氧化鑭改性樹脂基復(fù)合材料摩擦學(xué)性能研究*

良煊

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

隨著汽車工業(yè)的高速發(fā)展，現(xiàn)代制動(dòng)摩擦材料朝著無石棉、少或無金屬化方向發(fā)展[1-3]，對汽車安全性、舒適性的要求也日益提高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國每年發(fā)生的交通事故都在30萬起以上，其中有30%事故是由于車輛制動(dòng)問題引起的，而摩擦材料連續(xù)制動(dòng)產(chǎn)生的熱衰退現(xiàn)象是造成剎車失靈的重要原因。因此有必要深入研究熱衰退現(xiàn)象，探索摩擦因數(shù)穩(wěn)定、抗熱衰退性能良好的制動(dòng)材料配方。

稀土元素被譽(yù)為“工業(yè)的維生素”[4]。稀土元素具有獨(dú)特的4f電子結(jié)構(gòu)、豐富的能級躍遷、優(yōu)異的界面性能等特點(diǎn)，是我國極其重要的戰(zhàn)略資源。研究表明，稀土可大幅度提高鋼材、鋁合金、鎂合金、復(fù)合材料等的質(zhì)量和性能[5-8]，尤其應(yīng)用于復(fù)合材料中可起到增韌、增強(qiáng)、改善界面性能、提高耐熱性等作用[9-10]。鄭開魁等[11]研究了稀土改性樹脂基制動(dòng)材料在不同工況下的摩擦學(xué)性能影響，表明稀土的加入可提高制動(dòng)材料的摩擦因數(shù)并有效降低磨損量。目前，關(guān)于樹脂基摩擦材料中添加稀土氧化鑭的效果和作用機(jī)制的研究報(bào)道較少。本文作者擬用稀土氧化鑭來改性樹脂基制動(dòng)材料，以期提高摩擦材料抗熱衰退性能，改善制動(dòng)平順性，為獲得新型高性能制動(dòng)材料的摩擦學(xué)設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供試驗(yàn)依據(jù)和理論指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料與制備

試驗(yàn)所用增強(qiáng)纖維為陶瓷纖維和竹纖維，黏結(jié)劑為腰果殼油改性酚醛樹脂，改性劑為粒度200目的市售白色粉末狀氧化鑭，填料包括市售的石墨粉、氧化鋁粉、硫酸鋇粉、輪胎粉等。采用熱壓成型工藝制備樹脂基摩擦材料。將干燥后的原材料置于JF810S型混料機(jī)中攪拌20 min，得到均勻纖維粉狀料。采用Y32-63型四柱液壓機(jī)壓制成型，成型溫度為150～160 ℃，成型壓力為6～10 MPa,保壓時(shí)間為8～10 min,其中增壓階段和保壓階段各排氣5次和2次。最后在JF980S型熱處理箱進(jìn)行160 ℃、保溫12 h的熱處理，隨爐冷卻得到模壓制品。

1.2 試驗(yàn)方法

采用正交優(yōu)化試驗(yàn)探究稀土氧化鑭含量對樹脂基摩擦材料摩擦磨損性能的影響。重點(diǎn)考察氧化鑭(A)、酚醛樹脂(B)、硅酸鋁纖維(C)、竹纖維(D)這4個(gè)因素，并考慮A與B、A與C、A與D間的交互作用，選用L27(313)的正交表。表頭設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 正交表表頭設(shè)計(jì)Table 1 Design of orthogonal test

摩擦材料的組成成分(以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)，%)：氧化鑭15～25，酚醛樹脂15～25，硅酸鋁纖維5～15，竹纖維3～7，其他為填料。每種因素取3個(gè)水平，水平安排如表2所示。

表2 正交水平表(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 2 Level of orthogonal test (mass fraction)

采用X-DM型調(diào)壓變速摩擦試驗(yàn)機(jī)測量試樣的摩擦學(xué)性能，測試過程執(zhí)行GB5763-2008《汽車用制動(dòng)襯片》標(biāo)準(zhǔn)[12]。試驗(yàn)基本條件：試樣尺寸為25 mm×25 mm×(5～6)mm。試驗(yàn)機(jī)轉(zhuǎn)速為450 r/min，壓力為0.98 MPa，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)數(shù)為5 000轉(zhuǎn)。由計(jì)算機(jī)自動(dòng)計(jì)算出100、150、200、250、300、350 ℃溫度下的摩擦因數(shù)μ及磨損率ω(cm3/(N·m))。采用美國FEI公司QUANTA250型掃描電鏡對試樣磨損表面形貌進(jìn)行觀察與分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 正交試驗(yàn)結(jié)果與分析

通過對正交設(shè)計(jì)的配方試樣進(jìn)行摩擦性能測試。結(jié)果表明：各試樣在低溫(100 ℃)和高溫(350 ℃)時(shí)摩擦因數(shù)較低，而磨損率在高溫(350 ℃)時(shí)較大。這與多數(shù)樹脂基制動(dòng)材料的摩擦學(xué)性能規(guī)律相似[13]。文中主要以低溫(100 ℃)摩擦因數(shù)、高溫(350 ℃)摩擦因數(shù)以及高溫(350 ℃)磨損率平均值為考察指標(biāo)。表3列出了27個(gè)試樣在100、350 ℃下的摩擦因數(shù)以及350 ℃下的磨損率。

表3 正交配方試樣的摩擦學(xué)性能Table 3 Tribological performance of the developed composites

續(xù)表3

為了探討稀土氧化鑭對制動(dòng)摩擦材料摩擦磨損性能的影響，并確定主要因素和較優(yōu)配方，分別對上述正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，其結(jié)果如表4所示。

從表4可以看出，100 ℃時(shí)因素B(樹脂)的F值最大，對復(fù)合材料摩擦因數(shù)影響最為顯著，其次是A(氧化鑭)、C(硅酸鋁纖維)和D(竹纖維)，而A×C(A與C的交互作用)有一定影響，A×B、A×D則不顯著。由于因素A、B、C、D對指標(biāo)影響的顯著性遠(yuǎn)大于交互作用的影響，水平的選取可忽略交互作用。分別取因素A、B、C、D的K值最大的水平數(shù)，因此可以確定優(yōu)化方案為A2B1C2D3，即氧化鑭20份、酚醛樹脂15份、硅酸鋁纖維10份、竹纖維7份時(shí)，低溫摩擦因數(shù)值較優(yōu)；同理，可以確定350 ℃下高溫摩擦因數(shù)值優(yōu)化方案為A3B1C3D1，即氧化鑭25份、酚醛樹脂15份、硅酸鋁纖維15份、竹纖維3份；350 ℃高溫耐磨性優(yōu)化方案為A1B3C1D1，即氧化鑭15份、酚醛樹脂25份、硅酸鋁纖維5份、竹纖維3份。

表4 方差分析結(jié)果Table 4 Results of ariance analysis of the composites

注：因素影響高度顯著記為****；因素影響顯著記為***；因素有影響記為**；因素有一定影響記為*；F指各因素均方和誤差均方和的比值；K指主效應(yīng)相對指標(biāo)。

綜上所述，不管是高溫還是低溫，氧化鑭含量對摩擦因數(shù)以及高溫磨損率的影響都十分顯著。適當(dāng)增加氧化鑭含量可提高摩擦材料摩擦磨損性能。硅酸鋁纖維和竹纖維均是增強(qiáng)相，但硅酸鋁纖維硬度高，耐高溫，熱穩(wěn)定性能好，對摩擦材料的摩擦因數(shù)以及高溫磨損率的影響，均比竹纖維顯著。竹纖維耐熱性能差，適當(dāng)?shù)販p少竹纖維含量、增加硅酸鋁含量，能夠有效地提高摩擦材料的高溫摩擦磨損性能。樹脂對高溫摩擦因數(shù)的影響比低溫摩擦因數(shù)更為顯著。這是因?yàn)殡S著溫度升高，在熱力作用下摩擦材料局部過熱。當(dāng)超過樹脂分解溫度時(shí)樹脂嚴(yán)重分解，導(dǎo)致黏結(jié)性下降，纖維易剝落，因此摩擦因數(shù)降低，磨損加劇[14-15]。

2.2 優(yōu)化配方摩擦學(xué)性能

從低溫摩擦因數(shù)、高溫摩擦因數(shù)、高溫磨損率的方差分析結(jié)果，可以確定3個(gè)較優(yōu)配方分別是A2B1C2D3、A3B1C3D1、A1B3C1D1。分別以這3個(gè)配方以及不含氧化鑭的配方(即：氧化鑭0份、酚醛樹脂20份、硅酸鋁纖維5份、竹纖維5份)制成摩擦材料，編號YH1、YH2、YH3、WYH。分別對4個(gè)試樣進(jìn)行X-DM型調(diào)壓變速摩擦試驗(yàn)，結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同配方試樣的摩擦因數(shù)和磨損率Fig 1 Friction and wear properties of the samples of different formulas

圖1(a)所示為試樣隨溫度升高摩擦因數(shù)的變化曲線。可以看出：隨著溫度的升高，試樣YH1、YH3、WYH的摩擦因數(shù)基本呈先升高后降低的趨勢，并且這3個(gè)樣的摩擦因數(shù)在升溫過程中波動(dòng)較大，均在300～350 ℃左右發(fā)生熱衰退現(xiàn)象，尤其是未添加稀土試樣WYH熱衰退現(xiàn)象更加明顯，摩擦因數(shù)在200 ℃就開始急劇下降，降幅達(dá)39.3%左右。與其他3個(gè)優(yōu)化配方相比，不含氧化鑭試樣的低溫摩擦因數(shù)和高溫摩擦因數(shù)最低，可見氧化鑭的加入可提高復(fù)合材料的低溫和高溫摩擦性能。試樣YH2摩擦因數(shù)在0.44～0.5之間波動(dòng)，摩擦因數(shù)較穩(wěn)定且總體處在較高水平；在高溫段(300～350 ℃)摩擦因數(shù)沒有下降反而上升，表現(xiàn)出良好的抗熱衰退性能。

圖1(b)所示為試樣隨溫度升高磨損率的變化曲線?？梢钥闯觯髟嚇拥哪p率隨著溫度的升高均呈現(xiàn)上升趨勢，未添加氧化鑭的試樣WYH在各個(gè)溫度段的磨損率均高于其他3個(gè)試樣，尤其在250 ℃后磨損率急劇增大，在350 ℃時(shí)高達(dá)1.48×10-7cm3/(N·m)。試樣YH1、YH2、YH3在100～250 ℃之間，磨損率變化平穩(wěn)；在300～350 ℃之間，磨損率也出現(xiàn)上升趨勢，但總體均維持在較低水平。試樣YH3的高溫磨損率最低，試樣YH2次之。可見，氧化鑭的加入可有效提高復(fù)合材料的磨損性能。

綜上所述，含有氧化鑭試樣YH1、YH2、YH3的摩擦磨損性能均優(yōu)于不含氧化鑭的試樣WYH。其中當(dāng)摩擦材料配方中組分質(zhì)量份數(shù)為氧化鑭25份、酚醛樹脂15份、硅酸鋁纖維15份、竹纖維3份、其他填料58份時(shí)(即試樣YH2，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為氧化鑭21.6%、酚醛樹脂12.9%、硅酸鋁纖維12.9%、竹纖維2.6%、其他填料50%)綜合摩擦學(xué)性能最優(yōu)，其摩擦因數(shù)穩(wěn)定且具有良好的抗熱衰退性能和耐磨損性能。由于氧化鑭具有獨(dú)特的電子組態(tài)，化學(xué)活性好，加入適量的氧化鑭一定程度改善了樹脂與各組分的界面黏結(jié)性，降低了樹脂炭化后材料的脆性，有效地改善了材料的致密性和柔韌性[16]；氧化鑭具有六方晶體結(jié)構(gòu)，高溫潤滑性好，降低了摩擦材料磨損率。因此，氧化鑭的加入能夠穩(wěn)定摩擦材料的高溫摩擦因數(shù)，降低磨損率，有效避免熱衰退現(xiàn)象。

3 磨損表面形貌分析

采用FEI公司生產(chǎn)的QUANTA250型掃描電子顯微鏡，分別對盤溫為100、350 ℃試驗(yàn)后優(yōu)化配方試樣(YH2)與不含氧化鑭配方試樣(WYH)的磨損表面進(jìn)行觀察，結(jié)合摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果，探討其摩擦磨損機(jī)制。試樣YH2和WYH在100、350 ℃下的磨損表面SEM形貌如圖2所示。

從圖2(a)、(b)可以看出：100 ℃下試驗(yàn)后試樣摩擦表面均形成了一層較穩(wěn)定的摩擦膜。這是由試樣與摩擦盤相對滑動(dòng)所產(chǎn)生，而摩擦膜的出現(xiàn)對基體起到一定的保護(hù)作用。兩者相比之下，不含氧化鑭試樣WYH的表面磨損程度較大，100 ℃下的磨損率為0.23×10-7cm3/(N·m)。同時(shí)還可以看出：WYH表面的部分纖維已經(jīng)斷裂甚至脫落，在摩擦表面留下了少許的凹坑，失去了纖維作為增強(qiáng)基體的作用。這反映了樹脂與纖維的黏結(jié)性較差，在未達(dá)到樹脂熱分解溫度發(fā)生熔融分解的情況下，纖維就已斷裂脫落，甚至整體裸露于摩擦表面。這是試樣WYH摩擦因數(shù)較低的部分原因。而試樣YH2的摩擦面整體較為光滑，無明顯的凹坑，并且樹脂對纖維的包覆性較好，纖維與樹脂的界面結(jié)合良好，很好地起到了纖維作為“骨架”的作用，保證了摩擦材料穩(wěn)定的摩擦因數(shù)和較小的磨損率，100 ℃下的磨損率為0.11×10-7cm3/(N·m)，僅為試樣WYH的50%左右。可見，氧化鑭的加入可有效提高摩擦材料的低溫摩擦磨損性能及摩擦因數(shù)的穩(wěn)定性。

從圖2(c)、(d)可知：當(dāng)溫度達(dá)到350 ℃時(shí)不含氧化鑭試樣WYH的表面磨損嚴(yán)重，可以觀察到較大的凹坑。此時(shí)成束纖維暴露在表面，大面積的纖維斷裂、脫落。這是因?yàn)闃渲邷胤纸?，黏結(jié)力下降，致使填料顆粒和纖維松動(dòng)、脫落，形成大小不一的凹坑。隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，磨損加劇，凹坑尺寸逐漸變大。相比之下，試樣YH2磨損表面更為光滑平整，無明顯的坑洼，纖維仍舊與樹脂基體緊密結(jié)合。這是由于氧化鑭表現(xiàn)出良好的高溫潤滑性。其潤滑機(jī)制有2種：一是氧化鑭與摩擦材料中的氧、硫元素反應(yīng)，在摩擦表面形成化學(xué)反應(yīng)膜，起到減摩作用；二是氧化鑭中鑭元素會(huì)擴(kuò)散滲透到樹脂基體中，改善了摩擦材料的耐磨性，從而減少熱衰退現(xiàn)象[17]。

圖2 WYH和YH2試樣在不同溫度下的磨損表面形貌SEM圖Fig 2 SEM images of worn surface of composites WYH and YH2

綜上所述，氧化鑭對摩擦材料的摩擦磨損性能影響顯著。低溫階段是整個(gè)摩擦過程的初期，樹脂未熔融分解，此時(shí)以磨粒磨損為主，黏著磨損為輔。隨著溫度的升高，樹脂逐漸熔融分解，填料和纖維逐漸剝落，此時(shí)磨損形式主要是黏著磨損和疲勞磨損。而不含氧化鑭的試樣磨粒磨損所占比重較大，磨損嚴(yán)重。因此，氧化鑭的加入能夠很好地穩(wěn)定摩擦材料的摩擦因數(shù)，提高其耐磨性和抗熱衰退性能。

4 結(jié)論

(1)采用氧化鑭改性樹脂基復(fù)合材料，并通過正交試驗(yàn)方差分析獲得摩擦學(xué)性能較優(yōu)組分配方(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，即氧化鑭21.6%、酚醛樹脂12.9%、硅酸鋁纖維12.9%、竹纖維2.6%，其他填料50%。

(2)摩擦材料中加入適量的氧化鑭不僅能夠提高摩擦材料的低溫、高溫摩擦因數(shù)，還能提高復(fù)合材料的摩擦因數(shù)穩(wěn)定性與耐磨性，提高其抗熱衰退性能，從而延長摩擦材料的使用壽命。

(3)未添加氧化鑭試樣磨損試驗(yàn)后表面產(chǎn)生嚴(yán)重的剝落,并且出現(xiàn)大量的磨屑，磨損形式以磨粒磨損為主，黏著磨損為輔；加入適量的氧化鑭后，試樣磨損表面出現(xiàn)大面積連續(xù)的摩擦膜，磨損形式以黏著磨損為主。