ZnO晶須對(duì)碳纖維增強(qiáng)紙基摩擦材料性能的影響

費(fèi) 杰， 張 浩， 董立社， 張立潔， 黃劍鋒， 羅 丹

(1.陜西科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 陜西 西安 710021； 2.陜西漢德車橋有限公司， 陜西 西安 710201)

ZnO晶須對(duì)碳纖維增強(qiáng)紙基摩擦材料性能的影響

費(fèi) 杰1， 張 浩1， 董立社2， 張立潔1， 黃劍鋒1， 羅 丹1

(1.陜西科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 陜西 西安 710021； 2.陜西漢德車橋有限公司， 陜西 西安 710201)

以ZnO晶須作為材料改性劑，制備了不同晶須含量的碳纖維增強(qiáng)紙基摩擦材料.通過(guò)測(cè)試不同晶須含量樣品的孔隙率、粗糙度以及微觀形貌，研究材料結(jié)構(gòu)隨晶須含量的變化規(guī)律；測(cè)試樣品的力學(xué)性能和摩擦學(xué)性能，探究了材料性能隨晶須含量變化的關(guān)系.結(jié)果表明：ZnO晶須可以改善紙基摩擦材料的均勻性，隨著晶須含量的增加，材料孔隙率先上升后下降，樣品剪切強(qiáng)度隨晶須含量增加而上升.當(dāng)晶須含量在20%～30%之間時(shí)，樣品具有最佳綜合性能.

碳纖維； ZnO晶須； 紙基摩擦材料； 孔隙率

0 引言

紙基摩擦材料是一種工作于潤(rùn)滑油條件下的摩擦材料，廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械變速箱、轎車自動(dòng)變速器和摩托車離合器中.與銅基濕式摩擦材料相比，具有摩擦系數(shù)高、傳扭能力強(qiáng)、制動(dòng)平穩(wěn)、使用壽命長(zhǎng)等突出優(yōu)點(diǎn)[1-4].

碳纖維具有密度低、硬度大、軸向強(qiáng)度高、尺寸穩(wěn)定性好等諸多優(yōu)異性能而逐漸應(yīng)用于紙基摩擦材料中.然而，由于碳纖維相對(duì)于芳綸纖維柔韌性較差，不同取向的碳纖維接觸、搭接，在紙基摩擦材料中形成大量大小不一的孔隙，使紙基摩擦材料的均勻性較差，導(dǎo)致紙基摩擦材料穩(wěn)定性下降.為此，我們前期對(duì)比微米級(jí)與毫米級(jí)碳纖維增強(qiáng)紙基摩擦材料的摩擦學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)微米級(jí)碳纖維明顯優(yōu)于毫米級(jí)碳纖維的性能，說(shuō)明孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)該類摩擦材料摩擦學(xué)性能具有極為重要影響[5].

四針狀ZnO晶須由于其良好的耐磨性和較高的強(qiáng)度和硬度，廣泛用作復(fù)合材料增強(qiáng)改性劑.此外，獨(dú)特的立體四針狀結(jié)構(gòu)使其能夠更容易均勻分散在材料基體中.因此，將其加入紙基摩擦材料中，適當(dāng)填充孔隙，可制備出均勻性良好的濕式摩擦材料.

基于此，本文將ZnO晶須添加到碳纖維增強(qiáng)紙基摩擦材料中，制備出不同晶須含量的紙基摩擦材料，研究了樣品力學(xué)性能和摩擦學(xué)性能的變化規(guī)律，結(jié)果將為該類摩擦材料的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo).

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原材料和樣品制備

增強(qiáng)纖維：PAN基短切碳纖維，長(zhǎng)度為800～1 000μm，直徑5～8μm；芳綸纖維，長(zhǎng)度2～4 mm；纖維素纖維，長(zhǎng)度2～5 mm；四針狀ZnO晶須，根部直徑，2～5μm，針狀體長(zhǎng)度，30～100μm.粘結(jié)劑：丁腈橡膠改性的酚醛樹脂；溶劑：分析純無(wú)水乙醇等.

將短切碳纖維、芳綸纖維、纖維素纖維、ZnO晶須和水按一定比例混合制備出均勻分散的摩擦材料漿液，采用摩擦材料預(yù)制體成型器得到摩擦材料預(yù)制體，然后烘干，浸漬改性酚醛樹脂乙醇溶液.在硫化機(jī)上成型出紙基摩擦材料樣品.本文中制備了不同ZnO晶須含量的樣品，其配比如表1 所示.所使用四針狀ZnO晶須的微觀形貌及尺寸如圖1所示.

表1 各樣品原材料配比(%)

(a)放大500倍照片 (b)放大2 000倍照片圖1 四針狀ZnO晶須的SEM照片

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

采用美國(guó)麥克儀器公司全自動(dòng)壓汞法孔徑分析儀AutoPoreⅣ 9510測(cè)試樣品的孔隙率和孔徑分布.

采用CFT-Ⅰ型多功能材料表面性能綜合測(cè)試儀測(cè)試樣品的動(dòng)摩擦系數(shù)和磨損率.

采用美國(guó)FEI公司Q45型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察樣品的表面形貌.

采用濟(jì)南中路昌試驗(yàn)機(jī)公司的WDW-50H型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試樣品的剪切性能和壓縮回彈性能.

2 結(jié)果與討論

2.1 不同晶須含量樣品的結(jié)構(gòu)及微觀形貌

圖2為不同ZnO晶須含量樣品的微觀形貌照片.從圖2可見，碳纖維在材料中均勻分散，形成許多大小不一的孔隙.在ZnO晶須含量較低樣品中，晶須主要分布在纖維間較小孔隙中，隨著含量增加，晶須主要堆積并填充在材料較大的孔隙中.晶須對(duì)材料孔隙的填充可以改善孔徑分布，提高材料的均勻性，有利于潤(rùn)滑油在材料內(nèi)部流動(dòng)和改善摩擦面潤(rùn)滑狀態(tài).

(a)晶須含量0%的樣品 (b)晶須含量10%的樣品

(c)晶須含量20%的樣品(d)晶須含量30%的樣品圖2 不同ZnO晶須含量樣品的微觀形貌照片

孔隙率和孔結(jié)構(gòu)是紙基摩擦材料的一項(xiàng)重要指標(biāo)，一方面通過(guò)影響潤(rùn)滑油在摩擦材料中的流動(dòng)狀態(tài)，減少摩擦材料的熱磨損，另一方面影響摩擦材料表面的潤(rùn)滑狀態(tài)，進(jìn)而影響摩擦材料的摩擦系數(shù)及其穩(wěn)定性[6,7].

圖3 (a) 和(b) 分別為不同ZnO晶須含量樣品的孔隙率和孔徑分布圖，表2為樣品的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù).可以看出，樣品的孔隙率隨著ZnO晶須含量的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì).當(dāng)ZnO晶須含量從0%增加到10%，孔隙率從37.8% 增長(zhǎng)到40.3%，ZnO晶須含量從10%增加到40%，孔隙率下降至33.2%.同時(shí)看出，隨著晶須含量的增加，材料孔徑分布的范圍變得更寬，材料多孔結(jié)構(gòu)的均勻性更好.這是由于，當(dāng)添加少量晶須時(shí)，晶須主要分布在纖維間較小孔隙中，由于ZnO晶須的支撐作用，使小孔隙在制備過(guò)程中得以保留.當(dāng)晶須含量超過(guò)10 %時(shí)，ZnO晶須逐漸堆積填充在較大的孔隙中，導(dǎo)致材料的孔隙率下降.

(a)孔隙率隨滲透壓力變化的曲線圖

(b)不同孔隙直徑大小的分布曲線圖圖3 不同ZnO晶須含量樣品 孔隙率和孔徑分布

CP?0CP?10CP?20CP?30孔隙率/%37．840．335．933．2體密度/(g/mL)1．4061．4541．5631．598

粗糙度是表征材料表面特性的重要參數(shù)，材料表面的粗糙峰在滑動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的犁溝效應(yīng)是產(chǎn)生摩擦力的重要因素之一[8,9].圖4和表3分別為不同ZnO晶須含量樣品的三維表面輪廓圖和粗糙度參數(shù).從圖中可以看出，隨著晶須含量的增加，材料的表面粗糙度呈現(xiàn)出先減小后增加的趨勢(shì).一方面，ZnO晶須填充了材料表面的孔隙，使得材料表面趨于平整，表面粗糙度下降.另一方面，隨著ZnO晶須含量增加，晶須不可避免的沉積在材料表面，使得材料的表面粗糙峰增加，導(dǎo)致材料粗糙度的上升.兩種因素共同作用，導(dǎo)致了材料表面粗糙度的變化趨勢(shì).

(a)ZnO晶須含量為0%的樣品

(c)ZnO晶須含量為20%的樣品

(d)ZnO晶須含量為30%的樣品圖4 不同ZnO晶須含量樣品的三維輪廓圖

CP?0CP?10CP?20CP?30Ra5．0953．8262．4545．557Rc22．36416．05311．6421．739Rq7．0575．1393．3326．993

2.2 晶須含量對(duì)樣品力學(xué)性能的影響

壓縮性能是紙基摩擦材料主要性能之一.在濕式離合器等接合-分離過(guò)程中，紙基摩擦材料產(chǎn)生形變，同時(shí)潤(rùn)滑油從材料內(nèi)部擠出和重新吸入，從而影響摩擦材料的熱磨損行為.因此，具有良好的壓縮性能是保證材料的摩擦性能和耐熱性的重要的條件之一[10,11].圖5所示為不同晶須含量樣品的壓縮率.由圖5可知，在200 N載荷下，樣品CP-20、CP-30的壓縮率僅為14%和12.7%，而CP-0的壓縮率為26.2%，相同的載荷下，樣品CP-20與CP-30的壓縮率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于樣品CP-0，這是因?yàn)?，晶須有效填充于較大孔隙中，使得樣品多種尺寸的孔隙能發(fā)揮更好分散應(yīng)力的作用，從而有效提高了材料的抗壓能力.這表明ZnO晶須的加入將有利于提高摩擦材料的抗壓縮性能并改善材料的摩擦磨損性能.

圖5 不同ZnO晶須含量樣品的壓縮率

在濕式離合器和制動(dòng)器結(jié)合-分離過(guò)程中，紙基摩擦材料受到剪切力作用，從而產(chǎn)生材料的層間破損，具有良好的抵抗剪切作用的能力是保證紙基摩擦材料使用壽命的必要條件之一.圖6所示為不同ZnO晶須含量樣品的剪切強(qiáng)度柱狀圖.由圖6可知，不添加晶須樣品的剪切強(qiáng)度僅為2.23 MPa，當(dāng)樣品中晶須含量提高到30%時(shí)，剪切強(qiáng)度為5.05 MPa，強(qiáng)度提高接近一倍，可見晶須的加入具有明顯的顆粒增強(qiáng)效果，可大幅度改善復(fù)合材料的界面結(jié)合狀態(tài)，有利于提升復(fù)合材料的摩擦磨損性能.

2.3 晶須含量對(duì)樣品摩擦學(xué)性能的影響規(guī)律

圖7所示為不同ZnO晶須含量樣品的摩擦系數(shù)隨速率變化趨勢(shì).由圖7可以看出，隨著速率的增加，樣品的摩擦系數(shù)減小，這是由于，在較高的速度下，摩擦副表面的粗糙峰之間難以形成有效的犁溝效應(yīng)，從而降低了摩擦材料與對(duì)偶間的摩擦系數(shù)[12,13].添加ZnO晶須樣品的摩擦系數(shù)隨晶須含量的增加而上升，對(duì)于添加ZnO晶須的樣品，隨著晶須含量的增加，粗糙峰數(shù)量增加，導(dǎo)致犁溝效應(yīng)的增強(qiáng)；同時(shí)，材料孔隙率降低，使孔隙中擠出的潤(rùn)滑油相應(yīng)的減少，摩擦面的潤(rùn)滑狀態(tài)變差.兩種影響因素共同作用，最終導(dǎo)致了摩擦系數(shù)的上升.此外，樣品CP-30的摩擦系數(shù)(0.10～0.14)高于CP-0(0.08～0.12)，說(shuō)明當(dāng)晶須含量為30%時(shí)，添加ZnO晶須的樣品具有比未添加ZnO晶須樣品更高的摩擦系數(shù).

圖6 不同ZnO晶須含量樣品的剪切強(qiáng)度

圖7 摩擦系數(shù)隨速度變化的曲線圖

圖8所示為不同ZnO晶須含量樣品在摩擦速率為500 t/min和載荷為150 N條件下長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)摩擦的磨損率.由圖中可見，材料的磨損率隨著ZnO晶須的含量增加先下降后上升，同時(shí)樣品CP-20 的磨損率(1.51×10-5mm3/(N·m))比CP-0(3.02×10-5mm3/(N·m))降低50%.對(duì)比不同ZnO晶須含量樣品的粗糙度可見，樣品的磨損率與粗糙度呈同步變化的趨勢(shì).這是因?yàn)?，在濕摩擦條件下，潤(rùn)滑油膜的存在，使得因?qū)嶋H接觸產(chǎn)生的粘著作用較小，摩擦力主要由表面粗糙峰嵌入導(dǎo)致的犁溝效應(yīng)產(chǎn)生[14,15].當(dāng)粗糙度增加時(shí)，則犁溝效應(yīng)變得更加嚴(yán)重，相應(yīng)的磨損加劇，導(dǎo)致磨損率上升.值得注意的是，未添加ZnO晶須樣品CP-0的粗糙度比CP-30低，卻表現(xiàn)出較高的磨損率.這是因?yàn)?，ZnO晶須增強(qiáng)了材料的剪切強(qiáng)度，使材料在相同條件下，能夠抵抗粗糙峰犁溝力的作用，從而使材料具有更低的磨損率.

圖8 不同ZnO晶須含量樣品的磨損率圖

圖9所示為不同ZnO晶須含量樣品磨損后微觀形貌的背散射SEM照片.由圖9可見，樣品表面存在碳纖維拔出和縱向磨痕的磨損現(xiàn)象.這說(shuō)明材料的主要磨損形式是碳纖維的剝離和犁溝效應(yīng)導(dǎo)致的磨粒磨損.同時(shí)，隨著ZnO晶須含量的增加，纖維拔出的現(xiàn)象明顯減少，同時(shí)磨損表面變得更加光滑致密，并且在部分區(qū)域形成了摩擦膜，這使得材料的摩擦性能在摩擦過(guò)程中變得更加穩(wěn)定，從而大幅度改善摩擦材料的耐磨損性能.

(a)晶須含量0%的樣品 (b)晶須含量10%的樣品

(c)晶須含量20%的樣品 (d)晶須含量30%的樣品圖9 不同ZnO晶須含量樣品 磨損形貌照片

圖10為樣品CP-20磨損后的高倍率背散射SEM照片.由圖10可清晰看到，ZnO晶須在摩擦過(guò)程中的磨平現(xiàn)象，而晶須周圍的碳纖維和樹脂沒有被磨平的痕跡.由此可以推斷，在磨損過(guò)程中，ZnO晶須充當(dāng)了粗糙峰的作用并首先被磨平，同時(shí)由于四針狀ZnO晶須的特殊三維立體形貌及其周圍碳纖維的結(jié)合效果使ZnO晶須不易從材料基體中脫落出來(lái)，從而避免了嚴(yán)重磨粒磨損的產(chǎn)生.以上現(xiàn)象表明，ZnO晶須能明顯改善材料磨損過(guò)程，并有效保護(hù)材料基體.

圖10 樣品CP-20放大1 000倍 的磨損形貌照片

3 結(jié)論

本文研究了ZnO晶須對(duì)碳纖維增強(qiáng)紙基摩擦材料結(jié)構(gòu)、力學(xué)和摩擦學(xué)性能的影響規(guī)律.研究結(jié)果表明，隨著ZnO晶須含量的增加，紙基摩擦材料的孔隙率呈下降趨勢(shì)，孔徑分布更加均勻；材料的剪切強(qiáng)度和摩擦系數(shù)呈上升趨勢(shì)，其中晶須含量為30%的樣品剪切強(qiáng)度和摩擦系數(shù)最高.樣品磨損率隨晶須含量的增加呈先下降后上升的趨勢(shì)，含量為20%的樣品磨損率最低.ZnO晶須能有效改善碳纖維增強(qiáng)紙基摩擦材料的力學(xué)和摩擦學(xué)性能，當(dāng)晶須含量在20%～30%之間時(shí)，樣品具有最佳的綜合性能.

[1] Kimura Y,Otani C.Contact and wear of paper-based friction materials for oil-immersed clutches-wear model for composite materials[J].Tribology International,2005,38(11):943-950.

[2] Beheshti A,Khonsari M M.An engineering approach for the prediction of wear in mixed lubricated contacts[J].Wear,2013,308(1-2):121-131.

[3] 費(fèi) 杰,王洪坤,黃劍鋒,等.碳纖維增強(qiáng)紙基摩擦材料的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展[J].陜西科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2013,31(4):42-45.

[4] 曹麗云,楊 朝,費(fèi) 杰,等.硫化溫度對(duì)紙基摩擦材料性能的影響[J].陜西科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2014，32(4):31-35.

[5] Fei J,Wang H K,Huang J F,et al.Effects of carbon fiber length on the tribological properties of paper-based friction materials [J].Tribology International,2014,72(4):179-186.

[6] Matsumoto T.A study of the durability of a paper-based friction material influenced by porosity[J].Journal of Tribology,1995,117(2):272-278.

[7] 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):1 159-1 164.

[8] Lange D A,Jennings H M,Shah S P.Analysis of surface roughness using confocal microscopy[J].Journal of Materials Science,1993,28(14):3 879-3 884.

[10] Zhang X,Li K Z,Li H J,et al.Tribological and mechanical properties of glass fiber reinforced paper-based composite friction material[J].Tribology International,2014,69(1):156-167.

[11] 鄧海金,李雪芹,李 明.孔隙率對(duì)紙基摩擦材料的壓縮

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):544-549.

[12] Fei J,Luo W, Huang J F,et al.Effect of carbon fiber content on the friction and wear performance of paper-based friction materials[J].Tribology International,2015,87:91-97.

[13] Zhu Z,Xu L,Chen G.Effect of different whiskers on the physical and tribological properties of non-metallic friction materials[J].Materials & Design,2011,32(1):54-61.

[14] Pei X Q,Bennewitz R,Schlarb A K.Mechanisms of friction and wear reduction by carbon fiber reinforcement of peek[J].Tribology Letters,2015,58(3):1-10.

[15] Feng X,Diao X,Shi Y,et al.A study on the friction and wear behavior of polytetrafluoroethylene filled with potassium titanate whiskers[J].Wear,2006,261(11):1 208-1 212.

【責(zé)任編輯：蔣亞儒】

Properties of carbon fiber reinforced paper based friction material modified by ZnO whisker

FEI Jie1， ZHANG Hao1, DONG Li-she2， ZHANG Li-jie1,HUANG Jian-feng1, LUO Dan1

(1.School of Materials Science and Engineering, Shaanxi University of Science & Technology， Xi′an 710021, China; 2.Shaanxi Hande Axle Co., Ltd., Xi′an 710201, China)

The ZnO whisker was employed as modifier for improving the homogeneity of paper based friction material.In order to study the change of material structure,we tested the porosity,roughness and SEM of samples with different ZnO whisker content.The mechanical and tribological properties of the samples were tested under different condition to explore the relationship between the properties and whiskercontent.The results indicated that the ZnO whisker can improve the inhomogeneity of the paper based friction material.With the increase of the content of the ZnO whisker,the porosity increased and then decreased.The shear strength ofsamples increased with the increase of whiskercontent.In summary,the optimum contentwith the best comprehensive performance of ZnO whisker should be between 20%～30%.

carbon fiber; ZnO whisker; paper based friction material; porosity

2016-11-29

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51672166)； 陜西省科技廳青年科技新星計(jì)劃項(xiàng)目(2014KJXX-68)

費(fèi) 杰(1981-)，男，河南太康人，副教授，博士，研究方向：摩擦材料、碳基復(fù)合材料

1000-5811(2017)01-0045-05

TB332

A