19 研究了硅灰石纤维及其表面改性对超高分子量聚乙烯 UHMWPE 复合材料滑动磨损性能和物理机械性能的影响 发现硅烷改 性 钛酸酯改性和硅烷 钛酸酯复合改性硅灰石纤维可以提高复合摩擦材料的耐磨性 抗拉 强度和抗冲击性能 海泡石能增强有机聚合物的耐热性能 20 Hou等 21 对海泡石 纤维进行了化学改性 增强了纤维与树脂的粘结力 制得的有机改 性海泡石纤维复合材料具有较高的摩擦系数和较好的耐磨性能 同 时表现出优异的抗热衰退性能 Cao等 22 制备膨胀蛭石制动复合摩擦材料 样品具有良好的力学 性能和适宜且稳0681定的摩擦系数 并在高温下表现出低磨损特点 近年来 也有学者将纳米粘土 23 纤维水镁石 24 26 矿物复合纤维 27 等矿物材料用于增强摩擦材料 此外 矿物材料还可作为填料和摩擦性能调节剂 在摩擦材料制备 成型和使用效能中具有显著作用 重晶石作为摩擦性能调节剂和填料被广泛应用在摩擦材料中 14 可稳定产品的摩擦系数 特别是在高温下能形成稳定的摩擦界面 28 29 重晶石在摩擦材料中的最大添加量可达33 5 质量分数 其掺量 大小不会严重改变产品性能 因此可以用来调节压制品密度 调整 工艺模量 提高分散性 微调摩擦系数等 14 28 锆英石作为高硬度填料 增摩效果良好 Cho等 30 研究发现 粗 锆石颗粒有助于形成稳定的摩擦膜 这种膜结构能稳定摩擦系数 同时减轻粗锆石颗粒对制动盘表面的磨损 而锆英石颗粒细小的摩擦片容易产生瞬态摩擦膜 造成对偶盘磨损 过大 从而导致摩擦系数稳定性差 31 32 石墨是树脂基摩擦材料中必不可少的摩擦性能调节剂 不仅可以维 持摩擦材料高而稳定的摩擦系数 良好的导热性能 降低其磨损率 还可以加速分散复合材料表面的摩擦热 提高摩擦材料的热稳定 性 6 石墨与Sb2S3结合使用时 对摩擦材料的摩擦稳定性及抗热衰退性能 效果更佳 33 矿物材料的种类众多 成分和结构大相径庭 物化性能各有差异 致使矿物材料在摩擦材料中的功能效应各有不同 这也导致矿物在 摩擦材料中应用的系统性报告寥寥无几 基于此 本文将摩擦材料用矿物材料分为矿物增强摩擦材料及矿物 基性能调控摩擦材料两部分 试图从矿物的成分 结构和物理化学 性能角度出发 介绍它们对摩擦材料的性能和使用效能的影响 并 阐述矿物材料调控摩擦材料的作用机理 以期为摩擦材料的配方设 计 制备成型和开发新产品提供理论和技术参考 1矿物增强摩擦材料矿物增强材料在摩擦材料中充当支撑骨架 给予 摩擦材料足够的机械强度 从而使其能承受更多加工成型和使用过 程中受到的剪切力 压力和冲击力等外在应力 避免摩擦材料发生 破裂和失效 34 35 摩擦材料用增强矿物材料须具备相关要求 36 1 韧性和增强效果较好 2 耐热性好 在摩擦材料使用过程中不会发生脱水 熔融 热分解 和碳化等 3 摩擦性能优良 具有一定的摩擦系数和较低的磨损率 4 硬度适宜 5 纤维易分散于基体材料中 便于加工制造 6 价格低廉 对环境友好 传统的矿物增强材料以石棉纤维为主 但因其在加工制备和使用过 程中容易分解出具有致癌性的小分子颗粒 先后被各国禁止应用于 摩擦材料中 目前 摩擦材料中使用的矿物增强材料主要有海泡石纤维 硅灰石 纤维 水镁石纤维和片状膨胀蛭石 其成分 结构和物化性能如表1 所示 Hou等 21 制得有机改性海泡石纤维复合摩擦材料 并对表1几种 矿物增强材料的成分 结构和物化性质Table1Composition struct ure andphysicochemical propertiesof severalmineral reinforcingmaterialsMineral Chemical formula MineralpositionStructurePhysicochemical propertiesMohs hardnessDensityg cm 3Other propertiesSepiolite Mg8 H2O Si6O15 HO 4 8H2O Chainsili cateFibrous2 2 52 2Excellent thermalstability large specificsurface area zeolite poresthroughout thestructureWollastonite CaSiO3 Chaincalcium silicateNeedle shaped4 5 62 75 3 10Low expansion coefficient Fine insulation excellent chemicalstability 37 favorable thermalstability 38 Brucite Mg OH 2 Hydroxide Fibrous2 52 39Small thermal expansioncoefficient large specificsurface area significant flameresistance 39 Expanded vermiculite MgFe 2 SiAlFe 4O10 OH 2 4H2O Silicate Flaky2 2 2 81 1 5Large specificsurface area weak bondbetween layers strong soundabsorption performance其进行了摩擦磨损特性试验 结果如图1所示 从图1a b可以看出 在同一温度下 与不含海泡石的样品相比 含 海泡石样品的摩擦系数均明显增大 但海泡石的加入也增大了复合 材料的磨损率 随着温度的升高 复合材料的摩擦系数整体表现为先增加后降低 且在150 时达到最大 通过计算不同温度下复合材料摩擦系数的方差 其值分别为0 0050 0 海泡石的质量分数 下同 0 0022 5 0 0023 10 0 0028 15 0 0069 20 发现添加海泡石后 摩擦材料的摩擦 系数更稳定 但其添加量不宜过高 综合比较后 选取海泡石含量为15 的摩擦复合材料进行改性试验研 究 如图1c d所示 进行有机改性后 复合材料的摩擦系数略有降低 但改性海泡石可以降低复合材料的高温磨损率 Tong等 19 研究了硅灰石纤维含量变化对超高分子量聚乙烯 UHMW PE 复合材料滑动磨损性能的影响 结果表明 UHMWPE复合材料的滑 动摩擦系数随纤维含量的增加而增加 当硅灰石纤维含量约为10 时 UHMWPE复合材料的耐磨性最好 Tong等进一步探究了硅烷 酞酸酯及硅烷 酞酸酯复合改性硅灰石纤维对UHMWPE复合材料物理力学性能的影响 如图2a b所示 改性硅灰石纤维的添加 有效改善了UHMWPE复合 材料的抗拉强度和弹性模量 并且弹性模量随改性纤维含量的增加 而增大 其中硅烷 酞酸酯复合改性对UHMWPE复合材料的物理力学性能增强效果最佳 从1681矿物基摩擦材料的研究进展 赵晓光等图2c可以看出 未改性 的硅灰石纤维与UHMWPE基体两相界面有明显的间距 从图2d可以看出 硅烷 酞酸酯复合改性后 UHMWPE复合材料的两相界面间距比较模糊 而间距是纤维与基体接触不良造成的 硅烷 酞酸酯复合改性有效改善了硅灰石纤维与UHMWPE基体的结合 直接 影响了UHM WPE复合材料的抗拉强度与弹性模量 图1不同温度下海泡石纤维含量对复合材料的 a 摩擦系数和 b 磨损 率的影响 不同温度下表面改性海泡石纤维对复合材料的 c 摩擦系 数和 d 磨损率的影响 21 Fig 1Effect of sepiolite fibercontent on a coefficient of friction and b wear rateof the posites at different temperatures effects ofsurface modificationofsepiolite on c friction coefficientand d wear rateof the posites at different temperatures 21 图2未改性硅灰石纤维和改性硅灰石纤维对超高 分子量聚乙烯 UHMWPE 复合材料的 a 抗拉强度和 b 弹性模量的影 响 含20 硅灰石纤维的UHMWPE复合材料拉伸断口形貌 c 未改性和 d 硅烷 钛酸酯复合改性的SEM照片 19 Fig 2Effect ofwithout modifiedand modifiedwollastonite fiberscontent on a tensile strengthand b elastic modulusof the UHMWPE posites SEMphotographs of the tensilefracture surfacemorphologies oftheUHMWPEposites withthe wollastonitefibers of20 c no modificationand d silane titanate binedmodification 19 膨胀蛭石凭借其优异的物理化学性能以及 无污染的特点 可以作为降噪减震和环保的矿物调控原料用于摩擦 材料中 特别是在盘式制动片中 膨胀蛭石可以明显地降低制动噪声和制品 密度 减少摩擦材料制品表面的静电粘结物 并2681材料导报 A 2019 33 6 1860 1868图3不同速度下蛭石含量对复合材料的 a 摩擦系数和 b 磨损率 的影响 41 Fig 3Effect ofvermiculite contenton a coefficient offriction and b wear rateoftheposites atdifferent speeds 41 增加制品弹性 14 40 Xu等 41 认为在低摩擦速度 20 40km h 下 摩擦系数随蛭石含 量的增加而增大 在高摩擦速度 60 120km h 下 摩擦系数随蛭石 含量的增加呈先增大后减小的趋势 当蛭石含量为10 左右时 摩擦 系数达到最大 如图3a所示 图3b显示磨损率随蛭石含量的增加呈先降低后上升的趋势 综合而言 当蛭石含量约为5 时 摩擦系数相对稳定 磨损率也相 对较低 具有板状晶形的水镁石结构发生畸变时会变成纤维状的水镁石纤维 水镁石纤维具有挠性和柔性 弹性模量为13800MPa 抗拉强度约为9 00MPa 属于中等强度纤维材料 因其含有一定量的结晶水 在阻燃 抵抗明火和耐高温火焰方面作 用显著 水镁石纤维在天然矿物纤维中的抗碱性能最优 但抗酸性能差 易 受酸雨等恶劣天气影响 水镁石纤维易研磨成细粒 在摩擦材料中的添加量最多可达40 并且水镁石纤维的许多物理性能与温石棉类似 作为摩擦材料中的 增强和阻燃组分具有良好的表现 15 2矿物基摩擦材料性能调控摩擦材料用矿物调控材料主要用来调节摩 擦材料性能 例如改进摩擦材料的制备加工性能 摩擦磨损性能 导热性能 表观密度以及降低摩擦噪音 生产成本等 42 据此 摩擦材料用矿物调控材料又可分为功能调控材料和空间填料 空间填料主要是在自然界分布广泛 种类繁多且价格便宜的一类矿 物材料 例如重晶石 石灰石 白云石 长石类矿物和铝矾土等常被用作降 低摩擦材料成本的填料 本节将从矿物增摩调控和矿物减摩调控两方面进行重点介绍 2 1矿物增摩调控摩擦材料是一种依靠摩擦作用来执行制动和传动 功能的部件材料 较高的摩擦系数是摩擦材料必不可少的性能 而 矿物增摩调控材料能够用来提高摩擦材料的摩擦阻力和强度 矿物增摩材料一般为高硬度原料 莫氏硬度通常为3 9 并且硬度 越高增摩效果越好 但应严格控制其用量 粒度 常见的矿物增摩调节剂的种类及物理化学性质见表2 表2几种矿物增摩调控材料的成分和物化性质Table2Composition andphysicochemical propertiesof severalmineral frictioncontrol materialsMineral Chemical formula MineralpositionPhysicochemical propertiesMohs hardnessDensityg cm 3Melting point Other propertiesBarite BaSO4 Sulfate3 3 54 3 4 51580Fine thermalstability 43 chemicallystable excellent shieldingFluorite CaF2 Fluoride43 0 3 21360Good frictioneffect cheapCryolite Na3AlF6 Fluoride2 32 95 3 01000Favorable thermalstabilityZircon ZrSiO4 Island silicate7 84 0 4 92340Low linearthermalexpansioncoefficient high pressivestrengthCorundum Al2O3 Oxide93 9 4 12030 2350Excellent thermalconductivity chemically stable good insulationDiatomite SiO2 Oxide1 1 51 9 2 31400 1650PorousQuartz SiO2 Oxide72 651750Fine thermalstability chemically stable鲁知音等 29 指出 重晶石能够稳定摩擦材料的摩擦系数且 磨损率小 特别是在高温区 250 300 时磨损率稳定 并且随着重 晶石含量的减少 复合材料的磨损率也逐渐降低 图4 Kim等 44 也指出重晶石作为摩擦材料用矿物增摩调控材料 不仅 能够提高和稳定摩擦系数 还能降低磨损和制动噪音 重晶石在高温下能够形成相对稳定的摩擦界面 可防止摩擦对制动 盘表面的擦伤 使摩擦副表面更加光洁 锆石和刚玉的硬度很大 属于硬质填料 在摩擦材料中添加少量锆石或刚玉 就可发挥良好的增摩效果 并 且制动噪声也较低 Ma等 32 研究了锆英石磨料对非金属制动摩擦材料摩擦性能的影 响 如图5a所示 在摩擦材料中加入锆英石 能明显提高其摩擦系数 且添加锆英石的含量越多 增摩效果越好 特别是在高温 350 下 锆英石能显著改善材料的摩擦性能 图5b显示锆英石对摩擦材料的磨损有负面影响 但是可以改善非金 属摩擦材料因气体释放或热膨胀引起的负磨损率 当锆英石含量为5 6 体积分数 时 无法观察摩擦材料的负磨损率 作为摩擦材料用矿物摩擦性能调控原料 沸石和硅藻土3681矿物基 摩擦材料的研究进展 赵晓光等图4不同温度下重晶石含量对复合材 料 a 摩擦系数和 b 磨损率的影响 29 Fig 4Effect ofbarite contenton a coefficient offriction and b wearrate ofthepositesatdifferenttemperatures 29 具有优异的吸附性能 45 46 可以充分吸收制品在高温下分解的小分子物质 气态或液态水 分子 制动摩擦时在摩擦副表面产生的热量以及制动噪音 能明显 改善热衰退造成的不利影响并降低摩擦噪声 图5不同温度下锆英石含量对复合材料 a 摩擦系数和 b 磨损率的影 响 32 Fig 5Effect ofzirconite contenton a coefficient offriction and b wearrate ofthepositesatdifferenttemperatures 32 2 2矿物减摩调控矿 物减摩调控材料一般是低硬度层状矿物 莫氏硬度通常小于2 主要 用来降低摩擦材料的摩擦系数并且减少对对偶材料的损伤 延长摩 擦材料的使用寿命 常见的矿物减摩调控材料的种类及物理化学性质见表3 表3几种矿物减摩调控材料的成分和物化性质Table3Composition andphysicochemical propertiesof severalmineral antifrictioncontrol materialsMineral Chemical formula MineralpositionPhysicochemical propertiesMohs hardnessDensityg cm 3Melting point Other propertiesGraphite C Elementalcarbon1 1 52 09 2 233652Good chemicalstability fine thermalstability excellent endothermicperformanceTalc Mg3 Si4O10 OH 2 Silicate12 5 8 2 831557Good chemicalstabilityMica KAl2 AlSi3O10 OH 2 Silicate2 32 8 2 91200 1300Favorable heatresistance andinsulationMolybdenumsulfide MoS2 Sulfide1 0 1 55 061185Low frictioncoefficient atlow temperatures high frictioncoefficient athigh temperaturesAntigorite Mg6 Si4O10 OH 8 Silicate3 92 3 982 54 2 55 Weak interlaminaradhesion石墨是摩擦材料中最常用的层状减摩调控矿 物材料 Ghosh等 9 探究了石墨负载对粉末丙烯腈丁二烯橡胶改性酚醛树 脂复合材料摩擦性能的影响 如图6a所示 与不含石墨的复合材料相比 添加石墨能明显改善复 合材料的摩擦稳定性 然而 随着石墨含量的增加 复合材料的摩擦稳定性变差 这归因于石墨含量过高 形成过润滑效应 从而导致复合材料摩擦 波动增大 从图6b看出 未添加石墨的复合材料的摩擦波动 COF max COF min 即摩擦系数最大值与最小值之差 比添加石墨的复合材料大 这是因为石墨能改善复合材料的热稳定性 且复合材料中的石墨含 量越高 热稳定性越好 Kolluri等 47 研究发现 大粒度的石墨能够使摩擦材料的摩擦系 数更加稳定 而小粒度的石墨能够提高材料的热性能 如图7所示 Min等 33 制备出含7 体积分数 石墨和3 体积分数 Sb2S3的摩擦材料 发现制品的摩擦稳定性和热衰退性能得到显著 提升 滑石是层状结构的硅酸盐矿物 作为摩擦材料中矿物减摩调控填料 具有明显的减摩效果 另外它与树脂具有良好的粘合能力 也可 以提高块状树脂基摩擦材料的强度 滑石4681材料导报 A 2019 33 6 1860 1868在970 左右会发生分解反应 生成MgSiO4和SiO2混合体 48 49 余思彬等 17 认为分解产物可以提高摩擦材料的强度和硬度 并 表现出良好的增强和增阻效果 张翔等 50 在研究云母含量对摩擦材料的摩擦力矩曲线和动 静 摩擦因数及磨损率的影响中发现 在循环制动过程中 云母含量较 大的试样制动稳定性较好 且随着云母含量的增加 摩擦表面易形 成润滑性能良好的固体润滑膜 有利于提高材料的耐磨性能 图6 a 负载不同含量石墨的复合材料的摩擦系数随滑动时间的函数 b 基于复合材料 N 和石墨负载复合材料的不同摩擦系数值 9 Fi g 6 a Coefficient offriction as a functionof slidingtime forgraphite loaded posites b different coefficient offrictionvalues forbase posite N and graphite loaded posites 9 图7试件A B C在第一次拖动过程中摩擦系数随圆盘 温度的变化 33 Fig 7The changeofthecoefficientoffriction asa functionof disktempera ture duringthe firstdrag forspecimens A B andC 33 Dong等 51 指出 球形MoS2纳米粒子增强了橡胶材料 的力学和摩擦学性能 同时降低了摩擦噪声和临界速度 Xiong等 52 认为 含有10 质量分数 MoS2的合金具有最佳的力 学性能 减摩性和耐磨性 辉钼矿是层状结构的硫化物矿物 化学式为MoS2 常温下 辉钼矿的摩擦系数低 0 03 0 15 温度高于350 时 会在空气氛围中氧化分解生成MoS3和SO2气体 导致摩擦系数增大 53 54 因此 辉钼矿常被用作高温增摩调节剂 但是辉钼矿价格昂贵 作为摩擦性能调节剂多用于高档摩擦材料制 品中 Bai等 55 认为 叶蛇纹石在高温下的相变产物镁橄榄石 在793 和顽辉石 镁橄榄石 在831 在摩擦材料中具有增强和减摩的作用 近年来 叶蛇纹石 含羟基的层状结构硅酸盐矿物 与橡胶或者树脂 制成的复合减摩材料开始被尝试用于铁路轮轨减摩 修复领域 效果良好 16 另外 类水滑石作为层状双金属氢氧化物 在对摩擦材料进行减摩 调控方面也受到了越来越多的关注 研究者相继开展了Mg Al类水滑石 Co Al类水滑石 56 Ce Mg Al类水滑石 57 以及Cu Ni Mg Al类水滑石 58 减摩材料制备工艺的研究工作 并对其摩擦性能 进行了评价 发现类水滑石可以显著降低Fe基摩擦副的摩擦系数 磨损率和表面温度 类水滑石具有明显的热失重和吸热反应 可以吸收摩擦热 59 60 在高温下 类水滑石发生相变 逐渐向尖晶石类矿物转变 对摩擦 材料制品的物理力学性能具有增强作用 研究成果表明 类水滑石作为润滑减摩 修复调控材料具有良好的 应用前景 59 62 3矿物调控摩擦材料的机制矿物材料的成分和结构不同 调控摩擦材 料的机理也截然不同 整体表现为纤维状矿物增强调控 高硬度颗 粒状矿物增摩调控和低硬度层状矿物减摩调控 本文以代表性矿物材料为例 对矿物调控摩擦材料的机理进行解释 3 1纤维状矿物增强调控机理纤维状增强材料在聚合物基体中起支 撑作用 如图8所示 63 从图8可以看出 当大量的纤维材料分散在聚合物基体中时 会形成 错综复杂的 网 和 骨架 从而极大加强聚合物基复合材料的 抗压 抗弯 抗拉 抗剪切和抗扭曲等机械强度 如图9所示 21 海泡石纤维的平均长度约为500nm 平均长径比 约为10 1 属于具有增强作用的短纤维 其被用于摩擦材料中 可 以有效改善复合材料的机械强度 另外 有机聚合物在高于200 时 会受热分解出一些气体分子 甲 烷 一氧化碳和二氧化碳等 这些小分子积累在摩擦材料表面形成一层气垫膜 降低了刹车片与 对偶盘之间的摩擦5681矿物基摩擦材料的研究进展 赵晓光等力 从 而降低了刹车片的摩擦系数 从图10可以看出 21 海泡石四面体与八面体之间存在许多孔隙 结构 能吸附聚合物热分解的气体分子和流体 并依靠静电力和分 子筛作用将其 锁在 孔隙中 从而在一定程度上防止复合材料摩 擦系数的热衰退 图8玻璃纤维在摩擦材料中分布的SEM图像 63 Fig 8SEM photographsof glassfiber distributedinfrictionmaterials 63 图9海泡石纤维的SEM图像 21 Fig 9SEM imageofsepiolite 21 3 2颗粒状矿物增摩调控机理当然 仅由 聚合物粘结剂和增强组分 如纤维 组成的摩擦材料不能满足制动和 传动工作的要求 必须加入各种摩擦性能调控材料来改善其性能 其中最主要的是增摩功能 特别是高温增摩功能 1 黏着理论 和 分子机械理论 是摩擦学比较认可的两种理论 它们认为即使物体表面加工得再精密 光洁度再好 从微观上看 其表面也总是凹凸不平的 当摩擦片与其对偶盘表面较粗糙时 较硬材料会嵌入较软材料形成 黏着或者两表面接触点相互啮合 这样 当摩擦片与其对偶盘发生相对图10改性海泡石纤维增强制动 复合材料的可能机理 21 Fig 10Possible mechanismfor modifiedsepiolite fibersreinforced brakeposites 21 运动时 这些 黏着点 或者 啮合点 被剪 断 形成两表面相互运动的阻力 即摩擦力 高硬度增摩矿物材料 锆英石 刚玉 石英等 会增加摩擦材料表面 的 嵌入点 或者嵌入深度 从而增大填料颗粒与金属表面的接触 面 如图11所示 1 由式 1 可以看出 在同样负荷及填料加入量相同的条件下 含高硬度填 料的摩擦材料的接触面A越大 产生的摩擦力越大 因而 由摩擦系数式 2 可以得出 摩擦材料的摩擦系数也相应提高 F AS 1 F N 2 式中 F为摩擦力 A为填料与金属对偶盘的接触面积 S为两接触 面相对移动距离 为摩擦系数 N为负荷 图11不同硬度的填料对铸铁盘的影响Fig 11Effect offillers withdifferent hardnesson castiron discKim等 64 研究了四种不同磨料 碳化硅 锆英石 石英和镁 砂 颗粒的汽车制动摩擦材料 如图12所示 多颗粒划痕试验结果显示 硬度最大的碳化硅颗粒对铸铁对偶盘的韧 性 犁耕 摩擦最明显 划痕最深 图12a 锆英石和石英对铸铁对 偶盘也是 犁耕 摩擦 但两种磨料的塑性变形量均小于碳化硅颗 粒 而且石英小于锆英石 图12b c 镁砂对铸铁对偶盘的摩擦最小 12d 如图13所示 四种不同磨料颗粒的摩擦系数的数值大小与多颗粒划 痕试验结果充分表明 颗粒状矿物材料的硬度越大 制成复合材料的 摩擦系数越大 但6681材料导报 A 2019 33 6 1860 1868同时对铸铁对偶盘的损伤也越大 图12灰铸铁圆盘经多次磨削试验后磨损痕迹的SEM图像 a SiC b 锆石 c 石英 d 镁砂 64 Fig 12SEM imagesofthewear traceon thegray castiron discafter multi ple abrasivetest a SiC b zircon c quartz d magnesia 64 图13在单颗粒划痕试验中载荷对摩擦系数的影响 64 Fig 13Th e coefficientoffrictionasafunctionofload duringsingle particlescratchtests 64 3 3层状矿物减摩调控机理层状矿物 材料硬度低 层与层之间的作用力小 在摩擦制动应用中 可以与 制动时摩擦材料产生的磨屑混合在一起形成一层致密的 薄膜 薄膜 的存在 对材料摩擦系数的稳定具有一定的积极作用 同 时也改善了材料的耐磨性 50 有机基体和半金属摩擦材料的磨损率符合下列关系 V V0 Ae E T 3 式中 V0为与温度无关的磨损率 E为材料的热分解活化能 为 气体常数 T为摩擦片表面的热力学温度 A为常数 由式 3 可知 在热力学温度T下 E越大 则摩擦片的高温磨损率越小 由上文表3可知 石墨的热稳定性最为突出 对于改善摩擦材料的耐 磨性具有明显的促进作用 4结语矿物材料以其特有的物理化学性质 在增强和改善摩擦材料性 能方面发挥着重要作用 然而 矿物材料在单独使用时往往存在某些性能方面的不足 例如 有效去除海泡石纤维中杂质的技术还不成熟 海泡石在树脂 橡胶 中均匀分散的效果不佳 二硫化钼在高温下的分解产物SO2对环境有 明显的危害等等 目前的研究工作主要集中于改善摩擦材料的力学和摩擦学性能 但 矿物材料在摩擦材料中的作用尚未有统一的机理进行解释 在高温下 摩擦材料的摩擦系数会发生热衰退 尚未找到明确的解 释机理 因此 开发综合性能好 环境友好的新型矿物材料刻不容缓 表面改 性 粒度精准控制以及有效除杂技术及装备研发也迫在眉睫 探究矿 物材料在摩擦材料中的作用机理 解释摩擦材料的高温 热衰退 原因 都将对未来矿物基摩擦材料的发展产生深远影响 参考文献1高惠民 矿物复合摩擦材料 化学工业出版社 xx 2Thi yagarajan V Kalaichelvan K Vijay et al Journal ofthe BrazilianSociety of MechanicalSciences and Engineering xx 38 4 1207 3Pupan D Suvanjumrat C Chookaew W In Materials ScienceForum Switzerland xx pp 19 4Ak nc o glu G ktem H Uygur I et al Arabian Journalfor ScienceandEngineering 2018 43 4727 5Ma Y Wu S Tong J et al Materials esearch Express DOI 10 1088 2053 1591 aab4a7 6Ikpambese KK Gundu DT Tuleun LT Journal ofKing SaudUniversi ty Engineering Sciences xx 28 110 7Xiao X Yin Y Bao J et al Advances inMechanical Engineering xx 8 5 1 8Sugozu I Mutlu I Sugozu KB Polymer Composites DOI 10 1002 pc 23901 9Ghosh P Ghosh D Khastgir D et al Tribology Transactions xx 60 3 548 10Orlowicz AW Mr z M Wnuk G et al Archives ofFoundry Enginee ring xx 16 4 196 11Ji Z Jin H Luo W et al Tribology International xx 107 213 12Singh T Patnaik A Chauhan et al Polymer Composites xx 29 183 13Balaji S Kalaichelvan K Procedia Engineering xx 38 1650 14Zhang HL Jiao HB China Non Metallic MineralsIndustry xx 4 4 in Chinese 张红林 焦红斌 中国非金属矿工业导刊 xx 4 4 15Wang YT Wang D Cao M et al China Non Metallic MineralsIndus try xx 3 12 in Chinese 汪溢汀 王东 曹敏 等 中国非金属矿工业导刊 xx 3 12 16Meng ZX Cao M Wang D et al China Non Metallic MineralsIndus try xx 1 5 in Chinese 孟增祥 曹敏 王东 等 中国非金属矿工业导刊 xx 1 5 17Yu SB Cao M Wang D et al China Non Metallic MineralsIndustry xx 2 5 in Chinese 余思彬 曹敏 王东 等 中国非金属矿工业导刊 xx 2 5 18Singh T Tiwari A Patnaik A et al Wear xx 386 157 19Tong J Ma Y Jiang M Wear xx 255 1 6 734 20Fernandez Barranco C Kozio A E Drewniak M et al Applied ClayScience 2018 153 154 21Hou K Ouyang J Zheng CH et al Materials Express xx 7 2 104 22Cao X Liang L Wen D et al Journal ofWuhan Universityof Technolo gy Materials ScienceEdition 2000 15 1 54 23Singh T Patnaik A Satapathy BK et al Journal ofMaterials Enginee ring andPerformance DOI 10 1007 s11665 012 0325 x 24Liu KP Zhou JE China Concreteand CementProducts xx 3 32 in Chinese 刘开平 周敬恩 混凝土与水泥制品 xx 3 32 25Guan BW Liu KP Zhao XF et al Express Informationof MiningIn dustry xx 6 32 关博文 刘开平 赵秀峰 等 矿业快报 xx 6 32 26Li P Experimental researchon themechanical propertiesand durabilitiesofthe fiberbrucite pavementconcrete mixedwith flyash Master s The sis Chongqing JiaotongUniversity China xx in Chinese 李珮 掺粉煤灰水镁石纤维路面混凝土力学性能及耐久 性能试验研7681矿物基摩擦材料的研究进展 赵晓光等究 硕士学位 论文 重庆交通大学 xx 27Zhang X Li K Li H et al Journal ofEngineering Tribology xx 227 11 1241 28Menapace C Leonardi M Mat jka V et al Wear 2018 398 399 191 29Lu ZY Guan QM He L et al Multipurpose UtilizationofMineral e sources xx 6 33 in Chinese 鲁知音 管琪明 何林 等 矿产综合利用 xx 6 33 30Cho KH Jang H Hong YS et al Wear xx 264 3 291 31Shin MW Kim YH Jang H Tribology Letters xx 55 3 371 32Ma Y Martynkov G S Val kov M et al Tribology International xx 41 3 166 33Cho MH Ju J Kim SJ et al Wear xx 260 7 8 855 34Munz M Sturm H Schulz E et al Composit