樹(shù)脂基復(fù)合制動(dòng)材料摩擦學(xué)性能的影響因素分析

唐明,林有希

(福州大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院,福建福州350108)

0 引言

自從20世紀(jì)60年代提出摩擦學(xué)這個(gè)概念,這門(mén)學(xué)科就一直備受關(guān)注,也使其成為發(fā)展最快的學(xué)科之一。制動(dòng)摩擦學(xué)作為摩擦學(xué)研究領(lǐng)域里的重要分支,其發(fā)展也極其迅速[1]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,對(duì)交通運(yùn)輸工具和動(dòng)力裝置的速度、安全和舒適等的性能的要求越來(lái)越高,這就對(duì)制動(dòng)機(jī)械裝置和制動(dòng)材料提出了更高的要求,這就要求制動(dòng)材料在不同的速度、溫度、壓力和環(huán)境下有足夠大的摩擦系數(shù)并且能夠保持穩(wěn)定的摩擦系數(shù)[2]。同時(shí)還要求摩擦材料具有良好的耐磨性和抗粘著性,不易損傷金屬對(duì)偶件,摩擦振動(dòng)小,制動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的噪音小等特點(diǎn)。

樹(shù)脂基復(fù)合材料具有較高的摩擦系數(shù),可有效的起到傳動(dòng)和制動(dòng)的作用,因而廣泛應(yīng)用于汽車(chē)制動(dòng)、建筑以及其他工程機(jī)械領(lǐng)域。在樹(shù)脂基摩擦材料中使用的各種成分中,粘合劑樹(shù)脂的性能?chē)?yán)重影響材料的制動(dòng)性能,如制動(dòng)材料的抗衰退性能,踏板的感覺(jué),耐磨損性和噪聲等。這主要是因?yàn)闃?shù)脂的物理和化學(xué)性能影響摩擦過(guò)程中材料的摩擦學(xué)特性[3-5]。因此研究在不同工作條件下材料的摩擦磨損性能有利于全面認(rèn)識(shí)材料的性能,有利于選擇合適的制動(dòng)材料。

本文主要綜述了近年來(lái)有關(guān)樹(shù)脂基復(fù)合材料的摩擦磨損特性的一些研究成果,對(duì)樹(shù)脂基復(fù)合材料的的一些摩擦學(xué)性能進(jìn)行評(píng)述。

1 影響樹(shù)脂基復(fù)合材料摩擦學(xué)性能的主要因素

樹(shù)脂基復(fù)合材料在摩擦磨損過(guò)程中影響其性能的因素很多,如滑動(dòng)速度、制動(dòng)正壓力、溫度、對(duì)偶材料以及材料的表面改性等。

1.1 滑動(dòng)速度

在一般情況下,摩擦材料表面的相對(duì)滑動(dòng)速度越大,摩擦系數(shù)就越小。但是滑動(dòng)速度與摩擦系數(shù)之間具體的關(guān)系,目前還沒(méi)有統(tǒng)一的理論。王乙潛[6]等人認(rèn)為,滑移速度對(duì)PTFE復(fù)合材料的磨損和摩擦的影響主要表現(xiàn)在它對(duì)界面溫度的貢獻(xiàn),當(dāng)超過(guò)臨界界面溫度(靠近軟化溫度)時(shí),磨損很快。隨著摩擦速度的提高,摩擦表面溫度增加,在對(duì)偶件表面會(huì)熔化或軟化,并形成熔化膜。摩擦系數(shù)回升的快慢取決于熔化膜的粘度、厚度、速度、接觸面積等因素。在很高滑動(dòng)速度下,樹(shù)脂基復(fù)合材料表面產(chǎn)生極為強(qiáng)烈的摩擦熱,這將從本質(zhì)上改變滑動(dòng)的表面狀態(tài)[2]。同樣較高的速度下摩擦層之間的剪切作用頻率增加,摩擦層的形成與破壞頻率增加而加劇材料的磨損,同時(shí)也導(dǎo)致制動(dòng)過(guò)程的不穩(wěn)定。

研究表明在較小的PV值下,碳顆粒增強(qiáng)樹(shù)脂及材料的摩擦系數(shù)較大[7],這主要是接觸表面的微凸體的機(jī)械作用強(qiáng)烈,而粗糙變形引起的剪切應(yīng)力很小可以忽略。當(dāng)PV值變大時(shí),摩擦?xí)霈F(xiàn)波動(dòng)并且摩擦系數(shù)減小。但在一定的PV值下,復(fù)合材料的摩擦性能趨于穩(wěn)定,這主要是摩擦過(guò)程中在接觸表面第三體的形成,第三體摩擦層的有機(jī)潤(rùn)滑起到很重要的作用。

樹(shù)脂基復(fù)合材料與SiC增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料對(duì)磨時(shí),隨著滑動(dòng)速度的增加摩擦系數(shù)有所下降。在低速下鋁基復(fù)合材料磨損表面有相當(dāng)粗糙和很深的滑動(dòng)痕跡,但在高速下,磨損表面則相對(duì)光滑。磨損完的復(fù)合材料表面含有氧、鎂、硅、鋁、硫、鈣、鐵、錳、鋅、銅、鋇和碳等。這是在制動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)移膜的形成引起的。在較高速度下表面層的碳含量減少,這是因高速下引起滑動(dòng)表面溫度升高,導(dǎo)致樹(shù)脂等有機(jī)物分解,碳可能會(huì)被氧化成氣體離開(kāi)表面[8]。

1.2 制動(dòng)壓力

聚合物基的復(fù)合材料的摩擦主要來(lái)自粘著、變形和彈性粘滯,而粘著源于范德華力和氫鍵這些弱鍵合力。根據(jù)聚合物的粘著分析,發(fā)現(xiàn)表面粗糙度和載荷都對(duì)摩擦系數(shù)產(chǎn)生影響。在中等表面粗糙度的聚合物表面上增大壓力,微凸體的彈性變形很大,使接觸表面上的單個(gè)微凸體產(chǎn)生整體變形,接觸區(qū)近似于一個(gè)大尺寸單個(gè)微凸體的接觸[9]。由實(shí)驗(yàn)可得材料的摩擦系數(shù)隨著制動(dòng)壓力的增加而減小,這一方面是壓力增大,增加了摩擦材料的實(shí)際接觸面積,材料摩擦表面的緊密貼合相互作用加劇,對(duì)運(yùn)動(dòng)的抵抗作用下降。另一方面,當(dāng)制動(dòng)壓力增大時(shí),樹(shù)脂基復(fù)合材料的摩擦系數(shù)隨著壓力的增加而減小,這是因?yàn)閴毫υ黾雍?聚合物與對(duì)磨面的接觸面積增大,生熱大,增加了聚合物的粘附能力,更容易產(chǎn)生轉(zhuǎn)移膜,形成聚合物跟聚合物之間的摩擦從而減小了摩擦系數(shù)[10]。

研究表明在較低的壓力下,樹(shù)脂基復(fù)合材料的磨屑也是顆粒狀。材料磨損隨著制動(dòng)壓力的增大,磨損也增大,在較大的壓力下,磨屑顆粒承受的剪切和擠壓作用也大,容易破壞摩擦層。同時(shí)由于摩擦熱的增加,聚合物集體軟化,復(fù)合材料里的硬質(zhì)材料容易脫落,同樣也加劇材料的磨損。

在SiC和SiO2以及Al2O3顆粒增強(qiáng)的復(fù)合材料中,制動(dòng)壓力對(duì)材料的摩擦磨損性能影響最大。復(fù)合材料的磨損隨著制動(dòng)壓力的增加而增加,這主要是制動(dòng)壓力的增加加劇了摩擦面之間的磨粒磨損。增強(qiáng)顆粒的硬度不同,制動(dòng)壓力對(duì)其的影響程度也不同[11]。

1.3 溫度

制動(dòng)的過(guò)程就是將物體的運(yùn)動(dòng)動(dòng)能轉(zhuǎn)化成熱能以及其他能量的過(guò)程,其中主要的熱能傳到制動(dòng)材料里,就會(huì)引起摩擦副溫度的升高,影響摩擦副表層的結(jié)構(gòu)和性能。

材料的摩擦系數(shù)通常會(huì)隨滑動(dòng)溫度的改變而改變,因?yàn)椴牧系膹浐闲院涂棺冃涡詴?huì)隨著溫度的變化呈一定的函數(shù)關(guān)系變化。在制動(dòng)過(guò)程中,樹(shù)脂基材表面的閃點(diǎn)溫度比表面溫度高得多,樹(shù)脂作為一種高聚物對(duì)溫度很敏感,隨著溫度的升高會(huì)從玻璃相轉(zhuǎn)變?yōu)橄鹉z相,因此摩擦面間的粘著作用會(huì)加強(qiáng),使得摩擦系數(shù)增加,若溫度進(jìn)一步升高,會(huì)使復(fù)合材料的力學(xué)性能下降,從而降低摩擦系數(shù)。接觸表面溫度的增加會(huì)加劇復(fù)合材料與對(duì)偶件的粘著磨損,同時(shí)也減小復(fù)合材料基體的粘結(jié)作用。

對(duì)偶盤(pán)是灰鑄鐵的銅纖維復(fù)合材料在高溫下可以保持較高的摩擦系數(shù),而鋁纖維的復(fù)合材料的摩擦系數(shù)則有所下降。這有兩個(gè)因素,一是銅纖維的導(dǎo)熱性較好,二是在高溫下接觸表面形成氧化銅可以改善復(fù)合材料的熱衰退[12]。

鋼纖維增強(qiáng)和MoS2作潤(rùn)滑相的樹(shù)脂基復(fù)合材料,在低溫時(shí)主要是粘著磨損和磨粒磨損,復(fù)合材料中的鋼纖維和對(duì)偶鑄鐵中的鐵原子易發(fā)生粘著,粘著點(diǎn)會(huì)被反復(fù)剪切粘著。在高溫下樹(shù)脂的熱分解使其粘結(jié)作用大大減小,造成顆粒脫落,表面膜破裂,降低摩擦的穩(wěn)定性,同時(shí)加劇磨損量[13]。

溫度的升高也會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料表面涂層的失效,在低溫下涂層能很好的發(fā)揮作用,而高溫下涂層軟化甚至破裂,加劇接觸表面的磨損和破壞。表面溫度隨著滑動(dòng)速度的增加而升高,溫度引起表面摩擦性能的變化,所以研究接觸表面的溫度對(duì)材料摩擦性能的影響有很大的意義。

1.4 對(duì)偶材料

在制動(dòng)過(guò)程中,由于摩擦材料和摩擦對(duì)偶之間發(fā)生的變化相當(dāng)復(fù)雜,既有物理變化,又有化學(xué)變化,從而導(dǎo)致摩擦副中的兩元件材料性能也發(fā)生一定的變化,尤其是兩元件接觸面是變化最劇烈的地方。所以對(duì)偶材料的不同,對(duì)樹(shù)脂基復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能有很大的影響。另外對(duì)磨面的粗糙度、硬度等也對(duì)聚合物的制動(dòng)性能影響很大。研究表明灰鑄鐵對(duì)偶件中的金相組織不同,對(duì)摩擦材料的性能也有一定的影響,摩擦盤(pán)中存有10%的鐵素體,會(huì)降低摩擦系數(shù),且產(chǎn)生粘結(jié)現(xiàn)象。對(duì)于一些粘結(jié)現(xiàn)象嚴(yán)重的摩擦材料,就會(huì)產(chǎn)生較大的磨損。

研究表明,樹(shù)脂基金屬纖維增強(qiáng)材料的對(duì)偶材料是鋁基復(fù)合材料時(shí),摩擦系數(shù)對(duì)滑動(dòng)速度的敏感性沒(méi)有灰鑄鐵材料時(shí)強(qiáng)烈。摩擦系數(shù)的變化主要由施加的制動(dòng)壓力引起,由此可以看出金屬纖維摩擦材料與鋁基復(fù)合材料之間的相互作用與它與灰鑄鐵的相互作用是不同的。同時(shí)含有鋁纖維的樹(shù)脂基材料在與鋁基復(fù)合材料對(duì)磨時(shí),表現(xiàn)出高的摩擦系數(shù),這是由于同種金屬相容性的磨損機(jī)制[12]。

當(dāng)對(duì)偶面粗糙度過(guò)大時(shí),接觸表面的粗糙峰在相互嚙合、碰撞以及彈塑性變形過(guò)程中,會(huì)增加表面的犁溝效應(yīng),增加樹(shù)脂基材料的磨損,同樣的粗糙度大引起的摩擦熱就大,摩擦熱過(guò)大,容易引起樹(shù)脂基復(fù)合材料表面的熱熔,從而使摩擦系數(shù)增加。但當(dāng)粗糙度過(guò)小時(shí),復(fù)合材料與對(duì)偶面之間的分子力作用反而增大摩擦系數(shù)[14]。

1.5 材料的表面改性

樹(shù)脂基復(fù)合材料的主要磨損機(jī)理有磨粒磨損、粘著磨損以及疲勞磨損。磨粒磨損是由復(fù)合材料中的硬質(zhì)顆粒及增強(qiáng)顆粒和粗糙對(duì)磨面引起,所以提高接觸表面強(qiáng)度和硬度的處理,可以提高材料的摩擦磨損性能。粘著磨損主要分子間的作用力與接觸表面的材料有關(guān),所以任何可以提高材料的潤(rùn)滑性能和交聯(lián)反應(yīng)的技術(shù),如表面熱處理、化學(xué)處理和表面涂層等均可改善其粘著磨損性能。疲勞磨損主要接觸表面在承受表接觸應(yīng)力的作用時(shí),使表面材料疲勞斷裂形成點(diǎn)蝕或剝落。采用滲碳和滲氮等表面強(qiáng)化技術(shù)可以提高表面的硬度,減小疲勞磨損。

納米ZrO2與碳纖維以及石墨涂層的環(huán)氧樹(shù)脂基材料,可以發(fā)揮協(xié)同作用,顯著降低樹(shù)脂涂層的摩擦系數(shù)和磨損率。碳纖維起力學(xué)支撐、網(wǎng)狀束縛基體材料,可以阻止摩擦過(guò)程中基體表面磨屑和納米粒子的流失,同時(shí)涂層中的納米ZrO2可以提高石墨轉(zhuǎn)移膜的承載能力以及和對(duì)偶面的粘結(jié)強(qiáng)度[15,16]。

C.Weiss,H.Muenstedt研究發(fā)現(xiàn)[17]等離子處理,電暈放電和表面蝕刻等表面處理方法可以提高PEEK(聚醚醚銅)的表面能和潤(rùn)濕性,同時(shí)也提高基體的粘結(jié)性。氧等離子處理會(huì)使聚合物表面產(chǎn)生氧基團(tuán),氬等離子處理值在表面產(chǎn)生自由基,這是由于聚合物分子與有銅原子之間形成不同的化學(xué)鍵(即二次鍵,共價(jià)鍵)導(dǎo)致表面化學(xué)組合屋的改變。氧、氬等離子處理可以減小復(fù)合材料表面的粗糙度,但鉻硫酸腐蝕會(huì)導(dǎo)致表面粗糙度的增加。

2 樹(shù)脂基材料的摩擦磨損機(jī)理

摩擦是發(fā)生在兩個(gè)物體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng),摩擦產(chǎn)生的熱和熱點(diǎn)、振動(dòng)和噪聲等會(huì)導(dǎo)致材料的彈性或塑性變形,在摩擦材料表面產(chǎn)生刮痕、摩屑和摩擦層,以及發(fā)生各種物理化學(xué)反應(yīng)。材料在摩擦過(guò)程中摩擦力主要取決于法向載荷、滑動(dòng)速度、滑動(dòng)距離、接觸面溫度和表面粗糙度。在摩擦過(guò)程中摩擦熱也會(huì)引起接觸面溫度的變化。溫度的變化改變了摩擦過(guò)程中表面相互作用的形式,進(jìn)而也會(huì)使摩擦系數(shù)發(fā)生變化[18,19]。

摩擦材料與對(duì)偶件產(chǎn)生的摩擦力會(huì)導(dǎo)致材料接觸表面的變形、粘著點(diǎn)撕裂、表面硬質(zhì)點(diǎn)和磨屑在接觸表面產(chǎn)生犁溝作用。而這些作用的嚴(yán)重程度和材料的表面形貌、制動(dòng)過(guò)程、所用的材料和制動(dòng)環(huán)境因素有很大的關(guān)系[20]。當(dāng)摩擦材料在較高的速度下制動(dòng)時(shí),摩擦材料的接觸表面產(chǎn)生的摩擦熱會(huì)更大,相對(duì)應(yīng)的摩擦磨損作用也會(huì)更強(qiáng)烈。

在樹(shù)脂復(fù)合材料的制動(dòng)過(guò)程中,可以觀(guān)察到樹(shù)脂基聚合物復(fù)合材料的磨損和其他材料一樣,涉及幾種材料的去除機(jī)理,如粘著磨損,磨粒磨損和疲勞。如果配合表面比較光滑,在接觸面上會(huì)發(fā)生粘著磨損。許多聚合物的磨損是從聚合物向硬質(zhì)材料的轉(zhuǎn)移開(kāi)始的,轉(zhuǎn)移層被剝落后就變成磨粒。在磨合初期,這種轉(zhuǎn)移和剝落慢慢達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),這時(shí)的磨損較低[21]。當(dāng)樹(shù)脂基聚合物與對(duì)偶表面發(fā)生滑動(dòng)摩擦?xí)r,那么主要的磨損機(jī)理就是磨粒磨損,疲勞磨損機(jī)理主要出現(xiàn)在硬質(zhì)的聚合物與平滑表面的摩擦中。在這機(jī)理中,樹(shù)脂基的微凸體主要產(chǎn)生彈性變形,當(dāng)變形過(guò)量時(shí)容易引起裂紋,裂紋的擴(kuò)展和交錯(cuò)就會(huì)產(chǎn)生磨粒。

研究表明各種改性樹(shù)脂基復(fù)合材料有更好的摩擦學(xué)性能,這些特性影響在惡劣工作條件下例如摩擦表面溫度超過(guò)400℃時(shí)的材料性能。即摩擦材料有更好的熱穩(wěn)定性能,而且可以在更短的時(shí)間內(nèi)磨合。同時(shí)改性樹(shù)脂粘結(jié)劑的粘結(jié)強(qiáng)度也對(duì)材料的磨損有一定的影響。例如腰果殼油和雙馬來(lái)酰亞胺改性的酚醛樹(shù)脂,可以顯著提高樹(shù)脂的熱穩(wěn)定性和改善樹(shù)脂的高溫摩擦學(xué)性能,抑制復(fù)合材料的熱衰退性能[22]。使用硼鉬無(wú)機(jī)化合物對(duì)酚醛樹(shù)脂進(jìn)行改性,硼鉬元素會(huì)以結(jié)合鍵的形式存在于樹(shù)脂中,與材料的其他成分進(jìn)行協(xié)調(diào)作用,穩(wěn)定復(fù)合材料的摩擦系數(shù),并降低耐磨性[23]。

纖維在摩擦材料中起到骨架的作用,對(duì)材料進(jìn)行增強(qiáng)。在摩擦過(guò)程中,纖維可能被剝離、拉拔和剪切,因此增強(qiáng)纖維在制動(dòng)中可以提供一定的摩擦力矩[24]。所以纖維對(duì)材料摩擦磨損性能的影響因素主要是纖維本身的性質(zhì)以及纖維與粘結(jié)基體的界面強(qiáng)度。因此當(dāng)纖維含量增加時(shí),摩擦力矩也會(huì)增大,同時(shí)摩擦系數(shù)也增大。但是當(dāng)纖維的含量超過(guò)一定的限額時(shí),粘結(jié)劑樹(shù)脂就不能充分、均勻、完全包覆纖維,纖維和樹(shù)脂基體的粘結(jié)力就會(huì)下降。這樣纖維就很容易被剝離和拉拔。而靠纖維提供的摩擦力矩就會(huì)下降,從而使摩擦系數(shù)減小,磨損增加。所以摩擦材料中纖維的含量要控制在一定的范圍內(nèi)。同時(shí)纖維的不同位向材料的摩擦性能也有很大的差別,纖維垂直于摩擦表面時(shí)摩擦材料的摩擦系數(shù)最大,平行于摩擦表面但與運(yùn)動(dòng)方向垂直時(shí)次之,纖維既與摩擦表面平行又與運(yùn)動(dòng)方向平行時(shí),摩擦系數(shù)最小[12,25]。

研究表明劍麻和鋼纖維混雜增強(qiáng)的改性酚醛樹(shù)脂復(fù)合材料,鋼纖維增加了復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能,劍麻纖維具有較好的耐磨性。但隨著劍麻纖維的增加會(huì)使復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性降低,在摩擦表面出現(xiàn)疲勞磨損[25,26]。銅纖維增強(qiáng)摩擦具有鐵富集的作用,即在摩擦過(guò)程中在材料的表面上會(huì)形成富鐵貧銅的表面層,摩擦材料中的銅元素能從摩擦材料的磨損表面轉(zhuǎn)移到對(duì)偶件的表面,使得對(duì)偶件的表面具有一定量的銅,這對(duì)穩(wěn)定摩擦副的摩擦系數(shù)和提高材料的耐磨性有很大的影響[27]。碳纖維有一定的自潤(rùn)滑作用,碳纖維增強(qiáng)的摩擦材料具有很好的摩擦學(xué)性能,例如摩擦系數(shù)隨溫度的變化平穩(wěn),高溫時(shí)摩擦系數(shù)仍能保持較高,同時(shí)磨損小。

3 結(jié)語(yǔ)

目前關(guān)于樹(shù)脂基復(fù)合制動(dòng)材料的研究很多,主要討論了樹(shù)脂基復(fù)合材料的摩擦磨損性能,分析了影響材料摩擦磨損性能的主要因素,同時(shí)也討論了不同改性的樹(shù)脂以及增強(qiáng)纖維對(duì)材料性能的影響。通過(guò)分析得出:影響材料性能的因素有很多,提高樹(shù)脂基材料的熱衰退性能對(duì)提高材料摩擦磨損性能有重要意義。當(dāng)然符合材料的摩擦學(xué)行為是多變量的函數(shù),材料的性能不僅僅由材料的內(nèi)部性質(zhì)決定,很大程度上還要由材料工作的環(huán)境決定。如高速下材料的諸多摩擦學(xué)問(wèn)題,不同材料處理方式對(duì)材料的影響等。就目前的研究狀況,樹(shù)脂基復(fù)合材料的研究可以從以下幾方面展開(kāi):1)惡劣條件下摩擦材料性能的影響。2)高速高溫以及重載下材料的熱衰退機(jī)理研究。3)不同材料配方對(duì)材料性能的影響。

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