多組分纖維混雜增強(qiáng)樹脂基摩擦材料研究*

鐘 厲 易迅杰 鄧小強(qiáng) 韓 西 鐘 科

(1.重慶交通大學(xué)機(jī)電與車輛工程學(xué)院 重慶 400074；2.重慶朗銳汽車零部件有限公司 重慶 400026)

隨著汽車運(yùn)行速度的提高,現(xiàn)如今由單一纖維增強(qiáng)的摩擦材料已不再滿足汽車制動(dòng)的要求，采用多種纖維協(xié)同來提升摩擦材料的性能已成為研究熱點(diǎn)。

目前使用的各種摩擦材料中，樹脂基摩擦材料使用的范圍最廣，這歸結(jié)于它有著優(yōu)良的摩擦磨損性能，制作簡易、價(jià)格低廉且制作流程簡易[1-3]。然而，樹脂基摩擦材料在工作時(shí)常因溫度過高而出現(xiàn)熱衰退現(xiàn)象，這是由于其高溫下摩擦因數(shù)穩(wěn)定性不良造成的[4-5]。在樹脂基摩擦材料中，樹脂起到黏結(jié)劑的作用，而纖維則作為增強(qiáng)體存在[6-7]。許多研究人員從增強(qiáng)纖維入手，探討了采用多種纖維協(xié)調(diào)增強(qiáng)樹脂基摩擦材料或是通過改性纖維來提高摩擦材料的摩擦磨損性能，以滿足不同的制動(dòng)工況。LARSEN等[8]對(duì)玻璃纖維與碳/芳綸混雜纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基摩擦材料的摩擦磨損性能進(jìn)行比較，通過研究發(fā)現(xiàn)在不同的接觸壓力和滑動(dòng)速度條件下，玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基摩擦材料表現(xiàn)出相對(duì)穩(wěn)定的摩擦學(xué)行為。費(fèi)杰等人[9]探究了碳纖維和莫來石晶須混合制備的摩擦材料的性能，發(fā)現(xiàn)碳纖維與莫來石晶須混合能夠有效改善樹脂基摩擦材料的均勻性。鐘厲等人[10]研究了銅纖維、芳綸纖維以及復(fù)合礦物纖維作為混雜纖維對(duì)樹脂基摩擦材料性能的影響，發(fā)現(xiàn)由剪切變形產(chǎn)生的位錯(cuò)使得混雜纖維的復(fù)合效應(yīng)降低，并且樹脂基摩擦材料的硬度與剪切強(qiáng)度受到其硬度和比例影響。謝奧林等[11]將改性玄武巖纖維作為樹脂基摩擦材料增強(qiáng)體來研究其摩擦磨損性能，發(fā)現(xiàn)改性后的玄武巖纖維在制動(dòng)時(shí)能在摩擦表面形成相對(duì)可靠的摩擦膜，摩擦因數(shù)更加穩(wěn)定，材料磨損率更低。目前針對(duì)如何將多種纖維協(xié)同耦合從而規(guī)避單一纖維的缺點(diǎn)，發(fā)揮纖維組合的優(yōu)勢(shì)以提升摩擦材料的各種性能，尚需進(jìn)一步研究[12]。

研究表明，碳纖維、陶瓷纖維、芳綸漿粕以及黃銅纖維作為摩擦材料增強(qiáng)體，可提升材料的各種性能。碳纖維具有強(qiáng)度高、耐疲勞、耐高溫、耐磨損、耐腐蝕、尺寸穩(wěn)定性好、機(jī)械性能和自和性優(yōu)良的優(yōu)點(diǎn)[13]。陶瓷纖維有著質(zhì)量輕、良好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性且耐高溫等優(yōu)點(diǎn)。芳綸纖維的表面呈羽毛狀，有著較大的表面積，因此吸附性強(qiáng)，它還有著強(qiáng)度高、模量高、密度小和良好熱穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)[14]。黃銅纖維作為摩擦材料中最常見的增強(qiáng)纖維，在工作過程中易發(fā)生轉(zhuǎn)移，在對(duì)偶面形成富銅層，這樣不僅能夠減少制動(dòng)時(shí)發(fā)出的噪聲，而且可以提供可靠的摩擦因數(shù)；并且黃銅纖維還有著優(yōu)秀的散熱性[15]。本文作者借助混雜纖維的協(xié)同耦合作用，發(fā)揮出它們的優(yōu)點(diǎn)，制備出更加優(yōu)良的樹脂基摩擦材料；通過正交試驗(yàn)探究上述4種纖維混雜在一起對(duì)摩擦材料摩擦磨損性能的影響，分析不同含量多種混雜纖維的樹脂基摩擦材料的磨損機(jī)制，為混雜纖維增強(qiáng)摩擦材料的制備和應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原材料與試驗(yàn)配方

增強(qiáng)纖維為短切碳纖維、硅酸鋁陶瓷纖維、芳綸漿粕和黃銅纖維，摩擦性能調(diào)節(jié)劑和填料為摩擦粉、煅燒石油焦炭、人造石墨、鱗片石墨、鋯英石、鉻鐵礦、硫酸鋇、蛭石和硫化銻等。文中采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，以確定其最合適的配方比例。正交試驗(yàn)采用4因素、3水平，得到的9種試樣組成及試樣編號(hào)見表1。

表1 增強(qiáng)纖維正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2 試樣的制備

采用一次熱壓成型技術(shù)制備摩擦材料,具體步驟為

(1)采用精確度為0.1的Yhc108型電子秤按配方比例稱取原材料。

(2)將原材料一并放入混料機(jī)充分混和。芳綸漿粕和陶瓷纖維先使用XL633型犁耙式混料機(jī)進(jìn)行25 min開散處理。

(3)加熱模具到模芯溫度達(dá)到150 ℃，并將配料倒入模腔。將XL400T型四柱壓力機(jī)的壓力設(shè)置為20 MPa，設(shè)置3次預(yù)壓，每10 s排氣一次，在完成預(yù)壓后保壓5 min。之后將制動(dòng)片放入SMO-3型精密電熱鼓風(fēng)干燥箱中，將溫度加熱到140 ℃，并保溫1 h，然后再加熱到160 ℃，并保溫1 h，最后加熱到180 ℃，并保溫4 h，隨后讓其冷卻直至室溫。取出熱處理之后的制動(dòng)片用XL421型切樣機(jī)切割出試樣。

1.3 摩擦材料性能測(cè)試

1.3.1 力學(xué)性能測(cè)試

采用XL101型剪切強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)測(cè)定摩擦材料內(nèi)剪切強(qiáng)度，且在當(dāng)剪切力大于5 000 N時(shí)，載荷加載速率應(yīng)該在(4 500±2 250) N/S的范圍內(nèi)。摩擦材料的硬度測(cè)定采用HR-150A型洛氏硬度計(jì)。

1.3.2 摩擦磨損性能測(cè)試

根據(jù)GB 5763—2018《汽車用制動(dòng)器襯片》中的第四類制動(dòng)襯片測(cè)試規(guī)范，采用XL112型摩擦材料定速試驗(yàn)機(jī)測(cè)試摩擦材料的摩擦因數(shù)和磨損率。選用HT250的灰鑄鐵作為摩擦盤材質(zhì)，試樣加載壓力為0.98 MPa，摩擦盤的旋轉(zhuǎn)速度是480 r/min。首先將制備的試樣在試驗(yàn)機(jī)上在100 ℃下進(jìn)行磨合，直至試樣與摩擦盤的接觸面達(dá)到95%以上，然后在150、200、250、300、350 ℃下依次測(cè)定試樣的摩擦磨損性能。試樣的摩擦因數(shù)μ可以通過試驗(yàn)設(shè)備的拉力傳感器得到的數(shù)據(jù)，按照公式(1)計(jì)算得出。

(1)

式中:μ為摩擦因數(shù)；F為加載在每個(gè)試樣上的法向壓力，N；f為摩擦力，N。

試樣的磨損率V可以通過GB 5763—2018《汽車用制動(dòng)器襯片》標(biāo)準(zhǔn)中的計(jì)算公式求得，即公式(2)。

(2)

式中：V為磨損率,cm3/(N·m)；R為試樣中心和圓盤旋轉(zhuǎn)軸之間的距離，具體為150 mm；n為摩擦圓盤的總轉(zhuǎn)數(shù)；A為試樣摩擦面的總面積，cm2；d1、d2分別為試驗(yàn)前后試樣的平均厚度，cm；fm為總平均摩擦力，N。

1.3.3 試樣微觀形態(tài)觀測(cè)

使用E1010型真空鍍金儀對(duì)試樣進(jìn)行處理，然后再使用S3700N型掃描電子顯微鏡對(duì)摩擦材料試驗(yàn)后的表面磨損情況觀察分析。

2 結(jié)果與探討

2.1 混雜纖維對(duì)材料硬度和內(nèi)剪切強(qiáng)度的影響

各試樣材料硬度和內(nèi)剪切強(qiáng)度的測(cè)定結(jié)果，如圖1所示。為了進(jìn)一步研究各增強(qiáng)纖維對(duì)摩擦材料硬度和內(nèi)剪切強(qiáng)度的影響，對(duì)其洛氏硬度和內(nèi)剪切強(qiáng)度的極差值進(jìn)行了分析計(jì)算，見表2和表3。

表3 摩擦材料內(nèi)剪切強(qiáng)度的極差值

圖1 混雜纖維增強(qiáng)樹脂基摩擦材料的強(qiáng)度與硬度

表2 摩擦材料洛氏硬度的極差值

樹脂基摩擦材料選用的最佳硬度范圍一般為50～100 HRB。如果硬度太大，則容易在制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生噪聲并造成對(duì)偶損傷[16]； 如果硬度太小，則在法向載荷的作用下實(shí)際接觸面積變大，黏附效果增強(qiáng)，黏附磨損增加。由圖1與表2可見，試樣硬度值均維持50～75 HRB之間；試樣T33硬度最高，達(dá)到74.4 HRB，而試樣T31硬度最低，僅53.8 HRB，由表2可知，陶瓷纖維的硬度極差值最大，隨后依次為銅纖維、芳綸漿粕和碳纖維。顯然，摩擦材料硬度受陶瓷纖維的影響最顯著，受碳纖維的影響最小。究其原因是陶瓷纖維自身有著較高的硬度，在樹脂摩擦材料基體里可形成致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，因而對(duì)改善摩擦材料基體的硬度具有顯著作用；而碳纖維質(zhì)地柔軟且表面光滑，會(huì)影響與樹脂的黏合強(qiáng)度，因而對(duì)摩擦材料的硬度影響較小。對(duì)于樹脂基摩擦材料，要求適當(dāng)?shù)挠捕纫越档椭苿?dòng)噪聲，提供舒適的制動(dòng)條件并減少制動(dòng)盤的磨損，添加碳纖維有利于摩擦材料的減摩降噪。

通過圖1還可以發(fā)現(xiàn)試樣的內(nèi)剪切強(qiáng)度均在5～7 MPa之間；試樣T41的內(nèi)剪切強(qiáng)度高達(dá)6.54 MPa，試樣T42最低只有5.01 MPa。結(jié)合表3可知，內(nèi)剪切強(qiáng)度極差值最大的是陶瓷纖維，隨后分別是芳綸漿粕、黃銅纖維和碳纖維。硅酸鋁陶瓷纖維和芳綸纖維的形態(tài)相對(duì)松散，在開散處理后，它們交織并分布在摩擦材料中，形成致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并與樹脂基體完全結(jié)合[17]，因此對(duì)改善摩擦材料的剪切強(qiáng)度具有非常明顯的作用。

2.2 混雜纖維對(duì)材料摩擦因數(shù)和磨損率的影響

制動(dòng)過程中溫度會(huì)導(dǎo)致摩擦材料的摩擦因數(shù)和磨損率發(fā)生顯著變化，從而直接影響其摩擦結(jié)合性能。為了深入探討混雜纖維隨制動(dòng)過程中溫度對(duì)摩擦材料摩擦因數(shù)和磨損率的影響，采用極差分析法分析并歸納了每組增強(qiáng)纖維對(duì)樹脂基摩擦材料摩擦磨損性能的影響。

2.2.1 對(duì)摩擦因數(shù)的影響

如圖2所示，為升溫階段摩擦因數(shù)的測(cè)定結(jié)果。

圖2 試樣摩擦因數(shù)隨溫度變化趨勢(shì)

由圖2可知，多數(shù)試樣在150 ℃時(shí)其摩擦因數(shù)達(dá)到最大值，200 ℃時(shí)，試樣的摩擦因數(shù)出現(xiàn)減少，熱衰減現(xiàn)象也同時(shí)發(fā)生。然而對(duì)比300～350 ℃的高溫階段與200～250 ℃的中溫階段，可以發(fā)現(xiàn)試樣高溫階段的摩擦因數(shù)變化程度比較小，且大多數(shù)試樣沒有明顯的熱衰減現(xiàn)象發(fā)生。表明在高溫階段，各試樣的摩擦因數(shù)都處于穩(wěn)定狀態(tài)，且熱衰退性穩(wěn)定。通過觀察各試樣的摩擦因數(shù)曲線，發(fā)現(xiàn)試樣T21和T23的曲線較為平滑，摩擦因數(shù)的穩(wěn)定性更好。在高溫下，試樣T41的摩擦因數(shù)有比較明顯的增加，在350 ℃時(shí)，其他試樣的摩擦因數(shù)都比試樣T41的摩擦因數(shù)低。

通過分析計(jì)算得出的升溫摩擦因數(shù)的極差值見表4。通過分析可以發(fā)現(xiàn)，陶瓷纖維的極差值在整個(gè)升溫試驗(yàn)過程中最高，即對(duì)試樣整體摩擦因數(shù)影響最大的是陶瓷纖維；而在高溫階段，黃銅纖維的極差值最大，即對(duì)試樣的高溫摩擦因數(shù)影響最大的則是黃銅纖維。

表4 升溫摩擦因數(shù)的極差值

結(jié)合升溫摩擦因數(shù)的變化趨勢(shì)與其極差值計(jì)算結(jié)果可以看出，在整個(gè)升溫階段對(duì)摩擦材料的摩擦因數(shù)影響最大的是陶瓷纖維。這是因?yàn)槌浞珠_散的陶瓷纖維在摩擦材料中形成致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)與樹脂基緊密結(jié)合，從而提升摩擦材料強(qiáng)度[18]；同時(shí)，陶瓷纖維具有優(yōu)異的特性，如耐高溫、硬度較高和良好的比強(qiáng)度等，可明顯地改善摩擦材料的摩擦因數(shù)。黃銅纖維和碳纖維對(duì)酚醛樹脂摩擦材料的高溫摩擦因數(shù)影響較大。黃銅纖維作為一種金屬纖維，比對(duì)偶盤的硬度更低且其延展性出色,在與對(duì)偶盤發(fā)生摩擦?xí)r，摩擦材料表面上的黃銅纖維逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楸∧ば问剑瑢⒃黾咏佑|面積并使得高溫摩擦因數(shù)更加穩(wěn)定。碳纖維的各項(xiàng)力學(xué)性能優(yōu)異，且耐磨性好、抗疲勞、熱導(dǎo)率好，可減少摩擦材料的磨損。并使得摩擦材料在高溫摩擦過程中摩擦因數(shù)相對(duì)穩(wěn)定。因此，黃銅纖維和碳纖維對(duì)穩(wěn)定摩擦材料的高溫摩擦因數(shù)具有顯著作用。

2.2.2 對(duì)磨損率的影響

如圖3所示為各試樣的磨損率隨溫度變化趨勢(shì)。

制動(dòng)片的使用壽命受到磨損率大小的影響。若磨損率太大，會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)片的使用壽命大大縮短[19]。由圖3可知，各試樣的磨損率隨著溫度的不斷提高而上升；其中在350 ℃時(shí)磨損率最大的是試樣T42，其值為3.85×10-8cm3/(N·m)。試樣均滿足國家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)摩擦材料磨損率最大值為2.5×107cm3/(N·m)的要求[20]。

圖3 試樣磨損率隨溫度變化趨勢(shì)

由表5中試樣磨損率的極差分析發(fā)現(xiàn)，碳纖維在整個(gè)試驗(yàn)過程中的極差值最大，芳綸纖維的極差值最小，表明碳纖維對(duì)試樣磨損率的影響最大，而芳綸纖維對(duì)試樣磨損率的影響程度最小。

表5 試樣磨損率的極差值

結(jié)合整個(gè)測(cè)試過程和高溫階段磨損率的極差分析發(fā)現(xiàn)，酚醛樹脂摩擦材料的磨損率受碳纖維的影響均最大。這是因?yàn)樘祭w維具有耐高溫、耐磨損以及自潤滑性好的特點(diǎn)，在摩擦過程中碳纖維不斷磨損，通過磨屑逐漸散布到整個(gè)摩擦表面，起到潤滑作用，致使摩擦材料的磨損率隨之減少。

2.2.3 磨損表面形貌分析

試樣的磨損形貌各不相同，高溫階段定速試驗(yàn)的試樣磨損表面形貌如圖4所示。

圖4 試樣磨損表面形貌SEM圖(500×)

圖4(a)所示為試樣T21磨損表面形貌，磨損表面存在一條明顯的裂痕，且裂痕中存有磨屑；磨損表面還存在較多明顯的犁溝，這是硬質(zhì)填料對(duì)摩擦表面的犁削作用產(chǎn)生的。試樣T21的磨損類型可能主要是表面疲勞磨損以及部分磨粒磨損。

圖4(b)所示為試樣T22磨損表面形貌，摩擦層有著良好的連續(xù)性，存在少量磨屑和許多犁溝，且?guī)缀鯖]有增強(qiáng)纖維脫落。試樣T22中的芳綸漿粕較其他組試樣占比較大，使得基體的抗剪和沖擊強(qiáng)度顯著提高，改善了其磨損表面的裂痕狀況。其磨損類型主要為磨粒磨損。從圖4(c)與圖4(f)可以看出，相較于試樣T22，試樣T23與試樣T33出現(xiàn)更多的磨屑，且犁溝依舊大量存在，存在少許剝落和裂紋。這是因?yàn)槟Σ吝^程中試樣中的黃銅纖維轉(zhuǎn)變?yōu)楸∧ば螒B(tài)，增大了其接觸面積，且穩(wěn)定了摩擦因數(shù)，降低了磨損率。其主要磨損類型都是磨粒磨損。圖4(g)所示為試樣T41的磨損表面形貌，可見磨損表面存在少量磨屑和許多犁溝，少許幾處存在剝落現(xiàn)象，摩擦層的連續(xù)性良好。試樣T41中芳綸漿粕較其他幾組試樣占比最大，保障了摩擦層的穩(wěn)定，這也符合試樣T41擁有最高的摩擦因數(shù)這一結(jié)論，其摩擦類型主要是黏著磨損并同時(shí)存在少量的磨粒磨損。圖4(d)所示為試樣T31磨損表面形貌，可以發(fā)現(xiàn)磨損表面較多的剝落和一些磨屑，犁溝深且明顯，摩擦表面出現(xiàn)斷裂和脆性剝落的現(xiàn)象。主要是因?yàn)槟Σ亮Φ淖饔檬沟没w材料變形，一些黏附性不好的材料便脫落下來，剝落的顆粒物又在摩擦過程中反復(fù)劃傷摩擦面，更加劇了磨粒磨損。其磨損機(jī)制是較嚴(yán)重的磨粒磨損。

圖4(e)所示為試樣T33的磨損表面形貌，可見摩擦表面致密連續(xù)，有著許多明顯的犁溝和些許裂紋，仍舊出現(xiàn)斷裂和脆性剝落。原因是雜化纖維之間的交叉網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有利于吸收高分子聚合物分解產(chǎn)生的氣體。但是，在壓縮應(yīng)力和剪切應(yīng)力的共同作用下，摩擦材料將剝落，形成片狀的磨屑，磨屑被反復(fù)壓碎形成粒狀顆粒，從而不斷刮擦摩擦表面并形成犁溝現(xiàn)象。其磨損形式表現(xiàn)為磨粒磨損和熱磨損。

圖4(h)所示為試樣T42的磨損表面形貌，可見穩(wěn)定摩擦層的面積不大，摩擦層上不僅有明顯裂痕，而且犁溝深又寬，摩擦表面和裂縫中都存在許多磨屑。這是因?yàn)槟Σ翢岷屯獠繜嵩醋層袡C(jī)物迅速分解，減弱黏接強(qiáng)度，致使摩擦層易被撕裂，基體大面積暴露在外，這與試樣T42的磨損率最高現(xiàn)象吻合，主要磨損形式呈現(xiàn)為熱磨損、黏著磨損和疲勞磨損。

圖4(i)所示為試樣T43中磨損表面形貌，從圖中幾乎沒有觀察到光滑平整的摩擦面，表面存在大量犁溝、剝落、磨屑和裂縫，且許多基體直接暴露在外。這是增強(qiáng)纖維對(duì)基體支撐強(qiáng)度不足的體現(xiàn)，溫度的升高使得基體中有機(jī)物不斷分解，導(dǎo)致基體黏接強(qiáng)度不斷減弱，在摩擦過程中不斷地剝落產(chǎn)生磨屑，其磨損形式主要為熱磨損和疲勞磨損。

綜上，9種試樣的主要磨損形式為磨粒磨損、熱磨損、疲勞磨損和黏著磨損。

3 結(jié)論

(1)研究的4種纖維中，對(duì)酚醛樹脂摩擦材料的硬度、內(nèi)剪切強(qiáng)度和升溫時(shí)的摩擦因數(shù)影響最大的是陶瓷纖維；黃銅纖維和碳纖維對(duì)酚醛樹脂摩擦材料的升溫摩擦因數(shù)影響較大，對(duì)穩(wěn)定摩擦材料摩擦因數(shù)作用相對(duì)明顯；芳綸纖維對(duì)于摩擦材料摩擦因數(shù)的影響較小。

(2)酚醛樹脂摩擦材料的磨損率受碳纖維的影響最大，而受芳綸纖維的影響最??；陶瓷纖維和黃銅纖維對(duì)摩擦材料的磨損率影響程度與碳纖維較為接近；碳纖維對(duì)磨損率的影響程度隨溫度升高而顯著增強(qiáng)。

(3)各種纖維含量的不同會(huì)導(dǎo)致摩擦材料的磨損機(jī)制發(fā)生改變，存在磨粒磨損、熱磨損、疲勞磨損和黏著磨損。