碳纖維增強型摩擦材料的制備及性能研究

華少杰

（黃山奔馬集團(tuán)有限公司，安徽 黃山245061）

1 引 言

在濕式離合器中，摩擦材料作為裝置系統(tǒng)中實現(xiàn)傳扭的主要功能元件，需要適應(yīng)壓力速度的大范圍變化以及潤滑油的高溫浸蝕等苛刻工況條件，因此要求該類摩擦材料在外界條件變化時具有適宜而穩(wěn)定的摩擦系數(shù)以及較低的磨損率，同時又不損傷對偶以提高使用壽命?，F(xiàn)有濕式非金屬基摩擦材料存在均勻性差、摩擦系數(shù)隨外界工況變化較大、摩擦材料及對偶磨損率較高的缺點。

增強纖維是濕式摩擦材料的主體材料，對材料耐熱性能和摩擦磨損性能產(chǎn)生影響。碳纖維具有自潤滑性能優(yōu)良，導(dǎo)熱性好，機械強度和耐磨性極高，化學(xué)穩(wěn)定性良好和在高溫條件下不發(fā)生變軟、熔化和碳化等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于濕式摩擦材料中[1]。本項目研究的濕式碳纖維增強型摩擦材料，通過在配方體系中加入碳纖維作為增強體，確定最佳含量配方；同時，創(chuàng)新預(yù)成型工藝、固化工藝，制備出均勻性好，摩擦系數(shù)受外界工況條件影響小，磨損率小、不損傷對偶的濕式非金屬基摩擦材料，并對其進(jìn)行了變工況下摩擦系數(shù)、摩擦材料磨損率、對偶攻擊性試驗。

2 樣品制備

2.1 碳纖維含量的選取

碳纖維作為摩擦材料的一個組份，它與摩擦材料的磨損性能、力學(xué)性能、物理性能、沖擊韌性等相關(guān)。碳纖維的含量及長度都會影響摩擦材料的各種性能。

吉林大學(xué)研究認(rèn)為, 碳纖維的高硬度以及自潤滑性能改善摩擦系數(shù)的穩(wěn)定性并且影響摩擦材料的摩擦系數(shù)。同時碳纖維的加入還可以起到減少摩擦材料磨損率的作用。另外，碳纖維在摩擦材料中能夠發(fā)揮纖維增韌的作用，增大摩擦材料的沖擊強度，并且碳纖維的加入提高了摩擦材料的硬度。在摩擦材料的致密度方面，碳纖維的加入使得摩擦材料內(nèi)部孔隙率增加，降低了摩擦材料的致密度，增加了摩擦材料的吸水率[2]。

國內(nèi)外的研究表明[3，4]，碳纖維的含量對摩擦材料的摩擦磨損性能的影響顯著。當(dāng)碳纖維含量為10%-20%時，隨著碳纖維含量的增加，摩擦系數(shù)增大，磨損率比較穩(wěn)定。這是由于碳纖維的比表面積大，在摩擦材料內(nèi)部能夠形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，起到增強作用，所以當(dāng)碳纖維含量增加時，摩擦力矩增大，摩擦系數(shù)也因此增加；同時碳纖維的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)能夠減少摩擦界面的熱量積累，穩(wěn)定并且減少材料的收縮和膨脹，因此磨損率穩(wěn)定。當(dāng)摩擦材料中碳纖維的含量低于10%時，材料的磨損率增大，熱衰退現(xiàn)象明顯。這主要是由于摩擦材料在高溫工作時粘結(jié)劑的熱分解，失去膠粘作用，各組分易脫落造成磨損加劇，出現(xiàn)熱衰退現(xiàn)象。但是當(dāng)材料中碳纖維含量高于20%時，材料的摩擦系數(shù)下降，磨損率升高。這主要是摩擦材料在摩擦過程中，依靠增強纖維的剝離、拉拔和剪切以提供一定的摩擦力矩。當(dāng)材料中碳纖維含量增高，使粘結(jié)劑的含量相對降低時，其與樹脂基體之間的粘結(jié)力下降，纖維更加容易被剝離、拉拔，而靠纖維剪切所能提供的摩擦力矩減少，所以摩擦材料的摩擦系數(shù)反而降低，磨損率增大。保持摩擦材料中增強纖維與樹脂粘結(jié)劑的適當(dāng)比例，是保持其高溫穩(wěn)定的摩擦系數(shù)和低的磨損量的保證。

綜合文獻(xiàn)資料及實際生產(chǎn)經(jīng)驗，本研究設(shè)計了碳纖維含量分別為12%、15%、18%的碳纖維增強型摩擦材料配方制備1-3#樣品。

2.2 制備工藝

2.2.1 精密預(yù)成型工藝

摩擦材料的密度對摩擦材料的性能影響很大。摩擦材料不同的性能要求，對材料的密度要求也是不同的。

冷壓成型工藝[5]制備的摩擦材料摩擦性能良好，密度較低，嗓音小。但是傳統(tǒng)摩擦材料成型工藝采用沖壓成型，極難保證摩擦材料的均勻一致性，而且回料多。為得到高精度高質(zhì)量的摩擦材料膠坯，使摩擦片密度均勻一致，該工藝采用精密預(yù)成型機對摩擦材料進(jìn)行切片成型，保證了摩擦材料預(yù)制體的高品質(zhì)。該工序的優(yōu)點是：1.采用抽真空系統(tǒng)在擠切膠料之前先行抽真空，排除機筒、機頭內(nèi)部的空氣和膠料中夾雜的氣體，從而提高下工序硫化制品的質(zhì)量。2.選用高壓齒輪泵的液壓裝置，液壓缸的液壓油由流量閥控制，節(jié)流前后的壓差閥始終控制在一個恒定值，得到重量精準(zhǔn)的膠坯。3.集抽真空、過濾、擠出、切割、稱重、計數(shù)等多功能于一體，自動化程度高。

2.2.2 固化熱處理

四是要訓(xùn)練學(xué)生獨立學(xué)習(xí)的能力。在確立了現(xiàn)實的目標(biāo)、恰當(dāng)?shù)奶魬?zhàn)水平以后，教師應(yīng)給與學(xué)生一些幫助與指導(dǎo)，不過這種指導(dǎo)與幫助要盡可能少，給學(xué)生更多的自由，以便獨立完成任務(wù)。如果教師渴望為學(xué)生做一切事情，逐漸的，學(xué)生就會越發(fā)依賴教師，同時也很難被激勵。等到?jīng)]有教師的幫助，將很難取得成績。

熱壓完成后的制品，為了保證樹脂完全固化，使摩擦材料性能穩(wěn)定，必須經(jīng)過固化熱處理[6]。但是固化不夠或者過固化對摩擦材料的熱磨損影響很大。經(jīng)多次實驗研究固化熱處理采用的工藝路線為在半小時內(nèi)升溫100℃保溫30 分鐘，然后半小時內(nèi)升溫到148℃保溫6.5 小時，其中固化爐每隔30s 排風(fēng)，排風(fēng)時間為15s。

3 樣品實驗

3.1 試驗設(shè)備

本次試驗使用的是MM-1000 摩擦磨損性能試驗機，生產(chǎn)地為西安順通機電研究所制造，是檢測摩擦材料摩擦、磨損性能的專用設(shè)備。

3.2 試驗項目

1.不同條件下制動磨合后的動靜摩擦系數(shù)，考察摩擦材料的熱衰退性；

2.摩擦材料和鋁材質(zhì)對偶的磨損量，考察使用壽命。

3.3 試驗條件

1.壓力0.2Mpa，轉(zhuǎn)速1000r/min 磨合50 次；

2.壓力0.3Mpa，轉(zhuǎn)速1000r/min 磨合50 次；

3.壓力0.4Mpa，轉(zhuǎn)速1500r/min 磨合100 次；

4.壓力0.5Mpa，轉(zhuǎn)速2000r/min 磨合50 次；

5.壓力0.5Mpa，轉(zhuǎn)速800r/min 磨合 50 次。

以上條件下共磨合300 次為1 個循環(huán)，依此類推做6 個循環(huán)。

4 結(jié)果與討論

4.1 不同速度比壓的摩擦磨損性能試驗結(jié)果

1-3#樣品摩擦磨損實驗結(jié)果如表1-3。

表1 MM1000-II 試驗機檢測動靜摩擦系數(shù)

表2 MM1000-II 摩擦試驗機檢測不同工況下動摩擦系數(shù)

表3 MM1000-II 摩擦試驗機檢測磨損率（×10-8cm3/J）

由表1 可以看出，隨著碳纖維含量的增加，摩擦系數(shù)呈現(xiàn)逐步上升的趨勢。

由表2 看出，碳纖維在同一含量下，隨著壓力、速度的增加，即工作溫度的升高，摩擦系數(shù)也逐漸增大，在不同工況下表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性。

由表3，在不同比壓、速度下，碳纖維少量時磨損率較大，隨著用量增加，而磨損率較低，當(dāng)用量達(dá)到18%時又有增加。碳纖維在不同含量下，磨損率大致的變化為含量較低時，磨損率有較高值，可能是較少的含量未能充分發(fā)揮纖維自身的性能；當(dāng)碳纖維含量較高時，隨著比壓、速度的增加，工作溫度的升高，磨損率保持較穩(wěn)定的低值并略為有上升的趨勢，當(dāng)在高速高壓狀態(tài)下，磨損率較大。

碳纖維的用量在12-18%之間的制品各項性能滿足要求，在不同工況下摩擦系數(shù)穩(wěn)定性較好，波動值不是很大；同時在高速高壓工況工作產(chǎn)生的高溫條件下，摩擦系數(shù)衰退較小，具有較好的抗熱衰退性和熱恢復(fù)性；同時磨損率小，耐磨性好，試驗片表面光滑，沒有出現(xiàn)裂紋、氣泡和材料崩落等現(xiàn)象。

4.2 模擬工況下的磨損性能試驗結(jié)果

采用材質(zhì)為鋁的對偶盤，硬度為HRB46-53，在MM1000-II 試驗機模擬實際使用工況進(jìn)行磨損試驗結(jié)果，如表4。

以上試驗結(jié)果表明1-3# 碳纖維增強型摩擦材料熱衰退小，磨損率低，同時對偶的磨損量小，不損傷對偶，使用壽命長。

表4 MM1000-II 試驗機模擬磨損試驗結(jié)果

5 結(jié) 論

1.采用碳纖維作為增強材料，采用精密預(yù)成型工藝、固化工藝等關(guān)鍵技術(shù)制備的碳纖維增強型摩擦材料其高溫摩擦系數(shù)穩(wěn)定，磨損率低，不損傷對偶，克服了現(xiàn)在濕式非金屬基摩擦系數(shù)隨外界工況變化較大、摩擦材料及對偶磨損率較高的缺點。

2.碳纖維的含量在15%的碳纖維增強型摩擦材料，其熱穩(wěn)定性、磨損率保持最佳水平。

[1]黎小平，張小平，王紅偉.碳纖維的發(fā)展及其應(yīng)用現(xiàn)狀[J].高科技纖維與應(yīng)用，2005,05(10):25-30.

[2]鄭曉猛.碳纖維含量以及形態(tài)對樹脂基摩擦材料部分性能的影響[D].吉林：吉林大學(xué),2013:69-71.

[3]劉震云，黃伯云，蘇堤，等.增強纖維含量對汽車摩擦材料性能的影響[J].纖維復(fù)合材料,1999，(1):32-36.

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5.張嗣偉.英國無石棉摩擦材料及其試件發(fā)展?fàn)顩r[C].摩擦材料論文集,1999:29-38.

6.趙小樓，王鐵山.盤式制動片預(yù)成型工藝特點與設(shè)備[J].材料·工藝·設(shè)備,2002,2:29-32.