摩擦?xí)r間對(duì)CaSO4晶須增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料摩擦學(xué)性能的影響

林有希，黃俊欽

(福州大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，福建 福州 350116)

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摩擦?xí)r間對(duì)CaSO4晶須增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料摩擦學(xué)性能的影響

林有希，黃俊欽

(福州大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，福建 福州 350116)

采用模壓成型工藝制備CaSO4晶須增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料, 并選用一種市售材料作對(duì)比，研究摩擦?xí)r間對(duì)兩種材料摩擦學(xué)性能的影響，利用SEM及EDAX觀測(cè)磨損表面形貌及成分變化，分析其磨損機(jī)理. 結(jié)果表明： 隨著摩擦?xí)r間的變化，自制材料摩擦系數(shù)維持在0.45左右，制動(dòng)平穩(wěn)性較好，磨損機(jī)理以磨粒磨損為主； 市售材料摩擦系數(shù)在0.32～0.36范圍內(nèi)波動(dòng)，制動(dòng)過(guò)程易產(chǎn)生顫動(dòng)和噪聲，磨損機(jī)理以粘著磨損和熱疲勞磨損為主； 兩種材料摩擦表面平均溫度及其磨損率均隨著摩擦?xí)r間的延長(zhǎng)而逐漸升高，且與對(duì)偶件存在明顯的粘著效應(yīng).

CaSO4晶須； 樹脂基制動(dòng)材料； 摩擦?xí)r間； 溫度； 磨損機(jī)理

0 引言

汽車制動(dòng)過(guò)程中，制動(dòng)材料表面產(chǎn)生大量的熱量，制動(dòng)摩擦?xí)r間越長(zhǎng)，產(chǎn)生的熱量越多，摩擦表面溫度上升的就越快[1]. 對(duì)于樹脂基制動(dòng)材料，當(dāng)溫度超過(guò)其基體樹脂的熱分解溫度時(shí)，樹脂將發(fā)生粘流以及熱氧化分解等一系列復(fù)雜的物理化學(xué)變化，且反應(yīng)速率隨溫度呈指數(shù)增加，摩擦表面組織結(jié)構(gòu)及潤(rùn)滑狀態(tài)發(fā)生改變，出現(xiàn)“制動(dòng)熱衰退”現(xiàn)象[2]，導(dǎo)致制動(dòng)效能降低，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)管囕v制動(dòng)能力完全喪失[3-4]，造成重大交通事故. 目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)長(zhǎng)時(shí)間制動(dòng)摩擦工況下滿足其摩擦磨損性能要求的制動(dòng)材料的研究報(bào)道比較有限[5-7]. 在前期研究基礎(chǔ)上，選用具有耐高溫、 高強(qiáng)度等特性的CaSO4晶須作為主要增強(qiáng)體，制備一種具有摩擦磨損性能穩(wěn)定、 抗熱衰退性強(qiáng)、 性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)的新型高性能摩擦材料[8-9]. 作為對(duì)比，另選一種市售制動(dòng)材料，研究摩擦?xí)r間對(duì)兩種材料在特定工況下摩擦學(xué)性能的影響，為該材料的工程應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)依據(jù).

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料及配方

圖1 CaSO4晶須熱失重和差示掃描量熱分析圖Fig.1 TG and DSC images of CaSO4

以腰果殼油改性酚醛樹脂為基體，含量10%～12%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)； 填料則是占比為7.5%的Al2O3顆粒和長(zhǎng)石粉； 摩擦性能調(diào)節(jié)劑為2%的Mg-20型石墨以及6%的銅粉，其粒度≤75 μm； 所采用的CaSO4晶須外觀為白色蓬松狀粉末，相對(duì)密度為2.96，純度≥98%，含量15%～20%. 對(duì)其進(jìn)行TG-DSC分析，測(cè)試結(jié)果如圖1所示. 從TG和DSC曲線可以看出，CaSO4晶須具有非常好的高溫?zé)岱€(wěn)定性. 在90～180 ℃區(qū)間，有一個(gè)較強(qiáng)烈的吸熱峰，失重約5%. 該階段的質(zhì)量損失主要是晶須所含的雜質(zhì)和水分等，因此CaSO4晶須在使用前需要進(jìn)行充分的干燥處理. 而在200 ℃以后，晶須的質(zhì)量基本不再變化，但是隨著試驗(yàn)溫度的升高，由于晶須內(nèi)部結(jié)構(gòu)將發(fā)生致密化[10]，晶須仍會(huì)繼續(xù)吸熱.

通過(guò)EDAX能譜儀對(duì)所選用的市售剎車片材料表面成分進(jìn)行分析，分析結(jié)果見表1，由此可推斷出該樹脂基復(fù)合摩擦材料的增強(qiáng)體主要是鋼纖維，而填料則是以金屬氧化物和碳化物為主.

表1 市售剎車材料表面成分分析結(jié)果

1.2 制備工藝

采用熱模壓成型工藝進(jìn)行制備. 先將預(yù)先干燥好的復(fù)合材料各組分按最優(yōu)配比稱量后在JF801S型犁耙式混料機(jī)上均勻混合5～7 min； 然后通過(guò)熱模壓使基體樹脂呈熔融狀態(tài)，從而提高其參透性和粘流性，使材料其它組分得以固化緊密結(jié)合在一起，固化溫度在155 ℃左右，保壓壓力在12 MPa左右，保壓時(shí)間控制在12 min左右，在樣品保壓前每隔10 s排一次氣，排氣次數(shù)為6次左右； 接著將模壓制品放入干燥箱中，在30 min內(nèi)升溫至160 ℃，保溫12 h后隨爐冷卻至室溫使基體樹脂完全固化而得到性能趨于穩(wěn)定的試樣制品.

1.3 摩擦磨損性能測(cè)試

圖2 摩擦副示意圖(單位： mm)Fig.2 Schematic diagram of friction pair(unit: mm)

在CHASE摩擦材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn). 模壓成型的復(fù)合材料加工成25.4 mm×25.4 mm試樣，與鑄鐵試驗(yàn)鼓組成的摩擦副及相關(guān)規(guī)格尺寸如圖2所示. 實(shí)驗(yàn)前，對(duì)試驗(yàn)鼓摩擦表面進(jìn)行打磨拋光處理，并用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試樣在載荷為440 N，轉(zhuǎn)速為411 r·min-1的條件下磨合至標(biāo)準(zhǔn)試樣摩擦系數(shù)趨于穩(wěn)定. 采用SAE-J661標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)程序，將實(shí)驗(yàn)試樣在CHASE設(shè)備上進(jìn)行磨合，通過(guò)觀測(cè)試樣摩擦表面在對(duì)摩過(guò)程中表層顏色及粗糙度變化情況來(lái)確定兩者有效接觸面積，有效接觸面積≥95%所需的時(shí)間即為磨合時(shí)間. 實(shí)驗(yàn)為干摩擦，試驗(yàn)機(jī)將自動(dòng)采集記錄試樣的摩擦系數(shù)和表面溫度.

試樣實(shí)驗(yàn)前后的質(zhì)量通過(guò)FA2004電子天平測(cè)量，以計(jì)算質(zhì)量磨損； 而試樣摩擦磨損表面的化學(xué)成分變化及形貌特征則分別采用EDAX能譜儀以及Nova NanoSEM 230型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡進(jìn)行觀測(cè). 為了便于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄與分析，將自制試樣編號(hào)為A，而市售材料試樣編號(hào)為B. 參照公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)JTG/B01-2003進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)的設(shè)定，設(shè)定結(jié)果見表2.

表2 摩擦磨損實(shí)驗(yàn)條件

2 結(jié)果與分析

2.1 摩擦?xí)r間對(duì)摩擦系數(shù)的影響

圖3 摩擦?xí)r間對(duì)試樣平均摩擦系數(shù)的影響 Fig.3 Influences of friction time on average friction coefficient

不同摩擦?xí)r間對(duì)試樣平均摩擦系數(shù)的影響見圖3. 可以看出，隨摩擦?xí)r間增加，試樣A摩擦系數(shù)緩慢上升，在50 min時(shí)達(dá)到最大值0.47，而后開始緩慢下降至0.44，下降幅度僅為6.9%，說(shuō)明在一定的制動(dòng)摩擦?xí)r間范圍內(nèi)，試樣A制動(dòng)可靠. 主要在于CaSO4晶須能與基體樹脂有效融合，起到有效的承載作用，改善材料的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，發(fā)揮出良好的增強(qiáng)增韌效果[11]，提高制動(dòng)材料的抗熱衰退性. 相比之下，試樣B的摩擦系數(shù)較小，且在0.32～0.36范圍內(nèi)呈“波浪”形變化，可能由于試樣B摩擦表面較粗糙，與試驗(yàn)鼓的貼合性較差引起.

表3給出不同摩擦?xí)r間條件下試樣摩擦系數(shù)的穩(wěn)定系數(shù)α值(α=μcp/μmax，即平均摩擦系數(shù)與最大摩擦系數(shù)的比值，α值越接近1，說(shuō)明摩擦材料的制動(dòng)越平穩(wěn)，越不易產(chǎn)生制動(dòng)顫動(dòng)和噪音[12]). 由表3可以看出，在不同摩擦?xí)r間條件下試樣A的摩擦系數(shù)αA略大于試樣B的摩擦系數(shù)αB，即αA≥αB.

表3 摩擦?xí)r間對(duì)試樣摩擦系數(shù)穩(wěn)定系數(shù)的影響

2.2 摩擦?xí)r間對(duì)摩擦表面溫度的影響

圖4所示為不同摩擦?xí)r間對(duì)試樣摩擦表面平均溫度影響. 可以看出： 兩種材料摩擦表面溫度都隨著摩擦?xí)r間的延長(zhǎng)而上升. 當(dāng)摩擦?xí)r間較短時(shí)(≤30 min)，摩擦產(chǎn)生的大量熱量未能及時(shí)被材料吸收或向四周擴(kuò)散，導(dǎo)致溫度急劇上升； 隨著摩擦?xí)r間的延長(zhǎng)，溫度變化不大，摩擦副吸收熱量并不斷與周圍環(huán)境熱交換，產(chǎn)生和傳遞的熱量處于動(dòng)態(tài)平衡；當(dāng)摩擦?xí)r間進(jìn)一步增加(≥50 min)，由于制動(dòng)材料長(zhǎng)時(shí)間處于高溫狀態(tài)，基體樹脂將發(fā)生熱分解，材料中的低熔點(diǎn)金屬組分將發(fā)生相變以及氧化反應(yīng)，溫度又繼續(xù)上升. 整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，試樣B含有較多的金屬成分，材料的熱傳導(dǎo)性較好，摩擦表面平均溫度較低，試樣A摩擦表面溫度相對(duì)較高，但并未出現(xiàn)嚴(yán)重的熱衰退現(xiàn)象.

2.3 摩擦?xí)r間對(duì)磨損率的影響

圖5所示為兩種材料質(zhì)量磨損率隨摩擦?xí)r間的變化情況. 由圖5可以看出： 當(dāng)摩擦?xí)r間小于30 min時(shí)，兩種材料均表現(xiàn)出較好的耐磨性，磨損率僅為2.5 mg·min-1左右. 隨著摩擦?xí)r間的延長(zhǎng)，由于試樣A的摩擦系數(shù)較高，在制動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的摩擦力較大，因此造成比試樣B更高的磨損率，但在60 min時(shí)又有一定程度的下降，這可能是由于長(zhǎng)時(shí)間的摩擦使材料摩擦表面溫度升高，界面摩擦狀態(tài)由干摩擦轉(zhuǎn)變成邊界摩擦和液體摩擦的混合摩擦所致. 而試樣B在摩擦?xí)r間大于50 min時(shí)，磨損率出現(xiàn)明顯增大，說(shuō)明試樣B的磨損機(jī)理可能在該時(shí)間段發(fā)生了轉(zhuǎn)變.

圖4 摩擦?xí)r間對(duì)試樣摩擦表面平均溫度的影響Fig.4 Influence of friction time on average temperature of friction surface

圖5 摩擦?xí)r間對(duì)試樣質(zhì)量磨損率的影響Fig.5 Influence friction time on mass wear rate

2.4 磨損表面分析

圖6 不同摩擦?xí)r間下試樣磨損表面的SEM照片 Fig.6 SEM micrographs of samples under different braking time

圖6所示為不同摩擦?xí)r間下試樣磨損表面的SEM照片. 可以看出： 當(dāng)摩擦?xí)r間為30 min時(shí)，表面溫度較低，摩擦副的實(shí)際接觸面積較小，材料的磨損主要是粗糙表面微凸體間的相互剪切擠壓以及對(duì)摩擦表面的犁削作用，導(dǎo)致試樣A磨損表面出現(xiàn)溝犁痕跡，造成磨粒磨損； 試樣B由于其磨損表面更為粗糙，接觸點(diǎn)承受較大的應(yīng)力而發(fā)生彈性或塑性變形并產(chǎn)生瞬時(shí)高溫，接觸峰點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生粘著或冷焊，在滑動(dòng)中粘著結(jié)點(diǎn)被破壞，又重新發(fā)生粘著，如此交替重復(fù)進(jìn)行，微凸體逐漸發(fā)生斷裂，造成粘著磨損，試樣B的摩擦系數(shù)波動(dòng)性較大. 隨著摩擦?xí)r間延長(zhǎng)，兩種材料磨損形貌發(fā)生了明顯變化. 由于摩擦表面溫度逐漸上升，樹脂粘結(jié)性下降，材料多相組元間的協(xié)同作用減弱，引起組織結(jié)構(gòu)變化. 試樣A的組分暴露在表面，表面變得粗糙，但各組分與樹脂基體仍能牢固結(jié)合，主要是因?yàn)镃aSO4晶須能與樹脂基體較好地融合而起到了有效的負(fù)荷傳遞和裂紋橋聯(lián)增強(qiáng)作用[13]，因此在該階段試樣A的摩擦系數(shù)達(dá)到了最大值、 摩擦表面溫升不明顯，磨損率出現(xiàn)下降趨勢(shì)； 而試樣B磨損表面出現(xiàn)了長(zhǎng)而深的裂紋，主要因?yàn)槭芙缑鏀D壓應(yīng)力以及摩擦剪切阻力的作用，在材料摩擦表面亞表層、 多相晶界[14]以及內(nèi)部缺陷等地方容易因應(yīng)力集中而萌生裂紋，裂紋沿摩擦表面不斷擴(kuò)展，試樣B的磨損機(jī)理將由粘著磨損轉(zhuǎn)變成疲勞磨損.

當(dāng)摩擦?xí)r間為70 min時(shí)，表面溫度達(dá)到了200 ℃以上，導(dǎo)致基體樹脂發(fā)生粘流以及熱氧化分解，粘結(jié)性進(jìn)一步下降，試樣A材料發(fā)生脫落而形成磨屑并堆積在磨損表面，磨損率上升； 試樣B由于疲勞磨損加劇，磨損表面出現(xiàn)了尺寸較大的“剝落坑”以及拔出的纖維，接觸表面變得復(fù)雜，磨損加劇，摩擦系數(shù)穩(wěn)定性下降. 試樣A與對(duì)偶材料存在明顯的粘著效應(yīng)，表面出現(xiàn)了原材料組分中并沒有的Fe元素，發(fā)生了材料轉(zhuǎn)移而在摩擦表面形成了轉(zhuǎn)移膜，維持了試樣A的抗熱衰退性； 對(duì)比表1，試樣B在摩擦過(guò)程其表面成分發(fā)生變化，F(xiàn)e元素含量明顯增高，由原來(lái)的56.9%增至74.9%，O元素與C元素的比例也明顯增高，試樣B也與摩擦對(duì)偶材料發(fā)生了材料轉(zhuǎn)移，在長(zhǎng)時(shí)間摩擦條件下摩擦表面溫度不斷上升，使得原料組分中所含有的大量金屬元素發(fā)生氧化反應(yīng). 試樣磨損表面的EDAX圖譜見圖7所示.

圖7 摩擦?xí)r間為70 min時(shí)試樣磨損表面的EDAX圖譜Fig.7 EDAX images of wear surface after friction for 70 minutes

3 結(jié)語(yǔ)

1) 隨著摩擦?xí)r間增加，試樣A由于CaSO4晶須的負(fù)荷傳遞和裂紋橋聯(lián)增強(qiáng)作用，摩擦系數(shù)維持在0.45左右，制動(dòng)平穩(wěn)性較好； 而試樣B的摩擦系數(shù)在0.32～0.36內(nèi)波動(dòng)，且在制動(dòng)過(guò)程中容易產(chǎn)生震顫和噪聲.

2) 隨著摩擦?xí)r間增加，兩種材料摩擦表面平均溫度及其質(zhì)量磨損率均逐漸升高. 且在制動(dòng)過(guò)程兩種材料均與對(duì)偶件發(fā)生粘著效應(yīng)，改變了材料表面組織成分. 試樣A摩擦表面溝犁痕跡明顯，磨損機(jī)理以磨粒磨損為主； 而試樣B摩擦表面出現(xiàn)了剝落坑以及細(xì)微裂紋，磨損機(jī)理以熱疲勞磨損和粘著磨損為主.

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(責(zé)任編輯： 蔣培玉)

Effects of friction time on tribological properties of CaSO4whisker reinforced resin-based composite materials

LIN Youxi, HUANG Junqin

(School of Mechanical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou, Fujian 350116, China)

CaSO4whisker reinforced resin-based composite materials were prepared by thermo-compression process, and a commercial brake material was selected as a reference. The influence of friction time on the tribological performances of samples was investigated by CHASE tester. The SEM and EDAX were used to observe the worn surface morphology and micro-structure respectively, and the influence of friction time on wear mechanism was analyzed. Results show that the average friction coefficient of self-make material maintained at around 0.45 with the increase of friction time, and showed stable and reliable brake performance during the whole braking process，and its main wear mechanism was abrasive wear. While the average friction coefficient of commercial brake material was fluctuated in the range of 0.32～0.36 and it was easy to produce vibration and noise during the whole braking process, and its main wear mechanism were adhesive wear and thermal fatigue wear. Furthermore, the average temperature of friction surface and the wear rate of samples were both increased gradually with the increase of friction time, and had obvious adhesion effect with the brake disc.

CaSO4whisker; resin-based brake materials; friction time; temperature; wear mechanism

10.7631/issn.1000-2243.2017.03.0380

1000-2243(2017)03-0380-05

2015-05-18

林有希(1967- )，教授，主要從事摩擦學(xué)、 先進(jìn)制造技術(shù)方面的研究，lyx@fzu.edu.cn

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51375094)

TB332； TH117.1

A