碳纖維/莫來石晶須協(xié)同增強樹脂基摩擦材料的研究

費 杰， 屈 蒙， 張立潔， 谷岳峰

(陜西科技大學 材料科學與工程學院 陜西省無機材料綠色制備與功能化重點實驗室， 陜西 西安 710021)

0 引言

樹脂基摩擦材料是應用最廣泛的汽車制動材料之一[1,2]，其性能直接影響汽車行駛的安全性、舒適性、低能耗以及汽車污染等關鍵問題.樹脂基摩擦材料通常使用單一纖維進行增強，但是其在制動過程中摩擦系數(shù)的穩(wěn)定性和耐高溫熱衰退性能有待提高[3,4]，限制了其在大載荷、高轉速等苛刻工況下的應用.

多種纖維增強復合材料能夠彌補單一纖維增強復合材料的缺點和不足.常用的方法是將碳纖維和無機纖維[5]、合成纖維[6]、植物纖維[7]、金屬纖維[8,9]等中的兩種或多種纖維進行混合制備摩擦材料.陶瓷晶須作[10,11]為一種易制備、低成本的無機纖維常被用于增強樹脂基材料[12,13].Sudheer M[14]對鈦酸鉀晶須增強環(huán)氧復合材料的磨料磨損性能進行了探究，其研究結果表明，鈦酸鉀晶須能夠顯著提升環(huán)氧樹脂復合材料的耐磨性能.Ji Z等[15]探究了鈦酸鉀晶須結晶度對NAO摩擦材料的摩擦學行為的影響，研究表明相比低結晶度的鈦酸鉀晶須，高結晶度的鈦酸鉀晶須增強的NAO摩擦材料不僅表現(xiàn)出較高的摩擦系數(shù)，且耐磨損性能顯著提高.莫來石晶須是一種常見的陶瓷晶須，因其具有低密度、低熱膨脹系數(shù)、高強度[16]、高模量、高抗熱震性能[17]等特點，常作為增強體應用于陶瓷基復合材料中，效果明顯，但是將其作為樹脂基摩擦材料增強體的研究報道較少.

基于此，本文提出將碳纖維和莫來石晶須協(xié)同增強樹脂基摩擦材料，改善摩擦材料的摩擦學性能和力學性能，探索碳纖維與莫來石晶須的最佳材料配比，為其應用奠定理論基礎.

1 實驗部分

1.1 原材料與樣品制備

增強纖維：PAN基短切碳纖維，長度2～3 mm，直徑5～8μm；莫來石晶須，長度300～600μm，直徑10～20μm.填料為：石墨、摩擦粉、氧化鐵、硫酸鋇等；粘接劑：丁腈橡膠改性酚醛樹脂.

將短切碳纖維、莫來石晶須、填料和樹脂按一定比例在高速攪拌機中進行混合，然后在硫化機上熱壓成型制備出樹脂基摩擦材料.材料配比見表1所示，四個樣品以碳纖維含量分別命名為CP-5、CP-10、CP-15和CP-20.

表1 各樣品原材料配比(wt%)

1.2 實驗方法

采用美國麥克儀器公司全自動壓汞法孔徑分析儀AutoPoerIV 9510測試樣品的孔隙率.

采用美國FEI公司Q45型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察樣品的表面形貌.

采用CFT-I型多功能材料表面性能綜合測試儀測試樣品的動摩擦系數(shù)和磨損率.

采用濟南中路昌試驗機公司的WDW-50H型萬能試驗機測試樣品的彎曲強度.

2 結果與討論

2.1 樣品的結構及微觀形貌

圖1為不同樣品的截面SEM圖.從圖1可知，當碳纖維含量為5 wt%時，碳纖維和莫來石晶須在材料中分布都不均勻，從圖1(a)中標出的區(qū)域可以看出，團聚的碳纖維之間產生了與纖維尺寸相近的孔隙；從圖1(b)可以看出，相較于圖1(a)，碳纖維含量為10 wt%時，樣品中纖維聚集現(xiàn)象減少，分散性有所改善；從圖1(c)可以看出，相鄰的纖維之間填入了莫來石晶須使纖維分布趨于均勻；從圖1(d)可以看出，碳纖維均勻地分布在材料當中，這是因為隨著碳纖維含量的增加，材料中的莫來石晶須逐步均勻分布于碳纖維之間，提高了纖維與晶須在材料中的均勻性.

(a)CP-5

(b)CP-10

(c)CP-15

(d)CP-20圖1 不同樣品的微觀形貌圖

孔隙率是表征樹脂基摩擦材料的一項重要指標，材料孔隙率大小直接反映材料的致密程度.圖2為不同樣品的孔隙率圖，表2為各樣品的孔隙結構參數(shù).可以看出，樣品的孔隙率隨碳纖維含量的增大而減小，同時看出隨著碳纖維含量的增加，材料的平均孔徑和體密度也隨之減小，結合圖1可知這是由于碳纖維含量為5 wt%時，碳纖維分布不均勻，纖維與纖維之間緊湊排列，不利于與樹脂結合，在纖維之間產生了相應尺寸的孔隙，隨著碳纖維含量的增加，碳纖維和莫來石晶須分布逐步均勻，碳纖維和莫來石晶須與樹脂的結合情況得到改善，減少了內部孔隙的產生從而降低了材料的孔隙率.

圖2 不同樣品的孔隙率

表2 各樣品的孔隙結構參數(shù)

2.2 樣品的力學性能分析

圖3為不同樣品的彎曲強度圖，圖4為四個樣品的彎曲斷口形貌圖.從圖3可以看出，隨著碳纖維含量的增加，材料的彎曲強度增大.當碳纖維含量為5 wt%時，從圖4(a)可以看出莫來石晶須呈團聚狀態(tài)，從標出區(qū)域可以看出莫來石晶須與基體之間產生較大的孔洞，這是因為莫來石晶須表面較為光滑，不易與樹脂基體發(fā)生結合，在發(fā)生彎曲斷裂時不能有效地保護基體，樹脂更容易從晶須表面脫落.當碳纖維含量為10 wt%和15 wt%時，結合圖4(b)、(c)以及(c)中標示的區(qū)域可以看出，拔出的碳纖維相互之間緊密接觸，且空隙很小，與圖4(d)所標示區(qū)域進行對比可以看出，當碳纖維含量為20 wt%時，材料中的莫來石晶須分布于碳纖維與碳纖維之間，使纖維分布均勻的同時提升了纖維與樹脂的結合效果.結合圖3、圖4可以說明：隨著碳纖維含量的增加，材料彎曲強度逐漸提升的原因是因為莫來石晶須填充到纖維與纖維當中，使碳纖維分布更加均勻，提升了樹脂的粘結效果，進而提升了材料的彎曲強度.

圖3 不同樣品的彎曲強度

(a)CP-5

(b)CP-10

(c)CP-15

(d)CP-20圖4 不同樣品的彎曲斷面形貌

2.3 樣品的摩擦磨損性能分析

圖5為不同樣品的摩擦系數(shù)圖，表3為個樣品的摩擦性能參數(shù).結合圖5和表3可以看出，當碳纖維含量分別為5 wt%、10 wt%、15 wt%時，樣品的摩擦系數(shù)在制動過程中出現(xiàn)了明顯的波動，其摩擦系數(shù)波動率分別為31%、24%、27%，其中碳纖維含量為5 wt%和15 wt%的樣品的最大摩擦系數(shù)達到了0.73和0.78，超出了國標GB5763-2018規(guī)定的0.2～0.7的范圍.而碳纖維含量為20 wt%樣品的摩擦系數(shù)波動率僅為13%，摩擦系數(shù)保持在0.56～0.59之間，表現(xiàn)出穩(wěn)定的摩擦性能.

圖5 不同樣品的摩擦系數(shù)

表3 各樣品的摩擦性能參數(shù)

圖6為不同樣品的磨損量圖，圖7為不同樣品表面磨損形貌圖.從圖6可以看出，隨著碳纖維含量的增加，樣品的磨損量顯著減小，與CP-5樣品相比，CP-20樣品的磨損量下降了81%.

圖6 不同樣品的磨損量

從圖7(a)可以看出，當碳纖維含量為5 wt%時，樣品表面磨損嚴重，出現(xiàn)較深的犁溝以及晶須與纖維被拔出后留下的空洞、裂紋，犁溝中有大量磨屑，磨損表面伴有基體脫落的現(xiàn)象，說明材料的主要磨損形式是犁溝效應導致的嚴重磨粒磨損.

從圖7(b)可以看出，隨著碳纖維含量增加，樣品磨損表面的磨痕變淺，磨屑在樣品表面形成不均勻的摩擦膜，表明材料磨損的機理為刮傷型磨粒磨損.

從圖7(c)可以看出，材料表面已形成均勻的摩擦膜，膜上存在的脫落現(xiàn)象表明形成的摩擦膜不穩(wěn)定，材料的磨損機理由磨粒磨損轉變?yōu)槠谀p.

從圖7(d)可以看出，樣品表面已形成均勻穩(wěn)定的摩擦膜，說明在摩擦磨損過程中樣品表面發(fā)生了輕微的疲勞磨損.

結合圖片分析表明：當碳纖維含量少時，大量的莫來石晶須充當了粗糙峰的作用并首先被磨平，當碳纖維含量增加并高于莫來石晶須時，莫來石晶須和碳纖維逐漸分布均勻，提升了樹脂和增強體的結合效果并在磨損過程中逐漸產生摩擦膜，從而使磨損機理從嚴重的磨粒磨損轉變?yōu)檩p微的疲勞磨損，降低了材料的磨損量.

(a)CP-5

(b)CP-10

(d)CP-20圖7 不同樣品的表面磨損形貌

3 結論

本文研究了由不同比例碳纖維和莫來石晶須協(xié)同增強樹脂基摩擦材料的制備及性能的影響規(guī)律.結果表明，隨著碳纖維/莫來石晶須協(xié)同增強體系中碳纖維含量的增加，樹脂基摩擦材料的均勻性得到改善，孔隙率和孔徑減小；材料的彎曲強度成上升趨勢；樣品的摩擦系數(shù)趨于穩(wěn)定且磨損量逐漸減小，當碳纖維含量為20 wt%，莫來石晶須含量為5 wt%時，樣品的平均摩擦系數(shù)為0.54，彎曲強度為98.56MPa，磨損量相較于碳纖維含量為5%、莫來石晶須含量為20%的初始樣品降低了81%達0.028 mm3，具有最佳的綜合性能.