硫化溫度對紙基摩擦材料性能的影響

曹麗云， 楊 朝， 費 杰， 黃劍鋒， 王文靜， 王洪坤

(陜西科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 陜西 西安 710021)

0 引言

紙基摩擦材料是一種在潤滑油中工作的摩擦材料，是傳動自動變速器中濕式離合器的關(guān)鍵材料，其性能的優(yōu)劣直接影響到制動/傳動裝置的穩(wěn)定性及行車的安全性[1,2].它具有摩擦因數(shù)高、動靜摩擦因數(shù)比接近于1、結(jié)合平穩(wěn)柔和、噪音小和低成本等優(yōu)點，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種車輛、機械設(shè)備[3-5].目前國內(nèi)各大汽車廠商使用的紙基摩擦材料基本依賴進口，為此，國內(nèi)的學(xué)者也對紙基摩擦材料進行了大量的基礎(chǔ)性研究，制備出了以纖維素纖維、芳綸纖維、陶瓷纖維、有機纖維、碳纖維，以及兩種及兩種以上的混合纖維增強的多種類型的紙基摩擦材料[6,7].

濕式紙基摩擦材料的摩擦性能受多重因素的影響，材料在成型的過程中纖維的打漿度及分散度、紙張成型工藝、硫化工藝[7]參數(shù)等都會對紙基摩擦材料的摩擦磨損性能產(chǎn)生影響.其中，紙基摩擦材料成型工藝中的關(guān)鍵是硫化工藝，硫化工藝的影響因素有時間、壓力、溫度；其中硫化溫度影響著摩擦材料的各項性能：硫化溫度過低會降低材料各個組分間的結(jié)合性能，造成材料的嚴(yán)重脫落，加重材料的磨損率；而過高的硫化溫度會造成材料的板結(jié)，降低材料的韌性，增加材料的脆性，降低材料的耐磨性.Yidong Yuan[8]等人已經(jīng)研究了在濕式條件下熱處理溫度對碳碳復(fù)合材料摩擦系數(shù)的影響，研究得出碳碳復(fù)合材料最佳的熱處理溫度是2 000 ℃，在此溫度下能保持較高的摩擦系數(shù)，1 800 ℃熱處理溫度的摩擦系數(shù)是最低的.受此啟發(fā)，需要了解硫化溫度對紙基摩擦材料摩擦性能和耐磨性的影響機理.所以，通過改變紙基摩擦材料的硫化溫度，研究硫化溫度對材料熱衰退性能，動摩擦因數(shù)、摩擦力矩、磨損率的影響情況，獲得濕式紙基摩擦材料的最佳硫化溫度.

1 實驗部分

1.1 紙基摩擦材料的制備

將短切碳纖維、竹纖維和碳化硅按照一定比例在水中混合均勻后在紙頁成型器上制出原紙坯，在90 ℃下真空干燥.之后將紙坯浸入腰果殼油改性的酚醛樹脂乙醇溶液中，30 min后取出(樹脂含量為(30±2)%)，自然晾干.之后，樣品在硫化機上熱壓成型(溫度分別為140 ℃、160 ℃、180 ℃、200 ℃，所制備的試樣依次標(biāo)記為1#、2#、3#、4#).

1.2 紙基摩擦材料的摩擦磨損性能測試

采用QM-ⅡB型濕式摩擦性能試驗機(西安順通機電應(yīng)用技術(shù)研究所生產(chǎn))進行摩擦性能試驗.以硫化溫度為主要的變化因素，研究硫化溫度對紙基摩擦材料的摩擦因數(shù)和摩擦力矩曲線的影響.在實驗前，在制動壓力為5 MPa、主軸轉(zhuǎn)速2 000 r/min條件下反復(fù)磨合，使材料的摩擦面與對偶盤的表面貼合程度達到80%以上.然后，在制動壓力分別為0.50 MPa、0.75 MPa、1.00 MPa、1.25 MPa、1.50 MPa條件下，對各個試樣進行摩擦性能測試.之后，再對各個材料在制動壓力1.00 MPa、主軸轉(zhuǎn)速2 000 r/min條件下，進行連續(xù)循環(huán)500次磨損測試，獲得連續(xù)制動條件下摩擦因數(shù)的變動趨勢和磨損率.測試條件：N32#機油潤滑，供油流量100 mL/min，油溫35 ℃～40 ℃.摩擦方式為環(huán)-環(huán)接觸，對偶盤為45#鋼，硬度HRC 35，摩擦材料尺寸為外徑103 mm、內(nèi)徑72.6 mm、厚度0.5 mm.磨合前，在N32#機油中浸油48 h.

測完試樣的磨損率后，對試樣的磨損表面噴金后用掃描電子顯微鏡(日立S3700)進行觀察，并進行表面分析.然后，在熱重分析儀上進行試樣的熱衰退測試.分析前，試樣在60 ℃下干燥至恒重；然后進行熱重測試，升溫速率為20 ℃/min，溫度范圍為30 ℃～800 ℃.

2 結(jié)果與討論

2.1 硫化溫度對材料耐熱性能的影響

(a)140 ℃

(b)160 ℃

(c)180 ℃

(d)200 ℃圖1 不同硫化溫度下試樣TG/DSC曲線

從圖1中可以看出，四種樣品的熱失重過程主要包括三個階段，既30 ℃～270 ℃, 270 ℃～380 ℃, 380 ℃～800 ℃.第一階段主要是材料中水分的蒸發(fā)和氣體的排出[9]；腰果殼油改性酚醛樹脂的分解和竹纖維的碳化主要發(fā)生在第二階段；第三階段主要是樹脂分解產(chǎn)生的小分子的燃燒和部分樹脂分子的繼續(xù)分解.從圖1中可以看出，四個樣品在第一階段的失重量均為4%左右，即硫化溫度對材料中氣體和水分的含量和排出影響不明顯.在第二階段硫化溫度為160 ℃時，最大速率熱分解溫度在370 ℃左右，而其他樣品基本在360 ℃左右，硫化溫度過低和過高都不利于提高材料的耐熱性能.在第三個階段，四個樣品的吸熱峰區(qū)別較大，1#樣品表現(xiàn)出放熱峰，可能是小分子燃燒的放熱峰覆蓋了樹脂分解的吸熱峰；2#樣品主要是樹脂的分解，表現(xiàn)出吸熱峰；而隨著硫化溫度的升高，2#樣品的吸熱峰從2.5 mW/mg減小到4#樣品的1.9 mW/mg，相比較在第三階段的吸熱峰值逐漸減弱，可能是小分子的燃燒逐漸增強.

2.2 摩擦材料的表面微觀形貌

圖2是硫化溫度為140 ℃、160 ℃、180 ℃、200 ℃時試樣的SEM照片.從圖2中可以看出：四個試樣中都形成了大小不一的孔隙，孔隙的存在有利于潤滑油在材料的表面與內(nèi)部進行交換，能較好地充當(dāng)材料和對偶盤之間的潤滑劑，同時帶走摩擦產(chǎn)生的部分熱量，降低摩擦副的溫度，緩解樹脂的熱分解，降低材料和對偶盤的磨損[7,8].硫化溫度為140 ℃時，樹脂與纖維的表面結(jié)合處裂紋較多，不利于載荷的傳遞，使得材料分解、脫離更加容易(如圖2(a)所示)；硫化溫度為160 ℃時，樹脂已經(jīng)完全固化交聯(lián)，材料中的纖維和摩擦性能調(diào)節(jié)劑通過樹脂連接成了一個整體，材料能較好的承受制動的壓力和熱量，降低了裂紋的產(chǎn)生，阻止微裂紋的繼續(xù)擴展(如圖2(b)所示)；而硫化溫度為180 ℃時，由于溫度過高，縮短了樹脂的固化時間，材料的表面形成了樹脂層，大部分的碳纖維被覆蓋于樹脂層下，只有少量的纖維露于表面，這可能會降低摩擦層的韌性和強度，加重樹脂的磨損(如圖2(c)所示).硫化溫度為2 00 ℃時，材料表面的樹脂層逐漸擴大，材料的表面孔隙尺寸與180 ℃時的樣品相比較小，這不利于潤滑油的交換，不能及時帶走摩擦熱量，熱量的累積容易使材料的局部產(chǎn)生高溫而發(fā)生熱分解(如圖2(d)所示).

(a)140 ℃

(b)160 ℃

(c)180 ℃

(d)200 ℃1:樹脂和纖維表面的裂紋;2:未固化的樹脂;3:樹脂層;4:固化完全的樹脂圖2 試樣的表面形貌SEM照片

2.3 摩擦磨損性能

2.3.1 摩擦性能

在主軸慣量為0.10 Kg·m2、主軸轉(zhuǎn)速為2 000 r/min和制動壓力為0.5 MPa下，不同硫化溫度的紙基摩擦材料的摩擦力矩曲線如圖3所示.從圖中可以看出：硫化溫度為140 ℃摩擦材料，摩擦力矩波動較大，扭矩值最小，曲線尾部的“公雞尾”較高，材料的制動時間較長和穩(wěn)定性變差.硫化溫度為160 ℃摩擦材料的摩擦力矩從0到設(shè)定值0.5 MPa的過程中能夠迅速到達穩(wěn)定值，摩擦力矩曲線中間部分平直，曲線尾部平滑,扭矩值較大，比140 ℃時高出61.9%，制動時間從3.94 s減小到2.52 s，降低了36%，這表明硫化溫度為160 ℃時摩擦材料的傳扭效率較高，同時摩擦材料在與對偶盤結(jié)合的過程中動靜轉(zhuǎn)換表現(xiàn)的更加平穩(wěn)[10].而硫化溫度為180 ℃和200 ℃時，摩擦力矩曲線尾部的翹起逐漸增高，即制動的過程中摩擦材料的穩(wěn)定性逐漸降低，材料與對偶盤結(jié)合過程中動靜轉(zhuǎn)換時的噪音增大，影響了材料整體的穩(wěn)定性.從圖4中可以看出，硫化溫度為160 ℃時的動摩擦系數(shù)最高，穩(wěn)定性最好，因為在此溫度下材料的耐熱性能最好；而硫化溫度過高或過低都不利于改善材料的熱穩(wěn)定性，因此其他三個樣品在循環(huán)制動的過程中動摩擦系數(shù)的波幅較大.

圖3 不同硫化溫度試樣的摩擦力矩曲線

圖4 不同硫化溫度的摩擦材料連續(xù)循環(huán)500次制動動摩擦因數(shù)穩(wěn)定圖

2.3.2 磨損性能

(a)140 ℃

(b)160 ℃

(c)180 ℃

(d)200 ℃1:磨損的碳纖維; 2:分解的樹脂; 3:磨粒; 4:斷裂的碳纖維圖5 試樣磨損表面形貌SEM照片

圖6 試樣500次循環(huán)制動的磨損率

圖5是不同硫化溫度下試樣500次循環(huán)制動的表面形貌SEM照片.可以看出，硫化溫度為140 ℃時，材料的表面被磨平，樹脂的網(wǎng)狀交聯(lián)結(jié)構(gòu)斷裂，在小范圍內(nèi)形成了小塊體，降低了樹脂的力學(xué)性能，加重了碳纖維的磨損，從而加重了整體材料的磨損[11-13]；硫化溫度為160 ℃時，材料的磨損表面比較平整，磨損產(chǎn)生的磨粒很少；并且由于表面比較致密，在表面容易形成潤滑膜，也能夠減小材料的磨損.硫化溫度為180 ℃和200 ℃時，材料經(jīng)過長期的制動過程，表面產(chǎn)生了很多小白點，是樹脂分解脫離而形成的小凹坑，可能降低材料制動的穩(wěn)定性，加重材料的磨損.而圖6是在主軸慣量為0.15 Kg·m2、主軸轉(zhuǎn)速為2 000 r/min和制動壓力為1.0 MPa條件下，連續(xù)500次模擬制動的體積磨損率實驗結(jié)果.可以看出，摩擦材料的磨損率隨著硫化溫度的上升，先減小再增加，溫度為160 ℃時的磨損率為2.21×10-8，比溫度為140 ℃的最高值4.08×10-8減小了45.8%.從而材料的磨損表面印證了磨損率的變化規(guī)律.總的來說，較低的硫化溫度不利于樹脂的固化，材料各個成分之間的結(jié)合性能較弱，在制動的過程中，材料容易受到剪切力的作用而產(chǎn)生微裂紋，降低材料的機械性能，增加材料失效的風(fēng)險；而過高的硫化溫度，使得樹脂的固化時間縮小，材料表面的樹脂因沒有充足的時間流向材料的內(nèi)部，在材料的表面形成樹脂層，使得大部分碳纖維被覆蓋，即摩擦層的承載能力主要由樹脂承載，降低了碳纖維與摩擦表面的接觸，使得樹脂的因摩擦熱量的累積而加速分解.

3 結(jié)論

通過硫化溫度對紙基摩擦材料熱性能和摩擦性能的影響得出以下結(jié)論：硫化溫度高于或低于160 ℃時，材料的耐熱性能減弱，樹脂和竹纖維的熱分解較為嚴(yán)重，降低了材料制動的穩(wěn)定性和使用壽命; 160 ℃時，材料的磨損最小，磨損表面平整致密，在循環(huán)制動中動摩擦系數(shù)波動性較小，摩擦力矩的變化較平穩(wěn)，磨損制動的穩(wěn)定性最好。

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