紙基摩擦材料的摩擦性能及其機(jī)理研究現(xiàn)狀

鐘林新 付時(shí)雨周雪松 詹懷宇

(華南理工大學(xué)制漿造紙工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東廣州,510640)

紙基摩擦材料的摩擦性能及其機(jī)理研究現(xiàn)狀

鐘林新 付時(shí)雨＊周雪松 詹懷宇

(華南理工大學(xué)制漿造紙工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東廣州,510640)

紙基摩擦材料因其優(yōu)異的摩擦性能在交通運(yùn)輸機(jī)械、建筑礦山機(jī)械等各類車輛與工程機(jī)械的自動(dòng)變速器和制動(dòng)器中得到廣泛的應(yīng)用,是一類重要的摩擦材料。文章介紹了紙基摩擦材料的接合機(jī)理、潤(rùn)滑油作用機(jī)制、紙基摩擦材料性能的影響因素(孔隙率、材料力學(xué)性能及溫度)、表面形貌及磨損機(jī)理的研究現(xiàn)狀。

紙基摩擦材料;潤(rùn)滑機(jī)理;摩擦性能;表面形貌

紙基摩擦材料一般由纖維、黏結(jié)劑、摩擦性能調(diào)節(jié)劑、填料等組分構(gòu)成,采用造紙的方式生產(chǎn)坯體,之后經(jīng)過(guò)浸漬樹脂、熱壓固化而成,因而被稱為紙基。紙基摩擦材料最顯著的特點(diǎn)在于:①使用了有機(jī)纖維,彈性好,與對(duì)偶盤實(shí)際接觸比例(即實(shí)際接觸面積與表觀接觸面積的比例)比金屬基摩擦材料大1～2個(gè)數(shù)量級(jí);②粗糙表面和多孔結(jié)構(gòu)與材料的冷卻、吸附劑對(duì)邊界潤(rùn)滑膜和流體動(dòng)力潤(rùn)滑膜作用緊密相關(guān)[1]。因而紙基摩擦材料具有成本低、動(dòng)摩擦因數(shù)穩(wěn)定、動(dòng)/靜摩擦因數(shù)比接近、貼合性能平穩(wěn)、磨損率低、使用壽命長(zhǎng)、噪音小及可保護(hù)對(duì)偶材料等優(yōu)點(diǎn),己經(jīng)發(fā)展成為一種重要的摩擦材料,開始逐漸替代樹脂基摩擦材料和金屬基摩擦材料,被廣泛應(yīng)用于汽車、摩托車、拖拉機(jī)、建筑礦山機(jī)械、鍛壓機(jī)械等各類車輛與工程機(jī)械的自動(dòng)變速器和制動(dòng)器中。

摩擦學(xué)是一門研究接觸界面力學(xué)行為和損傷機(jī)理的學(xué)科,是一門復(fù)雜的學(xué)科,它涵蓋了接觸力學(xué)、傳熱學(xué)、流體力學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)、材料學(xué)、機(jī)械學(xué)等學(xué)科。因此,紙基摩擦材料的摩擦性能及機(jī)理復(fù)雜,影響因素眾多。本文重點(diǎn)介紹了紙基摩擦材料結(jié)構(gòu)、摩擦性能及相關(guān)機(jī)理的研究現(xiàn)狀。

1 紙基摩擦材料的接合機(jī)理

紙基摩擦材料的接合過(guò)程可分為3個(gè)階段:擠壓段、混合表面接觸段及壓緊接觸段。因而接合過(guò)程摩擦因數(shù)也相應(yīng)地分為3種:初始摩擦因數(shù)ui、滑動(dòng)摩擦因數(shù)ud、接合最后階段摩擦因數(shù)uo[2-3]。

第一階段是擠壓段,紙基摩擦材料和對(duì)偶盤相互靠近,潤(rùn)滑油流入紙基摩擦材料的孔隙中,并在兩者之間形成油膜,阻礙兩者的接觸。隨著接觸壓力增加,油膜被逐漸擠壓出接觸面,直至形成一層很薄的油膜為止,因而此段屬于流體潤(rùn)滑。產(chǎn)生的油膜剪切力是摩擦力的主要部分。此階段油膜逐漸變薄,摩擦力逐漸升高[4-5]。第二階段是混合表面接觸段。隨著接合壓力的增加,潤(rùn)滑油從紙基摩擦材料的孔隙中擠出,油膜壓力和紙基摩擦材料表面微凸體共同承擔(dān)了法相載荷。當(dāng)油膜厚度小于表面微凸體高度時(shí),微凸體便與對(duì)偶盤發(fā)生接觸,產(chǎn)生黏著力,體系進(jìn)入混合潤(rùn)滑階段。此時(shí),油膜剪切力逐漸減小,微凸體與對(duì)偶盤產(chǎn)生的黏著力逐漸增加,共同形成摩擦力?；旌蠞?rùn)滑階段是完全流體潤(rùn)滑與機(jī)械接觸的過(guò)渡狀態(tài),也是剪切力矩逐漸減小和黏著力矩逐漸增大的過(guò)程[6]。第三階段是壓緊接觸段,紙基摩擦材料孔隙中的潤(rùn)滑油繼續(xù)被擠出,紙基摩擦材料的微凸體與對(duì)偶盤之間產(chǎn)生了更多的機(jī)械接觸,微凸體承擔(dān)了絕大部分的法相載荷,潤(rùn)滑油膜逐漸消失,摩擦力幾乎由黏著力構(gòu)成,混合潤(rùn)滑狀態(tài)結(jié)束,進(jìn)入邊界潤(rùn)滑狀態(tài),因而摩擦因數(shù)增加。由于此時(shí)主軸轉(zhuǎn)速接近于零,摩擦力矩代表鎖止摩擦因數(shù)特征[7-8]。

2 潤(rùn)滑油作用機(jī)理

紙基摩擦材料是一種在油中工作的材料,潤(rùn)滑狀態(tài)不僅對(duì)材料的摩擦及磨損性能產(chǎn)生重要影響,而且還與摩擦振動(dòng)、摩擦噪音有關(guān)。

材料摩擦特性與潤(rùn)滑狀態(tài)(如潤(rùn)滑油的流體力學(xué)性能)之間存在重要聯(lián)系。EguchiM.[9]對(duì)紙基摩擦材料在低速滑動(dòng)時(shí)潤(rùn)滑油膜的流體力學(xué)性能進(jìn)行了研究。他假設(shè)邊界油膜流變體為非牛頓黏度特性的艾潤(rùn)黏度,然后用數(shù)值模擬的方法預(yù)測(cè)紙基摩擦材料在低速時(shí)的摩擦力。結(jié)果表明,某一時(shí)期的往復(fù)摩擦力模擬值和實(shí)驗(yàn)值一致。艾潤(rùn)黏度的特征應(yīng)力和特征黏度及邊界潤(rùn)滑膜厚度影響紙基摩擦材料的摩擦性能。表觀黏度特征清楚表明,艾潤(rùn)黏度特征與納米摩擦學(xué)中的常規(guī)薄膜潤(rùn)滑剪切變稀現(xiàn)象相似。在一個(gè)很寬的滑動(dòng)速度范圍內(nèi),特征應(yīng)力決定了摩擦力——速度曲線的斜率,而且當(dāng)特征黏度與膜厚的比率變化時(shí),曲線平行移動(dòng)。因而,通過(guò)對(duì)潤(rùn)滑油流體的特征應(yīng)力和特征黏度的研究有助于揭示溫度對(duì)摩擦特性的影響機(jī)理。

付業(yè)偉等[10]的研究結(jié)果表明,潤(rùn)滑油供給狀態(tài)對(duì)紙基摩擦材料的摩擦性能及對(duì)偶盤盤溫有較大的影響。潤(rùn)滑狀態(tài)良好時(shí)(潤(rùn)滑油供給充足),偶盤盤溫升幅較小,動(dòng)摩擦因數(shù)波動(dòng)較小。潤(rùn)滑狀態(tài)較差時(shí)(潤(rùn)滑油供給不夠),偶盤盤溫上升迅速,動(dòng)摩擦因數(shù)增大,但穩(wěn)定性變差。由此可見,潤(rùn)滑不良時(shí)容易導(dǎo)致紙基摩擦材料熱衰退。

另外,潤(rùn)滑油的組成及性質(zhì)會(huì)對(duì)潤(rùn)滑性能產(chǎn)生重要影響。通過(guò)潤(rùn)滑油組成對(duì)紙基摩擦材料的摩擦性能影響研究表明[11],堿性磺酸鈣和中性磺酸鈣能使紙基摩擦材料的摩擦因數(shù)下降。但由于中性磺酸鈣在紙基摩擦材料及在對(duì)偶盤上的吸附較弱,摩擦因數(shù)下降不大。潤(rùn)滑油中加入碳酸鈣后,碳酸鈣會(huì)在摩擦表面形成一層碳酸鈣膜,從而使得摩擦因數(shù)下降更多。

Matsuoka Toru[12]的研究指出,潤(rùn)滑油組分在接觸表面的吸附對(duì)紙基摩擦材料的摩擦性能具有重要影響。當(dāng)油酸和高堿性磺酸鈣混合使用時(shí),紙基摩擦材料在低速時(shí)的摩擦因數(shù)比使用單一油酸和高堿性磺酸鈣時(shí)的要低。這是因?yàn)楫?dāng)油酸和高堿性磺酸鈣混合使用時(shí),所形成的碳酸鈣膜增加了油酸的吸附強(qiáng)度,因而摩擦因數(shù)降低。而當(dāng)油胺和高堿性磺酸鈣混合使用時(shí),紙基摩擦材料在低速時(shí)的摩擦因數(shù)介于油胺和高堿性磺酸鈣單獨(dú)使用時(shí)的摩擦因數(shù)之間。這表明,油胺的減磨性能被高堿性磺酸鈣抑制。原因可能是當(dāng)油胺和高堿性磺酸鈣混合使用時(shí),碳酸鈣膜的存在抑制了油胺的吸附;而且,即使在中性磺酸鈣存在時(shí)油胺的摩擦因數(shù)也比純潤(rùn)滑油的高。所以,碳酸鈣抑制油胺的吸附,導(dǎo)致油胺的減磨性能降低。

潤(rùn)滑油中存在的不同基團(tuán)也會(huì)對(duì)紙基摩擦材料的摩擦性能產(chǎn)生影響。油胺與酚醛樹脂能形成強(qiáng)的離子結(jié)合,但在對(duì)偶盤的表面卻難以形成有效的吸附膜,因而對(duì)紙基摩擦材料的摩擦性能產(chǎn)生影響[13]。當(dāng)潤(rùn)滑油與酚醛樹脂結(jié)合強(qiáng)度提高時(shí),能形成良好的潤(rùn)滑油膜,使得紙基摩擦材料的摩擦因數(shù)顯著下降。

3 紙基摩擦材料性能的影響因素

紙基摩擦材料在使用過(guò)程中受載荷作用而被壓縮,之后卸載時(shí)又發(fā)生回彈,因而其結(jié)構(gòu)性能和力學(xué)性能對(duì)紙基摩擦材料的摩擦、磨損性能具有重要影響。

3.1 孔隙率對(duì)紙基摩擦材料性能的影響

紙基摩擦材料是一種多孔性材料,這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使其能夠儲(chǔ)存作為潤(rùn)滑和冷卻用的潤(rùn)滑油。一方面,紙基摩擦材料工作時(shí)在壓力作用下被壓縮,油被擠出,既帶走了產(chǎn)生的部分熱量而保持較低的溫度,又作為潤(rùn)滑油而減少材料的磨損;當(dāng)分離時(shí),材料又發(fā)生回彈,將潤(rùn)滑油重新吸入孔隙中。另一方面,材料孔隙率及孔隙的大小直接影響接合時(shí)潤(rùn)滑油膜的厚度,從而影響摩擦因數(shù)及其穩(wěn)定性[14-15]。因此,孔隙率和孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)紙基摩擦材料的摩擦性能產(chǎn)生重要影響。影響紙基摩擦材料孔隙率的因素有:纖維種類、含量及形態(tài),固化壓力,樹脂種類及含量等。

Matsumoto Takayuki等[16]采用不同細(xì)纖維化的植物纖維制備具有不同孔隙率的紙基摩擦材料,并研究了孔隙率的影響。結(jié)果表明,在不同壓力下,孔隙率高,接合初始摩擦因數(shù)ui和滑動(dòng)摩擦因數(shù)ud也高,特別是ui,且摩擦因數(shù)穩(wěn)定,磨損率低。高的孔隙率能使接觸面間的潤(rùn)滑油更多地進(jìn)入紙基摩擦材料的孔隙而排走,能更有效抑制紙基摩擦材料表面厚油膜的形成,擴(kuò)大了以邊界潤(rùn)滑為主的滑動(dòng)區(qū)域,因而摩擦因數(shù)高。同時(shí),在不同壓力下,孔隙率高的材料能夠存儲(chǔ)和交換更多的冷卻油,從而提高了接合過(guò)程中滑動(dòng)界面的油熱交換率,因而工作溫度低。

Matsumoto Takayuki還采用滲透因子K來(lái)表征潤(rùn)滑油進(jìn)入材料的難易程度。其表達(dá)式如下:

式中,K為滲透因子,m2;A為多孔材料的截面積,m2;L為材料厚度,m;q為潤(rùn)滑油流速,m3/s; η為黏度,mPa·s;Pa為入口流體壓力,MPa;Pb為出口流體壓力,MPa。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),隨著紙基摩擦材料接合次數(shù)的增加,摩擦性能下降的材料其K值也下降,這是高孔隙率材料具有更好摩擦性能及穩(wěn)定性能的部分原因。

鄧海金等[17]對(duì)芳綸增強(qiáng)紙基摩擦材料孔隙率的影響進(jìn)行了研究。結(jié)果表明,在相同工況下,孔隙率越高,紙基摩擦材料的摩擦因數(shù)越大。隨著比壓增加,高孔隙率紙基摩擦材料的摩擦因數(shù)逐漸降低,且不同孔隙率紙基摩擦材料的摩擦因數(shù)逐漸趨向一致。在連續(xù)循環(huán)制動(dòng)時(shí),高孔隙率紙基摩擦材料的摩擦因數(shù)逐漸降低并趨穩(wěn)定。這是因?yàn)樵谳^高壓力下,高孔隙率材料的孔坍塌使得孔隙率降低。

任遠(yuǎn)春等[18]對(duì)碳纖維增強(qiáng)紙基摩擦材料的摩擦性能進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,孔隙率隨固化壓力增加而下降;不同孔隙率紙基摩擦材料的動(dòng)摩擦因數(shù)隨制動(dòng)壓力的增加而下降;低孔隙率紙基摩擦材料的摩擦力矩曲線出現(xiàn)輕微翹曲。李賀軍等[19]的研究結(jié)果表明,短切碳纖維在樹脂基體中均勻分散并相互橋接,形成了大小不一的貫穿性孔隙;隨著孔隙率的增大,摩擦力矩曲線趨于平穩(wěn);動(dòng)摩擦因數(shù)升高,靜摩擦因數(shù)降低,但磨損率增大,這是因?yàn)楦叩目紫堵室馕吨偷牧W(xué)性能,材料容易磨損。在較高制動(dòng)壓力下,孔隙率對(duì)動(dòng)摩擦因數(shù)的影響減弱。

因此,不能一味追求紙基摩擦材料的高孔隙率,而應(yīng)該根據(jù)材料的具體要求來(lái)設(shè)計(jì)合適的孔隙率,以平衡摩擦因數(shù)和磨損性能之間的矛盾。

3.2 力學(xué)性能對(duì)紙基摩擦材料性能的影響

由于紙基摩擦材料工作時(shí)受壓力和剪切力作用,因此,材料的力學(xué)性能對(duì)其摩擦性能具有重要影響。就目前的研究來(lái)看,主要集中于材料的形變性能(如彈性模量、回彈性能、壓縮性能等)。影響紙基摩擦材料變形性能的因素有:材料的組成(如纖維種類及形態(tài)、樹脂的含量及種類、填料的種類及含量)、界面間的結(jié)合強(qiáng)度、熱壓壓力、孔隙率及孔徑大小和載荷等。

紙基摩擦材料的結(jié)構(gòu)變形性能是影響摩擦因數(shù)的關(guān)鍵因素。研究表明[20],紙基摩擦材料的壓縮彈性模量越低,摩擦因數(shù)就越高;材料的壓縮變形越大,壓力卸載時(shí)殘余形變也就越大。殘余形變是由材料的塑性形變引起的,因而紙基摩擦材料是一種黏彈性材料,在載荷作用下具有明顯的黏彈性形變行為。

進(jìn)一步研究表明[16,21],紙基摩擦材料形變大,特別是表面微凸體在壓力作用下形變大,紙基摩擦材料與對(duì)偶盤的接觸點(diǎn)增加,與對(duì)偶盤的接觸面積增加,潤(rùn)滑油膜較薄,摩擦因數(shù)增加。形變小的材料由于表面較硬,接合時(shí)的接觸點(diǎn)較少,潤(rùn)滑油膜較厚,摩擦因數(shù)較低。因此,紙基摩擦材料表面與對(duì)偶盤的接觸點(diǎn)越多(接觸面積越大),潤(rùn)滑油膜就越薄,摩擦因數(shù)就越高。

李雪芹等[22-23]認(rèn)為,在壓力作用下,起初較小的應(yīng)力就會(huì)引起紙基摩擦材料中壁薄孔隙的塌陷;繼續(xù)施壓孔壁進(jìn)一步壓縮,剛性較大的孔隙(孔壁較厚)發(fā)生彈性形變,而剛性較差的孔隙則發(fā)生塑性形變,剛性模量迅速變大;卸載時(shí),未被破壞的孔壁產(chǎn)生回彈。纖維和樹脂含量的增加會(huì)造成紙基摩擦材料壓縮率的降低和回彈率的升高。其中樹脂含量對(duì)紙基摩擦材料壓縮率影響較大,過(guò)高的樹脂含量使得回彈率增加,但壓縮率降低。纖維含量對(duì)紙基摩擦材料回彈率影響較大,孔隙率相同時(shí),隨著紙基摩擦材料纖維含量的增加彈性模量降低,壓縮率增加;卸載時(shí)紙基摩擦材料的回彈率隨纖維含量的增加先增加后減小,纖維含量為50%的材料回彈率最高。因此,可以適當(dāng)調(diào)節(jié)樹脂和植物纖維含量來(lái)獲得具有不同壓縮性能和回彈性能的紙基摩擦材料。

但是,Hattori Y.等[24]研究了紙基摩擦材料結(jié)構(gòu)形變和潤(rùn)滑油流體特性的相互作用與摩擦振動(dòng)關(guān)系后指出,提高紙基摩擦材料的彈性模量和潤(rùn)滑油的體積彈性模量能夠減少變速或剎車時(shí)的振動(dòng),提高摩擦系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因而,紙基摩擦材料變形性能的影響也是兩方面的。

3.3 溫度對(duì)紙基摩擦材料性能的影響

微觀摩擦學(xué)研究表明,紙基摩擦材料表面存在大量的微凸體,紙基摩擦材料與對(duì)偶盤接合時(shí),微凸體先與對(duì)偶盤接觸,有限的微凸體接觸往往導(dǎo)致局部溫度很高,如果熱量來(lái)不及被帶走,會(huì)使耐熱性差的組分發(fā)生熱分解或碳化,引起材料的熱衰退。同時(shí),溫度對(duì)潤(rùn)滑油的黏度產(chǎn)生重要影響,進(jìn)而對(duì)潤(rùn)滑狀態(tài)產(chǎn)生影響。因此,溫度是影響摩擦、磨損性能的重要因素。

Matsumoto Takayuki等[16]采用碳化指數(shù)I(carbonization index)來(lái)表征紙基摩擦材料的熱衰退性能。碳化指數(shù)用式(2)表示:

式中,X為材料起始分解溫度,℃;Y為材料完全分解溫度,℃;兩變量均由TG測(cè)得。研究發(fā)現(xiàn),材料在摩擦過(guò)程中的熱穩(wěn)定性越高,碳化指數(shù)越大,即紙基摩擦材料的熱衰退越小。隨著摩擦周期的增加,紙基摩擦材料的碳化指數(shù)下降,耐熱性下降,紙基摩擦材料逐漸失去彈性而變脆,磨粒磨損增加,因而碳化指數(shù)低的材料磨損大。

在摩擦中使用的潤(rùn)滑油主要成分為礦物油,具有牛頓流體性質(zhì)[25]。溫度升高一方面使?jié)櫥偷目辜羟心芰p小;另一方面使得摩擦界面的油膜變薄。由于紙基摩擦材料使用的工況一般處在邊界潤(rùn)滑或邊界潤(rùn)滑與流體潤(rùn)滑的混合潤(rùn)滑狀態(tài)下,摩擦因數(shù)受油膜剪切力和微凸體與對(duì)偶盤機(jī)械接觸阻力的共同作用。Davi C.等[26]指出,溫度升高將明顯減小摩擦面間的油膜厚度,當(dāng)油膜厚度小于摩擦面間的粗糙度時(shí),將會(huì)增加摩擦面的機(jī)械接觸,使接觸摩擦力矩增大,同時(shí)磨損也會(huì)增大。

Gram bo等[27]認(rèn)為,溫度是影響紙基摩擦材料靜摩擦性能的重要因素,隨著溫度升高,靜摩擦因數(shù)和靜摩擦力矩均有所減小,這與潤(rùn)滑劑中的抗靜摩擦添加劑在高溫時(shí)的行為有關(guān),但由于抗靜摩擦添加劑對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)下的界面接觸狀態(tài)作用比運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的更明顯,因而靜摩擦力矩大于相同條件下的動(dòng)摩擦力矩。

付業(yè)偉等[28]的研究結(jié)果表明,溫度不僅影響紙基摩擦材料的力矩曲線的形態(tài),還影響動(dòng)、靜摩擦力矩和摩擦因數(shù)的大小。在較低溫度下,摩擦力矩曲線形態(tài)較為對(duì)稱,動(dòng)、靜摩擦因數(shù)較高;隨著溫度升高,摩擦力矩曲線翹起程度增大,動(dòng)、靜摩擦因數(shù)減小,制動(dòng)拖曳時(shí)間延長(zhǎng)。隨著摩擦表面溫度升高,潤(rùn)滑油黏度降低,摩擦面潤(rùn)滑膜變薄,油膜剪切力減小,由此所產(chǎn)生的摩擦力矩減小,因而摩擦因數(shù)減小。

但另一方面,潤(rùn)滑油膜變薄使得紙基摩擦材料的表面與對(duì)偶盤的機(jī)械接觸面積增加,犁溝效應(yīng)、黏著效應(yīng)、分子吸附和排斥作用所產(chǎn)生的接觸摩擦力矩增大,這時(shí)摩擦因數(shù)的變化取決于油膜的剪切力作用和機(jī)械接觸阻力的變化等。但關(guān)于機(jī)械接觸在摩擦力矩中的貢獻(xiàn)還缺乏定量的研究。

研究表明[10],隨著摩擦的進(jìn)行,摩擦體系的溫度升高,如果體系的溫度或摩擦面間產(chǎn)生的瞬時(shí)溫度高于潤(rùn)滑油的分解溫度,會(huì)導(dǎo)致潤(rùn)滑油的分解,產(chǎn)生熱分解沉積物、氣體化合物或液態(tài)化合物,或引起潤(rùn)滑劑空化現(xiàn)象。另外,潤(rùn)滑油熱分解產(chǎn)生分解焓將與摩擦熱一起加速摩擦界面間的熱量積累,從而改變摩擦狀態(tài)。

組分本身的耐熱性能對(duì)紙基摩擦材料的熱性能具有重要影響,采用導(dǎo)熱性能好的纖維(如碳纖維和金屬纖維)或采用導(dǎo)熱性能好的填料(如金屬粉末和石墨)能提高紙基摩擦材料的熱擴(kuò)散能力,降低摩擦?xí)r的溫度。通過(guò)對(duì)不同纖維增強(qiáng)的紙基摩擦材料熱性能研究表明[29],碳纖維增強(qiáng)的紙基摩擦材料的耐熱性能明顯高于植物纖維增強(qiáng)的材料,這是因?yàn)榍罢呔哂休^高的熱降解溫度和導(dǎo)熱性,能夠更多降低材料的工作溫度;同時(shí),隨著碳纖維含量的增加,紙基摩擦材料的起始分解溫度高,失重曲線比較平穩(wěn),失重減小。

由此可見,溫度對(duì)紙基摩擦材料摩擦性能的影響比較復(fù)雜,不能簡(jiǎn)單歸結(jié)為一兩個(gè)因素的相互作用,在這一方面的理論和實(shí)驗(yàn)研究還不夠系統(tǒng),需要深入研究才能進(jìn)一步揭示其影響機(jī)理。

4 表面形貌及磨損機(jī)理

進(jìn)行紙基摩擦材料表面形貌及變化的研究有助于揭示其摩擦及磨損機(jī)理。近年來(lái),隨著光學(xué)技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了偏振光反射和激光顯微等技術(shù),從而使得表面微觀研究取得一些有意義的成果。紙基摩擦材料的表面粗糙不平,存在大量微凸體,實(shí)際接觸面積與表觀接觸面積有很大的差別。紙基摩擦材料的摩擦性能與其實(shí)際接觸面積有關(guān)而與表觀接觸面積無(wú)關(guān)。發(fā)生摩擦?xí)r,在壓力和剪切力作用下,紙基摩擦材料表面的微凸體與對(duì)偶盤接觸并逐漸屈服使得微凸體逐漸被磨平。

Kimura Yoshitsugu等[30]利用偏振光反射技術(shù)和激光顯微技術(shù)研究了紙基摩擦材料在壓力和剪切力作用下與對(duì)偶盤的接觸面積的變化。結(jié)果表明,紙基摩擦材料表面存在大量的微凸體,紙基摩擦材料與對(duì)偶盤的接觸首先發(fā)生在這些微凸體的頂端,隨著壓力增加,微凸體被壓縮,發(fā)生黏彈性形變。隨著接合次數(shù)的增加,紙基摩擦材料與對(duì)偶盤的實(shí)際接觸面積逐漸增大,在400次接合之前,實(shí)際接觸面積增加很快,之后增加較慢。

Gao H.等[31]利用有限元模型來(lái)研究紙基摩擦材料的表面性能。研究發(fā)現(xiàn),紙基摩擦材料表面存在著不同幾何形狀的微凸體,如球形微凸體、臺(tái)階狀微凸體等。在開始接觸階段,臺(tái)階狀微凸體與對(duì)偶盤的接觸面積增加較快,球形微凸體與對(duì)偶盤的接觸面積增加較慢;之后,由于微凸體產(chǎn)生變形,臺(tái)階狀微凸體與對(duì)偶盤的接觸面積增加較慢。這種亞表面的變形涉及應(yīng)力應(yīng)變、彈性應(yīng)變及剪切應(yīng)力。

一般認(rèn)為,紙基摩擦材料的磨損機(jī)理與其他材料的類似,即由黏著磨損、磨粒磨損及疲勞磨損組成,因而近年沒有關(guān)于紙基摩擦材料新磨損機(jī)理研究的報(bào)道。

紙基摩擦材料在使用過(guò)程中的主要磨損機(jī)理為黏著磨損,摩擦片在使用過(guò)程中局部高溫和材料軟化是產(chǎn)生黏著磨損的重要原因。在摩擦制動(dòng)過(guò)程中,紙基摩擦材料表面微凸體與接觸界面間由于黏結(jié)、剪切、斷裂、機(jī)械切削作用及組分熱降解產(chǎn)生大量的熱量使接觸區(qū)域溫度升高,熱量的進(jìn)一步積累必然會(huì)導(dǎo)致紙基摩擦材料的剪切強(qiáng)度下降從而產(chǎn)生黏著、撕脫與涂抹現(xiàn)象。有關(guān)磨損表面狀態(tài)及磨粒的性質(zhì)有待進(jìn)一步研究,這將有助于進(jìn)一步揭示紙基摩擦材料的磨損機(jī)理,以便更好地控制它的磨損。

5 研究展望

綜上所述,紙基摩擦材料的摩擦、磨損機(jī)理研究所涉及的學(xué)科知識(shí)多、體系復(fù)雜,需要眾多學(xué)科交叉配合,其機(jī)理尚不完善。同時(shí)紙基摩擦材料研究的實(shí)踐性很強(qiáng),既需要良好的實(shí)驗(yàn)測(cè)試手段,也需要建立理論模型,以此進(jìn)一步指導(dǎo)研究,搭建從理論到實(shí)踐的橋梁。

近幾十年來(lái),一些學(xué)者在紙基摩擦材料理論和實(shí)踐方面做了一些開創(chuàng)性的研究,并取得了一系列積極成果,不斷提高紙基摩擦材料的性能,使紙基摩擦材料在摩擦領(lǐng)域中的作用越來(lái)越重要,應(yīng)用越來(lái)越廣泛。但就目前的研究水平來(lái)看,過(guò)多注重材料的配方設(shè)計(jì),忽略理論研究,學(xué)科交叉研究不夠,還基本處于單學(xué)科研究狀態(tài),理論不系統(tǒng),理論之間缺乏相互聯(lián)系。

今后應(yīng)該更加注重進(jìn)行學(xué)科交叉的研究,重新整合現(xiàn)有理論,提出更具指導(dǎo)意義的新理論。更加注重紙基摩擦材料的結(jié)構(gòu)、摩擦磨損性能及機(jī)理的研究,特別是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、摩擦過(guò)程表面物理化學(xué)性能變化、形貌變化、結(jié)構(gòu)變化及穩(wěn)定性等方面;同時(shí)也應(yīng)注重相關(guān)模型的研究,這將有助于實(shí)現(xiàn)對(duì)紙基摩擦材料摩擦磨損機(jī)理的深入了解,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)紙基摩擦材料性能的設(shè)計(jì)及預(yù)測(cè)。2001,44(1):97.

[1] Masao Eguchi,Takashi Yamamoto.Shear characteristics of a boundary film for a paper-basedwet frictionmaterial:friction and real contact area measurement[J].Tribology International,2005,38(3):327.

[2] Anderson A E.Friction and Wear of Paper Type Wet Friction Elements[J].W ire,1972(5):22.

[3] RazzaqueM M,Takahisa Kato.Squeezing of a porous faced rotating annular disk over a grooved annular disk[J].Tribology Transactions, tion materials for oil immersed clutches[J].Journal of Tribology, 1998,120(2):393.

[4] Fujii Y,ToblerW,Snyder T.Prediction ofwet band brake dynamic engagement behavior part 1:mathematical model developments[J]. Journal ofAutomobile Engineering,2001,215(4):479.

[5] Berger E J,Sadeghi F,Krousgrill C M.Finite ElementModeling of Engagement of Rough and Grooved Wet Clutches[J].J.Tribol., 1996,118(1):137.

[6] Gao H,Barker G.Engagement of a rough,lubricated and grooved disk clutch with a porous defor mable paper-based friction material [J].Tribology Transaction,2002,45(4):464.

[7] Mikael Holgerson.Apparatus for measurement of engagement characteristics of a wet clutch[J].Wear,1997,213(1/2):140.

[8] Berger E J.Analytical and numerical modeling of engagement of rough,permeable,grooved wet clutches[J].Journal of Tribology, 1997,119(1):143.

[9] EguchiM.Friction-velocity characteristics of a paper-based wet friction material in low sliding velocity(Part 1)—Boundary film model supposing Eyring viscosity[J].JournalofJapanese Society of Tribologists,2001,46(2):162.

[10] 付業(yè)偉,李賀軍,李克智.控制潤(rùn)滑狀態(tài)下紙基摩擦材料的摩擦特性研究[J].潤(rùn)滑與密封,2005,169(3):40.

[11] Matsuoka Toru.Study on effect of calcium sulfonate on friction characteristics of paper-based friction materials under low sliding velocity [J].Journal of Japanese Society of Tribologists,2002,47 (6):479.

[12] Matsuoka Toru.Study on effect of oiliness agents in the presence of detergents on friction characteristics of paper-based friction materials under low sliding velocity[J].Journal of Japanese Society of Tribologists,2002,47(6):488.

[13] Matsuoka Toru,MurakiM.Study on the effect of oiliness agents on friction characteristics of paper-based friction materials under low sliding velocity[J].Journal of Japanese Society of Tribologists, 2001,46(8):655.

[14] Satoshi?,Takashi K,Nobuyuki K,et al.Elasticity-an important factor of wet friction materials[J].SAE Trans.,1991,100 (2):168.

[15] Yang Yubo,Lam Robert C,Fuji Tamotsu.Prediction of torque response during the engagementofwet friction clutch[J].SAE Special Publications,1998(2):233.

[16] Matsumoto Takayuki,NSKWarner K K,Shizuoka.Study of the durability of a paper-based friction material influenced by porosity[J]. Journal of Tribology,1995,117(2):272.

[17] 鄧海金,李雪芹,李 明.孔隙率對(duì)紙基摩擦材料壓縮回彈和摩擦磨損性能影響的研究[J].摩擦學(xué)學(xué)報(bào),2007,27 (6):544.

[18] 任遠(yuǎn)春,李賀軍,李克智.固化壓力對(duì)一種紙基摩擦材料摩擦性能的影響[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào),2007,24(4):118.

[19] 李賀軍,費(fèi) 杰,齊樂華,等.孔隙率對(duì)碳纖維增強(qiáng)紙基摩擦材料摩擦磨損性能的影響[J].無(wú)機(jī)材料學(xué)報(bào),2007,22 (6):1159.

[20] Miyazaki Tomoyuki,Matsumoto Takayuki,Yamamoto Takashi.Effect of visco-elastic propertyon friction characteristicsof paper-based fric-

[21] Matsumoto T.Influence ofpaper-based frictionmaterial visco-elasticity on the performance of a wet clutch[J].SAE Special Publications,1997(2):165.

[22] 李雪芹,鄧海金,任 鋼,等.混雜纖維增強(qiáng)紙基摩擦材料壓縮回彈性能的研究[J].汽車技術(shù),2005(5):35.

[23] 鄧海金,李雪芹,任 鋼,等.紙基摩擦材料纖維樹脂含量和孔隙率對(duì)壓縮回彈性能的影響[J].理化檢測(cè)-物理分冊(cè),2005, 41(2):55.

[24] Hattori Y,Kato T.Theoryof frictional vibration in wet clutches considering poroelastic properties of paper-based facing[J].American Society ofMechanical Engineers,1996,18(3):520.

[25] 溫詩(shī)鑄.摩擦學(xué)原理[M].北京:清華大學(xué)出版社,2002.

[26] Davi Coby L,Farshid Sadeghi,Krousgrill CharlesM.A simplified approach tomodeling ther mal effects inwet clutch engagement:analysis and experimental comparion[J].Journal of Tribology,2000, 122(1):110.

[27] Gram bo R E,Dowell R E,Mackay I.Oil-immersed static coefficient of friction-definition and methods of determination[J].SAE Technical Paper,1984(4):865.

[28] 付業(yè)偉,李賀軍,費(fèi) 杰,等.溫度對(duì)碳纖維增強(qiáng)紙基摩擦材料摩擦磨損性能的影響[J].摩擦學(xué)學(xué)報(bào),2005,25(6):583.

[29] 付業(yè)偉,李賀軍,李克智,等.一種新型短切碳纖維增強(qiáng)紙基摩擦材料研究[J].材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào),2004,22(6):802.

[30] Kimura Yoshitsugu,Otani Chikashi.Contact and wear of paperbased friction material for oil-immersed clutches—wear model for composite material[J].Tribology International,2005,38(11/12): 943.

[31] Gao H,Barber G C,Rama S C,et al.Finite element modeling of contact of a paper-based friction material[J].Tribology Transactions,2002,45(1):31.

Abstract:Paper-based friction materialwhich has outstanding friction properties has been widely applied in automatic trans missions and braking systems of various vehicles and engineeringmachines.In last decade,with the increasingof recognizing the importance and the potential applications of thismaterial,related studies were carried out and some theories were developed.This paper is focused on the advances of study on the engagement and lubricationmechanis ms,the effectsofmaterial structure,mechanics,temperature and surface morphology characteristics on the friction properties of paper-based friction material.

Keywords:paper-based friction material;lubrication mechanis m;friction properties;morphology characteristics

(責(zé)任編輯:劉振華)

Advances of Study on Friction Properties andM echan is m s of Paper-based Friction Materials

ZHONGLin-xin FU Shi-yu＊ZHOU Xue-song ZHAN Huai-yu

(State Key Lab of Pulp and Paper Engineering,South China University of Technology, Guangzhou,Guangdong Province,510640)
(＊E-mail:shyfu@scut.edu.cn)

TH117.3

A

1000-6842(2010)01-0096-06

2009-09-27(修改稿)

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)重點(diǎn)項(xiàng)目,2007AA100704。

鐘林新,男;在讀博士研究生;研究方向:功能紙基復(fù)合材料。

＊通信聯(lián)系人:付時(shí)雨,E-mail:shyfu@scut.edu.cn。