芳綸漿粕對酚醛樹脂基摩擦材料性能影響

葉長松，付雪松，黃鵬，陳國清，周文龍

(大連理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，凝固控制與數(shù)字化重點實驗室，遼寧大連 116023)

在摩擦材料的各類組分中，增強纖維對于摩擦材料的力學(xué)性能有重要影響。傳統(tǒng)的摩擦材料以石棉作為主要增強纖維，隨著人們對環(huán)境和健康的要求不斷提高，石棉逐步被各個國家禁止使用。20 世紀(jì)70 年代以來，以芳綸纖維為代表的多種纖維被開發(fā)成為石棉的替代品，逐漸在摩擦材料產(chǎn)業(yè)中獲得應(yīng)用[1–3]。美國杜邦公司將芳綸短纖維進(jìn)行高度原纖化制成了Kevlar 芳綸漿粕，保留了芳綸纖維高模量、高強度和良好的熱穩(wěn)定性及吸附性能，從而能與樹脂等粘結(jié)劑更好地結(jié)合[4–5]。如今，芳綸漿粕已經(jīng)成為國外摩擦材料設(shè)計中的首選增強纖維[6–7]。近年來，國內(nèi)外研究者們對于芳綸漿粕的作用開展了很多研究，S. J. Kim 等[8]研究發(fā)現(xiàn)芳綸漿粕有效提高了摩擦材料的摩擦穩(wěn)定性，同時可以降低磨損率。員榮平等[9]通過建立摩擦性能的評價模型，發(fā)現(xiàn)芳綸漿粕體積分?jǐn)?shù)為3.4%時綜合性能最佳。尤秀蘭等[10]用芳綸漿粕取代石棉制備摩擦材料，改善了石棉摩擦材料高溫磨損嚴(yán)重的缺點。

雖然人們對于芳綸漿粕在摩擦材料中對材料性能的作用有較多研究，但是對于芳綸漿粕含量對樹脂基摩擦材料性能的影響規(guī)律和機制的研究尚不夠充分，筆者通過干法熱壓成型制備了試驗用摩擦材料，研究芳綸漿粕含量對樹脂基摩擦材料力學(xué)性能和摩擦磨損性能的影響規(guī)律，并對芳綸漿粕在摩擦材料中的作用機制進(jìn)行了分析探討。

1 實驗部分

1．1 主要原材料

酚醛樹脂：PF6130，濟南圣泉有限公司；

鱗片石墨：80～90 nm，青島富潤達(dá)有限公司；

重質(zhì)氧化鎂：44 μm，石家莊碩茂摩擦材料科技有限公司；

重晶石：44 μm，石家莊碩茂摩擦材料科技有限公司；

螢石：15 μm，石家莊碩茂摩擦材料科技有限公司；

Kevlar 芳綸漿粕：8F1857，0.95 mm，杜邦公司；

碳纖維：0.5 mm，上海力碩復(fù)合材料科技有限公司。

1．2 儀器及設(shè)備

定速式摩擦磨損試驗機：JF151 型，吉林大學(xué)機電設(shè)備研究所；

簡支梁沖擊試驗機：XJJ–5 型，承德建德檢測儀器有限公司；

塑料洛氏硬度計：XHR–150 型，萊州華銀實驗儀器有限公司；

掃描電子顯微鏡(SEM)：SUPRA 55 Sapphire型，德國卡爾蔡司公司。

1．3 試樣制備

試驗以芳綸漿粕含量作為研究變量，通過改變作為填料的重晶石含量，保持總量恒定，其余組分的含量保持不變，設(shè)計5 組試驗配方，見表1。

表1 試驗原材料配方 %

按表1 配方稱取各原料，投入高速混料機中攪拌30 s，使各原料分布均勻，無團(tuán)聚現(xiàn)象。將攪拌后的原料放入模具中，進(jìn)行熱壓成型。熱壓溫度保持 (170±5)℃，壓力為 (12±0.5) MPa，保壓 3 min。之后放入保溫箱中，溫度為(170±5)℃，時間為6 h。

1．4 性能測試

根 據(jù) GB 5763–2008，使 用 定 速 式 摩擦試驗機進(jìn)行摩擦磨損試驗，試樣尺寸為25 mm×25 mm×6 mm；使用SEM 對磨損表面形貌進(jìn)行觀察。

根據(jù)GB／T 1043–2008，使用簡支梁沖擊試驗機進(jìn)行沖擊試驗，測試材料的沖擊強度，試樣尺寸為55 mm×15 mm×4 mm。

使用塑料洛氏硬度計測量試樣的硬度，加載載荷為588 N，選用HRL 標(biāo)尺。

2 結(jié)果與討論

2．1 力學(xué)性能

不同試樣的沖擊強度和硬度測試結(jié)果見表2。從表1 可以看出，試驗材料的沖擊強度和硬度均隨著芳綸漿粕含量增加而增大。芳綸漿粕對于提高材料的沖擊強度具有顯著的作用，主要是因為芳綸漿粕表面具有豐富的類似羽毛形成了粗糙的表面，并存在沿軸向排列的許多微原纖，容易分散于基體之中[11]。這些特殊的表觀形態(tài)可以有效承擔(dān)沖擊載荷，并有利于吸收斷裂時的能量，因此，芳綸漿粕有效改善了材料的韌性。

表2 試樣沖擊強度和硬度

芳綸漿粕也提高了材料的硬度，主要源于其自身很高的強度和模量，對基體起到了支撐強化作用。在含量較低時，提升材料硬度的效果比較明顯，當(dāng)含量較高時，芳綸漿粕在基體內(nèi)部的有效支撐點逐漸趨于飽和，材料硬度的提升效果變小。

2．2 摩擦磨損性能

(1)摩擦系數(shù)。

不同試樣的摩擦系數(shù)隨溫度變化曲線見圖1。摩擦材料中的增強纖維自身的性質(zhì)及與粘結(jié)基體間的界面強度影響著材料摩擦性能[12]。圖1 顯示，不同芳綸漿粕含量時材料摩擦系數(shù)在100～350℃區(qū)間的變化趨勢相似，隨著芳綸漿粕含量增加，摩擦系數(shù)整體呈上升趨勢。由此表明，芳綸漿粕對于調(diào)節(jié)摩擦材料的總體摩擦系數(shù)是不錯的組分。但是配方中芳綸漿粕含量較低時(P1，P2)，摩擦系數(shù)與未加芳綸漿粕(P0)相比變化并不大。這主要是由于在纖維含量較低時，樹脂的粘結(jié)作用對于芳綸漿粕的束縛較強，很少出現(xiàn)纖維剝落、拔出等情況，芳綸漿粕還不能對材料的摩擦過程產(chǎn)生明顯作用。當(dāng)配方中芳綸漿粕的含量較高時(P3，P4)，摩擦系數(shù)出現(xiàn)了明顯的上升，這是因為芳綸漿粕在材料中具有了較大的體積比，粘結(jié)樹脂對纖維已不能形成充分的束縛，較多的芳綸纖維容易裸露在摩擦表面，芳綸漿粕自身的高強度和模量，在摩擦滑動過程中形成了較大的犁削抗力[13]，提高了界面摩擦力。

圖1 不同芳綸漿粕含量試樣的摩擦系數(shù)

(2)摩擦穩(wěn)定性。

材料的摩擦穩(wěn)定性決定了制動過程的平穩(wěn)程度。定量分析摩擦穩(wěn)定性常采用摩擦穩(wěn)定系數(shù)α和摩擦變化系數(shù)γ來描述，具體計算見式(1)、式(2)。

式中：μavg為各試驗溫度下摩擦系數(shù)的平均值；μmax為摩擦系數(shù)的最大值；S為摩擦系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差。

利用圖1 的試驗結(jié)果計算出摩擦穩(wěn)定系數(shù)和變化系數(shù)，結(jié)果見圖2。

圖2 不同芳綸漿粕含量試樣的摩擦穩(wěn)定系數(shù)和變化系數(shù)

從圖2 可以看出，隨著芳綸漿粕含量的增加，摩擦穩(wěn)定系數(shù)呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，而摩擦變化系數(shù)則先降低后升高。在芳綸漿粕含量達(dá)到2%時，摩擦穩(wěn)定系數(shù)最大，摩擦變化系數(shù)最小，表現(xiàn)出較好的摩擦穩(wěn)定性。由此表明，適量的芳綸漿粕可以有效地改善材料的摩擦穩(wěn)定性，而過量的芳綸漿粕反而會導(dǎo)致摩擦穩(wěn)定性下降。

(3)磨損性能。

摩擦材料的磨損率可以用于描述材料的磨損壽命，也是衡量摩擦材料性能的重要指標(biāo)之一。圖3 給出了試驗材料的磨損率隨溫度的變化情況。

圖3 不同芳綸漿粕含量試樣的磨損率

從圖3 可以看出，芳綸漿粕使得材料的磨損率普遍降低，各試樣的磨損率變化趨勢都類似，隨溫度升高呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，在150℃時磨損率比較低。其中，芳綸漿粕含量較低的P1 和P2 試樣的磨損率，在各溫度下都保持較低的水平；而芳綸漿粕含量較高的P3 和P4 試樣，在較高溫度區(qū)(200～350℃)的磨損明顯加劇?？梢娫谥械蜏貐^(qū)(100～200℃)，芳綸漿粕對于降低材料磨損率的效果更加顯著。

圖4 不同芳綸漿粕含量試樣的總磨損率

圖4 給出了不同芳綸漿粕含量試樣，經(jīng)過100～350℃摩擦試驗后的總磨損率。由圖4 可知，隨著芳綸漿粕含量的增加，材料的總磨損率先降低后上升，在芳綸漿粕含量為2%時最低。表明適量的芳綸漿粕可以提高摩擦材料的耐磨性，而當(dāng)含量過多時，耐磨性反而下降。這是由于被粘結(jié)樹脂很好束縛的芳綸漿粕，可以在摩擦表面建立較好的摩擦層，有效減少表面磨損[14]。而當(dāng)芳綸漿粕含量過高時，粘結(jié)樹脂不能對芳綸漿粕形成很好的束縛，并且影響了樹脂對其它組分材料的粘結(jié)，在摩擦過程中，材料的脫落加劇而磨損嚴(yán)重。

2．3 磨損表面形貌

圖5 為不同試樣在350℃進(jìn)行摩擦試驗后的磨損表面形貌。未加入芳綸漿粕的P0 試樣表面磨損較為嚴(yán)重(圖5a)，表面僅有小塊的摩擦層出現(xiàn)，但都存在嚴(yán)重的破損(圖5d)。P2 試樣的磨損表面形貌如圖5b 顯示，摩擦表面整體較為平整光滑，有較大塊的摩擦層。在摩擦過程中摩擦材料主要承受剪切應(yīng)力作用，材料脫落形成磨屑，在壓力作用下形成摩擦層。大塊穩(wěn)定的摩擦層有利于穩(wěn)定材料的摩擦系數(shù)，降低磨損率。在干摩擦磨損過程中，摩擦界面的摩擦層破壞是不可避免的[15]，摩擦層是處于破損又再生的動態(tài)變化過程。由圖5e 可以看到摩擦層均勻且致密，同時周圍有磨屑在繼續(xù)形成摩擦層，這種摩擦層狀態(tài)，使得P2 試樣具備良好的摩擦穩(wěn)定性和耐磨性。在加入過量芳綸漿粕的P4 試樣的摩擦表面，幾乎沒有發(fā)現(xiàn)摩擦層(圖5c)，可以觀察到的是一些碳纖維和芳綸纖維從基體中拔出(圖5f)。盡管芳綸漿粕有助于形成摩擦層，但當(dāng)芳綸漿粕沒有被粘結(jié)樹脂很好地束縛時，反而加劇了材料脫落和纖維拔出，導(dǎo)致難以形成比較穩(wěn)定的摩擦層。

圖5 不同試樣的摩擦磨損表面形貌

3 結(jié)論

(1)芳綸漿粕可以有效提高摩擦材料的力學(xué)性能，隨著芳綸漿粕含量增加，材料的沖擊強度和硬度不斷增大。

(2)芳綸漿粕對材料的摩擦磨損性能具有影響。芳綸漿粕含量較低時，對摩擦系數(shù)影響較小，當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過2%時，使材料摩擦系數(shù)顯著升高。芳綸漿粕含量對材料摩擦穩(wěn)定性和耐磨性的影響呈現(xiàn)先提高后降低的趨勢，適量的芳綸漿粕可以獲得較好的摩擦系數(shù)穩(wěn)定性和較低的磨損率。

(3)芳綸漿粕有助于摩擦材料在摩擦過程中形成較穩(wěn)定的摩擦層，但過量的芳綸漿粕會損害樹脂對組分的粘結(jié)作用，導(dǎo)致纖維拔出，不利于摩擦層的形成。