碳布疊層增強樹脂基濕式摩擦材料的制備及其性能＊

李健英，巫莎莎，文國富，尹彩流，王秀飛，藍奇

（廣西民族大學 摩擦材料研究所，廣西 南寧 530006）

0 引言

濕式摩擦材料是在潤滑條件下（即在油中）工作的摩擦材料.因為濕式摩擦材料耐磨損，其被普遍應(yīng)用在飛機、坦克以及汽車等多類機械上，用作機械傳動過程中的制動、離合和變速［1］.濕式摩擦材料的制備、性能及摩擦磨損機理研究是當今新材料領(lǐng)域的前沿研究課題，目前應(yīng)用較為廣泛的濕式摩擦材料是粉末冶金摩擦材料和紙基摩擦材料［2］.粉末冶金摩擦材料摩擦系數(shù)低，傳動不夠平穩(wěn)以及在長時間工作條件下容易與對偶材料粘接，紙基摩擦材料在高轉(zhuǎn)速、大壓力以及潤滑不充分時容易失效［3－5］.如今車輛朝著快速重載方向發(fā)展，對濕式傳動系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性提出了更高的要求，解決問題的關(guān)鍵是怎樣克服粉末冶金摩擦材料和紙基摩擦材料的上述缺點.目前的研究熱點是碳纖維或多纖維增強的復合材料.

由于碳布具有優(yōu)異的自潤滑性能、耐熱性能、承載能力和摩擦磨損性能，其已被廣泛用于多種復合材料中［6－7］，且目前國內(nèi)研究碳布／樹脂基濕式摩擦材料的學者相對較少，摩擦磨損性能參差不齊.眾所周知，黏結(jié)劑對濕式摩擦材料力學性能和摩擦磨損性能的影響非常關(guān)鍵.如梁云等［8］研究了三聚氰胺、腰果殼油改性酚醛樹脂和丁腈橡膠改性酚醛樹脂對芳綸復合紙基摩擦材料的影響，結(jié)果表明后者材料綜合性能較好，其熱分解溫度相對較高，無明顯的“公雞尾”現(xiàn)象.基于此，本實驗采用酚醛樹脂和環(huán)氧樹脂作為黏結(jié)劑，制備一種碳布／雙樹脂摩擦材料，并研究不同比例酚醛樹脂對摩擦材料摩擦磨損性能的影響，有助于開發(fā)高摩擦系數(shù)、高穩(wěn)定性的濕式摩擦材料.

本研究主要是針對高摩擦因數(shù)、低磨損量、耐熱極限高、工作可靠穩(wěn)定的濕式摩擦材料的理想性能，配制不同比例環(huán)氧樹脂和酚醛樹脂混合液黏結(jié)碳布，按一定技術(shù)參數(shù)要求壓制疊層碳布，對壓制后的疊層碳布進行固化處理，測定疊層碳布的摩擦系數(shù)和硬度，探索碳布疊層增強環(huán)氧樹脂濕式摩擦材料的最佳制備工藝及其性能；針對碳布疊層作為增強基體，探索環(huán)氧樹脂和酚醛樹脂作為黏結(jié)劑的摩擦材料的摩擦磨損機理.

1 實驗部分

1.1 實驗材料

增強纖維：日本東麗碳纖維布（平紋、雙向布、3 K、T300、面密度為200g／m2）.黏結(jié)劑：PF－200，腰果殼油改性酚醛樹脂，微黃粉末；E－44環(huán)氧樹脂，透明膠狀.溶劑：分析純無水乙醇.

1.2 實驗配方

碳布疊層增強樹脂基濕式摩擦材料浸漬劑配方見表1.

表1 浸漬劑配方（wt.%）Tab.1 Impregnant recipe（wt.%）

1.3 材料制備方法

疊層碳布增強樹脂基摩擦材料的制備：

1）先按照比例將改性酚醛樹脂和環(huán)氧樹脂溶解在無水乙醇中，配制呈膠體浸漬劑；

2）用刷子均勻地在碳布上涂抹浸漬劑；

3）在30℃、2h條件下干燥浸漬后的碳布；

4）在平板硫化機上熱壓一定厚度的碳布，工藝參數(shù)為：升溫至80℃后于3MPa保溫5min，120℃在10MPa保溫8min，160℃在15MPa保溫5min；

5）將經(jīng)過熱壓后的碳布放入恒溫鼓風干燥箱中進行固化處理，固化工藝參數(shù)為：180℃保溫8h.固化處理后的樣品如圖1所示.

圖1 固化熱處理后的樣品Fig.1The samples after curing heat treatment

1.4 性能測試

1）使用MM1000－III濕式摩擦試驗機測試經(jīng)熱處理后摩擦材料的摩擦因數(shù).將材料測試樣品裁剪成外徑為Φ75mm、內(nèi)徑為Φ53mm的圓環(huán)，在表面上開等間隔的12個徑向?qū)捲?mm、深為1mm的油槽（如圖2所示）磨平，將其粘接在20＃鋼環(huán)上并放置在32＃液壓油中浸泡24h.實驗前試樣和對偶需進行5次磨損磨合，轉(zhuǎn)速為800r／min，油溫為80℃，保證接觸面積超過80%.根據(jù)GB／T 13826－2008，實驗采用壓力為0.5MPa，轉(zhuǎn)動慣量為0.1kg·m2，轉(zhuǎn)速分別為1000r／min、2000r／min、3000r／min，潤滑油為32＃液壓油，油溫為80℃，流量為3～5ml／cm2.通過改變轉(zhuǎn)速得到樣品的摩擦系數(shù)，摩擦系數(shù)為10次測量值的平均值.

圖2 開油槽后的樣品圖Fig.2Sample image of machined oil groove

2）使用XHR－150塑料布氏硬度計分別測量各個樣品的硬度.在樣品上隨機選取5個點測量硬度，結(jié)果為5個數(shù)值的平均值.

3）使用Zeiss EVO18型蔡司掃描電鏡觀察摩擦性能測試后樣品的表面形貌.

2 實驗數(shù)據(jù)及結(jié)果分析

2.1 混合樹脂對樣品摩擦性能的影響

2.1.1 制動轉(zhuǎn)速對摩擦性能的影響

圖3為在壓力0.5MPa下，腰果殼油改性酚醛樹脂和環(huán)氧樹脂作為黏結(jié)劑制成的樣品的摩擦系數(shù)隨轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系圖.可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的升高，摩擦材料與對偶材料的接觸時間相對較長，摩擦表面的溫度上升，潤滑油黏度降低，摩擦系數(shù)變小.但是2號樣品在3000r／min時的摩擦系數(shù)反而上升，隨著轉(zhuǎn)速和溫度的升高，滑動面的實際接觸會因低凹處磨屑填平和表面剪切變形而增大使摩擦接觸點瞬時溫升降低，因而滑動阻力增加，摩擦系數(shù)隨之升高［9］.

圖3 摩擦系數(shù)隨轉(zhuǎn)速的變化Fig.3Change relation between friction coefficient and brake speed

2.1.2 樹脂含量對摩擦性能的影響

從圖3可以看出，腰果殼油酚醛樹脂和環(huán)氧樹脂的比例為1∶2時摩擦系數(shù)最高，達0.14以上，摩擦性能最好，比例為1∶1時也具有較高的摩擦系數(shù)，比例為2∶1時的摩擦系數(shù)較低.

2.2 不同比例樹脂對摩擦系數(shù)穩(wěn)定性的影響

圖4（a）、（b）、（c）分別為3個樣品在0.5MPa壓力下，轉(zhuǎn)速在3000r／min時的摩擦穩(wěn)定系數(shù)的變化圖.可以看出，經(jīng)過10次實驗后樣品的摩擦穩(wěn)定系數(shù)波動不大保持在0.9左右.環(huán)氧樹脂的黏結(jié)性好，使碳布層與層之間、碳纖維與碳纖維之間的粘接緊密，減少脫粘，所以環(huán)氧樹脂能保證摩擦系數(shù)的穩(wěn)定性.且在固化熱處理過程中始終壓制樣品，以消除樣品發(fā)生變形導致的材料翹曲變形.

圖4 摩擦材料在3000r／min條件下穩(wěn)定系數(shù)Fig.4Friction coefficient Stability of friction materials under 3000r／min speed

2.3 樹脂比例對制動力矩曲線的影響

圖5（a）、（b）、（c）分別是1號、2號和3號摩擦試驗過程中，在轉(zhuǎn)速為2000r／min的摩擦力矩曲線圖.摩擦接觸過程由3個階段組成，即流體擠壓階段、粗糙峰混合接觸階段和壓緊接觸階段，對應(yīng)的摩擦系數(shù)分為起始靜摩擦系數(shù)、動摩擦系數(shù)、鎖止靜摩擦系數(shù)［10］.由圖5可以看出在制動比壓較小時摩擦力矩陡峭上升，1號樣品和3號樣品的摩擦力矩值較大，摩擦力矩曲線中間比較平穩(wěn)，無明顯的“公雞尾”現(xiàn)象，且制動時間較短，表明其摩擦穩(wěn)定性較好.2號樣品的摩擦力矩曲線的尾部波動明顯，制動時間較長，表明其瞬時制動穩(wěn)定性較差，但是其中間部分的力矩曲線的僅有微小的波動，表明其整體上的平穩(wěn)性較好.此外，隨著樹脂比例的變化，2號樣品的摩擦力矩曲線的上升部分的轉(zhuǎn)折更加明顯，轉(zhuǎn)折點降低，這表明隨著樹脂比例的變化，起始靜摩擦力矩增大，摩擦材料的制動容量增大.隨著樹脂比例的變化，引起摩擦振動和摩擦噪音的可能性減小［11］.

圖5 不同樣品在2000r／min轉(zhuǎn)速下摩擦力矩曲線Fig.5Friction torque curve of different samples under 2000r／min speed

2.4 樹脂對硬度的影響

使用XHR－150塑料布氏硬度計測量各個摩擦材料樣品的硬度，數(shù)據(jù)如表2所示.從表2中各樣品的硬度平均值可知，腰果殼油改性酚醛樹脂和環(huán)氧樹脂的比例為1∶2時樣品的硬度最大，為121.8HRL.腰果殼油改性酚醛樹脂和環(huán)氧樹脂的比例為2∶1時的樣品的硬度最小.熱固性的腰果殼油改性酚醛樹脂和環(huán)氧樹脂都能夠提高樣品的硬度，且環(huán)氧樹脂的效果更明顯，故環(huán)氧樹脂含量較多時樣品的硬度更大.

表2 摩擦材料樣品的硬度Tab.2 Hardness of friction material sample（HRL）

2.5 不同樹脂比例在摩擦材料中的作用機理

圖6是不同樣品在摩擦性能測試后在1000倍的表面形貌的SEM照片，從圖中可以看出：樣品經(jīng)磨損后表面出現(xiàn)纖維斷裂、纖維斷裂并分層、黏結(jié)劑脫落、黏結(jié)劑磨損，以及纖維磨損導致的斷面不平整，主要的磨損機理是黏著磨損和疲勞磨損.從圖6（a）、（b）中可以看出，圖6（a）1號樣品表面發(fā)生碳纖維／樹脂界面的分離較多，包括纖維斷裂，黏結(jié)劑脫離碳纖維，出現(xiàn)微小的裂縫，但研究發(fā)現(xiàn)碳纖維與樹脂之間發(fā)生界面分離在摩擦材料摩擦過程中是普遍存在的.圖6（b）2號樣品表面的黏結(jié)劑能夠很好地粘接在每根碳纖維的縫隙里，而且致密性和均勻性較好，碳纖維的排布整齊而密集，但圖6（b）圖出現(xiàn)碳纖維斷裂分層現(xiàn)象而且樣品表面纖維磨損不平.圖6（c）3號樣品產(chǎn)生較多的磨屑和磨粒，材料表面的微小凸起與對偶盤相接觸，由于粘著、剪切、機械切削等作用使微小凸起脫落而形成磨屑.這表明增大腰果殼油改性酚醛樹脂的含量易造成較多的磨屑和磨粒，增大了樹脂的磨損，提高了磨損率.對比3種樣品的表面形貌圖，可見腰果殼油改性酚醛樹脂和環(huán)氧樹脂的比例為1∶2時的2號樣品能夠提高摩擦材料的黏結(jié)性能，降低磨損率，摩擦磨損性能較好.

圖6 不同樣品在1000倍下的SEM圖Fig.6SEM images of different samples under 1000times magnification

3 結(jié)論

通過實驗研究和結(jié)論分析，可得到如下結(jié)論：

1）壓力一定時，碳布疊層樹脂基濕式摩擦材料的摩擦系數(shù)隨轉(zhuǎn)速的升高而減小，轉(zhuǎn)速的降低而增大.

2）酚醛樹脂和環(huán)氧樹脂比例的不同會對摩擦材料的性能產(chǎn)生影響.

3）環(huán)氧樹脂的黏結(jié)性好，使碳布黏合得更加緊密，使摩擦材料的穩(wěn)定系數(shù)不會大幅度波動，幾乎都在0.9以上.

4）腰果殼油改性酚醛樹脂是熱固性樹脂，能提高樣品的硬度.腰果殼油改性酚醛樹脂和環(huán)氧樹脂的比例為1∶2時的所制備的碳布疊層／濕式摩擦材料的綜合性能最好，摩擦系數(shù)達到0.14，摩擦穩(wěn)定系數(shù)在0.85以上.

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