濕式離合器用紙基摩擦片的研究進(jìn)展

原靈霞　顏紅俠　賈園　李婷婷

摘要：紙基摩擦片是一種多孔濕式摩擦材料，因其具有良好的摩擦特性而廣泛應(yīng)用于車(chē)輛及工程機(jī)械的自動(dòng)變速器和制動(dòng)器中。簡(jiǎn)要介紹了紙基摩擦片的摩擦磨損機(jī)理，綜述了近年來(lái)通過(guò)改進(jìn)原料配方、制備工藝和油槽結(jié)構(gòu)提高紙基摩擦片性能的進(jìn)展，并對(duì)紙基摩擦片的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：紙基摩擦片；多孔；摩擦磨損機(jī)理；摩擦性能

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ327 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2014）06-0083-04

紙基摩擦材料出現(xiàn)于上世紀(jì)50年代末，至今經(jīng)歷了由早期的纖維素增強(qiáng)紙基，石棉增強(qiáng)紙基和高品質(zhì)紙基摩擦材料的3代發(fā)展[1]。該種材料已廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、船舶、工程機(jī)械、礦山機(jī)械等領(lǐng)域的離合器、制動(dòng)器中。

隨著紙基摩擦片的應(yīng)用從輕載車(chē)輛向重載車(chē)輛過(guò)渡，對(duì)紙基摩擦片性能的要求也有所提高。GB/T 21955—2008《農(nóng)林拖拉機(jī)和機(jī)械紙基摩擦片技術(shù)條件》對(duì)紙基摩擦片的摩擦性能作出了嚴(yán)格規(guī)定，要求動(dòng)摩擦系數(shù)0.11～0.14，靜摩擦系數(shù)0.12～0.17，磨損率小于5×10-8 cm3/J。GB/T 13826—2008《濕式（非金屬類(lèi)）摩擦材料》規(guī)定：用于汽車(chē)、拖拉機(jī)和工程機(jī)械的紙基摩擦片的動(dòng)摩擦系數(shù)0.15～0.19，靜摩擦系數(shù)大于0.15，磨損率小于6×10-5 cm3/J，密度0.6～3.0 g/cm3，孔隙率25%～50%。

為了提高紙基摩擦材料的性能，保證機(jī)械的工作效率，研究者對(duì)紙基摩擦材料的摩擦機(jī)理進(jìn)行了大量研究。主要是通過(guò)原料配方、制備工藝和溝槽結(jié)構(gòu)的改進(jìn)來(lái)提高紙基摩擦片的摩擦磨損性能和力學(xué)性能。

1 摩擦磨損機(jī)理研究

在車(chē)輛的自動(dòng)變速裝置中，紙基摩擦材料通過(guò)與對(duì)偶片的相互作用而達(dá)到能量傳輸?shù)哪康摹８鶕?jù)接合壓力的不同，可以將紙基摩擦材料與對(duì)偶片的接合過(guò)程分為3個(gè)階段：擠壓段、混合表面接觸段及壓緊接觸段。隨著紙基摩擦材料和對(duì)偶盤(pán)之間的潤(rùn)滑油被逐漸擠壓出接觸面，潤(rùn)滑狀態(tài)由流體潤(rùn)滑過(guò)渡到混合接觸潤(rùn)滑，最后形成邊界潤(rùn)滑。實(shí)際接觸面積和潤(rùn)滑狀態(tài)是影響紙基摩擦材料性能的重要因素。

H.Gao[2]利用Weibull密度分布建立了紙基濕式摩擦材料的微觀接觸模型，并用此模型研究了摩擦材料在接合過(guò)程中的實(shí)際接觸面積，研究發(fā)現(xiàn)摩擦材料的表面粗糙度和偏斜度對(duì)實(shí)際接觸面積都有較大影響。Yubo Yang等[3]利用熱力學(xué)知識(shí)建立了紙基摩擦材料熱傳遞的數(shù)學(xué)模型，并分析了紙基摩擦材料表面在接合過(guò)程中的溫度分布和衰退機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn)接合過(guò)程中90%的熱量被摩擦片吸收，并在摩擦片厚度的方向形成溫度梯度，衰退速率是溫度的函數(shù)。

磨損是2個(gè)相互接觸的固體表面在滑動(dòng)、滾動(dòng)或沖擊運(yùn)動(dòng)中的表面損傷或脫落。在大多數(shù)情況下，磨損是表面微凸體相互作用而引起的。紙基摩擦材料的磨損機(jī)理與其他材料類(lèi)似，即主要由粘著磨損（咬合磨損）、磨粒磨損及疲勞磨損組成。在磨損過(guò)程中，微凸體的局部溫度會(huì)升高，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，進(jìn)而導(dǎo)致摩擦材料更容易發(fā)生磨損。

鐘新林等[4]以劍麻纖維、芳綸纖維、酚醛樹(shù)脂為原料，通過(guò)造紙工藝制備紙基摩擦材料，并在濕式摩擦試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行磨損試驗(yàn)。將磨損樣品用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察，紙基摩擦材料磨損后，其表面發(fā)生纖維磨損、界面分離，并形成磨屑、磨粒。紙基摩擦材料的磨損機(jī)理主要為粘著磨損和疲勞磨損，這2種機(jī)理通過(guò)組分磨損、界面破壞和磨屑及磨粒形成表現(xiàn)出來(lái)。而磨粒磨損不構(gòu)成該材料的有效磨損。熱性能分析結(jié)果表明，摩擦材料在摩擦過(guò)程中發(fā)生了明顯的熱降解。

粘著磨損和熱衰退是紙基摩擦材料老化的主要機(jī)理。Ompusunggu A P等[5]分別研究了粘著磨損和熱降解對(duì)紙基摩擦材料性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，隨粘著磨損的進(jìn)行紙基摩擦材料的表面形貌發(fā)生變化，實(shí)際接觸面積增大，摩擦系數(shù)隨之增大；另一方面，熱降解會(huì)導(dǎo)致紙基摩擦材料的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，材料性能下降，進(jìn)而摩擦系數(shù)降低。

2 原料配方的優(yōu)化

紙基摩擦材料是纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料，一般由纖維、粘合劑、摩擦性能調(diào)節(jié)劑、填料等組分構(gòu)成。因其采用造紙的方式生產(chǎn)坯體，之后經(jīng)過(guò)浸漬樹(shù)脂、熱壓固化而成，所以被稱(chēng)為紙基。紙基摩擦材料的組成是影響材料性能的主要因素。為了提高紙基摩擦材料的摩擦磨損性能，國(guó)內(nèi)外的研究者在原料配方方面進(jìn)行了大量研究。

2.1 增強(qiáng)纖維

增強(qiáng)纖維是摩擦材料的重要組成部分。早期使用的增強(qiáng)纖維主要是纖維素纖維或石棉纖維。但纖維素纖維耐熱性能較差，適用載荷較低；石棉纖維雖然較好地解決了載荷適用性問(wèn)題，但有害健康和環(huán)境污染使其應(yīng)用受到了限制。

徐子才[6]采用竹纖維為增強(qiáng)纖維，制備了一種摩擦性能優(yōu)良的紙基摩擦材料，但其耐熱性較差。李賀軍[7]開(kāi)發(fā)了碳纖維增強(qiáng)紙基摩擦材料，材料耐熱性能優(yōu)異、動(dòng)摩擦系數(shù)高、摩擦性能穩(wěn)定、磨損率低，但其成本較高。

近年來(lái)混合纖維在紙基摩擦材料中應(yīng)用受到廣泛關(guān)注?；旌侠w維可以通過(guò)性能的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)來(lái)滿(mǎn)足摩擦材料的性能要求。Kitahara等[8]使用20%～40%的碳纖維和20%～40%的Kevlar纖維替代天然纖維漿泊，制備的摩擦材料的摩擦性能和耐熱性能均有所改善。Yukio Ikuta等[9]使用微原纖化的苧麻纖維、棉纖維和芳綸纖維為增強(qiáng)纖維，提高紙基摩擦材料在高壓、高速下的耐磨損性能。章少陽(yáng)等[10]開(kāi)發(fā)了一種紙漿纖維、芳綸纖維、玻璃纖維增強(qiáng)的紙基摩擦材料，其摩擦性能與含石棉的紙基摩擦材料的摩擦性能相當(dāng)，而其磨損率1.39×10-5～1.46×10-5 mm3/J，低于石棉紙基摩擦材料的磨損率1.50×10-5 mm3/J。

2.2 粘合劑樹(shù)脂

紙基摩擦材料的各組分在粘合劑的作用下粘結(jié)為一個(gè)整體，并使材料具一定的力學(xué)性能和摩擦磨損性能。

酚醛樹(shù)脂因具有良好的耐熱性、高的力學(xué)強(qiáng)度和相對(duì)高的耐磨性，一直是摩擦材料的首選粘合劑材料。但由于交聯(lián)度高、硬度大、韌性差、易在界面上產(chǎn)生應(yīng)力裂紋，存在與偶盤(pán)貼合性不好、初期摩擦系數(shù)小、在高溫和高載荷情況下耐久性差、高溫狀態(tài)下易對(duì)偶盤(pán)產(chǎn)生熱斑等缺點(diǎn)。解決上述問(wèn)題的途徑是使用改性酚醛樹(shù)脂或混合樹(shù)脂。

Makoto[11]利用P-壬基苯酚改性酚醛樹(shù)脂作為粘合劑，P-壬基苯酚占樹(shù)脂粘合劑總量的5%～60%。制得的摩擦材料具有較穩(wěn)定的摩擦系數(shù)、較高的耐熱性和抗磨損性，有效地抑制了熱斑的形成。梁云[12]以三聚氰胺、腰果殼油改性酚醛樹(shù)脂和丁腈改性酚醛樹(shù)脂為對(duì)象進(jìn)行了相關(guān)研究。結(jié)果表明，丁腈改性酚醛樹(shù)脂制備的材料耐熱性較好，摩擦系數(shù)適中，磨損率低，且壓力穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性相對(duì)較好，離合曲線平穩(wěn)，摩損前后材料表面的孔隙適中，綜臺(tái)性能相對(duì)于三聚氰胺、腰果殼油改性酚醛樹(shù)脂較優(yōu)。

Marc[13]以酚醛樹(shù)脂和硅樹(shù)脂的混合物為粘合劑。Masahiro[14]以可溶性酚醛樹(shù)脂和硅烷偶聯(lián)劑的水溶液作為粘合劑，所制得的摩擦材料具有較高的摩擦系數(shù)，壓縮疲勞性能好且摩擦系數(shù)隨滑動(dòng)速度的增加而增大。

2.3 摩擦性能調(diào)節(jié)劑和填料

摩擦性能調(diào)節(jié)劑和填料的作用是調(diào)節(jié)紙基摩擦材料的摩擦磨損性能，同時(shí)降低摩擦材料的成本。

摩擦性能調(diào)節(jié)劑按其作用可分為增摩劑和減摩劑。常用的減摩劑主要為具有層狀結(jié)構(gòu)的柔軟固體，如石墨。李賀軍等[15，16]研究發(fā)現(xiàn)，隨著石墨粒度的減小和石墨含量的增加，紙基摩擦材料的動(dòng)、靜摩擦系數(shù)減小，磨損率降低，且制動(dòng)穩(wěn)定性較好。陸趙情等[17]在紙基摩擦材料中加入了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%～15%的片狀石墨；而James M.Lee[18]以活性炭代替石墨作為摩擦性能調(diào)節(jié)劑，其多孔結(jié)構(gòu)更有利于潤(rùn)滑油的流動(dòng)，進(jìn)而控制摩擦材料在使用過(guò)程中的熱降解。在碳纖維增強(qiáng)紙基摩擦材料中，碳纖維的自潤(rùn)滑作用將減小材料的摩擦系數(shù)，降低制動(dòng)效率，因此必須使用一定量的增摩劑以提高摩擦系數(shù)。常用的增摩劑是一些硬質(zhì)固體顆粒，如氧化鋁、碳化硅、氧化硅、氮化硼等。例如，李賀軍[19]在制備碳纖維增強(qiáng)紙基摩擦材料時(shí)加入了質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%～15%的氧化鋁。

硅藻土具有多孔結(jié)構(gòu)且價(jià)格低廉，是紙基摩擦材料中最常用的填料。在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常同時(shí)加入多種摩擦性能調(diào)節(jié)劑和填料以獲得較好的綜合性能。Shun kitahara[20]在紙基摩擦材料中加入了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的腰果殼粉和20%的硅藻土作為填料。Matsumoto[21]使用了腰果殼粉、樹(shù)脂顆粒和橡膠顆粒作為摩擦性能調(diào)節(jié)劑，并使用硅藻土和粘土作為填料。

3 制備工藝的優(yōu)化

紙基摩擦材料的工藝流程如圖1所示。

近年來(lái)紙基摩擦材料的生產(chǎn)工藝也有了進(jìn)一步發(fā)展。許多紙基摩擦材料都采用了雙層結(jié)構(gòu)。Lam R C[22]提出支撐層使用棉纖維和非線性彈性纖維為增強(qiáng)纖維，摩擦層使用碳纖維、芳綸纖維和酚醛纖維為增強(qiáng)纖維。所制得的摩擦材料基層孔隙率較高，具有黏彈性和吸油率，而摩擦層具有較高的耐熱性和強(qiáng)度。林榮會(huì)[23]先按照造紙工藝制備出摩擦層和支撐層，將摩擦層和支撐層疊合在一起進(jìn)行壓榨脫水和真空干燥，然后浸漬納米酚醛樹(shù)脂，并熱壓固化。

范培育[24]在紙基摩擦材料預(yù)制體表面涂覆碳納米管摩擦層，然后粘合劑浸漬，并熱壓、固化，所制得的紙基摩擦材料耐熱性較高，摩擦性能穩(wěn)定，但在使用過(guò)程中易脫層。黃劍鋒[25]將碳納米管分散于十二烷基磺酸鈉溶液中，然后加入短切碳纖維、竹纖維和硅藻土，抄片，干燥，浸漬，固化，克服了以往工藝將碳納米管作為增強(qiáng)層添加到濕式摩擦材料中所帶來(lái)的脫層現(xiàn)象，有效降低了磨損率。

Robbert A Todd[26]先后用酚醛樹(shù)脂和硅酸乙酯的水解溶液浸漬紙基摩擦材料預(yù)制體。Lam[27]利用含有摩擦調(diào)節(jié)劑納米顆粒的粘合劑浸漬基體材料，使摩擦調(diào)節(jié)劑納米顆粒均勻地沉積在增強(qiáng)纖維表面。制得的紙基摩擦材料具有穩(wěn)定且良好的摩擦性能，并提高了摩擦材料的抗振動(dòng)性、耐熱性、耐久性和強(qiáng)度。

4 油槽結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

摩擦片的結(jié)構(gòu)形式特別是表面狀態(tài)（如油槽的形狀和分布）對(duì)濕式離臺(tái)器和制動(dòng)器的動(dòng)態(tài)性能有很大的影響。楊化龍等[28]研究發(fā)現(xiàn)油槽對(duì)碳纖維增強(qiáng)紙基摩擦片的摩擦制動(dòng)性能和耐熱性有較大影響。具有油槽的紙基摩擦片在動(dòng)摩擦系數(shù)及穩(wěn)定性方面有較大提高， 靜、動(dòng)摩擦系數(shù)更接近， 其中雙圓弧槽摩擦片摩擦系數(shù)性能最好；無(wú)槽摩擦片耐熱性能較差， 平行槽摩擦片耐熱性能最優(yōu)異。

洪躍等[29]采用微凸體接觸模型的威布爾分布，建立了基于Patir-cheng平均流量模型及威布爾分布的接觸因子的摩擦副研究分析模型；并討論了油槽寬度對(duì)嚙合性能的影響。結(jié)果表明在溝槽數(shù)量一定的情況下，溝槽越寬，摩擦副嚙合實(shí)際接觸面積減小，嚙合轉(zhuǎn)矩的峰值變小；軸向力一定的情況下，延緩后期嚙合過(guò)程，嚙合時(shí)間變長(zhǎng)；反之，嚙合時(shí)間變短。

高曉敏[30]對(duì)不同表面溝槽的摩擦片進(jìn)行了研究，得到了7種典型摩擦片表面溝槽的摩擦特性曲線以及對(duì)動(dòng)態(tài)特性的影響。

Akira Tsuboi [31]提出在摩擦片表面留出大量的油槽，間隔分布在摩擦片表面，當(dāng)摩擦盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，具有卸油角的油槽使?jié)櫥蛷哪Σ敛牧蟽?nèi)圍流入外圍，而具有流入角的油槽使?jié)櫥蛷哪Σ帘P(pán)外圍流入內(nèi)圍。不僅提高了摩擦片在接合過(guò)程中的摩擦性能，而且降低了離合器處于分離狀態(tài)時(shí)由潤(rùn)滑油的黏性引起的阻力。

5 結(jié)語(yǔ)

盡管紙基摩擦材料在挖掘機(jī)、裝載機(jī)等領(lǐng)域得到應(yīng)用，但仍集中在負(fù)載相對(duì)較低的叉車(chē)領(lǐng)域。開(kāi)發(fā)出具有高能量吸收能力的紙基摩擦材料，成為工程機(jī)械用紙基摩擦材料亟待解決的一個(gè)難題。

我國(guó)摩擦材料產(chǎn)業(yè)起步較晚，相對(duì)于國(guó)外還存在較大的差距，因此還需在該領(lǐng)域進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)和理論研究。

參考文獻(xiàn)

[1]賀奉嘉，黃伯云.汽車(chē)制動(dòng)摩擦材料的發(fā)展[J].粉末冶金技術(shù)，1993，11（3）：213-217.

[2]Gao H， Barber G C.Microcontact model for paper-based wet friction materials[J]. Journal of Tribology，2002，124（2）：414-419.

[3]Yang Y， Lam R C. Theoretical and experimental studies on the interface phenomena during the engagement of automatic transmission clutch[J].Tribology Letters，1998，5（1）：57-67.

[4]鐘林新，付時(shí)雨，周雪松，等.紙基摩擦材料的磨損機(jī)理分析[J].中國(guó)造紙，2011，30（6）：26-31.

[5]Ompusunggu A P，Sas P，Van Brussel H.Influence of adhesive wear and thermal degradation on the frictional characteristics of paper-based friction materials：A comparative study[J].ISRN Tribology，2013.

[6]徐子才，屈子梅，溫學(xué)成.一種紙基摩擦材料及其制備方法：CN，l292465A[P].200l-4-25.

[7]李賀軍，付業(yè)偉，李克智，等.碳纖維增強(qiáng)紙基摩擦材料及其制備方法：CN，1446875A[P].2003.

[8]Kitahara S，Umezawa S.Wet friction material：US，6130177[P].2000-10-10.

[9]Ikuta Y.Friction material for operating in oil：US，5290627[P].1994-03-01.

[10]章少陽(yáng)，張?jiān)?一種無(wú)石棉紙基摩擦材料：CN，101250271[P].2008-8-27.

[11]Suzuki M，Mori M.Wet friction material：US，6231977[P].2001-05-15.

[12]梁云，黃小華，胡健，等.樹(shù)脂對(duì)濕式紙基摩擦材料性能的影響[J].造紙科學(xué)與技術(shù)，2005，24（6）：69-69.

[13]Yesnik M A.Friction material comprising powdered phenolic resin and method of making same：US，5529666[P].1996-06-25.

[14]Mori M， Yagi H， Kawai S. Wet friction material：US，7491664[P].2009-2-17.

[15]費(fèi)杰，李賀軍，齊樂(lè)華，等.石墨含量對(duì)紙基摩擦材料摩擦磨損性能的影響[J].摩擦學(xué)學(xué)報(bào)，2007，27（5）：451-455.

[16]張翔，李克智，李賀軍，等.石墨粒度對(duì)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)，2011，26（6）：638-642.

[17]陸趙情，張大坤，王志杰.一種高性能環(huán)保紙基摩擦材料原紙及摩擦片的制作方法：CN，101805589A[P].2010-08-18.

[18]Lee J M.Friction paper containing activated carbon：US，5989390[P].1999-11-23.

[19]李賀軍，付業(yè)偉，李克智，等.碳纖維增強(qiáng)紙基摩擦材料及其制備方法：CN， 1446875[P].2003-10-08

[20]Kitahara S，Muramatsu F，Umezawa S.Wet friction material and process for producing the same：US，6331358[P].2001-12-18.

[21]Matsumoto T，Umezawa S.Method of producing wet friction material and wet frictional material：US，6060536[P].2000-05-09.

[22]Lam R C.High performance two-ply friction material：US，6182804[P].2001-02-06.

[23]林榮會(huì)，方亮，李新平，等.雙層紙基摩擦材料及摩擦片制作方法：CN，1632034[P]. 2005-06-29.

[24]范培育，付業(yè)偉，李賀軍，等.碳納米管雙層紙基摩擦材料研究[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2011， 30（12）：2107-2110.

[25]黃劍鋒，王文靜，費(fèi)杰.一種多壁碳納米管改性紙基摩擦材料的制備：CN， 102943410A[P].2013-02-27.

[26]Todd R A.Friction facing with porous sheet base：US，4045608[P].1977-08-30.

[27]Lam R C，Chen Y F，Maruo K.Porous friction material comprising nanoparticles of friction modifying material：US，7429418[P].2008-09-30.

[28]楊化龍，齊樂(lè)華，付業(yè)偉，等.油槽對(duì)碳纖維增強(qiáng)紙基摩擦片摩擦制動(dòng)性能和耐熱性的影響[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2010，29（012）：1623-1627.

[29]洪躍，劉寶運(yùn)，金士良，等.表面帶溝槽濕式離合器摩擦副嚙合過(guò)程分析[J].潤(rùn)滑與密封，2007，32（12）：69-73.

[30]高曉敏，張協(xié)平，吳凡，等.摩擦片表面溝槽對(duì)離合器動(dòng)態(tài)特性影響的研究[J].傳動(dòng)技術(shù)，2001（3）：10-13.

[31]Tsuboi A，Kawamura S，Miyatsu M，et al.Wet clutch friction plate： US，8061498[P].2011-11-22.