摩擦材料中增阻礦物原料的作用及其機(jī)理

孟增祥，曹 敏，王 東，白志民

（1.黃石市鑫溢礦產(chǎn)有限公司，湖北 黃石 435109；2.湖北鑫海新材料科技有限公司，湖北 黃石 435109；3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100083）

摩擦材料中增阻礦物原料的作用及其機(jī)理

孟增祥1，曹 敏1，王 東2，白志民3

（1.黃石市鑫溢礦產(chǎn)有限公司，湖北 黃石 435109；2.湖北鑫海新材料科技有限公司，湖北 黃石 435109；3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100083）

增阻(增摩)礦物原料對(duì)于摩擦材料的摩擦系數(shù)、磨損量、熱穩(wěn)定性、強(qiáng)度等具有顯著影響。本文系統(tǒng)介紹了重晶石、螢石、冰晶石、輝銻礦、赤鐵礦、磁鐵礦、鉻鐵礦、鈦鐵礦、金紅石、鋯石、剛玉、蛭石、沸石和硅藻土等十余種增阻(增摩)礦物(巖石)原料的成分和物理化學(xué)性質(zhì)，重點(diǎn)分析了化學(xué)成分與礦物(巖石)特征對(duì)制品性能與使用效能的影響，對(duì)不同礦物(巖石)增阻組分的作用及其機(jī)理進(jìn)行了分析，對(duì)增阻(增摩)礦物原料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展及其前景進(jìn)行了展望。

摩擦材料；礦物；巖石；增阻；填料

1 引言

摩擦材料在運(yùn)動(dòng)機(jī)械和裝備中起傳動(dòng)、制動(dòng)、減速、駐車等作用，廣泛應(yīng)用于汽車、火車、飛機(jī)、礦山、冶金、化工、電力、工程機(jī)械等，其中在汽車工業(yè)消耗量占80%以上[1]。摩擦材料是典型的復(fù)合材料，通常由粘結(jié)材料(橡膠或樹(shù)脂)、增強(qiáng)材料(有機(jī)或無(wú)機(jī)纖維)和填料(以礦物粉體為主)組成，其中礦物類原料既可發(fā)揮增強(qiáng)功能，也可起填料作用，且占比最大，對(duì)摩擦材料使用效能的影響也最顯著，是摩擦工程領(lǐng)域重點(diǎn)關(guān)注的對(duì)象[2]。用作摩擦材料的礦物類型繁多，成分與結(jié)構(gòu)不盡相同，理化性能與功能效應(yīng)各有差異，摩擦作用機(jī)理與方式形式多樣，深入了解礦物成分與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，進(jìn)而建立成分—結(jié)構(gòu)—性能—使用效能的關(guān)系，對(duì)于高品質(zhì)摩擦材料的組成設(shè)計(jì)與加工制備至關(guān)重要?；诖?，本文試圖從典型礦物材料的成分—結(jié)構(gòu)分析入手，闡明其對(duì)摩擦材料加工工藝、制品性能以及使用效能的影響，為摩擦材料的組成設(shè)計(jì)、加工制備以及新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

按摩擦材料中礦物原料的作用，可將其分為礦物增強(qiáng)原料、礦物增阻(增摩)原料和礦物減阻(減摩)原料等三類[3]。本文主要對(duì)常用的礦物增阻(增摩)原料的成分、結(jié)構(gòu)、性能、作用及其機(jī)理進(jìn)行討論。

2 增阻礦物原料的類型與作用

礦物填料在摩擦材料中主要起調(diào)節(jié)摩擦系數(shù)、硬度、密度和密實(shí)度，同時(shí)改善制品的制動(dòng)噪音，改變其外觀特征并降低成本的作用。摩擦材料中使用的礦物填料種類繁多，包括石英、長(zhǎng)石、滑石、云母、蛭石、鋯石、沸石、蛇紋石等硅酸礦物以及重晶石、赤鐵礦、磁鐵礦、鉻鐵礦、石墨、金紅石、白云石、石膏、菱鎂礦、剛玉、螢石、冰晶石、硫化銻、輝鉬礦等礦物。此外，摩擦材料中也使用一些巖石填料，如陶土、硅藻土、石灰石、鋁礬土等。

按摩擦性能，通常將礦物填料分為增阻(增摩)填料和減阻(減摩)填料兩類。前者大多具有較高的摩擦系數(shù)，同時(shí)具有較高的硬度(莫氏硬度在3～9)和剪切強(qiáng)度，主要發(fā)揮提高制品摩擦阻力和強(qiáng)度的作用。后者普遍具有較小的摩擦系數(shù)，硬度和剪切強(qiáng)度也較低，主要用來(lái)調(diào)節(jié)制品的摩擦系數(shù)和磨損率。

3 增阻礦物介紹

3.1 重晶石

重晶石屬于硫酸鹽礦物，化學(xué)式：BaSO4。理論組成(%)：BaO 65.7，SO334.3；晶體通常呈板狀、粒狀；硬度3～3.5；性脆；相對(duì)密度4.3～4.5g/cm3，是無(wú)機(jī)非金屬礦物中密度最大者；具低磨損性，良好的屏蔽性，能吸收X射線和γ射線；化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，質(zhì)純者難溶于水和酸；重晶石在高溫下具有非常低的質(zhì)量損失和較低的熱膨脹率，在500～1 300℃范圍內(nèi)的質(zhì)量損失率僅為0.5%，線性膨脹系數(shù)在20×10-6/℃[4]。

作為摩擦材料，重晶石的摩擦系數(shù)較高且穩(wěn)定，磨耗小，摩擦噪音低[5-6]；在高溫下能形成穩(wěn)定的摩擦界面，可以防止摩擦副表面擦傷，使摩擦副表面更光潔。

2014年，全球約生產(chǎn)重晶石915萬(wàn)t，其中約2.7%被用作礦物填料。我國(guó)是重晶石生產(chǎn)大國(guó)，生產(chǎn)量約占全球總產(chǎn)量的1/3。

3.2 螢石和冰晶石

螢石和冰晶石都屬于氟化物礦物，它們的礦物學(xué)特征見(jiàn)表1。

表1 螢石和冰晶石礦物學(xué)特征

冰晶石在水溶液中(25℃，0.1MPa)的溶解度非常低[9]，只有10-34±0.3。

雖然螢石和冰晶石的硬度不高，但它們作為摩擦材料都具有良好的增阻效果。特別是冰晶石，它分別在570、730和990℃存在明顯的相變或熔融吸熱反應(yīng)[7-8]，作為摩擦材料具有提高制品高溫穩(wěn)定性的顯著作用。螢石熔體的粘度較低，對(duì)其他顆粒填料具有膠結(jié)作用，也可以提高摩擦材料的高溫耐磨性。

我國(guó)是螢石生產(chǎn)、消費(fèi)與出口大國(guó)，每年的生產(chǎn)量(約400萬(wàn)t)、國(guó)內(nèi)消費(fèi)量(約600萬(wàn)t)與出口量均居全球之首[10]。

3.3 輝銻礦

輝銻礦屬于硫化物礦物，化學(xué)式：Sb2S3；理論組成(%)：Sb 71.38，S 28.62；鏈狀結(jié)構(gòu)，Sb-S之間以離子鍵—金屬鍵相聯(lián)，鏈帶間以分子鍵相連；硬度較低為2；密度4.1～4.6g/cm3；熔點(diǎn)548℃，屬于熔點(diǎn)較低的金屬硫化物；氮?dú)鈿夥罩校?輝銻礦在850℃以上分解為Sb和S，而在氧氣氣氛中則變?yōu)镾b和SO2(氣體)，同時(shí)Sb又迅速氧化為Sb2O3(可有效蒸發(fā))和SbO2(式1)[11]。在氧氣—氮?dú)鈿夥罩?，?00～500℃范圍內(nèi)，輝銻礦則一步轉(zhuǎn)變?yōu)镾b2O3，并放出SO2氣體(式2)[12]。在摩擦材料中，熔融后的Sb主要起粘結(jié)劑作用，可減少有機(jī)粘結(jié)劑用量。在盤式剎車片中添加硫化銻，可以降低樹(shù)脂用量以及摩擦系數(shù)的熱衰退，制品的高溫磨損率低，硬度較低，制動(dòng)噪聲低。

3.4 赤鐵礦、磁鐵礦、鉻鐵礦、鈦鐵礦和金紅石

赤鐵礦、磁鐵礦、鉻鐵礦、鈦鐵礦和金紅石都屬于氧化物礦物，它們的礦物學(xué)特征見(jiàn)表2。

表2 赤鐵礦、磁鐵礦、鉻鐵礦、鈦鐵礦和金紅石的礦物學(xué)特征

表2中幾種礦物的硬度都處于中等水平，它們具有提高摩擦制品摩擦性能的作用，但其表現(xiàn)不盡相同。赤鐵礦的熔點(diǎn)較高，且在680℃左右存在α-Fe2O3與γ-Fe2O3的可逆相變，并伴有吸熱，這有利于摩擦制品耐高溫性的保持，多用于重載汽車的鼓式剎車片，添加量＜5%。磁鐵礦可提高制品的摩擦性能，并有著色作用，多用于盤式剎車片，添加量一般在4%～12%。鉻鐵礦具有較好的低溫和高溫增阻作用。作為摩擦材料的鉻鐵礦，其Cr2O3含量應(yīng)在25%～40%。Cr2O3含量越高，增阻效果越好；用量越大、顆粒越粗、摩擦系數(shù)越大，但也會(huì)導(dǎo)致磨損量增大，添加量一般不超過(guò)7%。鈦鐵礦和金紅石也屬于增阻效果較突出的礦物填料。金紅石可以提高摩擦制品的抗高溫粘附能力和抗磨能力[13]。此外，這些礦物在自然界中廣泛分布[14]，選礦提純工藝成熟，成本較低，也是它們作為摩擦材料的優(yōu)勢(shì)。

3.5 鋯石與剛玉

鋯石屬于島狀硅酸鹽礦物，理論組成(%)：ZrO267.1，SiO232.9；鋯石的線性熱膨脹系數(shù)低(5.0×10-6/℃)，且耐熱震動(dòng)，穩(wěn)定性良好；它的抗壓強(qiáng)度高，易與其他填料以及有機(jī)或無(wú)機(jī)粘合劑相容，其次圓形外表僅需少量的粘合劑即可達(dá)到高強(qiáng)膠結(jié)，并獲得良好的光滑度。研究發(fā)現(xiàn)[15]，鋯石粒度和形貌會(huì)明顯影響摩擦性能，表現(xiàn)在：細(xì)顆粒鋯石的摩擦系數(shù)較粗顆粒大；在高溫下，粗顆粒鋯石的抗熱震性；大顆粒鋯石對(duì)摩擦副的磨損率大于小顆粒者。鋯石與剛玉的礦物學(xué)特征見(jiàn)表3。

表3 鋯石與剛玉礦物學(xué)特征

剛玉屬于氧化物礦物，不僅硬度高，其耐磨性能也好，研磨硬度833，是石英的8.33倍；它的抗折強(qiáng)度很高，在34 078～66 636MPa之間；熱膨脹系數(shù)為5.4×10-6～6.2×10-6/℃；導(dǎo)熱性能良好，室溫下熱導(dǎo)率為41.84W/m·K，接近于金屬材料；絕緣性良好，500℃時(shí)電導(dǎo)率為2.7×10-10Ω-1·cm-1；化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，常溫下不溶于水，不受酸堿腐蝕。

鋯石和剛玉都屬于硬質(zhì)填料，少量添加即可產(chǎn)生良好的增阻效果，不僅摩擦系數(shù)高，且制動(dòng)噪聲低。3.6 蛭石

蛭石是一種具有層狀結(jié)構(gòu)的含水鎂鋁硅酸鹽礦物，化學(xué)式：(Mg，Ca)0.3～0.45(H2O)n{(Mg，F(xiàn)e3+，Al)3[(Si，Al)4O12](OH)2}；硬度1～2；密度2.2～2.86g/ cm3；膨脹后密度0.6～0.9g/cm3；熔點(diǎn)1 320～1 350℃；膨脹蛭石的導(dǎo)熱系數(shù)為0.046～0.07W/(m·K)；膨脹蛭石不燃燒；在約1 000℃高溫條件下使用，其性能不會(huì)改變；它能經(jīng)受多次凍融交替作用而不破壞，強(qiáng)度無(wú)明顯下降；膨脹蛭石能在-30℃的低溫下保持體積密度和強(qiáng)度不變，也不發(fā)生任何變形；膨脹蛭石的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不溶于水；作為摩擦材料，膨脹蛭石有很好的吸音性能，可降低制動(dòng)噪聲，可降低制品密度，常用于制備盤式剎車盤。

研究發(fā)現(xiàn)[16]，在汽車制動(dòng)片中添加蛭石，時(shí)速在20～40km/h時(shí)，摩擦系數(shù)隨蛭石添加量增加而增大；時(shí)速在60～120km/h區(qū)間時(shí)，摩擦系數(shù)隨蛭石添加量增加呈現(xiàn)出先增加后減少的變化。添加5%～10%蛭石時(shí)，摩擦系數(shù)增高；蛭石添加量超過(guò)10%時(shí)，摩擦系數(shù)隨時(shí)速增大而降低。隨蛭石添加量增加，磨損率出現(xiàn)先降低后增加的變化。時(shí)速高于100km/h后，磨損率變化顯著。蛭石添加量在5%左右時(shí)，摩擦系數(shù)相對(duì)穩(wěn)定，磨損率也較低。

3.7 沸石

沸石是一族具有架狀結(jié)構(gòu)的含水的堿或堿土金屬鋁硅酸鹽礦物，化學(xué)成分變化大。沸石發(fā)育孔道結(jié)構(gòu)(孔徑在0.7nm左右)，具有大的比表面積和強(qiáng)的離子交換能力。硬度5～5.5；密度1.9～2.86g/cm3；它具有良好的耐酸性能，在低于100℃下與強(qiáng)酸作用2h，其晶格基本不破壞；沸石孔道中充填有大量分子水，加熱水逸出，但結(jié)構(gòu)不破壞，可再吸附水；在摩擦材料中添加沸石，可以充分吸收高溫下樹(shù)脂熱分解釋放的氣態(tài)或液態(tài)水分子、摩擦產(chǎn)生的熱量以及噪聲，具有顯著降低熱衰退以及摩擦噪聲的作用。3.8 硅藻土

硅藻土是一種生物成因的硅質(zhì)沉積巖，主要由地質(zhì)演化歷史時(shí)期形成的硅藻遺體組成(見(jiàn)下圖)。化學(xué)成分以SiO2為主，但呈非晶態(tài)；通常呈白色、灰白色；密度1.9～2.3g/cm3，質(zhì)量輕；多孔，孔隙率80%～90%；硬度1～1.5；純凈干燥的硅藻密度很小，僅0.4～0.9g/cm3，能浮于水面；軟化溫度1 400～1 650℃；吸附能力強(qiáng)，能吸收相當(dāng)于自身重量1.5～4倍的水；200℃和800℃時(shí)導(dǎo)熱率分別為0.008 8～0.015 8W/(m·K)和0.0277～0.219W/(m·K)。作為摩擦材料的填料，硅藻土可有效降低摩擦噪音和制品的熱衰退。

硅藻土中硅藻的形態(tài)

4 討論與展望

本文所列舉的增阻(增摩)礦物(巖石)原料，總體表現(xiàn)出增加制品摩擦阻力、降低磨損量、改善高溫摩擦性能和強(qiáng)度的作用，但不同原料在改善制品性能中所發(fā)揮的作用不盡相同。比如，冰晶石相變吸熱特點(diǎn)顯著，對(duì)于提高制品熱穩(wěn)定方面表現(xiàn)突出；蛭石、沸石和硅藻土的吸水—吸熱特點(diǎn)突出，在降低制動(dòng)噪音方面效果明顯；鋯石和剛玉硬度大、熔點(diǎn)高，在提高制品摩擦系數(shù)和高溫穩(wěn)定性，降低磨損率等方面優(yōu)勢(shì)明顯；赤鐵礦、磁鐵礦、鉻鐵礦、鈦鐵礦和金紅石硬度居中，密度較大，在調(diào)節(jié)摩擦系數(shù)、提高制品密度和強(qiáng)度方面表現(xiàn)上佳。

增阻(增摩)礦物(巖石)原料種類繁多，除上述重點(diǎn)介紹的幾種外，其他還包括長(zhǎng)石類礦物、鋁礬土、石灰?guī)r、白云巖等。長(zhǎng)石類礦物在自然界分布廣泛，種類繁多，價(jià)格便宜，硬度較大(一般在6左右，屬于硬質(zhì)填料)，摩擦系數(shù)較高(0.6左右，增阻效果顯著)，但需合理控制添加量和粒度，否則制品的制動(dòng)噪音較高。作為增阻原料的鋁礬土一般含一水硬鋁石較高，且往往需要煅燒，產(chǎn)物具有高硬度、高剪切強(qiáng)度和高摩擦系數(shù)，但添加量和粒度控制不當(dāng)易造成磨損率過(guò)高和制動(dòng)噪音較高等問(wèn)題。石灰?guī)r和白云巖作為增阻原料的最大優(yōu)勢(shì)是其價(jià)格較便宜、來(lái)源廣泛。

目前使用的增阻(增摩)礦物中，螢石、冰晶石和輝銻礦等在高溫工況下具有良好的摩擦學(xué)表現(xiàn)，但它們?cè)诟邷叵路纸鈺?huì)釋放Cl2或SO2等對(duì)環(huán)境有一定污染的氣體。近年來(lái)，摩擦領(lǐng)域一直在探尋能夠替代這些原料的更環(huán)保的材料，但進(jìn)展不明顯。因此，繼續(xù)尋找性能更優(yōu)、更為環(huán)保、且具有較好經(jīng)濟(jì)價(jià)值的增阻(增摩)礦物原料是未來(lái)發(fā)展的方向。增阻(增摩)礦物(巖石)原料的表面改性技術(shù)，是提高其在樹(shù)脂、橡膠等高分子基體中均勻分散并與基體材料有效結(jié)合的關(guān)鍵，也是該領(lǐng)域長(zhǎng)期面臨的技術(shù)問(wèn)題和重點(diǎn)研發(fā)方向。

隨著我國(guó)逐步進(jìn)入汽車社會(huì)以及工業(yè)化程度的提高，對(duì)高性能增阻(增摩)礦物原料的需求會(huì)逐漸增加，要求也會(huì)越來(lái)越高。這對(duì)礦物摩擦材料加工產(chǎn)業(yè)既是機(jī)遇，同時(shí)也是挑戰(zhàn)。因此，建議該產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)該高度關(guān)注以下三個(gè)方面的問(wèn)題。

(1) 圍繞提高傳統(tǒng)礦物增阻材料性能和使用效能的目標(biāo)，加快表面改性、粒度精準(zhǔn)控制等新技術(shù)的研發(fā)以及裝備的技術(shù)配套與升級(jí)。

(2) 深化礦物摩擦增阻材料成分—結(jié)構(gòu)—性能—使用效能內(nèi)在關(guān)系及其綜合效益的分析研究，不斷發(fā)掘新的礦物增阻原料，最大程度地滿足摩擦材料領(lǐng)域?qū)π虏牧系亩鄻踊枨蟆?/p>

(3) 積極研發(fā)綜合功能好、增阻效果突出、環(huán)境友好的新材料及其加工技術(shù)，真正實(shí)現(xiàn)這一產(chǎn)業(yè)的綠色發(fā)展。

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Function and Mechanism of Incremental Frication Minerals in Friction Product

MENG Zeng-xiang1, CAO Min1, WANG Dong2, BAI Zhi-min3
(1. Huangshi Xinyi Mineral Co., Ltd., Huangshi 435109, China; 2. Huibei Xinhai New Material Technology Co., Ltd., Huangshi 435109, China; 3. China University of Ceosciences(Beijin), School of Materials Science and Technology, Beijing 100083, China)

Incremental frication minerals have a significant impact on the performance of friction material, such as friction coefficient, wearing capacity, thermostability and strength. In this paper, the composition, physical and chemical properties of barite, fluorite, cryolite, stibnite, hematite, magnetite, chromite, ilmenite, rutile zircon, corundum, vermiculite, zeolite and diatomite are reviewed. The effect of chemical composition and character of mineral or rock on technical characters and working efficiency were analyzed. Function and mechanism of incremental frication mineral and rock in friction product are summarized. The development trend and direction of incremental frication minerals is discussed.

friction product; mineral; rock; incremental frication; filler

TH117.1

A

1007-9386(2017)01-0005-04

2017-01-04