碳纖維增強(qiáng)紙基摩擦材料的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展

費(fèi) 杰， 王洪坤， 黃劍鋒， 王文靜， 楊 朝

(陜西科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 陜西 西安 710021)

0 引言

紙基摩擦材料是一種具有多孔性的濕式摩擦材料，主要應(yīng)用于汽車自動(dòng)變速器、差速器、扭矩管理器和同步器等濕式離合制動(dòng)裝置中[1,2].它具有摩擦系數(shù)高、傳扭能力強(qiáng)、制動(dòng)平穩(wěn)、使用壽命長(zhǎng)以及結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)等突出優(yōu)點(diǎn).

常用的紙基摩擦材料增強(qiáng)纖維主要有碳纖維、礦物纖維和陶瓷纖維等.碳纖維具有摩擦系數(shù)穩(wěn)定、機(jī)械強(qiáng)度高、耐磨性優(yōu)異、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，作為增強(qiáng)體已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各類復(fù)合材料中，是紙基摩擦材料的理想增強(qiáng)纖維.1997年，Dowell[3]發(fā)明了一種碳纖維增強(qiáng)濕式摩擦材料，摩擦特性良好.20世紀(jì)九十年代初，我國(guó)開始出現(xiàn)有關(guān)紙基摩擦材料的研究報(bào)道[4]，然而涉及碳纖維作為紙基摩擦材料增強(qiáng)纖維的研究報(bào)道較少.直到2004年，付業(yè)偉等[5]發(fā)明了一種毫米級(jí)碳纖維增強(qiáng)紙基摩擦材料，該材料的起始分解溫度和失重速率等耐熱性能指標(biāo)優(yōu)良，摩擦系數(shù)穩(wěn)定，耐磨性能優(yōu)異.此后，費(fèi)杰等[6]研究了不同增強(qiáng)纖維對(duì)紙質(zhì)摩擦材料性能的影響，實(shí)驗(yàn)證明，碳纖維增強(qiáng)紙基摩擦材料性能遠(yuǎn)優(yōu)于纖維素纖維、芳綸纖維增強(qiáng)紙基摩擦材料.隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)碳纖維增強(qiáng)紙基摩擦材料的研究十分關(guān)注，本文將闡述近十幾年來(lái)碳纖維增強(qiáng)紙基摩擦材料的研究進(jìn)展，并對(duì)其未來(lái)研究方向進(jìn)行展望.

1 碳纖維增強(qiáng)紙基摩擦材料的組分研究

H.GAO等[7]制備的紙基摩擦材料主要是由纖維素纖維、硬顆粒填料和樹脂組成；Yoshitsugu Kimura等[8]制備的紙基摩擦材料主要是由合成纖維(如纖維素、聚芳酰胺)、固體潤(rùn)滑劑和其他微粒(如石墨、二硫化鉬、腰果粉、丙烯酸橡膠)，通過(guò)熱固性樹脂浸漬后熱壓而成.而碳纖維增強(qiáng)紙基摩擦材料的主要成分為碳纖維、粘結(jié)劑、填料以及摩擦性能調(diào)節(jié)劑.在這些原材料的選擇方面，國(guó)內(nèi)外研究工作者一直進(jìn)行研究探索，以期獲得更為合適的材料組分.

1.1 粘結(jié)劑樹脂

粘結(jié)劑的作用是將紙基摩擦材料各組分粘結(jié)在一起，為整個(gè)摩擦材料提供一定的機(jī)械性能與摩擦性能，是材料中載荷的傳遞媒介.酚醛樹脂一直是紙基摩擦材料的主要粘結(jié)劑，但由于純酚醛樹脂具有耐熱性差、脆性大、硬度高等缺點(diǎn)，目前研究人員主要采用改性酚醛樹脂.常用的改性酚醛樹脂包括腰果殼油改性酚醛樹脂、硼改性酚醛樹脂以及丁腈改性酚醛樹脂等.另外，由于可以提高摩擦材料的彈性和動(dòng)摩擦系數(shù)，硅酮樹脂也是紙基摩擦材料使用較多的粘結(jié)劑，與酚醛樹脂混用可以改善硅酮樹脂導(dǎo)致摩擦材料分層和剪切強(qiáng)度過(guò)低的問(wèn)題，制備的摩擦材料通常具有較高的摩擦穩(wěn)定性和耐熱性.胡健等[9]研究了丁腈改性酚醛樹脂含量對(duì)濕式紙基摩擦材料的摩擦學(xué)性能和微觀特征的影響.結(jié)果表明，材料的孔隙率隨樹脂含量的增加而降低，當(dāng)樹脂含量為25%時(shí)，材料綜合性能較高，摩擦因數(shù)的壓力穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性較好，材料的摩擦力矩曲線較為平穩(wěn)，并且材料磨損后的微觀特征也較好.本文作者等[10]制備出4種不同腰果殼油改性酚醛樹脂含量的碳纖維增強(qiáng)紙基摩擦材料，并對(duì)其摩擦磨損性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，在碳纖維增強(qiáng)紙基摩擦材料中，當(dāng)改性酚醛樹脂含量在35～40%時(shí)，樣品具有高摩擦系數(shù)，良好的摩擦穩(wěn)定性，良好的耐熱性和合理的強(qiáng)度.由此可見(jiàn)，國(guó)內(nèi)外對(duì)碳纖維增強(qiáng)紙基摩擦材料粘結(jié)劑的研究主要集中在對(duì)酚醛樹脂的改性上，致使紙基摩擦材料粘結(jié)劑樹脂品種過(guò)于單一.為了改善摩擦材料的柔韌性和耐熱性，傅業(yè)偉等[11]制備出了一種橡膠-樹脂共混型碳纖維增強(qiáng)紙基摩擦材料，其具有紙基摩擦材料摩擦穩(wěn)定、耐高溫和耐磨損的基本特征，通過(guò)融入橡膠組分的高摩擦系數(shù)特征大大增加了這種橡膠-樹脂共混紙基摩擦材料的動(dòng)摩擦系數(shù)，并改善了它的彈性.

1.2 摩擦性能調(diào)節(jié)劑研究

摩擦性能調(diào)節(jié)劑對(duì)紙基摩擦材料的摩擦磨損性能起著重要的調(diào)節(jié)作用.本文作者等[12]對(duì)不同石墨含量的碳纖維增強(qiáng)紙基摩擦材料進(jìn)行了摩擦磨損性能的研究，發(fā)現(xiàn)隨著石墨含量的增加，摩擦材料的摩擦穩(wěn)定性增加；摩擦系數(shù)減小，磨損率降低；不含石墨含量的紙基摩擦材料的磨損面存在尺寸較大的磨粒且出現(xiàn)裂紋；隨著石墨增加，摩擦面出現(xiàn)了潤(rùn)滑性能良好的潤(rùn)滑膜，一定程度上降低了材料的磨損率.張翔等[13]研究了4種不同石墨粒度的碳纖維增強(qiáng)紙基摩擦材料的動(dòng)摩擦系數(shù)、靜摩擦系數(shù)、磨損率及表面形貌.結(jié)果表明：隨著石墨粒度的降低，制動(dòng)所需時(shí)間增加，摩擦力矩曲線中間部分比較平直；動(dòng)、靜摩擦系數(shù)降低，磨損率減小.同時(shí)，摩擦系數(shù)隨著制動(dòng)轉(zhuǎn)速和壓力的增大而減小.隨著石墨粒度的減小，摩擦表面形成了潤(rùn)滑性能優(yōu)異的固體潤(rùn)滑膜，有利于降低材料的磨損率.本文作者等[14]研究了Al2O3含量對(duì)碳纖維增強(qiáng)紙基摩擦材料摩擦學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)Al2O3含量對(duì)材料的氣孔率影響較小，隨著Al2O3含量的增大，摩擦材料制動(dòng)穩(wěn)定性增加，摩擦系數(shù)增大，磨損率升高.

1.3 碳纖維表面改性研究

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的綜合性能不僅與基體相、增強(qiáng)相有關(guān)，更與兩相的界面結(jié)合狀態(tài)有密切聯(lián)系.良好的結(jié)合界面能有效傳遞載荷，充分發(fā)揮碳纖維高模量、高強(qiáng)度的特性，提升碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能.近年來(lái)通過(guò)對(duì)碳纖維表面進(jìn)行改性處理，改善碳纖維與樹脂基體之間的界面結(jié)合狀態(tài)，充分發(fā)揮碳纖維優(yōu)異的力學(xué)性能，一直是研究的重點(diǎn).目前常用的表面處理方法，主要是在碳纖維表面進(jìn)行一系列物理化學(xué)反應(yīng)，增加其極性基團(tuán)的含量和微觀形貌的復(fù)雜性，從而改善碳纖維與樹脂基體的界面結(jié)合狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)提高復(fù)合材料整體力學(xué)性能的最終目的.

王赫等[15]綜述了液相氧化法、陽(yáng)極氧化法、氣相氧化法、表面涂層改性法、等離子體氧化法等碳纖維表面處理技術(shù)原理及進(jìn)展，并詳細(xì)論述了氣液雙效法復(fù)合表面處理技術(shù)，認(rèn)為復(fù)合處理技術(shù)將會(huì)成為今后碳纖維表面處理技術(shù)的主要研究方向.Li等[16]將碳纖維表面進(jìn)行空氣氧化處理和稀土溶液浸泡處理后，進(jìn)行摩擦磨損實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，用稀土溶液處理過(guò)后可以大大減少碳纖維增強(qiáng)聚酰亞胺復(fù)合材料的磨損率.碳纖維/聚酰亞胺復(fù)合物用稀土溶液處理過(guò)后有強(qiáng)烈的界面粘附作用和光滑的摩擦面，碳纖維和聚酰亞胺復(fù)合材料界面間增加了大量有機(jī)官能團(tuán)，從而降低系數(shù)了磨損率和摩擦因數(shù).由此可以看出，進(jìn)行碳纖維表面改性處理可以有效改善碳纖維的摩擦磨損性能，這將是碳纖維增強(qiáng)紙基摩擦材料的一個(gè)重要研究方向.

2 碳纖維增強(qiáng)紙基摩擦材料的性能研究

2.1 理化性能

紙基摩擦材料的孔隙率、壓縮回彈性以及剪切強(qiáng)度等對(duì)其整體性能有重要的影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)紙基摩擦材料的物理/力學(xué)性能進(jìn)行了廣泛的研究.

費(fèi)杰，楊瑞麗等[17,18]研究了孔隙率對(duì)碳纖維增強(qiáng)紙基摩擦材料摩擦磨損性能的影響.試驗(yàn)結(jié)果表明，短切碳纖維能在酚醛樹脂中均勻分散，相互鏈接，形成了大小不一的貫穿性氣孔；隨著氣孔率的增大，摩擦力矩曲線趨于平穩(wěn)，靜摩擦系數(shù)減小，動(dòng)摩擦系數(shù)增大，磨損率升高.

鄧海金等[19]研究了氣孔率對(duì)混雜纖維增強(qiáng)紙基摩擦材料壓縮回彈性和摩擦磨損性能的影響.結(jié)果表明：在相同載荷下，隨著氣孔率增大，材料的壓縮率增大而回彈率減小，隨著載荷增加，高氣孔率材料的回彈率先顯著增大，而后趨于平穩(wěn)；在相同轉(zhuǎn)速和壓力下，氣孔率越大，材料的摩擦系數(shù)越大，隨著壓力增大，氣孔率高的材料摩擦系數(shù)逐漸減小，且不同氣孔率材料的摩擦系數(shù)慢慢趨于一致；在連續(xù)循環(huán)制動(dòng)時(shí)，高氣孔率材料的摩擦系數(shù)逐漸減小并趨于穩(wěn)定.這是由于在較高壓力下，高氣孔率材料的孔隙會(huì)引起塌陷，使其氣孔率減小，從而影響材料的壓縮回彈性和摩擦學(xué)性能.

2.2 摩擦磨損性能與機(jī)理研究

碳纖維增強(qiáng)紙基摩擦材料的摩擦磨損性能受材料組成、工況條件、潤(rùn)滑狀態(tài)和溫度等諸多因素影響，研究不同狀態(tài)下的摩擦材料摩擦磨損性能顯得尤為重要.

付業(yè)偉等[20]研究了碳纖維含量與摩擦材料耐熱性能和摩擦磨損性能的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)隨著碳纖維含量的增加，摩擦材料的動(dòng)摩擦系數(shù)呈增加趨勢(shì)，靜摩擦系數(shù)和體積磨損率呈減小趨勢(shì)；當(dāng)碳纖維含量≥10%時(shí)，相應(yīng)的紙基摩擦材料的摩擦穩(wěn)定性優(yōu)異.

楊化龍等[21]設(shè)計(jì)了4種油槽形式的碳纖維增強(qiáng)紙基摩擦材料摩擦片，并進(jìn)行了摩擦磨損性能研究.試驗(yàn)結(jié)果表明，油槽對(duì)碳纖維增強(qiáng)紙基摩擦材料的耐熱性和制動(dòng)性能有較大影響，不同油槽摩擦片的摩擦力矩曲線出現(xiàn)差異，增加表面接觸面積可以有效提高摩擦材料制動(dòng)負(fù)載能力，并且油槽在一定程度上提高了紙基摩擦片的動(dòng)摩擦系數(shù)及穩(wěn)定性，使得動(dòng)、靜摩擦系數(shù)更接近，從而表現(xiàn)出良好的摩擦性能，其中雙圓弧槽紙基摩擦材料摩擦系數(shù)和制動(dòng)穩(wěn)定性最好.

費(fèi)杰等[22]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)工況條件(制動(dòng)壓力、潤(rùn)滑油流量、轉(zhuǎn)速、油溫)達(dá)到一定水平后，碳纖維增強(qiáng)紙基摩擦材料的動(dòng)摩擦系數(shù)開始降低，制動(dòng)穩(wěn)定性變差，工況條件影響程度順序?yàn)椋褐苿?dòng)壓力>潤(rùn)滑油流量>轉(zhuǎn)速>油溫.任遠(yuǎn)春[23]等則研究了固化壓力對(duì)碳纖維增強(qiáng)紙基摩擦材料摩擦磨損性能的研究，指出孔隙率隨固化壓力增加而下降；動(dòng)摩擦系數(shù)隨制動(dòng)壓力的增加呈下降趨勢(shì)；靜/動(dòng)摩擦系數(shù)比隨制動(dòng)壓力的增加分布趨勢(shì)較為復(fù)雜，較低的固化條件下，靜/動(dòng)摩擦系數(shù)比略有上升，而較高的固化壓力使得靜/動(dòng)摩擦系數(shù)比有下降趨勢(shì)；摩擦力矩曲線隨固化壓力升高有輕微翹起.

付業(yè)偉等[24]研究了溫度對(duì)碳纖維增強(qiáng)紙基摩擦材料摩擦性能的影響.結(jié)果表明，在較低溫度時(shí)，摩擦力矩曲線中間部分趨于平直，呈現(xiàn)兩頭略低、中間略高的形態(tài)，摩擦力矩曲線對(duì)稱性好.隨著摩擦片對(duì)偶盤溫度升高，摩擦力矩曲線對(duì)稱性變差，摩擦力矩曲線尾部翹起現(xiàn)象加重，且曲線尾部翹起趨勢(shì)在高制動(dòng)壓力下更為顯著.

費(fèi)杰等[25,26]制備出一種碳纖維增強(qiáng)紙基摩擦材料，研究了長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)制動(dòng)條件下碳纖維增強(qiáng)紙基摩擦材料的摩擦磨損性能變化規(guī)律及樣品的摩擦磨損行為.結(jié)果表明：隨著制動(dòng)次數(shù)的增加，摩擦系數(shù)減小，摩擦力矩曲線波動(dòng)現(xiàn)象嚴(yán)重，由于摩擦表面形成了潤(rùn)滑性能良好的摩擦膜，所以磨損率大幅度降低；摩擦表面粗糙度大幅度減小，材料磨損過(guò)程經(jīng)歷了從“跑合磨損”到“穩(wěn)定磨損”的轉(zhuǎn)變；材料在磨損過(guò)程中凸起逐漸被磨平，孔隙逐漸被填充，表現(xiàn)出疲勞磨損的特征；磨損后樣品表層的熱重曲線在320 ℃～450 ℃之間出現(xiàn)了新的劇烈失重峰，表現(xiàn)為熱磨損.

3 結(jié)束語(yǔ)

碳纖維增強(qiáng)紙基摩擦材料具有高溫摩擦系數(shù)穩(wěn)定，承載能量大、磨損小并且對(duì)對(duì)偶材料損傷小等一系列優(yōu)點(diǎn)，是應(yīng)用于重載工況條件下最理想的摩擦材料.國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)碳纖維增強(qiáng)紙基摩擦材料的研究有了一定的進(jìn)展，但不夠系統(tǒng)和深入.今后的研究應(yīng)該側(cè)重于以下4個(gè)方面.

(1)研究新型碳纖維表面處理技術(shù)，并揭示其對(duì)碳纖維增強(qiáng)紙基摩擦材料的影響規(guī)律.

(2)研究碳纖維、粘結(jié)劑樹脂和摩擦性能調(diào)節(jié)劑與摩擦材料性能之間的關(guān)系，揭示組分及其交互作用對(duì)性能的影響規(guī)律，建立摩擦磨損性能的綜合評(píng)價(jià)體系，用來(lái)評(píng)價(jià)材料性能.

(3)研究材料內(nèi)在性質(zhì)和外界工況條件對(duì)碳纖維增強(qiáng)紙基摩擦材料濕式接合過(guò)程摩擦力矩曲線的影響規(guī)律.基于碳纖維增強(qiáng)紙基摩擦材料的性質(zhì)和濕式接合過(guò)程的特點(diǎn)，確立合適的幾何模型，采用數(shù)值模擬方法建立濕式接合過(guò)程中的模型，并與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證模型的科學(xué)有效性.

(4)研究不同磨損階段材料摩擦磨損性能的變化規(guī)律，結(jié)合有關(guān)試驗(yàn)現(xiàn)象和微觀形貌，考察樣品形貌的變化規(guī)律，揭示碳纖維增強(qiáng)紙基摩擦材料的摩擦磨損機(jī)理，并采用元胞自動(dòng)機(jī)法建立摩擦磨損模型.

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