碳纖維/碳基濕式摩擦材料的摩擦學(xué)性能

李 輝， 杜建華， 王浩旭， 蔣守林

(1. 陸軍裝甲兵學(xué)院科研學(xué)術(shù)處， 北京 100072； 2. 杭州前進(jìn)齒輪箱集團(tuán)股份有限公司， 浙江 杭州 311203)

濕式摩擦材料是汽車傳動(dòng)、制動(dòng)的關(guān)鍵材料，廣泛應(yīng)用于各種公路車輛、工程機(jī)械以及坦克裝甲車輛傳動(dòng)系統(tǒng)[1-3]。目前，應(yīng)用較多的濕式摩擦材料有紙基摩擦材料[4]、樹脂基摩擦材料[5]和濕式銅基粉末冶金摩擦材料等[6]。但隨著傳動(dòng)系統(tǒng)能量密度的增大，上述材料容易出現(xiàn)磨損率過高、摩擦材料脫層、掉塊和黏著損傷等失效現(xiàn)象[6-8]。因此，提高濕式摩擦材料的摩擦磨損和耐熱性能已成為研究熱點(diǎn)[9]。如：宋曉東等[7]通過在紙基摩擦材料中添加短切碳纖維，使得其摩擦因數(shù)穩(wěn)定，耐熱系數(shù)顯著提高，最高可達(dá)9.5×104J2/(cm4·s)；張兆民等[10]采用濕法工藝制備碳布增強(qiáng)樹脂基摩擦材料，其耐熱系數(shù)達(dá)9.3×104J2/(cm4·s)；杜建華等[11]分別利用納米AlN和納米石墨制備增強(qiáng)銅基粉末冶金摩擦材料，發(fā)現(xiàn)其摩擦磨損性能更為穩(wěn)定，耐熱系數(shù)分別提高了18%和25%。然而，上述研究未能改變基體材料的本質(zhì)屬性，不能突破耐熱性能瓶頸，以致于無法滿足高能量密度傳動(dòng)系統(tǒng)的使用要求。

將碳基材料應(yīng)用于濕式摩擦工況，可很好地發(fā)揮其耐高溫、耐磨損的特性。如：張明瑜等[12]聯(lián)合運(yùn)用化學(xué)氣相滲透工藝(Chemical Vapor Infiltration, CVI)與樹脂浸漬碳化工藝制備了濕式C/C摩擦材料，其摩擦因數(shù)為0.07～0.13，耐熱性能良好；WANG等[13]采用化學(xué)氣相沉積工藝(Chemical Vapor Deposition,CVD)制備了C/C-SiC摩擦材料，其摩擦因數(shù)穩(wěn)定且體積磨損率幾乎為0。盡管濕式C/C與C/C-SiC摩擦材料的摩擦磨損和耐熱性能相當(dāng)優(yōu)異，但其制備工藝復(fù)雜，成本高，成型厚度大，限制了其在濕式離合器中的廣泛應(yīng)用。鑒于此，筆者采用樹脂浸漬碳化工藝制備了一種新型碳纖維/碳基(Carbon Fiber reinforced/Carbon-based，CF/C)濕式摩擦材料，并對(duì)其摩擦磨損性能、耐熱性能以及磨損機(jī)理進(jìn)行了分析，以期為濕式摩擦材料的制備和應(yīng)用提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試樣制備

采用PAN基碳纖維(日本東麗公司，規(guī)格T300)多維結(jié)構(gòu)織物、雙氰胺改性酚醛樹脂以及無水乙醇(分析純)為原料制備CF/C濕式摩擦材料。

樹脂浸漬碳化工藝過程為：首先，對(duì)碳纖維多維結(jié)構(gòu)織物進(jìn)行處理，以去除其表面漿料，處理溫度為800 ℃，時(shí)長(zhǎng)為1.5 h；然后，采用稀釋后的雙氰胺改性酚醛樹脂溶液浸漬碳纖維多維結(jié)構(gòu)織物，800 ℃下經(jīng)20 h高溫碳化處理后得到CF/C濕式摩擦材料，其密度為1.75 g/cm3；最后，與鋼質(zhì)芯板結(jié)合，制備出CF/C摩擦片。圖1為CF/C摩擦片結(jié)構(gòu)，其中：摩擦片外徑Φ145 mm，內(nèi)徑Φ122 mm，芯板厚度為1.5 mm。

圖1 CF/C摩擦片結(jié)構(gòu)

對(duì)偶片為65Mn鋼，制備時(shí)淬火溫度為810～850 ℃，回火溫度為480～520 ℃，金相組織為回火馬氏體，硬度為30～37 HRC，表面粗糙度為1.5 μm[6]。

1.2 性能評(píng)價(jià)

利用美國Greening公司生產(chǎn)的M1080型SAE No.2試驗(yàn)機(jī)(如圖2所示)測(cè)試CF/C濕式摩擦材料的摩擦磨損和耐熱性能，其摩擦方式為環(huán)-環(huán)摩擦，潤(rùn)滑油為N32號(hào)潤(rùn)滑油。

圖2 M1080型SAE No.2試驗(yàn)機(jī)

1)磨合試驗(yàn)

在壓力為0.5 MPa、轉(zhuǎn)速為1 000 r/min工況下進(jìn)行200次磨合試驗(yàn)，以保證摩擦片與對(duì)偶片充分接觸。

2)摩擦磨損試驗(yàn)

依據(jù)表1所示參數(shù)進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，在穩(wěn)定工況下進(jìn)行1 500次摩擦接合，記錄摩擦扭矩與摩擦因數(shù)。通過測(cè)量磨損前后摩擦片厚度，計(jì)算體積磨損率Δw，即

(1)

式中:A為摩擦接觸面積(mm2)；Δh為磨損前后厚度差(mm)；I為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(kg·m2)；n為摩擦接合次數(shù)；ω為轉(zhuǎn)動(dòng)角速度(rad/s)。

表1 摩擦磨損試驗(yàn)參數(shù)

3)耐熱性能試驗(yàn)

當(dāng)轉(zhuǎn)速為2 370 r/min時(shí)，壓力從2.0 MPa開始，每0.2 MPa進(jìn)行20次摩擦接合，得到摩擦因數(shù)隨壓力的變化曲線；當(dāng)壓力為2.0 MPa時(shí)，轉(zhuǎn)速從2 370 r/min開始，每300 r/min進(jìn)行20次摩擦接合，直至摩擦副失效，得到摩擦因數(shù)隨轉(zhuǎn)速的變化曲線。根據(jù)摩擦副失效前一個(gè)工況的制動(dòng)時(shí)間與制動(dòng)能量，計(jì)算材料耐熱系數(shù)Q，即

(2)

式中:E為單位滑磨功(J/cm2)；W為一次接合滑磨功(J)；P為單位滑摩功率(J·cm-2·s-1)；Δt為打滑時(shí)間(s)。

1.3 形貌分析

采用美國FEI公司Quanta 650型掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope,SEM)觀察摩擦材料磨損前后的表面形貌，以分析其磨損機(jī)理。

2 結(jié)果與分析

2.1 摩擦因數(shù)

在1 500次摩擦接合試驗(yàn)中，CF/C濕式摩擦材料摩擦因數(shù)變化曲線如圖3所示?？梢钥闯觯赫麄€(gè)試驗(yàn)過程的摩擦因數(shù)穩(wěn)定，平均摩擦因數(shù)約為0.107，波動(dòng)范圍小于4%，說明其摩擦性能穩(wěn)定。這是因?yàn)镃F/C濕式摩擦材料具有疏松多孔的結(jié)構(gòu)，使得滑摩過程中潤(rùn)滑油浸潤(rùn)較充分，利于摩擦因數(shù)穩(wěn)定在較低水平。

圖3 摩擦因數(shù)變化曲線

圖4、5分別為CF/C濕式摩擦材料摩擦因數(shù)隨轉(zhuǎn)速和壓力的變化曲線。可以看出：當(dāng)轉(zhuǎn)速由2 500 r/min增至5 500 r/min時(shí)，摩擦因數(shù)由0.107降至0.086，降幅為19.6%；當(dāng)壓力由2.0 MPa增至4.0 MPa時(shí)，摩擦因數(shù)由0.107降至0.088，降幅為17.8%。這是因?yàn)?隨轉(zhuǎn)速和壓力的增加，制動(dòng)能量增大，摩擦生熱量增加，潤(rùn)滑油溫度升高后黏度降低。

圖4 摩擦因數(shù)隨轉(zhuǎn)速變化曲線

圖5 摩擦因數(shù)隨壓力變化曲線

2.2 扭矩曲線

ZHANG等[14]將濕式摩擦接合過程劃分為流體擠壓階段(Ⅰ)、粗糙峰混合接觸階段(Ⅱ)和壓緊階段(Ⅲ)。圖6對(duì)比了相同工況(采用1.2節(jié)中的摩擦磨損試驗(yàn)工況)下， CF/C濕式摩擦材料和紙基摩擦材料(杭州紅旗摩擦材料有限公司生產(chǎn)，型號(hào)HQ-10)的扭矩變化曲線?？梢钥闯觯杭埢Σ敛牧系慕雍吓ぞ剌^大，在壓緊階段(Ⅲ)出現(xiàn)明顯的“公雞尾”現(xiàn)象，說明其制動(dòng)平穩(wěn)性較差，制動(dòng)時(shí)可能會(huì)引起振動(dòng)或噪音；CF/C濕式摩擦材料的接合扭矩較小，3個(gè)階段摩擦扭矩曲線均較平滑，表現(xiàn)出較好的制動(dòng)平穩(wěn)性。

圖6 相同工況下不同摩擦材料扭矩變化曲線

2.3 體積磨損率

在1 500次摩擦接合試驗(yàn)中，每500次測(cè)量1次摩擦片厚度(共3次)，進(jìn)而計(jì)算CF/C濕式摩擦材料的體積磨損率，其變化曲線如圖7所示?？梢钥闯觯撼跏俭w積磨損率較大，為8.4×10-8cm3/J；500次摩擦接合試驗(yàn)后，體積磨損率降低且穩(wěn)定在較低水平，為2.2×10-9cm3/J。

圖8為摩擦磨損試驗(yàn)前后CF/C濕式摩擦材料的表面微觀形貌對(duì)比?？梢钥闯觯翰牧嫌墒杷啥嗫捉Y(jié)構(gòu)變得密實(shí)，纖維絲束之間的縫隙被壓緊(圖8(a)中虛線部分)；纖維束搭接處有部分碳纖維被磨斷(圖8(b)中虛線部分)。結(jié)合圖7可知：試驗(yàn)初期，材料的疏松結(jié)構(gòu)被壓縮，使得摩擦片厚度減小，初期體積磨損率較大；試驗(yàn)后期，材料的結(jié)構(gòu)緊實(shí)無變化，纖維束搭接處的碳纖維被磨損，使得摩擦片厚度減小，后期體積磨損率較小；材料的實(shí)際體積磨損率為試驗(yàn)后期體積磨損率，即2.2×10-9cm3/J(初期為壓縮，并非磨損)。

圖7 CF/C濕式摩擦材料的體積磨損率變化曲線

圖8 CF/C濕式摩擦材料磨損前后表面微觀形貌

2.4 耐熱性能

耐熱性能試驗(yàn)中，當(dāng)轉(zhuǎn)速增加至5 500 r/min時(shí)，對(duì)偶片發(fā)生翹曲變形，摩擦副失效。不同材料耐熱系數(shù)對(duì)比如圖9所示?？梢钥闯觯篊F/C濕式摩擦材料的耐熱系數(shù)為1.05×105J2/(cm4·s)，高于碳纖維增強(qiáng)紙基摩擦材料(9.5×104J2·cm-4·s-1)[7]以及經(jīng)納米改性的銅基粉末冶金摩擦材料(3.6×104J2·cm-4·s-1)[11]。這是因?yàn)樘祭w維和碳基體均為熱的良導(dǎo)體，且均為耐熱性材料。上述結(jié)果表明:CF/C濕式摩擦材料可滿足高能量密度傳動(dòng)系統(tǒng)的使用要求。

圖9 不同材料耐熱系數(shù)對(duì)比

2.5 磨損機(jī)理

圖10為耐熱性能試驗(yàn)后對(duì)偶片表面典型微觀形貌?？梢钥闯觯簩?duì)偶片表面不同區(qū)域出現(xiàn)了明顯的犁溝、碳纖維碎屑和龜裂裂紋。結(jié)合圖8可知：CF/C濕式摩擦材料的磨損主要發(fā)生在碳纖維絲束凸起部位，部分碳纖維被磨斷，形成磨粒，在對(duì)偶片表面產(chǎn)生犁溝作用；此外，對(duì)偶表面出現(xiàn)熱疲勞裂紋，這是因?yàn)槎啻沃貜?fù)制動(dòng)造成摩擦副的冷熱交替，并產(chǎn)生大量的熱量積累。因此，CF/C濕式摩擦片與65Mn鋼對(duì)偶片組成的摩擦副磨損機(jī)理為磨粒磨損、犁溝磨損和熱疲勞磨損。

圖10 耐熱性能試驗(yàn)后對(duì)偶片表面典型微觀形貌

3 結(jié)論

采用樹脂浸漬碳化工藝制備的CF/C濕式摩擦材料的綜合摩擦磨損性能優(yōu)于紙基摩擦材料、樹脂基摩擦材料和銅基粉末冶金摩擦材料，且耐熱性能優(yōu)異，能夠滿足高能量密度傳動(dòng)系統(tǒng)的使用要求。CF/C濕式摩擦片與65 Mn鋼對(duì)偶片組成的摩擦副磨損機(jī)理為磨粒磨損、犁溝磨損和熱疲勞磨損。

CF/C濕式摩擦材料的疏松結(jié)構(gòu)使得其初期壓縮量較大，對(duì)其在濕式離合器中的應(yīng)用造成影響。針對(duì)這一問題，下一步將優(yōu)化制備工藝，提高材料的抗壓縮變形能力。

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