淺談鼓式剎車片用增強纖維納凱夫的特性及其增強機理

杜孟子

（黃山菲英汽車零部件有限公司，安徽 合肥 230000）

長期以來，石棉一直是摩擦材料制品的主要成分，直到美國環(huán)保署將其列入可致癌物質后，摩擦材料制品的生產企業(yè)及相關學者才開始尋找石棉的代替品。由我國南京某纖維廠開發(fā)的納凱夫纖維，形貌和綜合性能都與石棉纖維十分相近，已經投入生產，可以成為石棉材料的代替品，用其制作鼓式剎車片。

1 鼓式剎車片用增強纖維納凱夫的特性分析

1.1 增強纖維納凱夫概述

增強纖維納凱夫（NACF），英文全稱為NONASBESTOS COMPOSITE FIBER，是由南京高遠工貿有限公司旗下纖維廠開發(fā)出來的增強纖維產品，具有與石棉相似的綜合性能，是特種人造無機纖維和多種功能性材料的復合產物，具有代替石棉材料的能力。在汽車剎車片制作領域，我國從上世紀50年代開始尋找合適的增強纖維材料，在以往生產過程中使用的材料包括保溫絕熱用的巖棉和礦渣棉等。但由于巖棉和礦渣棉的自身化學成分不夠穩(wěn)定，采用這種材料生產的制品沖擊強度較差，一般只有 1．5～2．5J/cm2，而且在工藝混合時會出現(xiàn)嚴重的結團現(xiàn)象，無法對其進行工業(yè)化應用。增強纖維納凱夫的研發(fā)解決了這一問題，將其作為鼓式剎車片的原材料，可以滿足鼓式剎車片的性能要求。

1.2 增強纖維納凱夫的主要特性

增強纖維納凱夫的基本特性主要表現(xiàn)在以下方面。

（1）由于其主體纖維的圓材料是精選石灰?guī)r、輝綠巖、粉煤灰和石油焦炭等，配方是專門為鼓式剎車片用增強纖維設計的，不僅化學成分穩(wěn)定，而且具有良好的耐熱性能。在生產工藝參數(shù)方面，通過對溫度參數(shù)、體系酸堿度和纖維噴射速度等進行嚴格控制，同時在出纖環(huán)節(jié)噴漬了進口硅烷類試劑，使納凱夫纖維比表面積較大，具有良好的親和性。

（2）增強纖維納凱夫在其合成過程中，加入了許多中功能性材料，比如其中一種材料為離子型隔離劑，它的主要功能是對纖維束間的內聚力進行弱化，使其趨近伸直狀態(tài)，這樣在受到外力時不會發(fā)生卷曲，具有較好的受力分散性。

（3）納凱夫纖維的主體纖維臨界形態(tài)比嚴格參照6-10石棉進行設計，其68-3纖維和18纖維形貌與6-10石棉形貌十分相似，通過對臨界形態(tài)比進行調整，納凱夫纖維系列產品可以適應不同的配方需求。

（4）增強纖維納凱夫的綜合性價比也與6-10石棉相當，在某種石棉配方中，6-10石棉的用量為48份，其均價為2500元/噸，在相同性能的增強纖維納凱夫配方中，68-3納凱夫的用量為35份，其均價為3800元/噸，配方中其他材料均不變，則每噸壓型料的石棉纖維成本為1200元，每噸壓型料的納凱夫纖維成本為1400元。

（5）從化學組成成分來看，納凱夫68系列的二氧化硅含量為40%～46%，氧化鋁含量為14%～21%，氧化鈣和氧化鋁含量為25%～27%，三氧化鐵含量為4%～6%，水的含量為0，碳含量為6%～8%，氧化鈉和氧化鉀含量為4%～5%，不含有致癌物質。

（6）從增強纖維納凱夫的物理性質來看，其外觀為灰白色或灰黃色的纖維狀材料，平均長度為2．0mm，平均直徑為 0．05mm，手感軟。其容重為 0．18～0．21g/cm3，濕含量在1．0%以內，800℃/h下的燒失量小于等于15%，熔點為1200～1300℃，使用溫度大于等于750℃。

2 鼓式剎車片用增強纖維納凱夫的增強機理研究

2.1 增強機理

從上述納凱夫纖維基本特性的分析中可以看出，增強纖維納凱夫材料具有良好的吸附性和分散性。最重要的是親和性較好，能夠與摩擦材料配方的其他物質具有較強的親和性，包括各種摩擦性能調節(jié)劑、數(shù)值和其他纖維材料等。因此納凱夫纖維具有良好的增強基礎，使其能夠獲得與6-10石棉相似的增強機理。發(fā)揮納凱夫纖維的親和性優(yōu)勢，同時利用納凱夫纖維與集體樹脂界面之間良好的粘結性，可以利用L/d=σf/2τ對其在集體樹脂中的受力情況進行分析。該式中的L是纖維長度，單位為μm，d為纖維直徑，單位為μm，L/d即臨界形態(tài)比。σf是作用在纖維端部的正應力，單位為kg·f/cm2，τ是纖維和基體截面的剪應力，單位為kg·f/cm2。

從該式中可以看出臨界形體比L/d與σf是成正比關系的，同時與τ成反比，因此，臨界形態(tài)比L/d越大，纖維所承受正壓力就越大。而剪應力越大，在傳遞相同正壓力時，臨界形態(tài)比就越小。根據(jù)這一原理，只要納凱夫纖維與基體樹脂截面的粘結性良好，即使在纖維較短的情況下，也能夠起到良好的增強作用。

相關研究表明，6-10石棉的臨界形態(tài)比L/d的值為20左右，在傳遞正應力等于10000kg·f/cm2的條件下，允許的剪應力為500kg·f/cm2，那么石棉長度只要超過0．002mm，就能達到很好的增強效果。從上述68-3納凱夫纖維的物理性質來看，其平均長度和直徑分別為2．0mm和0．05mm，通過計算可以得出，其臨界形態(tài)比L/d的值為40。因此，將納凱夫作為增強纖維代替石棉完全可行。

可以通過以下幾個配方進行證明，在摩擦材料配方1中，樹脂的粘結性為優(yōu)，樹脂質量成分含量為17%，68-3納凱夫質量成分含量為35%，摩擦性能調節(jié)劑的質量成分含量為40%，金屬輔纖的質量成分含量為8%。在配方2中，樹脂的粘結性為良，質量成分含量為17%，68-3納凱夫質量成分含量為35%，摩擦性能調節(jié)劑的質量成分含量為40%，金屬輔纖的質量成分含量為8%。在配方3中，樹脂的粘結性為優(yōu)，質量成分含量為17%，68-3納凱夫質量成分含量為35%，摩擦性能調節(jié)劑的質量成分含量為40%，金屬輔纖的質量成分含量為8%。在配方4中，樹脂的粘結性為優(yōu)，質量成分含量為17%，F(xiàn)KF4025質量成分含量為35%，摩擦性能調節(jié)劑的質量成分含量為40%，金屬輔纖的質量成分含量為8%。通過對其壓制品進行沖擊強度測試，配方 1 的沖擊強度值為 0．30～0．33J/cm2，和配方 2 的沖擊強度值為 0．25～0．30J/cm2，配方 3 和配方 4 的沖擊強度值為 0．30～0．33J/cm2。試驗結果表明，摩擦材料制成品的沖擊強度都能夠滿足要求，納凱夫纖維制品與石棉纖維制品的綜合性質相當。

2.2 應用效果

盤式剎車片由于帶有鋼背板，所以不需要考慮材料沖擊強度的問題，在應用納凱夫纖維的過程中，以68型納凱夫作為主體纖維，以18型納凱夫作為半金屬配方輔助纖維，其生產工藝已經較為成熟，從經濟性方面考慮，使用納凱夫纖維比使用昂貴有機纖維材料具有明顯的價格優(yōu)勢。但鼓式剎車片與盤式剎車片不同，需要對納凱夫材料在鼓式剎車片中的具體應用進行分析。具體配方為：（1）粘結劑-1的質量成分含量為16%，粘結劑-2的質量成分含量為3%。（2）68型納凱夫的質量成分含量為35%，輔助纖維的質量成分含量為6%。（3）有機填料的質量成分含量為6%，無機填料的質量成分含量為20%。（4）增摩劑的質量成分含量為4%，減摩劑的質量成分含量為8%，脫模劑的質量成分含量為0．5%。（5）色料的質量成分含量為0．5%。

經DM-S試驗機檢測，制成品的沖擊強度為0．30～0．33J/cm2。從裝車路試情況來看，試驗車型為CA151重型汽車，前輪9400N，后輪15000N，經過9500km行駛后，剎車片磨損度為1．0mm。從司機駕駛體驗反饋情況來看，制動平穩(wěn)，剎車靈敏，且無剎車噪音。經過拆檢檢測，剎車片表面光滑，摩擦膜完好。因此，應用增強纖維納凱夫制作的鼓式剎車片可以滿足剎車片應用需求，使用性能較好。

3 結語

綜上所述，增強纖維納凱夫的特性決定其可以成為石棉的代替品，成為摩擦材料制品的主纖維材料。通過對其增強特性和實際應用效果進行分析，可以得出結論，以增強纖維納凱夫為主纖維材料的制品具有石棉制品相當?shù)木C合性能，能夠滿足鼓式剎車片的應用需求。