玄武巖纖維與玻璃纖維對(duì)汽車摩擦材料性能影響*

黃四平，于占江，王曉芳，岳建設(shè)，趙 維，王 珊

(咸陽(yáng)師范學(xué)院化學(xué)與化工學(xué)院，陜西咸陽(yáng) 712000)

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玄武巖纖維與玻璃纖維對(duì)汽車摩擦材料性能影響*

黃四平，于占江，王曉芳，岳建設(shè)，趙 維，王 珊

(咸陽(yáng)師范學(xué)院化學(xué)與化工學(xué)院，陜西咸陽(yáng) 712000)

增強(qiáng)纖維種類和含量是影響汽車摩擦材料性能的重要因素，在同源配方中分別采用玄武巖纖維和玻璃纖維，測(cè)試了摩擦材料的摩擦系數(shù)、沖擊強(qiáng)度、洛氏硬度性能。結(jié)果表明，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%的玄武巖纖維摩擦材料比質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%的玻璃纖維摩擦材料的洛氏硬度可以提高33.8%，沖擊強(qiáng)度提高7.45%，且摩擦性能相對(duì)穩(wěn)定，磨損率低，是制備高性能摩擦材料替代玻璃纖維的優(yōu)選原料。

汽車摩擦材料，玻璃纖維，玄武巖纖維，摩擦性能

增強(qiáng)纖維作為汽車摩擦材料重要組成部分，科研人員在增強(qiáng)纖維的種類方面做了大量研究，傳統(tǒng)采用石棉纖維作為增強(qiáng)材料到現(xiàn)代采用玻璃纖維、碳纖維、有機(jī)纖維及其改性纖維、混雜纖維等作為增強(qiáng)材料[1]，取得了巨大的進(jìn)步。如在玻璃纖維及其改性對(duì)摩擦材料性能影響方面，胡曉蘭等利用K2O·6TiO2(六鈦酸鉀)晶須對(duì)BOZ(苯并噁嗪樹(shù)脂)及玻璃纖維/苯并噁嗪復(fù)合材料進(jìn)行改性，改性后的摩擦系數(shù)、比磨損率大大降低，磨粒磨損情況也明顯減輕，摩擦粘著情況更佳[2]；白燕等分別采用納米級(jí)的三氧化二鋁(Al2O3)、二氧化鈦(TiO2)、二氧化硅(SiO2)顆粒和碳納米管(CNTs)等通過(guò)填充的方式改性環(huán)氧樹(shù)脂(EP)/玻璃纖維(GF)復(fù)合材料，結(jié)果質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%的CNTs能夠使EP/GF復(fù)合材料的摩擦因數(shù)和磨損率顯著降低，加入納米Al2O3、納米TiO2和納米SiO2顆?？纱蠓岣邚?fù)合材料的耐磨損性能[3]；Suresha B等采用碳纖維和玻璃纖維混雜來(lái)提高摩擦性能和干滑動(dòng)磨損[4]。在碳纖維及其改性方面，Namessan NO等以不同改性方法合成了性能較為優(yōu)異的碳纖維基摩擦材料[5]；馬小龍等用濃硝酸和硅烷偶聯(lián)劑KH550通過(guò)改變酚醛樹(shù)脂/碳纖維復(fù)合摩擦材料的表面粗糙度、化學(xué)活性，增強(qiáng)碳纖維與酚醛樹(shù)脂基體之間界面結(jié)合來(lái)增強(qiáng)其拉伸強(qiáng)度、降低其磨損率[6]。在有機(jī)纖維及其改性方面，科研工作者也開(kāi)展了廣泛研究，如楊博等采用真空浸漬法制備了具有優(yōu)良摩擦磨損性能的單向超高分子量和三維編織超高分子量聚乙烯纖維/有機(jī)玻璃復(fù)合摩擦材料[7]；高誠(chéng)輝等在其專利中，采用硼砂改性竹纖維用于汽車制動(dòng)摩擦材料，其摩擦系數(shù)優(yōu)良、穩(wěn)定性高[8]。在混雜纖維對(duì)摩擦材料性能影響方面，混雜纖維不同，性能各異。閆建偉等以不同含量的坡縷石纖維和鋼纖維混合以增加摩擦材料的沖擊強(qiáng)度[9]；楊富軍等以腰果殼、三聚氰胺改性酚醛樹(shù)脂、陶瓷纖維、鈦酸晶須和碳纖維等混合制備了混雜纖維摩擦材料，在纖維含量為25%時(shí)能提高并穩(wěn)定摩擦材料的摩擦系數(shù)，有效降低磨損率[10]。

這些研究主要還在科研試驗(yàn)，沒(méi)有真正用在企業(yè)的摩擦材料的生產(chǎn)過(guò)程，而在汽車摩擦材料生產(chǎn)企業(yè)中，玻璃纖維仍然被大量使用，企業(yè)為了給市場(chǎng)提供性能更優(yōu)異的汽車摩擦材料，急需要價(jià)格可接受的配方和工藝。

本研究在同源配方中，分別采用玻璃纖維和玄武巖纖維兩種無(wú)機(jī)增強(qiáng)材料，通過(guò)測(cè)定其摩擦系數(shù)、沖擊強(qiáng)度、洛氏硬度等性能來(lái)對(duì)比二者的優(yōu)越性，以期實(shí)現(xiàn)企業(yè)化生產(chǎn)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

表1 原材料規(guī)格及產(chǎn)地Table 1 Requirement and origin of raw material

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

XLB-D400×400型帶模具側(cè)板式平板硫化機(jī)(西安裕華橡膠機(jī)械廠制造)；ZBC1251型擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)(深圳三思縱橫科技股份有限公司)；BY101型混料機(jī)(鄭州軍龍制動(dòng)裝備有限公司)；XDZ-B型摩擦材料制樣機(jī)(咸陽(yáng)新益摩擦密封設(shè)備有限公司)；XHRD-150型電動(dòng)塑料洛氏硬度計(jì)(萊州華銀實(shí)驗(yàn)儀器有限公司)；XD-MSM型定速式摩擦試驗(yàn)機(jī)(咸陽(yáng)新益摩擦密封設(shè)備有限公司)；6202型高速粉碎機(jī)(西安裕華橡膠機(jī)械廠)。

1.3 配方設(shè)計(jì)

表2 配方設(shè)計(jì)Table 2 Formula design

1.4 實(shí)驗(yàn)工藝流程

圖1 實(shí)驗(yàn)工藝流程Fig.1 The flow process of the experiment

注：(1)配料時(shí)將玻璃纖維和玄武巖纖維與其它料分開(kāi)放；(2)混料時(shí)先將其他料加入混料機(jī)，混2min，再將玻璃纖維和玄武巖纖維分別加入，再混30s結(jié)束。

1.5 工藝參數(shù)

(1)預(yù)成型(冷壓)工藝參數(shù)

表3 冷壓工藝參數(shù)Table 3 The process parameters of cold press

(2)熱壓工藝參數(shù)

表4 熱壓工藝參數(shù)Table 4 The process parameters of heat press

(3)熱處理工藝

表5 熱處理工藝Table 5 The process and its parameters of heat treatment

1.6 性能測(cè)試

按照熱壓工藝對(duì)試驗(yàn)所用的物料進(jìn)行壓制成型熱處理得到所需的成品，對(duì)成品進(jìn)行硬度、摩擦磨損性能、沖擊強(qiáng)度的測(cè)試，操作規(guī)范與流程按照以上實(shí)驗(yàn)設(shè)備測(cè)試原理中的步驟[11-12]。

2 結(jié)果與討論

2.1 洛氏硬度測(cè)試結(jié)果

圖2 兩種配方平均洛氏硬度值Fig.2 The average rockwell hardness of two formulation

從圖2可知，含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%玻璃纖維的摩擦試樣，其平均洛氏硬度為29.5HRM，而改變?yōu)橘|(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%玄武巖纖維的試樣，其平均洛氏硬度為39.4HRM，比玻璃纖維摩擦樣品的洛氏硬度提高了33.8%。也就是，采用玄武巖纖維可以有效提高摩擦材料的硬度。

2.2 沖擊強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

表6 沖擊強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 6 The test data of the impact strength

2.3 摩擦磨損測(cè)試結(jié)果

圖3 兩種配方摩擦材料的摩擦系數(shù)隨溫度變化Fig.3 The tend of friction cofficient of two kinds friction materials with temperature

測(cè)試過(guò)程，試樣長(zhǎng)寬尺寸為25mm×25mm，厚度為5mm～7mm，摩擦盤轉(zhuǎn)速為500r/min，壓緊力均為0.98MPa，圓盤材質(zhì)符合JC/T 1065-2007定速式摩擦試驗(yàn)機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[14]。整個(gè)摩擦磨損實(shí)驗(yàn)過(guò)程一切正常，摩擦材料無(wú)起泡，無(wú)裂紋。圖3是加熱過(guò)程和降溫過(guò)程中摩擦片摩擦系數(shù)隨溫度的變化趨勢(shì)圖，可以看出，含玻璃纖維(配方1)摩擦材料的摩擦系數(shù)μ隨溫度升高而增大，在150℃時(shí)就達(dá)到了最大值0.42，隨后隨溫度升高而迅速降低，在300℃達(dá)到最低值為0.30，隨溫度降低，摩擦系數(shù)又增大，在200℃又達(dá)到最大0.37，隨后降低又增大；含有玄武巖纖維(配方2)摩擦材料的摩擦系數(shù)μ隨溫度升高而也增大，在200℃達(dá)到最大0.41，隨后降低，在300℃達(dá)到最低0.32，當(dāng)溫度降低時(shí)，其摩擦系數(shù)隨溫度降低又升高，在250℃達(dá)到最大值0.39，隨后一直降低。機(jī)械和車輛要求摩擦材料的摩擦系數(shù)應(yīng)該合適而穩(wěn)定，理想的摩擦系數(shù)應(yīng)有理想的冷摩擦系數(shù)和可以控制的溫度衰退[15]。從圖中可以看出，二者的冷摩擦系數(shù)都比較合適，含有玄武巖的摩擦材料摩擦系數(shù)相對(duì)穩(wěn)定，而含有玻璃纖維的摩擦材料摩擦系數(shù)在各個(gè)穩(wěn)定段跳躍的幅度較大。

從圖4中可以看出，兩種配方試樣的磨損率變化趨勢(shì)基本一致，隨溫度的變化總體穩(wěn)定，溫度升高磨損率先緩慢增大隨后降低，在200℃以上，磨損率增大加快，在250℃磨損率達(dá)到最大，但是含有玄武巖纖維的摩擦材料磨損率較低，這一方面與摩擦材料使用的酚醛樹(shù)脂熱分解有關(guān)，另一方面與不同纖維有關(guān)，玻璃纖維性脆，比表面積小，較難分散，且玻纖的表面光滑并附有油脂，不能很好地與樹(shù)脂和填料結(jié)合，有時(shí)會(huì)發(fā)生纖維與粉狀料分離的現(xiàn)象，混料攪拌時(shí)易被鉸刀打斷，易結(jié)團(tuán)造成組分分布不均勻，使其增強(qiáng)效果較差、摩擦系數(shù)波動(dòng)較大和磨損率較大。而玄武巖的分散性極好，并且它的表面用硅烷偶聯(lián)劑進(jìn)行了改性，極易在短時(shí)間內(nèi)吸附其他物料并且混合均勻，使其高強(qiáng)度性質(zhì)充分發(fā)揮，所以帶有玄武巖纖維的摩擦片硬度較高，磨損率較低。

圖4 兩種配方摩擦材料的平均磨損率Fig.4 The tend of average wear rate of two kinds friction materials with temperature

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)比，含有8%玄武巖纖維的摩擦材料與含有8%玻璃纖維的摩擦材料性能相比較：

(1)含玄武巖纖維的摩擦材料與含玻璃纖維的摩擦材料相比，洛氏硬度可以提高33.8%，沖擊強(qiáng)度提高7.45%，有利于提高汽車的耐久性和安全性能。

(2)含玄武巖纖維的摩擦材料與含玻璃纖維的摩擦材料相比，都有較好的摩擦系數(shù)，但含玄武巖纖維的摩擦材料有更穩(wěn)定的摩擦系數(shù)和相對(duì)較低的磨損率，這使得汽車摩擦材料有理想的舒適性和低噪音性。這使得在汽車摩擦材料制造中，玄武巖纖維代替玻璃纖維成為制造高端摩擦材料一個(gè)較好的選擇。

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Effects of Basalt Fiber and Glass Fiber on Properties of Motor Vehicle Friction Materials

HUANG Si-ping，YU Zhan-jiang，WANG Xiao-fang，YUE Jian-she，ZHAO Wei，WANG Shan

(Xianyang Normal University，School of Chemistry and Engineering，Xianyang 712000，Shaanxi，China)

The type and content of reinforcing fiber is an indispensable factor to motor vehicle frictonal material. It is used of the glass fiber or basalt fiber as the reinforcing fiber in the homologous formulation. The performance of friction coefficient，impact strength，rockwell hardness were tested in the paper. The results showed that the friction property of basalt fiber in friction material was better than that of glass fiber.

motor vehicle friction materials，glass fiber，basalt fiber，property

陜西省科技廳項(xiàng)目(NO：2014JM2-5062)

黃四平，副教授，主要從事有機(jī)化工和材料學(xué)研究；E-mail：huangsiping1971@163.com；Tel：15029306491

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