樹(shù)脂含量對(duì)陶瓷摩擦材料性能的影響

(青島理工大學(xué) 山東 青島 266520)

引言

樹(shù)脂固化后硬度大、壓縮性能好，作為摩擦材料行業(yè)廣為用到的粘接劑，摩擦材料的組成部分主要有粘接劑、增強(qiáng)纖維、摩擦性能調(diào)節(jié)劑、降低成本的填料[1-2]。樹(shù)脂承載著將所有的摩擦材料粘結(jié)到一起，是剎車片重要的組成部分。但是樹(shù)脂的化學(xué)性能和熱穩(wěn)定性能較差，它的性能直接影響到剎車片機(jī)械性能、摩擦磨損性能、熱衰退性能還有回復(fù)性能[3-4]。有關(guān)樹(shù)脂在汽車剎車片中的用量，出于配方保密，文獻(xiàn)所公開(kāi)的用量范圍在4%到40%之間[5-7]。本配方選用丁腈橡膠和硼改性酚醛樹(shù)脂作為粘接劑，此樹(shù)脂流長(zhǎng)短、聚合快、游離酚低、多用于一次成型的摩擦材料，熱分解溫度400℃-450℃，耐溫性強(qiáng)。選用4%、10%、14%、18%四個(gè)含量進(jìn)行研究。

一、實(shí)驗(yàn)部分

(一)實(shí)驗(yàn)材料

采用山東永匯新材料有限公司生產(chǎn)的酚醛樹(shù)脂，基本物理性能見(jiàn)表1：

表1 酚醛樹(shù)脂物理性能

(二)實(shí)驗(yàn)過(guò)程

摩擦材料樣品制備過(guò)程為圖1：

圖1 摩擦材料制備流程

摩擦材料的組分包括粘接劑、增強(qiáng)纖維、摩擦性能調(diào)節(jié)劑、以及填料，其中樹(shù)脂在配方中質(zhì)量分?jǐn)?shù)選用6%-18%，增強(qiáng)纖維選用陶瓷纖維和礦物纖維比例是3：2混合，配方中選用25%，填料選擇人造石墨、焦炭粉、輕質(zhì)氧化鎂、重質(zhì)碳酸鈣等其他用硫酸鋇填充，具體配比見(jiàn)表2。

表2 摩擦材料配方

在Link3336壓縮試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試材料的壓縮性能；采用華銀洛氏硬度計(jì)測(cè)試材料的洛氏硬度；采用排水法測(cè)試材料密度；在RP300型剪切強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試材料的抗剪切性能；在chase試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試摩擦磨損、不同溫度壓力下摩擦系數(shù)的變化。

二、結(jié)果分析

(一)樹(shù)脂含量對(duì)摩擦材料理化性密度的影響

采用排水法測(cè)試材料密度，不同樹(shù)脂含量對(duì)應(yīng)的密度變化如圖2：

圖2 不同樹(shù)脂含量密度變化曲線

由圖2可以看出，隨著酚醛樹(shù)脂含量的增加，摩擦材料的密度略微上升后又略微下降但是整體密度變化不大，這是因?yàn)橐环矫鏄?shù)脂含量在成型過(guò)程中流入摩擦材料的孔隙導(dǎo)致密度略微增大，另一方面由于樹(shù)脂含量增多硫酸鋇含量減少，而硫酸鋇的密度遠(yuǎn)大于樹(shù)脂的密度導(dǎo)致摩擦材料密度略微下降，整體綜合分析摩擦材料密度變化不大。

(二)樹(shù)脂含量對(duì)摩擦材料力學(xué)性能的影響

采用Link3336壓縮試驗(yàn)機(jī)和華銀洛氏硬度計(jì)測(cè)試了4組摩擦材料的壓縮性能和洛氏硬度；每組不同樹(shù)脂含量的硬度變化、壓縮量變化以及內(nèi)剪切變化如圖3、圖4、圖5。

圖3 不同樹(shù)脂含量硬度變化圖

圖4 不同樹(shù)脂含量壓縮量變化

圖5 不同樹(shù)脂含量對(duì)摩擦材料內(nèi)剪切強(qiáng)度影響

由圖3可以看出隨著樹(shù)脂含量的增多硬度明顯增加到14%以后呈現(xiàn)硬度變化不大趨于平穩(wěn)。這主要由于樹(shù)脂在成型流動(dòng)中有更多的樹(shù)脂填充到摩擦材料孔隙中使得摩擦材料更加緊實(shí)，硬度高。到達(dá)14%以后摩擦材料之間的孔隙填充量達(dá)到定值，摩擦材料緊實(shí)度不在變化，此時(shí)多出來(lái)的樹(shù)脂會(huì)出現(xiàn)單一的樹(shù)脂相，單一樹(shù)脂的羅氏硬度在50-90之間所以摩擦材料的硬度會(huì)略微降低，但總體變化不大。

而隨著樹(shù)脂含量的增加硬度增加，摩擦材料的壓縮特性減小，在外界壓力載荷下彈、塑性變形的變強(qiáng)，變形量越小，壓縮量隨之減小[8]，由于硬度到14%后變化不大，壓縮量也趨于平穩(wěn)。

由圖5分析不同樹(shù)脂含量對(duì)摩擦材料內(nèi)剪切強(qiáng)度影響曲線，內(nèi)剪切強(qiáng)度是衡量摩擦材料各個(gè)材料之間的粘結(jié)性能的重要指標(biāo)，可以宏觀的了解到摩擦材料的粘結(jié)情況，當(dāng)摩擦材料受到外部載荷超過(guò)一定的程度時(shí)候，摩擦材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)將會(huì)被破壞，由圖5可以看出，隨著樹(shù)脂含量的增加剪切強(qiáng)度有明顯的增加到達(dá)14%左右剪切強(qiáng)度最大到16Mpa左右，主要是因?yàn)榇藰?shù)脂作為粘接劑具有很好地相容性，能將增強(qiáng)纖維以及填料粘結(jié)起來(lái)，各個(gè)材料之間的結(jié)合強(qiáng)度高，從而樹(shù)脂含量的增加提高了剪切強(qiáng)度，但是樹(shù)脂含量過(guò)高(此配方樹(shù)脂含量高于14%)時(shí)摩擦材料之間出現(xiàn)樹(shù)脂粘結(jié)溢出存在單一的純樹(shù)脂相[9]，而純樹(shù)脂的單一相剪切強(qiáng)度低，從而導(dǎo)致樹(shù)脂含量高于14%以后剪切強(qiáng)度降低。

(三)樹(shù)脂含量對(duì)摩擦材料摩擦性能影響

測(cè)試過(guò)程采用JF160型Chase試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)化程序進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試樣塊尺寸25mm×25mm厚度5mm到7mm，測(cè)試內(nèi)容：

在確定溫度、轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的條件下，將試樣按指定周期加載，測(cè)試樣品的定溫摩擦系數(shù)。

在升溫條件下連續(xù)或者斷續(xù)加載(依據(jù)具體加載時(shí)摩擦產(chǎn)生的溫度與所需要的溫度對(duì)比，智能加載)，測(cè)定材料的恢復(fù)性能。

在衰退試驗(yàn)后，在風(fēng)冷的情況下，依條件加載，測(cè)定回復(fù)性能。

通過(guò)比較試驗(yàn)前后的厚度，測(cè)定材料的磨損特性[10]。

摩擦盤轉(zhuǎn)速411r/min負(fù)荷440N。圖7是試驗(yàn)前后磨損量隨著樹(shù)脂的含量變化曲線，未磨前試樣重(g)與磨后試樣重(g)之差為質(zhì)量磨損(g)，質(zhì)量磨損率表示為：

質(zhì)量磨損率(%)=質(zhì)量磨損(g)/未磨前試樣重(g)×100%

未磨前試樣厚度(mm)與磨后試樣厚度(mm)之差為體積磨損(mm)，體積磨損率表示為：

體積磨損率(mm)=體積磨損(mm)/未磨前試樣體積(mm)×100%

圖8、圖9是實(shí)驗(yàn)過(guò)程中第二次衰退實(shí)驗(yàn)和第二次恢復(fù)實(shí)驗(yàn)溫度與摩擦系數(shù)之間的影響曲線。

圖6 不同樹(shù)脂含量摩擦系數(shù)變化曲線

圖7 不同樹(shù)脂含量摩擦磨損率曲線

由圖6、圖7我們可以看出隨著樹(shù)脂含量的增加高溫和正常的摩擦系數(shù)都是先增加后又逐漸減小，磨損量稍微增大后逐漸減少。磨損量在6%-10%之間有增長(zhǎng)趨勢(shì)的原因是6%-10%之間摩擦系數(shù)有所增大，試樣與摩擦盤之間的相互作用力增大，所以增大了摩擦磨損的量，10%之后由于摩擦系數(shù)減小、樣品的硬度又逐漸增大，摩擦材料太硬摩擦系數(shù)又不高，所以導(dǎo)致摩擦磨損減小。

圖8 第二次熱衰退實(shí)驗(yàn)曲線

圖9 第二次恢復(fù)實(shí)驗(yàn)曲線

圖8、圖9是實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的第二次衰退實(shí)驗(yàn)和第二次恢復(fù)實(shí)驗(yàn)不同樹(shù)脂隨著溫度的變換曲線，由曲線的趨勢(shì)可以看出樣塊1、2、3、4在第二次熱衰退實(shí)驗(yàn)中摩擦系數(shù)都是隨著溫度的升高摩擦系數(shù)先上升后下降，在200℃左右摩擦系數(shù)達(dá)到最大值，從變化趨勢(shì)來(lái)看樣塊1摩擦系數(shù)最穩(wěn)定樣塊4摩擦系數(shù)極差最大摩擦系數(shù)不穩(wěn)定，摩擦系最值數(shù)將近達(dá)到0.6，并樣塊的硬度也相對(duì)較大，可能會(huì)對(duì)摩擦盤對(duì)偶件有一定的傷害，從車輛對(duì)摩擦材料技術(shù)的要求，摩擦材料應(yīng)該具有一個(gè)合適且穩(wěn)定的摩擦系數(shù)[11]，通過(guò)對(duì)比4個(gè)樣品的升溫過(guò)程中變化斜率和幅度來(lái)看樣塊1的摩擦系數(shù)最穩(wěn)定在0.42左右相對(duì)較好。第二次恢復(fù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的變化曲線來(lái)看隨著樹(shù)脂含量的增加摩擦系數(shù)恢復(fù)程度越來(lái)越差，原因是樹(shù)脂含量的升高在摩擦材料接觸面具有更多的樹(shù)脂與摩擦盤結(jié)合，并且樹(shù)脂在高溫時(shí)候會(huì)分解，樹(shù)脂的分解使摩擦盤與摩擦片之間產(chǎn)生氣體層，由于受到氣體層摩擦的影響摩擦盤與摩擦材料時(shí)間的摩擦力減小從而摩擦系數(shù)降低，摩擦系數(shù)恢復(fù)的程度就變差。總體比較樣塊1和樣塊2的第二次恢復(fù)實(shí)驗(yàn)?zāi)Σ料禂?shù)恢復(fù)性能較好。

三、結(jié)論

摩擦材料的密度在樹(shù)脂含量達(dá)到最大，然后隨著樹(shù)脂含量的增加密度減小。

摩擦材料洛氏硬度隨著樹(shù)脂含量的增加逐漸增加、壓縮量逐漸減小、剪切強(qiáng)度逐漸增大，在樹(shù)脂含量到達(dá)14%左右硬度達(dá)到最大值，剪切強(qiáng)度也達(dá)到最值，壓縮量趨于穩(wěn)定，繼續(xù)增加樹(shù)脂含量由于出現(xiàn)樹(shù)脂粘結(jié)固化的單一樹(shù)脂相，硬度會(huì)略有降低。剪切強(qiáng)度隨之也降低。

隨著樹(shù)脂的增加磨損率降低。正常摩擦系數(shù)和高溫摩擦系數(shù)在樹(shù)脂含量6%到10%之間最大，之后隨著樹(shù)脂含量的增加摩擦系數(shù)明顯減少，綜合評(píng)價(jià)第二次熱衰退實(shí)驗(yàn)和第二次恢復(fù)實(shí)驗(yàn)各個(gè)樹(shù)脂含量的變化分析，6%-10%之間樹(shù)脂含量使得摩擦因數(shù)較好，較為穩(wěn)定。