煤矸石粉摻量對(duì)樹(shù)脂基復(fù)合材料摩擦學(xué)性能的影響

薛從強(qiáng)，高誠(chéng)輝，何福善，林有希，鄭開(kāi)魁

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

煤矸石粉摻量對(duì)樹(shù)脂基復(fù)合材料摩擦學(xué)性能的影響

薛從強(qiáng)，高誠(chéng)輝，何福善，林有希，鄭開(kāi)魁

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

為了充分利用廢物研發(fā)綠色制動(dòng)材料，以樹(shù)脂為基體，不同摻量煤矸石粉作為無(wú)機(jī)填料，竹纖維作為增強(qiáng)相，添加鎂鹽晶須、硫酸鈣晶須、銅粉和石墨，用熱壓成型的方法制備試樣，測(cè)試試樣的力學(xué)性能和摩擦學(xué)性能。結(jié)果表明，隨著摻量的增加，洛氏硬度增大，而沖擊強(qiáng)度略有下降。摩擦系數(shù)隨摻量的增加而增大，高溫階段煤矸石粉可以改善熱衰退性，穩(wěn)定摩擦系數(shù)，有良好的耐熱性和熱穩(wěn)定性。煤矸石粉可以促進(jìn)摩擦層的形成，摻量為20%的試樣具有較好的綜合性能。

制動(dòng)材料；煤矸石粉；力學(xué)性能；摩擦學(xué)性能

0 前言

填料是制動(dòng)材料的重要組成部分，其主要功能有：改善和調(diào)節(jié)制動(dòng)材料的力學(xué)性能和摩擦學(xué)性能；調(diào)節(jié)制動(dòng)材料的熱力學(xué)性能和外觀(guān)尺寸；降低制動(dòng)材料的工作噪聲；提高可加工性；降低成本等[1-2]。常用的填料分為有機(jī)、無(wú)機(jī)和金屬3類(lèi)。常用的有機(jī)填料有橡膠，瀝青等，起降低模量、穩(wěn)定摩擦系數(shù)及改善硬度等。無(wú)機(jī)填料可分為増摩填料和減磨填料，増摩填料有SiO2、Al2O3、SiC等，減磨填料有石墨、滑石、云母、MoS2和Cu2S等。金屬填料可提高制動(dòng)材料的耐磨性以及穩(wěn)定摩擦系數(shù)，如銅粉、鑄鐵粉、還原鐵粉、鋁粉及鋅粉等。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，為滿(mǎn)足汽車(chē)向大功率、高速、重載發(fā)展，新型增強(qiáng)材料應(yīng)運(yùn)而生，如碳納米管[3-7]、碳纖維[8-10]、晶須類(lèi)填料[11]等能在特定的條件表現(xiàn)出良好的性能。

煤矸石是煤礦建設(shè)、開(kāi)采及加工過(guò)程中排出的廢石，我國(guó)現(xiàn)積存70億噸，且每年以1.5億噸的速度增長(zhǎng)[12]，不僅占用大量的土地，還污染了環(huán)境。煤矸石的成份主要是SiO2、Al2O3等陶瓷和少量以碳為主的有機(jī)質(zhì)[13]。陶瓷是很好的耐磨材料，選煤矸石作為填料，可望提高復(fù)合材料的性能，還能降低成本，有效處理一部分煤矸石廢料，既保護(hù)環(huán)境又帶來(lái)顯著的效益。文中以樹(shù)脂為粘結(jié)劑，竹纖維、鎂鹽晶須、無(wú)水硫酸鈣晶須為增強(qiáng)相，煤矸石為主要填料，再加銅粉，石墨等為摩擦性能調(diào)節(jié)劑制備新型制動(dòng)摩擦材料，研究不同摻量的煤矸石粉對(duì)摩阻材料力學(xué)性能和摩擦學(xué)性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 摩擦材料的制備

實(shí)驗(yàn)用煤矸石來(lái)自山西某礦場(chǎng)，經(jīng)粉碎，干燥，篩選獲得140目的煤矸石粉。表1為本次實(shí)驗(yàn)用煤矸石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，表中可以看出煤矸石主要由石英，方解石，銨白云母，高嶺石，石墨，及少量FeS2，TiO2組成。煤矸石粉摻量(質(zhì)量百分比)為0%，10%，20%，30%，40%。其他配方為腰果殼油改性酚醛樹(shù)脂，竹纖維，無(wú)水硫酸鈣晶須，鎂鹽晶須，銅粉，石墨粉等，具體質(zhì)量百分比見(jiàn)表2。取試樣總質(zhì)量為45 g，將配好的組分裝入JF801S型高速犁耙式混料機(jī)中充分?jǐn)嚢? min，得到絮狀的混合物。將原料裝入模具中熱壓成型，成型溫度160 ℃～170 ℃，成型壓力0 MPa ～10 MPa，從0 MPa開(kāi)始，逐級(jí)2 MPa遞加，經(jīng)過(guò)5次保壓，每次保壓15 s后排氣，最后在10 MPa壓力下保壓5 min后排氣，2次后成型。隨后在180 ℃下進(jìn)行熱處理，并加工成標(biāo)準(zhǔn)試樣。

表1 煤矸石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

表2 原料配比

1.2 力學(xué)性能和摩擦學(xué)性能測(cè)試

采用XHRD-150型電動(dòng)塑料洛氏硬度計(jì)測(cè)定制備試樣的硬度；采用XJJ-5型簡(jiǎn)支梁式擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)測(cè)定制備試樣的沖擊強(qiáng)度，試樣尺寸為55 mm×10 mm×6 mm，沖擊能量為0.98 J，沖擊速度為2.9 m/s；采用XYC-A型CHASE摩擦試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行摩擦學(xué)性能測(cè)試，試樣尺寸為25.4 mm×25.4 mm× 6.5 mm。試樣經(jīng)過(guò)不少于20 min的磨合，且接觸面積不少于95%后，分別測(cè)量試樣的初始質(zhì)量m1和初始厚度h1，隨后依次進(jìn)行初始基線(xiàn)試驗(yàn)、第1次衰退試驗(yàn)、第1次恢復(fù)試驗(yàn)、磨損試驗(yàn)、第2次衰退試驗(yàn)、第2次恢復(fù)試驗(yàn)和最終基線(xiàn)試驗(yàn)，最后測(cè)量試樣的最終質(zhì)量m2和最終厚度h2，試樣的質(zhì)量磨損率w1和厚度磨損率w2[14]：

1.3 摩擦表面形貌分析

將磨損后的樣品在XL30ESEM型電子掃描電鏡下觀(guān)察顯微結(jié)構(gòu)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 煤矸石粉摻量對(duì)制動(dòng)片力學(xué)性能的影響

不同摻量煤矸石粉對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能影響見(jiàn)圖1。

圖1 不同摻量煤矸石粉對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能影響

從圖1(a)可看出煤矸石粉可增加復(fù)合材料的硬度，硬度隨摻量的增加而增大，少量的添加效果最明顯，摻量為10%時(shí)硬度較未摻量高出6.7%，摻量為30%時(shí)達(dá)到最大值112.9HRM，在40%時(shí)硬度略有下降，但仍保持在較高水平。從圖1(b)可知復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度隨摻量的增加總體呈下降趨勢(shì)，未摻和少摻都維持在較高的水平，當(dāng)摻量大于20%時(shí)沖擊強(qiáng)度下降的較為明顯，最小值出現(xiàn)在40%時(shí)，沖擊強(qiáng)度為3.75kJ/m2，較未摻降低了14.8%。

硬度隨含量的增加而增大可能是因?yàn)槊喉肥惺⒌哪嫌捕葹?級(jí)，高嶺土的莫氏硬度為6級(jí)，都屬于高硬度高模量填料，且二者占總質(zhì)量分?jǐn)?shù)的50%以上，在熱壓成型過(guò)程中可以保持試樣結(jié)構(gòu)的完整性，提高硬度。沖擊強(qiáng)度隨摻量的增加而降低可能是因?yàn)槊喉肥瘜儆跓o(wú)機(jī)填料，表面活性差，難以和樹(shù)脂相容[15]，造成結(jié)合面吸收沖擊能力下降，使試樣的沖擊強(qiáng)度降低，但仍滿(mǎn)足國(guó)標(biāo)要求，沖擊強(qiáng)度不小于3kJ/m2。

2.2 煤矸石粉摻量對(duì)制動(dòng)片摩擦學(xué)性能的影響

初始基線(xiàn)試驗(yàn)中不同摻量煤矸石粉的摩擦系數(shù)隨制動(dòng)次數(shù)的變化見(jiàn)圖2。從圖2可看出，加入煤矸石粉試樣的摩擦系數(shù)均比未摻試樣高，除了摻量10%試樣的摩擦系數(shù)高于摻量20%試樣，摩擦系數(shù)總體隨著摻量的增加呈上升趨勢(shì)。摻量為40%時(shí)摩擦系數(shù)達(dá)到最大值，平均摩擦系數(shù)約為0.3，較未摻試樣高出131%。這說(shuō)明煤矸石粉在摩擦材料中起増摩作用。

圖2 初始基線(xiàn)試驗(yàn)中摩擦系數(shù)隨制動(dòng)次數(shù)的變化

由于第1次衰退，恢復(fù)試驗(yàn)的溫度范圍為82℃～288℃，較第2次衰退，恢復(fù)82℃～343℃低，而其他條件均相同，相對(duì)來(lái)說(shuō)第2次衰退，恢復(fù)試驗(yàn)更具有代表性，因此不再贅述第1次衰退，恢復(fù)試驗(yàn)。第2次衰退，第2次恢復(fù)試驗(yàn)中不同摻量煤矸石粉的摩擦系數(shù)隨溫度的變化見(jiàn)圖3。圖3(a)可看出加入煤矸石粉試樣的摩擦系數(shù)要比未摻試樣高，且隨著摻量增多而增大，特別是在高溫階段，試樣的衰退點(diǎn)隨著摻量的增加而后移，摻量30%的試樣摩擦系數(shù)隨溫度的升高而緩慢增大，在溫度大約290℃才出現(xiàn)衰退現(xiàn)象，比未摻樣或者少摻樣都大大延后。而摻量為40%時(shí)，衰退現(xiàn)象明顯減輕，高溫曲線(xiàn)較為平滑，總體的摩擦系數(shù)維持在0.3～0.4之間。煤矸石粉改善試樣的熱衰退性，穩(wěn)定高溫摩擦系數(shù)可能是因?yàn)槠涑煞种姓即蟛糠值氖⒑透邘X石起作用，石英的主要礦物成分是SiO2，其熔點(diǎn)1750℃，可提高耐磨性和耐高溫性，而高嶺土和白云母中的Al2O3的熔點(diǎn)高達(dá)2000℃，使高嶺土和白云母的耐火度都高于1200℃，從而增加試樣的熱穩(wěn)定性，改善熱衰退性。圖3(b)恢復(fù)試驗(yàn)中摩擦系數(shù)隨著摻量的增加而增加，除了40%摻量在260℃出現(xiàn)較大波動(dòng)，摩擦系數(shù)達(dá)到峰值0.44，其他曲線(xiàn)都較為平穩(wěn)，恢復(fù)性良好。

圖3 第2次衰退、第2次恢復(fù)試驗(yàn)中摩擦系數(shù)隨溫度的變化

正常摩擦系數(shù)和熱摩擦系數(shù)隨煤矸石粉摻量的變化見(jiàn)圖4。從SAE-J661標(biāo)準(zhǔn)溫度的取值范圍可知，正常摩擦系數(shù)表征的是中低溫時(shí)摩擦系數(shù)的平均值，而熱摩擦系數(shù)表征的是中高溫時(shí)摩擦系數(shù)的平均值。圖4可以看出，正常摩擦系數(shù)和熱摩擦系數(shù)都隨著煤矸石粉摻量的增加而增大，在摻量為40%時(shí)二者都達(dá)到最大值，分別為0.356和0.347，較未摻試樣高出118%和157%。圖4中可以看出熱摩擦系數(shù)一般低于正常摩擦系數(shù)，但隨著煤矸石粉摻量的增加，熱摩擦系數(shù)有接近正常摩擦系數(shù)的趨勢(shì)，摻量為30%時(shí)，熱摩擦系數(shù)甚至超過(guò)了正常摩擦系數(shù)，這說(shuō)明了煤矸石充當(dāng)填料時(shí)基體的高溫摩擦系數(shù)有顯著改善，材料具有良好的耐熱性和熱穩(wěn)定性。

圖4 正常摩擦系數(shù)和熱摩擦系數(shù)隨煤矸石粉摻量的變化

質(zhì)量磨損率和厚度磨損率隨煤矸石粉摻量的變化見(jiàn)圖5。圖5中可看出磨損率隨摻量的增加呈先減少后增加的規(guī)律，10%，20%摻量煤矸石的質(zhì)量磨損率和厚度磨損率與未摻試樣相比沒(méi)有明顯變化，說(shuō)明少量的添加煤矸石粉末對(duì)磨損率的影響不大。摻量>20%時(shí)，材料磨損率隨摻量的增加明顯增大，30%時(shí)達(dá)到最大值，質(zhì)量磨損率為6.7%，厚度磨損率為5.48%，而40%的磨損率較30%略有下降。這是因?yàn)?0%～20%摻樣中樹(shù)脂相對(duì)含量較多，可有效的將各個(gè)組分粘接為一個(gè)整體，顯示較低的磨損率。隨著摻量的增加，樹(shù)脂的當(dāng)煤矸石的摻量增至30%～40%時(shí)，由于樹(shù)脂含量相對(duì)減少，粘接作用下降，對(duì)組分的包裹性變差，在摩擦過(guò)程中成分易剝落，造成磨損率增加，特別是高溫時(shí)，部分樹(shù)脂軟化分解，磨損更加嚴(yán)重。從圖5可以看出，質(zhì)量磨損率和厚度磨損率曲線(xiàn)的趨勢(shì)相同，0%和10%摻量試樣質(zhì)量和厚度磨損率相近，隨著摻量的增加，厚度磨損率要小于質(zhì)量磨損率，說(shuō)明煤矸石粉在磨損過(guò)程中可以降低厚度的磨損，穩(wěn)定試樣的尺寸，從而降低厚度磨損率，高摻量時(shí)效果更加明顯。

圖5 對(duì)比試樣的質(zhì)量磨損率和厚度磨損 率隨煤矸石粉摻量的變化

2.3 材料磨損表面形貌分析

磨損試驗(yàn)是在轉(zhuǎn)速為411r/min，載荷為660N的條件下，對(duì)試樣加載20s，卸荷10s，一共進(jìn)行100次，全部試驗(yàn)過(guò)程用鼓溫皆應(yīng)維持在193℃～216℃這個(gè)范圍內(nèi)，用流動(dòng)空氣來(lái)達(dá)到冷卻目的。對(duì)材料磨損后的表面進(jìn)行微觀(guān)形貌觀(guān)察，結(jié)果如圖6所示。從圖6(a)可以看出，未摻試樣表面基本沒(méi)有形成摩擦層，表面上有細(xì)小的磨痕，摻量10%試樣的表面出現(xiàn)了較明顯的摩擦層，如圖6(b)所示。摩擦轉(zhuǎn)移層的形成對(duì)基體有保護(hù)的作用，在宏觀(guān)上表現(xiàn)為磨損率較未摻試樣的低，在摩擦層上出現(xiàn)了凹坑，凹坑的出現(xiàn)可能是由于粘著作用，材料片狀撕扯，轉(zhuǎn)移，此時(shí)的磨損以磨粒磨損和粘著磨損為主。由圖6(c)可見(jiàn)，當(dāng)煤矸石摻量增加到40%時(shí)，局部地方，當(dāng)樹(shù)脂能夠包裹其他成分時(shí)，試樣表面摩擦層平整，面積較10%摻樣大，說(shuō)明增加煤矸石含量可以促進(jìn)摩擦層的形成；同時(shí)由于煤矸石粉含量的增多，大部分地方由于樹(shù)脂含量減少，對(duì)各成分的粘結(jié)能力下降，特別是高溫時(shí)，樹(shù)脂受熱分解，剝落現(xiàn)象嚴(yán)重，纖維拔出，裸露在外，如圖6(d)所示。此時(shí)試樣一方面增加了磨損率，另一方面纖維受阻產(chǎn)生較大摩擦力，摩擦系數(shù)相應(yīng)增大，宏觀(guān)表現(xiàn)為摩擦系數(shù)和磨損率增大，此時(shí)磨損形式以剝落和熱磨損為主。

圖6 不同煤矸石粉摻量的試樣磨損表面SEM照片

綜上所述，采用煤矸石粉填充樹(shù)脂基復(fù)合材料可以改善基體的摩擦學(xué)性能，作為填料填充剎車(chē)片是可行的。試驗(yàn)表明煤矸石粉摻量增加時(shí)摩擦系數(shù)增大，高摻量的煤矸石粉可以改善熱衰退性，穩(wěn)定高溫摩擦系數(shù)，少量的煤矸石可以降低磨損率。綜合各個(gè)因素，摻量為20%時(shí)，硬度適中，抗沖擊強(qiáng)度良好，材料整體摩擦學(xué)性能較佳。此時(shí)填料的含量達(dá)到臨界狀態(tài)，樹(shù)脂連續(xù)性好，能較好填充填料的空間，綜合性能最佳。

3 結(jié)語(yǔ)

1) 煤矸石粉可增加試樣的硬度，硬度總體隨著摻量的增加而增加，摻量為30%時(shí)達(dá)到最大值112.9HRM， 40%時(shí)硬度略有下降。而沖擊強(qiáng)度隨摻量的增加略有下降。

2) 隨著煤矸石的增加，摩擦系數(shù)增大，制動(dòng)片抗熱衰退性能增強(qiáng)。

3) 少量的添加煤矸石對(duì)制動(dòng)片的磨損率影響不大，但能促進(jìn)摩擦層的形成，高摻量的試樣，磨損率明顯增大，試樣出現(xiàn)剝落和熱磨損現(xiàn)象。摻量為20%的試樣具有較好的綜合性能。

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Influence of Resin-based Composites Filled with Coal Gangue Fineson Tribological Performance

XUE Congqiang, GAO Chenghui, HE Fushan, LIN Youxi, ZHENG Kaikui

(School of Mechanical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou 350108,China)

In order to make full use of waste materials, different coal gangue powder is added to resin-base as inorganic fillers to research on green brake pads,together with bamboo fiber, magnesium whisker, calcium sulfate whisker, copper and graphite. Hot pressing is used in specimen preparation and its mechanical properties tribological performances are tested in the experiment. The results show that its hardness increases with the dosage increasement of coal gangue fines, while its impact strength is decreased slightly. As the amount of coal gangue fines increases, its friction coefficient increases accordingly. In the phase of high temperature, coal gangue could improve the heat recession as well as the stabilize friction coefficients. In conclusion, the specimen, added coal gangue to, has good heat-durability and thermal stability. Coal gangue powder can promote the formation of the friction layer, and it is known in the experiment that specimen with 20% dosage has good synthetic properties.

brake material; coal gangue fines; mechanical properties; tribological properties

國(guó)家教育部博士生導(dǎo)師基金資助項(xiàng)目(20113514110006)；國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(51075074)；福建省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2014J01182); 教育部博士點(diǎn)基金(51175085)

薛從強(qiáng)(1983-)，男，福建福清人，碩士，研究方向?yàn)槟Σ翆W(xué)。

TH117.1

B

1671-5276(2015)05-0018-05

2014-03-06