硅酸鹽黏結(jié)劑制備摩擦材料的性能研究

胡嗣卓，付雪松，黃 鵬，葉長松，陳國清，周文龍

（遼寧省凝固控制與數(shù)字化制備技術(shù)重點實驗室，大連理工大學(xué)材料學(xué)院，遼寧大連116085）

目前市場上廣泛使用的樹脂基摩擦材料具有力學(xué)性能優(yōu)良、噪音小且成本低等優(yōu)勢，但是由于黏結(jié)劑主要是由酚醛樹脂等有機組分構(gòu)成，存在摩擦系數(shù)不是很穩(wěn)定、耐磨性能較差尤其是耐高溫性能不理想等缺點。樹脂基摩擦材料普遍存在的熱衰退問題［1］，使得機動車輛在剎車過程中摩擦界面產(chǎn)生高熱量，可能導(dǎo)致制動效能嚴(yán)重惡化，甚至引發(fā)剎車失靈，釀成事故。探索解決摩擦材料的熱衰退問題一直是摩擦材料研究的熱點，無機膠黏劑具有承受高溫（600～900℃）的特點，用來替代樹脂黏結(jié)劑是人們關(guān)注的技術(shù)思路。硅酸鹽黏結(jié)劑具有阻燃性能好、環(huán)保無毒、成本低廉、使用方法簡單、耐久性能好等優(yōu)點［2］，有望成為摩擦材料用黏結(jié)劑材料。硅酸鹽黏結(jié)劑的基料一般是鈉水玻璃、鉀水玻璃，或者鈉水玻璃與鉀水玻璃的混合物［3］。 劉成倫等［3］以鈉水玻璃與鉀水玻璃的混合物為基料，添加一些金屬氧化物、非金屬氧化物和金屬粉末，制備出具有黏結(jié)強度大、室溫即可固化、易于施工等特點的膠黏劑。水玻璃中二氧化硅和堿金屬氧化物的物質(zhì)的量比能夠影響膠黏劑的性能，當(dāng)硅酸鈉中二氧化硅與氧化鈉物質(zhì)的量比為2.5～3.2時，膠黏劑的綜合性能較好［4］。氟硅酸鈉作為固化劑制備的鈉水玻璃膠黏劑，表現(xiàn)出良好的固化特性［5］。有關(guān)硅酸鹽膠黏劑性能的研究報道很多，使得其多種性能得到很大提高。筆者在吸收已有研究成果的基礎(chǔ)上，設(shè)計了新型摩擦材料：使用多種硅酸鹽為黏結(jié)劑，丁腈橡膠為韌性調(diào)節(jié)劑，采用熱壓成型工藝制備摩擦材料。研究了硅酸鹽黏結(jié)劑種類及用量、橡膠含量對摩擦材料摩擦磨損性能和力學(xué)性能的影響，分析了摩擦材料的摩擦表面特征及其摩擦磨損機理，以期為硅酸鹽黏結(jié)劑制備摩擦材料的設(shè)計提供技術(shù)依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

主要原料：硅酸鈉水溶液（工業(yè)級），硅酸鉀水溶液（工業(yè)級），丁腈橡膠（GM50），氟硅酸銨（工業(yè)級），碳纖維（T700），重晶石（粒度＜44 μm）。

1.2 成型工藝

采用硅酸鹽作為黏結(jié)劑，選擇丁腈橡膠為韌性改良組分，選擇具有高彈性模量和高強度的碳纖維為增強纖維［6］，采用重晶石、碳化硅和石墨等為填料，制備摩擦材料。摩擦材料試樣的制備采用模壓成型工藝，即原料在高速混料機中混合3 min進(jìn)行模壓成型，獲得預(yù)成型體。具體工藝參數(shù)：熱壓溫度為130℃、成型壓力為10 MPa、保壓時間為60 min。將預(yù)成型體置于130℃的干燥箱中保溫6 h。

1.3 試樣配方

實驗主要針對硅酸鹽種類及用量、橡膠含量3個參量設(shè)計配方。不同硅酸鹽黏結(jié)劑種類及用量、不同橡膠含量制備摩擦材料的配方見表1～表3。

表1 不同硅酸鹽黏結(jié)劑種類制備摩擦材料配方

表2 不同硅酸鹽黏結(jié)劑用量制備摩擦材料配方

表3 不同橡膠含量制備摩擦材料配方

1.4 分析測試方法

采用JF151型定速式摩擦磨損試驗機根據(jù)GB 5763—2008《汽車用制動器襯片》對摩擦材料試樣進(jìn)行摩擦磨損性能測試（制動壓力為0.98 MPa），摩擦對偶材質(zhì)為HT250灰口鑄鐵，試樣尺寸為25 mm×25 mm×6 mm。采用XJJ-5型簡支梁沖擊試驗機對摩擦材料試樣進(jìn)行沖擊韌性測試，試樣尺寸為55 mm×10 mm×6 mm，擺錘能力為 1 J。采用 SUPRA 55 SAPPHIRE掃描電子顯微鏡分析摩擦材料試樣表面及斷口的形貌。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 硅酸鹽種類對摩擦材料性能的影響

2.1.1 對沖擊韌性的影響

實驗測試不同種類的硅酸鹽制備摩擦材料的沖擊 韌 性 分 別 為 SN-3，0.26 J/cm2；SK-3，0.18 J/cm2；SNK-3，0.40 J/cm2。 由此可知，鈉鉀比為 2∶1 的硅酸鹽水溶液制備摩擦材料（SNK-3）的沖擊韌性最高，硅酸鈉（SN-3）次之，硅酸鉀（SK-3）最差。 圖 1 為SNK-3、SN-3試樣的沖擊斷裂斷口SEM照片。由圖1看出，SNK-3的斷口呈現(xiàn)凹凸不平狀，表明斷裂過程吸收的能量較多，這是因為試樣內(nèi)部結(jié)合力較強從而可以承受較大的沖擊；SN-3的斷口較為平整，說明材料的結(jié)合能力較弱，在沖擊力的作用下比較容易發(fā)生斷裂。

圖1 試樣 SNK-3（a）、SN-3（b）沖擊斷裂斷口 SEM照片

分析其原因，從Na+、K+與硅酸根結(jié)合的間距看，Na+與硅酸根結(jié)合更近，兩者之間間距更小，Na+可以滲透到材料內(nèi)部且分布均勻，使得試樣整體黏結(jié)強度增大，沖擊韌性較好。但是，Na+親水性較強，容易從空氣中吸收水分，導(dǎo)致在試樣內(nèi)部產(chǎn)生細(xì)微裂紋。而混合型硅酸鹽可以發(fā)揮兩種硅酸鹽黏結(jié)劑各自的優(yōu)點，因此制得的試樣黏結(jié)強度最高，使摩擦材料基體各組分結(jié)合力更大，沖擊性能最為優(yōu)異。

2.1.2 對摩擦磨損性能的影響

圖2為不同種類的硅酸鹽制備摩擦材料的摩擦系數(shù)。由圖2看出，硅酸鹽種類對摩擦材料摩擦系數(shù)的影響不大。實驗測試不同種類的硅酸鹽制備摩擦材料的摩損率分別為 SN-3，10.55%；SK-3，9.85%；SNK-3，8.02%。由此可知使用鈉鉀比為2∶1的硅酸鹽制備的摩擦材料（SNK-3）的磨損率較低。可見，混合型硅酸鹽制備摩擦材料的黏結(jié)強度更高，基體各組分結(jié)合力更大，從而減小了磨損率［7］。因此，以鈉鉀比為2∶1的混合硅酸鹽作為黏結(jié)劑，制備摩擦材料的綜合性能最優(yōu)。

圖2 不同種類硅酸鹽制備摩擦材料的摩擦系數(shù)

2.2 硅酸鹽用量對摩擦材料性能的影響

2.2.1 對沖擊韌性的影響

表4為不同用量的硅酸鹽制備摩擦材料的沖擊韌性。由表4可知，試樣的沖擊韌性隨著硅酸鹽用量的增大先增大后減小，當(dāng)硅酸鹽用量為80 g時，試樣的沖擊韌性達(dá)到最大值0.4J/cm2。圖3為試樣SNK-1、SNK-3、SNK-5沖擊斷裂斷口SEM照片。由圖3看出，SNK-1斷口表面可見很多較長的碳纖維拔出，說明硅酸鹽的黏結(jié)作用不夠，碳纖維的強化作用沒能夠充分發(fā)揮；SNK-3斷口極少可見碳纖維拔出，多數(shù)為拉斷狀態(tài)，表明硅酸鹽黏結(jié)效果較好，試樣中碳纖維大部分較好地發(fā)揮了強化效用，使得試樣獲得較高的沖擊韌性；SNK-5斷口可見一些大的孔洞，使得試樣的沖擊韌性下降。這是因為，硅酸鹽含量過多時，成型試樣的局部區(qū)域黏結(jié)劑過多，在固化過程中硅酸鹽水溶液的水分蒸發(fā)，殘余空間形成了較大的孔洞，這種孔洞嚴(yán)重降低了試樣的強度。

表4 不同用量的硅酸鹽制備摩擦材料的沖擊韌性

圖3 試樣 SNK-1（a）、SNK-3（b）、SNK-5（c）沖擊斷裂斷口SEM照片

2.2.2 對摩擦磨損性能的影響

表5為不同硅酸鹽用量制備摩擦材料的磨損率。由表5看出，隨著硅酸鹽用量增加，試樣的磨損率逐漸增大。說明硅酸鹽含量增多，材料的強度和耐磨性能下降。這是因為，局部過量的硅酸鹽損害了材料的強度和韌性。

表5 不同硅酸鹽用量制備摩擦材料的磨損率

圖4為不同硅酸鹽用量制備摩擦材料的摩擦系數(shù)。由圖4看出，不同含量的硅酸鹽制備摩擦材料的摩擦系數(shù)隨著溫度的升高呈現(xiàn)平緩降低的趨勢，但是其中試樣 SNK-3、SNK-4 在高溫區(qū)（200～350℃）的摩擦系數(shù)是升高的。硅酸鹽黏結(jié)劑通過熱固化使得其他物料黏結(jié)，獲得材料的強度和硬度。此外，隨著摩擦界面溫度的升高，硅酸鹽會逐漸脫水生成SiO2膠體，SiO2膠體與固化劑通過化學(xué)鍵連接，形成硅氧四面體，進(jìn)一步增強了摩擦界面材料的黏結(jié)強度，有利于提升材料的摩擦系數(shù)。然而，只有硅酸鹽黏結(jié)劑的含量適當(dāng)時，其提升作用才能表現(xiàn)出來。較少的含量不能使得其他物料很好地黏結(jié)牢固，但過量的硅酸鹽會導(dǎo)致殘留孔洞而降低強度，使得摩擦界面的硅酸鹽沒能很好地發(fā)揮作用?？梢灶A(yù)見，通過調(diào)整硅酸鹽的合理用量以及選擇適當(dāng)?shù)钠渌锪吓浜希梢詫崿F(xiàn)材料摩擦系數(shù)在全部測試溫度范圍內(nèi)的平緩穩(wěn)定，有效地改善材料的抗熱衰退性能。

圖4 不同硅酸鹽用量制備摩擦材料的摩擦系數(shù)

2.3 橡膠含量對摩擦材料性能的影響

2.3.1 對沖擊韌性的影響

硅酸鹽黏結(jié)劑的使用改善了摩擦材料的抗熱衰退性能，但是同時也降低了材料的韌性。為進(jìn)一步改善材料的沖擊韌性，加入丁腈橡膠作為韌性調(diào)節(jié)劑。圖7為不同橡膠用量制備摩擦材料的沖擊韌性。由表6看出，當(dāng)橡膠用量小于12.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時，試樣的沖擊韌性隨著橡膠含量的增大而顯著提高，最高沖擊韌性達(dá)到0.4 J/cm2；繼續(xù)增大橡膠用量時，試樣的沖擊韌性反而降低。

表6 不同橡膠用量制備摩擦材料的沖擊韌性

2.3.2 對摩擦磨損性能的影響

圖5為不同橡膠用量制備摩擦材料的摩擦系數(shù)。由圖5看出，隨著橡膠用量增多，試樣的低溫摩擦系數(shù)逐漸增大、中高溫摩擦系數(shù)逐漸降低。當(dāng)橡膠用量為12.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時，試樣的摩擦系數(shù)最為平穩(wěn)，低溫區(qū)摩擦系數(shù)在0.35左右，隨著溫度升高摩擦系數(shù)略有增大，整體穩(wěn)定在0.4左右。

利用SEM觀察摩擦系數(shù)最為穩(wěn)定的試樣SNA-5在不同溫度下的摩擦表面形貌。圖6a為試樣在100℃持續(xù)摩擦60 000轉(zhuǎn)的表面形貌。由圖6a看出，在試樣表面清晰地可見多條溝犁，其中A類溝犁明顯與B類顆粒磨損有關(guān)。對B處顆粒的成分分析可知，B處為堅硬的SiC顆粒。這證明，在摩擦過程中，試樣表層的SiC顆粒脫落并在摩擦界面滾動形成溝犁并提供摩擦力。在較低溫度情況下，試樣的磨損機制主要為磨粒磨損。圖6b為試樣經(jīng)過350℃摩擦的表面形貌，其與低溫（100℃）摩擦的試樣表面有明顯的區(qū)別。350℃摩擦試樣表面基本未見明顯的溝犁，表面特征是有金屬光澤和無金屬光澤的兩類部分。測得A處成分大部分為鐵，表明該處主要是摩擦對偶盤的鐵磨損脫落并黏附在試樣表面形成的“大平臺”。由于試樣具有較高的硬度，當(dāng)摩擦界面溫度較高時，鑄鐵對偶盤耐磨性能下降，導(dǎo)致摩擦對偶盤發(fā)生較多的磨損，逐漸脫落的磨屑黏附、聚集、壓實在試樣表面，并形成了“大平臺”。B處為試樣本身表面，仍可見SiC顆粒以及周圍雜亂分布的碳纖維，與低溫摩擦表面相似，但其溝犁還是被一些磨屑黏著、填充而使得溝槽不再明顯［8］。但是，在近似平整的表面仍可見細(xì)小的溝犁，說明在較高溫度下，材料的磨損機制是黏著磨損和磨粒磨損的混合磨損。

圖5 不同橡膠用量制備摩擦材料的摩擦系數(shù)

圖6 SNA-5在100℃摩擦60 000轉(zhuǎn)（a）和在350℃摩擦（b）表面SEM照片

對于橡膠含量較少的試樣，材料仍維持較高的硬度，試樣主要由硅酸鹽黏結(jié)劑提供各組分間的結(jié)合力，隨著摩擦過程中溫度逐漸升高，硅酸鹽黏結(jié)劑發(fā)生脫水縮合反應(yīng)［9］，在提高內(nèi)部各組分之間的結(jié)合力的同時，也使試樣的硬度繼續(xù)增大。而試樣硬度越大，對摩擦偶盤的磨損越嚴(yán)重，所以當(dāng)摩擦界面溫度升高時，更多的鐵磨屑黏著在試樣表面。此時摩擦力主要由摩擦面間的黏著磨損提供。隨著溫度升高，試樣表面黏著的磨屑不斷增多，與摩擦盤之間的黏著磨損力不斷增大，使得摩擦系數(shù)隨溫度升高逐漸增大。

當(dāng)橡膠含量很高時（SNA-6），會降低材料的硬度，使得低溫時對偶盤的微凸體或者試樣本身脫落的SiC等硬質(zhì)顆?？梢愿畹厍度氲侥Σ帘砻妫瑥亩鴻C械嚙合力得到提高，摩擦系數(shù)增大；試樣硬度的降低也使其對摩擦盤的黏著磨損減弱，因而高溫下由黏著磨損提供的摩擦力減小，摩擦系數(shù)沒有呈現(xiàn)顯著增大。另外，丁腈橡膠在溫度大于170℃時會發(fā)生軟化分解，損傷試樣各組分的結(jié)合力而使強度下降，也使得試樣的高溫摩擦系數(shù)降低［10］。丁腈橡膠對于硅酸鹽黏結(jié)劑制備摩擦材料體系有利于增大低溫下的摩擦系數(shù)、降低高溫下的摩擦系數(shù)。適當(dāng)?shù)亩‰嫦鹉z含量，具有穩(wěn)定硅酸鹽基摩擦材料摩擦系數(shù)的作用。

3 結(jié)論

以硅酸鹽為黏結(jié)劑、丁腈橡膠為韌性改良組分，采用熱壓成型工藝制備摩擦材料，研究了硅酸鹽種類及用量、橡膠含量對摩擦材料沖擊韌性和摩擦磨損性能的影響。結(jié)果表明：1）使用鈉鉀比為2∶1的混合硅酸鹽作為黏結(jié)劑，制得的摩擦材料基體間結(jié)合力較強，沖擊韌性可以達(dá)到0.4 J/cm2，摩擦系數(shù)在100～350℃穩(wěn)定性較好；2）使用適當(dāng)含量的硅酸鹽黏結(jié)劑制備的摩擦材料具有較好的強度和韌性，并且有效地改善了材料的抗熱衰退性能；3）隨著橡膠含量的增加，摩擦材料的沖擊韌性先逐漸增高后稍有減小，當(dāng)橡膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12.5%時摩擦材料的沖擊韌性達(dá)到最大值0.4 J/cm2，同時橡膠的加入會使摩擦材料的低溫摩擦系數(shù)增大、高溫摩擦系數(shù)減小。