矿物纤维增强酚醛树脂基摩擦材料热压工艺研究

矿物纤维增强酚醛树脂基摩擦材料热压工艺研究

0酚醛树脂的制备工艺摩擦材料是车辆减速器、器和摩擦传动装置的重要组成部分。作为传递力和刹车的必不可少的材料，它直接关系到系统运行的可靠性和稳定性。对汽车的安全性,制动舒适性具有重要的影响。随着社会的不断发展和进步,人们对车辆的运行速度、安全性、舒适度和环保化等提出了更高的要求,进一步提高制动用摩擦材料(刹车片、闸片等)的综合性能是其中需要解决的关键性技术问题。酚醛树脂因其具有较高的力学强度,耐热性好,难燃、低毒、低发烟,可与其他多聚物共混,但是,酚醛树脂结构上的薄弱环节是酚羟基和亚甲基容易氧化,耐热性受到影响。随着工业不断发展,对酚醛树脂提出了新的要求。为了克服酚醛树脂固有的缺陷,进一步提高酚醛树脂的性能和应用范围,满足高新技术发展的需要,许多科研工作者对酚醛树脂进行了大量的研究,改性酚醛树脂的韧性、提高力学性能和耐热性能、改善工艺性能成为国内外研究热点。酚醛树脂(PF)一直是汽车等行业制备摩擦材料的首选,有机纤维增强往往能提高PF摩擦材料的力学性能及摩擦性能稳定性,是摩擦材料改性研究的一大趋势。树脂基复合材料具有比强度高、比模量高、力学性能可以设计、成型工艺好等特点,是目前技术比较成熟且应用最为广泛的一类复合材料。影响复合摩擦材料性能的因素不仅包括原材料及其配方、复合材料的结构设计,还包括复合材料的热压成型工艺。热压成型工艺过程是:在模具中填入粉料或预混材料,在液压机上进行压制并加热固化,保持一定时间后形成制品。热压过程是利用树脂固化反应中的各阶段特性来实现制品的成型过程,热压过程可分为粘流、凝胶和硬固3个阶段。成型原理主要是利用物料在粘流和凝胶2个阶段的流动可塑性,使树脂在压力和温度作用下形成交联结构。合理的成型工艺条件不仅有助于改善酚醛树脂基体的流动性,增强树脂粘结剂与纤维及填料间的界面粘结,而且对降低加工成本也具有重要意义。随着汽车工业的发展和能源的紧缺,对摩擦材料的制备工艺提出了越来越高的要求,所以对摩擦材料热压工艺的研究具有重要的意义。本文通过工艺试验研究,探讨成型压力、热压温度和保温时间对摩擦材料摩擦磨损性能和物理力学性能影响的规律,为后续试验研究和摩擦材料的探索奠定基础。1材料和方法1.1压制型工艺设计根据原材料及制品特点,本试验选择模压成型工艺对摩擦材料进行压制。其工艺流程如图1。对原材料进行性能分析,并考虑摩擦材料制品的经济指标,选定的配方如表1。1.2试件的制备及材料选用所有原料混合使用搅拌机(EBR100,伊莱克斯)搅拌10min,使用热压机(JF980B,吉林万达机械有限公司)进行压制试验。将混料热压成型为25mm×25mm×6mm尺寸。然后对制动材料的样品热处理,在参照相关文献基础上,本试验中热处理工艺路线为在140℃条件下,保温1h,在160℃条件下,保温3h,在180℃条件下保温6h。在吉林大学机电研究所制造的JF150D-Ⅱ型定速式摩擦试验机上进行摩擦材料的磨损试验。摩擦盘的材质为HT250灰铸铁,金相组织为珠光体,硬度为HB180~220。试件规格及试验条件为:1)试片摩擦面尺寸为25mm×25mm,试片厚度为5~7mm;2)试片压紧力:0.98MPa(10kg/cm2)。3)试片的摩擦方向应与制动器衬片的摩擦方向相同。4)摩擦圆盘的温度设定为100、150、200、250、300和350℃,摩擦盘转动5000转后,分别记录试验期间的摩擦因数及分别测量不同温度条件下试验后的试片厚度和质量。硬度试验采用上海材料试压机厂出产的XHR-150型塑料洛氏硬度计,冲击韧性试验采用XJ-40冲击强度试验机。1.3表设计因素试验主体配方如表3所示,以成型压力、热压温度、保温时间作为3个试验因素,每个因素取7个水平,选用U7(76)等水平均匀设计表。由于本试验只有3个因素,在U7(76)使用表中选用前3列,其D=0.3721(刻化均匀度的偏差,偏差越小表示均匀度越好)试验因素水平表如表2所示。2热压温度和时间对粘度的影响见表3模压成型工艺是将一定质量的模压料放入金属对模中,在一定温度和压力作用下固化成型的一种方法。压力的作用是使制品密度增加,排除低分子物(如残留溶剂、水等)及气泡,加速和改善树脂对纤维的浸渍,并控制制品的含胶量。在压制过程中,如加压过早,此时树脂流动性大,加压导致树脂流失多,制品贫胶且孔隙率大;如加压过晚,此时树脂已凝胶,无流动性,压力排不掉气泡,导致复合材料坚实度及层间粘接力低。一般希望在树脂即将凝胶但尚未凝胶时加压,利用少量的流胶带走气泡从而压实材料。可见,制定合理的热压工艺至关重要。资料表明,复合材料的成型温度及压制时间主要取决于模压料的树脂系统,固化的时间与温度及树脂状态存在一定关系。为了确定合理的热压工艺,对酚醛树脂基体进行了差示扫描量热(DSC)分析,以此确定树脂固化反应的起始温度Ti及峰值温度Tp。取酚醛树脂样品12.087mg,热分析系统的升温速率为10℃/min。图2表明,酚醛树脂固化的起始温度约为180℃,峰值坐标210℃。此外,为了考察温度及时间对树脂粘度的影响,对树脂进行了化学流变特性分析。利用MCR300SN435260型转矩流变仪测量树脂在升温状态下的动态粘度。由试验结果图3可见,加热初期,由于热松弛作用使基体的流动性增大(粘度降低),在达到固化前的一段时间,体系粘度随温度变化不大。随着温度升高,聚合物交联反应进一步进行,分子量增长较快,导致流动性迅速降低,直到树脂失去流动性呈现不溶不熔状态。从物质结构上看,温度的作用主要是增强分子热运动和分子间进行化学反应的能力。随着反应进行,链与链之间开始交联,当分子量增长到某一程度时凝胶现象就会出现。依据图3,选取树脂粘度较低时的150、160及170℃3个温度值,观测树脂在该温度下粘度随时间变化情况。由试验结果图4可以看出,当时间低于300s时,3个温度下树脂的粘度随时间变化均不明显;当时间超过300s时,树脂的粘度以较大幅度上升,即流动性明显下降。由于在树脂基体中填加了增强纤维和填料,综合考虑,初步确定模压温度为(180±5)℃、保压时间为15min。成型压力大小主要取决于模压料种类。经过多次预试验后,根据不同压力制得的材料性能,确定本试验压制压力为40MPa。鉴于固化过程中一般会产生挥发性副产物,所以应该考虑排气措施,通过排出水分及低分子物来降低制品的收缩率。故压制过程中放气4次,每次1~2s。此外,为了保证树脂完全固化及去掉残留的挥发物并消除残余应力,必须对热压后的制品进行热处理。如果热处理温度适当,将会提高制品的机械强度、耐热性等。图5给出在不同成型压力、热压温度和保温时间条件下,在不同摩擦温度下试片的摩擦因数曲线。发现,4号摩擦材料在不同温度下摩擦因数的变化,发现其变化比较稳定,摩擦因数的极差为0.073。图6给出摩擦材料在不同的温度下的比磨损速率,发现试样4的比磨损速率较低且变化稳定,其极差为0.51。图7给出了摩擦材料的摩擦因数和比磨损速率的对比试验结果。图8所示为摩擦材料经过五次冲击和硬度试验后得到的的冲击强度和硬度的最大值。综上所述,试样4的摩擦材料所采用的工艺,即40MPa成型压力、10min保温时间和200℃热压温度为本试验的最优热压工艺。为了考察各因素间的交互作用,采用二次回归模型对试验数据进行拟合。若有m个因素X1,X2,X3,…,Xm,则二次型回归模型为:其中,β0、βi、βii、βij为回归系数,ε为随机误差。由式(1)可以发现,除了常数项β0外,方程还有m(m+3)/2项,若实现回归系数的估计,须满足n>1+m(m+3)/2这一必要条件(其中n为试验次数,m为试验因素个数)。本试验有3个因素,所以待估计参数的个数为(包括常数项)1+m(m+3)/2=10大于试验次数n(n=7),不满足上式条件,所以采用筛选变量的方法对指标影响相对不显著的变量剔除。因此,本试验分析采用后退法,对变量进行筛选。经过计算发现时间变量对摩擦因数的影响相对较小,故在二次响应回归模型中将该因素删除。经过计算得到SAS二次响应面参数估计结果,如表3。从表3可以看出,二次响应面回归模型是显著的(显著概率为0.0192),其中的线性项、二次项、交叉项都显著(显著水平分别为0.0170、0.0418、0.0103),模型的总决定系数为R2=0.9999。所以拒绝原假设H0,即回归系数不全为0,说明回归模型有效。从参数估计表可得出在0.05显著水平下的二次响应面回归模型为式中,Y1为摩擦因数,X1为成型压力,X3为热压温度。在对2个因子检验中,可看出X1和X3在a=0.05水平上都是显著的。根据式(2)的回归模型,画出其三维曲面图(图9)。在低温区(<200℃)摩擦因数随压力的提高而下降,随着压力增大,有效地迫使树脂发生流动,增加树脂基体与纤维及填料界面之间的粘结面积。在高温区(>200℃),摩擦因数随压力的提高而上升。2种不同的变化趋势,是由于摩擦材料在不同温度区内的摩擦磨损机理不同所致。在低温区主要是磨粒磨损、粘着磨损和热疲劳磨损,与摩擦材料的强度和界面粘结强度相关;摩擦材料在高温区的磨损与树脂粘结剂的耐热性有关。当压力一定时,摩擦材料的摩擦因数随热压温度的提高而上升,摩擦因数与热压温度呈正相关。温度升高,提高了树脂粘结剂的流动性,增大各组分之间的粘结力,在摩擦材料表面与对偶盘发生作用时,增强纤维与填料不易从基体粘结剂中拔出,提高了摩擦界面的剪切应力,从而提高摩擦因数。3次回归模型采用后退法对变量进行筛选。经过计算发现,二次响应面回归模型的显著性为0.0282,表明模型是显著的,其中二次项和交叉项的显著性水平分别为0.0123和0.0177,模型的总决定系数为R2=0.9858,所以拒绝原假设H0,即回归系数不全为0,说明回归模型具有意义。得出在显著水平为0.05的二次响应面回归模型。式中,Y2为冲击强度,X1为成型压力,X2为保温时间。在对二个因子检验中,可看出X1和X2在a=0.05水平上都是显著的。图10是式(3)回归模型的三维曲面图。发现当保温时间固定时,冲击强度随压力的下降而呈现先升高后再下降的变化规律。当成型压力固定并大于40MPa,冲击强度随保温时间的提高而增大;在压力小于40MPa时,冲击强度随保温时间的提高而下降。从曲面可以看出,压力与时间有较强的交互作用,形成一个扭曲的脊状结构。在压力50Mpa、时间40min时,冲击强度达到最大值。4次响应曲面模型的建立1)通过采用均匀试验设计方法,得出摩擦材料的热压成型工艺,即热压压力40MPa、热压时间10mi