(1. 中國海洋大學材料科學與工程研究院, 山東青島　266100;

2. 山東科技大學材料科學與工程學院, 山東青島　266510)

　　摘要: 采用冷壓成型及熱壓固化工藝制備鋼纖維/硅氧鋁陶瓷纖維混雜增強酚醛樹脂半金屬摩擦材料,在DMS2150型定速摩擦磨損試驗機上研究了不同硅氧鋁陶瓷纖維含量對材料的摩擦熱衰退性能、恢復性能以及磨損性能的影響,借助掃描電子顯微鏡觀察磨損表面形貌并分析其磨損機制. 結果表明,添加質量分數5%以上硅氧鋁陶瓷纖維,能夠使摩擦材料的抗熱衰退性能得到顯著改善,但恢復性能有所下降,磨損率稍有升高,磨損機制由粘著磨損轉變為粘著磨損與磨粒磨損的復合形式.

　　關鍵詞: 硅氧鋁陶瓷纖維; 半金屬摩擦材料; 摩擦磨損性能

　　中圖分類號: TH117. 3 文獻標識碼: A 文章編號: 100420595 (2008) 0120063205

　　隨著汽車工業的飛速發展,高速、重載汽車要求剎車片摩擦材料能夠在較高溫度下提供穩定的摩擦系數和較低的磨損率[1]. 由于石棉纖維具有致癌作用已逐步退出摩擦材料領域[2]. 目前應用最為廣泛的石棉纖維替代材料為鋼纖維,稱為半金屬摩擦材料[3].但鋼纖維在潮濕環境中容易出現銹蝕及氧化等現象,可能會引起剎車尖叫、摩擦系數不穩定和剎車失靈等問題[4].另一類無石棉摩擦材料主要是利用礦棉、無機或有機纖維等作為增強材料[5].研究較多的有鈦酸鉀晶須、玻璃纖維、炭纖維和芳綸纖維等[6].,但其存在價格昂貴、開松困難及分散不均勻等問題而限制了應用. 據報道,國內外運行速度在120～200 km/h范圍內的車輛大多采用樹脂基多種纖維合成摩擦材料,以滿足較高速度下的摩擦穩定性及耐磨性[7～9].以歐、美為代表的發達國家已將有機增強材料和無機礦物增強材料用于摩擦材料的生產[10].國內也嘗試采用無機礦物纖維增強摩擦材料,并取得了一定進展[11, 12].

　　硅氧鋁陶瓷纖維具有熔點高、高溫力學性能優良及密度低等特點,已廣泛用于耐熱及耐高溫等領域,而在摩擦材料領域的應用還較少. 為了提高摩擦材料的高溫摩擦穩定性,本文作者選用鋼/硅氧鋁陶瓷纖維混雜作為增強材料,腰果殼油改性酚醛樹脂

　　( YSM)與丁腈橡膠(NBR)共混作為基體,添加適當摩擦性能改性劑制備出新型摩擦材料,測試其摩擦磨損性能,分析了硅氧鋁陶瓷纖維含量對其摩擦磨損性能的影響,以期為研制高性能摩擦材料提供實驗依據.

　　1　實驗部分

　　1. 1　樣品制備

　　以鋼纖維、蛭石、氧化鎂、銅粉、YSM和NBR基體粘結劑含量保持不變,改變配方中硅氧鋁陶瓷纖維含量,將對摩擦磨損性能影響不大的重晶石填料添加至100% ,構成配方F0、F1、F2和F3. 各種原材料均為市購,樣品的詳細配方(質量分數計)見表1.

　　采用上海天普分析儀器有限公司產JA31002型電子天平稱量原材料,在高速混料機中混合3 m in,將混合料在室溫下冷壓成型,壓力為10 MPa. 冷壓毛坯在165 ℃ ×10 MPa下熱壓固化,保壓時間分別為120 s,在保壓過程中釋放幾次壓力,間隔時間分別為20 s、50 s及50 s,以便使低分子氣體排出. 固化后再經200 ℃保溫 4 h熱處理.

　　1. 2　摩擦磨損性能測試

　　根據GB576321998,將每組配方的樣品加工成2個尺寸為25 mm ×25 mm×6 mm的試樣,在咸陽摩擦密封材料測試設備研究所生產的DMS2150型定速摩擦磨損試驗機上評價材料的摩擦磨損性能,偶件材料選用HT250鋼(硬度為HB201) ,溫度分別為100 ℃、150 ℃、200 ℃、250 ℃、300 ℃和350 ℃. 摩擦盤以480 r/m in的固定速度旋轉,每個設定溫度下旋轉5 000 r,載荷1 225 N,摩擦力f由安裝在試驗機上的拉力傳感器測定,摩擦系數μ由下式計算:

　　f =μ×N (1)

　　通過測量樣品在各個溫度下磨損后的厚度變化計算樣品的體積磨損率w:

　　(2)

　　式中: w表示體積磨損率( cm3/N ·m ) , R 為從摩擦盤中心到試樣的距離(0. 15 m) , n為摩擦盤的轉數(5 000) , d1 和d2 為樣品在摩擦前后的平均厚度(cm) , f為傳感器測量的摩擦力. 升溫試驗結束后,將摩擦盤的溫度從300 ℃降至 100 ℃考察摩擦材料的恢復性能 ,每個溫度下的摩擦系數為同一硅氧鋁陶瓷纖維含量的2個試樣結果的平均值.

　　1. 3　磨損表面形貌分析

　　將試樣放入中科科儀公司產小型離子濺射儀內為磨損表面鍍金,再用KYKY2800B 型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察材料的磨損表面形貌.

　　1. 4　摩擦材料穩定性評價

　　升溫試驗過程測得配方材料的摩擦系數 μ(fade)能夠反映出材料的抗熱衰退性能. 郭新濤[13 ]采用變溫法測試摩擦材料的摩擦磨損性能并引入摩擦系數的穩定系數(αCT)和摩擦系數的變化系數(γ)來表征材料的熱衰退性能,即:

　　αCT =μCP/μmax (3)

　　γ=μmin/μmax (4)

　　式中:μCP為變溫過程中的平均摩擦系數,μmin和μmax為摩擦系數的最小值和最大值. 如將μCP換為定速摩擦試驗中各種溫度下的平均摩擦系數,μmin和μmax換為各種溫度下摩擦系數的最小值和最大值,以上2個參數同樣可以評價摩擦材料的抗熱衰退性能. αCT和γ值越大,該配方材料的摩擦系數越穩定、抗熱衰退性能越好.降溫試驗測試材料在降溫過程中的摩擦系數μ( recovery). 我們采用降溫試驗與升溫試驗中各溫度下平均摩擦系數差的絕對值倒數作為恢復性系數(β)來考察各配方的摩擦系數恢復性能,即:

(5)

　　式中:μTi( fade)為升溫過程某溫度下的摩擦系數,μTi( recovery)為降溫過程相應溫度下的摩擦系數,均可由DMS2150型定速摩擦磨損試驗機直接測得.恢復性系數越大,材料的摩擦系數恢復性能越好.

　　2　結果與討論

　　2. 1　熱衰退性能

　　升溫試驗中摩擦系數隨溫度變化的關系曲線如圖1所示.

　　Fig 1　Friction coefficient of samples at elevated temperature

　　圖1　試樣在升溫過程中的摩擦系數

　　可以看出,在升溫過程中,添加了硅氧鋁陶瓷纖維的摩擦材料 (F1～F3)的摩擦系數均高于沒有添加硅氧鋁陶瓷纖維的材料(F0) ,且其摩擦系數隨硅氧鋁陶瓷纖維含量增加而增大. 不同配方材料的摩擦系數的穩定系數及其變化系數如圖2所示.

　　Fig 2　Effect of aluminium silicon fiber contenton stability, variability and recovery coefficient

　　圖2　硅氧鋁陶瓷纖維含量對材料穩定系數、變化系數和恢復性系數的影響

　　可見,添加硅氧鋁陶瓷纖維可以使摩擦系數的穩定系數和變化系數明顯提高,當硅氧鋁陶瓷纖維含量超過5%時,穩定系數與變化系數不再發生明顯變化,這說明材料的抗熱衰退性能提高,但其穩定性并沒有隨硅氧鋁陶瓷纖維含量的增加而增大,而是保持較平穩的狀態.

　　2. 2　恢復性能不同硅氧鋁陶瓷纖維含量的材料恢復性系數如圖2所示. 可以看出,隨著硅氧鋁陶瓷纖維含量增加,摩擦系數恢復性逐漸降低. 這是由于硅氧鋁陶瓷纖維的導熱性和密度低于鋼纖維,硅氧鋁陶瓷纖維的加入降低了摩擦材料表面鋼纖維的相對含量,導致摩擦產生的熱傳導速度降低,表層溫度相對較高,使樹脂材料發生流動或分解. 隨著溫度降低,表層樹脂重新固化而形成富樹脂層,富樹脂層的摩擦系數與原始材料的摩擦系數相差較大,從而造成摩擦系數恢復性下降. 因此,摩擦材料中應保留一定的高導熱原材料.

　　2. 3　磨損性能

　　由式(2)計算出各配方材料的磨損率如圖3所示.

　　Fig 3　W ear rate of different samples

　　圖3　不同試樣的磨損率

　　由圖3可以看出,隨著硅氧鋁陶瓷纖維含量增加,摩擦材料的磨損率增大. 這是由于硅氧鋁陶瓷纖維在摩擦過程中端部斷裂,斷裂的陶瓷纖維起到了磨料作用,使得摩擦材料的磨損形式由原來的單一粘著磨損轉變為粘著磨損與磨粒磨損的復合磨損,從而增加了磨損率,且隨著溫度升高,磨損率升高.圖4

　　示出了摩擦材料在350 ℃下的磨損表面形貌SEM照片,其中圖4 ( a、b、c和d)分別為F0、F1、F2和F3試樣的摩擦表面纖維暴露位置的微觀結構形貌照片,圖4 (e、f、g和h)為測試后形成的摩擦層形貌照片. 摩擦層是由于基體樹脂在摩擦瞬間產生的高溫作用下發生粘流甚至分解,生成焦油狀物質覆蓋于摩擦材料表面所形成的[10 ]. 摩擦層可以起到潤滑膜的作用,能夠降低摩擦材料的摩擦系數,從而導致熱衰退現象.圖4 (a)中粗大的纖維為鋼纖維,由于鋼纖維的塑性好,因此在摩擦過程中的主要破壞形式為摩擦方向上的塑性變形(延展)、磨損和氧化. 加入硅氧鋁陶瓷纖維后,因其硬度較高,摩擦過程中不會發生塑性變形和氧化,其主要的破壞形式為脆性斷裂,如圖4 (b、c和d)所示. 斷裂后的硅氧鋁陶瓷纖維在摩擦表面起到了磨料作用,破壞了樹脂產生的潤滑膜,使摩擦材料在較高溫度下能夠保持原有的摩擦系數,即增強了摩擦材料的抗熱衰退性能. 由于磨料磨損使添加硅氧鋁陶瓷纖維的摩擦材料表面形成很多劃痕,且隨著硅氧鋁陶瓷纖維含量增加而增多,磨損率增大,如圖4 ( f、g和h)所示. 而沒有添加硅氧鋁陶瓷纖維的摩擦材料在測試后因樹脂粘流產生的潤滑膜未遭破壞,從而使摩擦材料在高溫下的摩擦系數迅速降低[如圖4 ( e)所示],其主要磨損形式為粘著磨損.

　　3　結論

　　a. 　硅氧鋁陶瓷纖維能夠顯著提高樹脂基摩擦材料的抗熱衰退性能,當硅氧鋁陶瓷纖維含量在5%以上時,能夠改善材料的抗熱衰退性能,隨著硅氧鋁陶瓷纖維含量的增加,其摩擦系數的穩定系數和變化系數變化不明顯.

　　b. 　硅氧鋁陶瓷纖維使摩擦材料的恢復性能變差,隨著硅氧鋁陶瓷纖維含量的增加,摩擦材料的恢復性系數逐漸降低.

　　c. 　硅氧鋁陶瓷纖維的加入能夠使摩擦材料的磨損率增加,使半金屬摩擦材料的粘著磨損形式轉化為粘著磨損和磨粒磨損的共同作用.

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