濕式紙基摩擦材料的壓縮回彈性能

梁云 張日盈 張春輝

(華南理工大學(xué) 制漿造紙工程國家重點實驗室，廣東 廣州 510640)

隨著自動變速箱的發(fā)展，在20世紀50年代出現(xiàn)了濕式紙基摩擦材料[1]。濕式紙基摩擦材料是一種在油中工作[2]的新型摩擦材料，一般由纖維、填料和粘結(jié)劑等組分構(gòu)成[3]。它具有摩擦系數(shù)高且穩(wěn)定、動靜摩擦系數(shù)接近、摩擦噪音小和使用壽命長等優(yōu)點[4]，廣泛應(yīng)用于自動變速箱的濕式離合器中。濕式離合器是通過活塞壓力控制接合、分離的裝置。離合器接合時，摩擦副受到活塞的縱向壓力，濕式紙基摩擦材料與對偶鋼片發(fā)生接觸摩擦。紙基摩擦材料受到縱向壓力的作用而發(fā)生形變，此時材料的尺寸穩(wěn)定性和彈性尤其重要。材料良好的尺寸穩(wěn)定性可以保持摩擦系統(tǒng)的穩(wěn)定，還可以保證摩擦副的間隙維持在設(shè)計誤差范圍內(nèi)，從而有效地進行接合與分離；材料良好的彈性可以減緩摩擦副接合時的沖擊作用，提高摩擦系統(tǒng)接合的平穩(wěn)性。因此，研究濕式紙基摩擦材料的壓縮回彈性具有重要的意義。

李雪芹等[5]通過研究材料壓縮回彈特性與壓縮縱向壓力、纖維配比及氣孔率之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)紙基摩擦材料的氣孔率對材料回彈有著重要的影響，氣孔率為45%時樣品具有較佳的壓縮回彈特性。鄧海金等[6]分析了樹脂含量對紙基摩擦材料壓縮回彈性能的影響，結(jié)果表明，原材料的選擇與配比對材料壓縮回彈特性有著重要的影響，特別是樹脂含量的提升，使得材料的可壓縮性能下降，回彈率提升。Chiba等[7]探究了紙基材料的可壓縮性能對摩擦磨損性能的影響，結(jié)果表明，紙基摩擦材料的壓縮回彈特性對摩擦磨損性能有著重要的影響，紙基材料良好的尺寸穩(wěn)定性可保證摩擦系統(tǒng)平穩(wěn)地進行摩擦接合，良好的彈性可以減少噪音與振動。Myshkin[8]提出了具有足夠的氣孔率和良好的壓縮回彈性能的材料，在摩擦接合過程中可以保持邊界油膜的穩(wěn)定存在，從而保證摩擦系數(shù)的穩(wěn)定。

目前，國內(nèi)外對紙基摩擦材料的研究大部分圍繞原材料特性進行，如樹脂含量[9- 11]、增強纖維[12- 13]、增磨與減磨填料[14- 15]等對摩擦磨損性能的影響，較少考慮材料氣孔率、導(dǎo)熱率和壓縮回彈性等對摩擦磨損性能的影響。其中材料壓縮回彈性是影響摩擦系統(tǒng)平穩(wěn)性、耐沖擊性與噪音大小的關(guān)鍵因素，其研究對材料摩擦機理研究與材料設(shè)計均具有重要的意義。

本文對原料特性和配比進行調(diào)整，研究棉纖維的打漿度、摩擦粉的含量、高模量碳纖維的形態(tài)和粘結(jié)樹脂彈性模量差異對紙基摩擦材料壓縮回彈性的影響，同時設(shè)計4種壓縮回彈性不同的紙基摩擦材料，分析壓縮回彈性對材料摩擦磨損性能的影響，以期為濕式紙基摩擦材料的原料配方調(diào)整提供依據(jù)，并有助于對摩擦特性機理進行深入研究。

1 實驗部分

1.1 試驗原料

纖維類原料：棉纖維，山東銀鷹化纖有限公司；1#碳纖維，C-203S短切碳纖維，長度3 mm，日本吳羽化學(xué)；2#碳纖維，M-125T球磨碳纖維，長度1 mm，日本吳羽化學(xué)；芳綸漿粕，日本帝人株式會社。填料類原料：圓柱形硅藻土、石墨、球型氧化鋁、鈦酸鉀晶須以及摩擦粉(彈性填料)等。樹脂：3#酚醛樹脂，SG-3130，美國十拿化工；4#酚醛樹脂，55791，日本住友集團；5#酚醛樹脂，PRX-14163，日本住友集團。

1.2 試樣制備

1.2.1 配方設(shè)計

首先，就棉纖維打漿度、彈性填料含量、碳纖維形態(tài)和樹脂彈性模量4個因素對樣品壓縮回彈性的影響進行研究，設(shè)計10個樣品(編號分別為A-J)，紙樣定量為300 g/m2，各樣品組分及配比見表1。

然后，根據(jù)前面的實驗結(jié)果，設(shè)計4種不同壓縮回彈性的樣品(具體配方見表2)，用于探究壓縮回彈性對樣品摩擦性能的影響。

1.2.2 原紙制備

棉纖維和碳纖維采用疏解器疏解，芳綸漿粕和填料采用高剪切榨汁機疏解，混和后制成混合漿料，利用實驗室自制圓形抄片器將混合漿料抄造成形。樣品烘干后將其放入預(yù)先配制好的樹脂膠液中，浸漬5 min后取出，在70 ℃下烘干樣品。然后用平板熱壓機在160 ℃下熱壓至0.5 mm，再在180 ℃下熱固化2 h，即可得到紙基摩擦材料原紙。

表1 樣品A-J的原材料配比Table 1 Ingredient proportions in sample A-J

表2 樣品K-N的原材料配比Table 2 Ingredient proportions in sample K-N

1.3 測試方法

1.3.1 樣品形貌的觀察

采用德國蔡司EVO18型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察樣品的形貌。

1.3.2 棉纖維的分析

采用FS300纖維質(zhì)量分析儀對5種棉纖維長度及細小纖維含量進行分析。

1.3.3 彈性模量的測試

參照GB/T 2567—2008《樹脂澆鑄體性能試驗方法》，采用MTS-C43型萬能材料試驗機進行測試，以恒定速率1 mm/min沿軸向進行壓縮，使試樣破壞。在測試過程中，測量施加在試樣上的載荷和試樣應(yīng)變，測定試樣的壓縮彈性模量。

樹脂的壓縮彈性模量計算公式為

Ec=L0Δp/(bhΔL)

(1)

式中，L0為試樣原始高度，Δp為載荷-形變曲線上初始直線段的載荷增量值，b、h分別為試樣的長度和寬度，ΔL為與載荷增量值對應(yīng)的形變增量。

1.3.4 壓縮回彈率的檢測

參照美國材料與試驗協(xié)會標準ASTM F36—2009《測定墊片材料壓縮率及回彈率的標準試驗方法》，采用美國MTS工業(yè)系統(tǒng)有限公司的MTS C- 43型萬能材料試驗機進行測試。測試預(yù)載荷為10 N，保壓時間為1 min，然后以2 N/s的加載速度將載荷增加到150 N，并且保壓5 min，最后以2 N/s的卸載速度將載荷卸載至預(yù)載荷壓力。每次測試循環(huán)10次。以第10次的壓縮率作為樣品的穩(wěn)定壓縮率，以10次測試循環(huán)的形變總量計算永久形變率。

紙樣的壓縮率計算公式如下：

C=(σ0-σ1)/σ0×100%

(2)

式中，σ0為預(yù)載荷下紙樣的厚度，σ1為加載至最大載荷壓力時紙樣的厚度。

1.3.5 樣品表面粗糙度的測試

利用PhenomG2 Pro Y型臺式掃描電鏡對樣品表面作三維掃描，可得到樣品表面粗糙度。表面粗糙度值是基于區(qū)域形貌的粗糙度評定參數(shù)，它表示區(qū)域形貌的算數(shù)平均偏差，用于表征物體表面二維形貌的粗糙程度。

1.3.6 摩擦磨損性能的檢測

采用SAE J2490《SAE NO.2 friction test machine μPVT test》檢測標準，利用SAE NO.2通用濕式摩擦磨損試驗機對樣品進行摩擦磨損性能檢測。樣品厚度為0.40～0.45 mm。測試時，前期為磨合階段，在設(shè)定的條件下摩擦200次，使摩擦片與對偶片的接觸面積基本穩(wěn)定；后期為檢測階段，共分為16個階段，每個階段進行25次摩擦測試。測試條件見表3。

表3 摩擦磨損性能測試條件Table 3 Test conditions of friction and wear property

2 結(jié)果與討論

2.1 棉纖維打漿度對壓縮回彈性的影響

不同打漿度棉纖維的FS300分析結(jié)果見表4。從表中可見，隨著打漿度的提高，棉纖維的質(zhì)均長度變短，細小纖維的含量明顯增大。棉纖維構(gòu)成樣品的“骨架”結(jié)構(gòu)，不同打漿度的棉纖維間的分絲帚化程度、纖維長度分布和細小纖維含量均具有一定的差異，所組成的樣品結(jié)構(gòu)也存在一定的差異。而樣品的基本結(jié)構(gòu)是影響尺寸穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，同時也影響著樣品的可壓縮性。

表4 不同打漿度棉纖維的FS300分析結(jié)果

表5為樣品A、B、C、D、E壓縮回彈性的測試結(jié)果。棉纖維打漿度為15oSR的樣品A穩(wěn)定壓縮率最低，為6.40%；棉纖維打漿度分別為20oSR和80oSR的樣品穩(wěn)定壓縮率較高，分別為7.90%和8.50%。樣品的永久形變率隨著棉纖維打漿度的提升而減小。

表5 棉纖維打漿度對壓縮回彈性的影響

在10次循環(huán)測試中紙樣的壓縮率變化趨勢如圖1所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨著打漿度的提高，樣品的穩(wěn)定壓縮率并不是線性提升的。這是因為樣品的壓縮率受兩方面的影響：一方面是可回彈的孔隙結(jié)構(gòu)，賦予樣品主要的壓縮性能；另一方面是不可回彈的孔隙結(jié)構(gòu)，在坍塌后會使樣品結(jié)構(gòu)變得緊密，降低樣品的可壓縮性能。

圖1 在循環(huán)測試中紙樣的壓縮率變化趨勢Fig.1 Compression ratio trends of paper samples in a test cycle

樣品可回彈的孔隙結(jié)構(gòu)會隨著棉纖維打漿度的提高而變化。棉纖維打漿度越高，形成的孔隙尺寸越小，孔隙內(nèi)細小纖維的交織程度越高，因此隨著打漿度的提高，這些孔隙的耐壓性能提升，但可壓縮性會降低。同時，樣品不可回彈的孔隙結(jié)構(gòu)所占比例隨著打漿度的提高而降低，使樣品的壓縮性能保持穩(wěn)定。

綜合以上兩方面因素，棉纖維打漿度從15oSR提高至20oSR時，纖維分絲帚化成細小纖維，相互交織，形成較多的可回彈的孔隙，因此樣品的穩(wěn)定壓縮率有較大的提升，達到7.9%，此時樣品的孔隙結(jié)構(gòu)如圖2(b)所示，孔隙結(jié)構(gòu)并沒有過于致密，孔隙具有良好的彈性，但仍存在部分不可回彈的孔隙結(jié)構(gòu)。

隨后繼續(xù)提高棉纖維打漿度，樣品孔隙結(jié)構(gòu)中纖維交織程度提高，如圖2(c)、2(d)所示，樣品的孔隙結(jié)構(gòu)變得致密，使孔隙結(jié)構(gòu)的可壓縮性能稍有下降，因此樣品C、D的穩(wěn)定壓縮率和永久形變率比樣品B稍低。

最后，將棉纖維打漿度提高至80oSR(見圖2(e))時，樣品E的孔隙結(jié)構(gòu)十分致密，樣品幾乎不存在不穩(wěn)定的孔隙結(jié)構(gòu)，永久形變率僅為0.4%。計算樣品D、E的初始壓縮率，其值接近，都為8.7%，表明打漿度提高到80oSR時，孔隙的可壓縮性能受到棉漿打漿度的影響較小，因此樣品E的初始壓縮率與穩(wěn)定壓縮率相近。

2.2 碳纖維形態(tài)對壓縮回彈性的影響

圖3為1#碳纖維、2#碳纖維在200倍下的掃描電子顯微鏡照片圖。1#碳纖維為短切碳纖維，采用短切工藝，因此尺寸均勻性較好，長度差異較小，基本保持在3 mm左右，直徑在13.0～15.0 μm之間；2#碳纖維為球磨碳纖維，采用球磨工藝，尺寸均勻性較差，長短不一，長度分布范圍為0.1～2.0 mm，且大部分纖維長度小于1 mm，直徑在17.0～19.0 μm之間。

樣品B(應(yīng)用1#碳纖維)、F(應(yīng)用2#碳纖維)的穩(wěn)定壓縮率接近，分別為7.9%與7.4%；樣品F的永久形變率為 5.9%，高于樣品B的4.0%。

碳纖維形態(tài)筆直無扭曲，且具有高模量的特性，在應(yīng)力作用下形變率較低。2#碳纖維長度較短，在紙樣內(nèi)部隨機分布形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)交織點較少，紙樣受到壓縮應(yīng)力作用時，容易發(fā)生形變，特別是孤立交織點易受到破壞，最終表現(xiàn)為紙樣測試過程中永久形變率較高；1#碳纖維形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)交織點豐富，在應(yīng)力作用下由于自身的高模量特性，使紙樣具有良好的尺寸穩(wěn)定性，表現(xiàn)為紙樣測試的永久形變率較低。

圖2 5個紙樣的掃描電子顯微鏡照片F(xiàn)ig.2 SEM pictures of 5 paper samples

圖3 兩種碳纖維的掃描電子顯微鏡照片F(xiàn)ig.3 SEM pictures of 2 carbon fibers

綜上所述，采用短切工藝的1#碳纖維，可以使樣品具有更佳的尺寸穩(wěn)定性，而采用球磨工藝的2#碳纖維由于長度過短并且長度分布不均勻等因素，使樣品的永久形變率較高，尺寸穩(wěn)定性較差。

2.3 彈性填料含量對壓縮回彈性的影響

彈性填料是摩擦材料中應(yīng)用較為廣泛的一種填料，如腰果殼油摩擦顆粒(摩擦粉)，其顆粒性質(zhì)類似橡膠，具有一定的彈性，其在材料上的應(yīng)用可以降低材料硬度，改善面貼合性能和壓縮性能。彈性填料含量對壓縮回彈性的影響如表6所示。

表6 摩擦粉含量對壓縮回彈性的影響

表6表明，樣品H的壓縮率低于樣品B、G。這是因為樣品的壓縮回彈性能除了受孔隙結(jié)構(gòu)影響外，填充在纖維間孔隙的填料也具有一定的影響，摩擦粉具有良好的彈性，受到壓力時，自身能夠發(fā)生可恢復(fù)的壓縮形變。而樣品H不含摩擦粉，取代摩擦粉的組分為二氧化硅和鱗片石墨，二氧化硅和鱗片石墨均為非彈性填料，非彈性填料受到壓力時并不會發(fā)生形變。因此，沒有添加彈性填料的紙樣壓縮率略低。樣品B、G的壓縮回彈性比較接近，一方面可能因為摩擦粉粒徑大，摩擦粉含量從4%提升至8%時，摩擦粉的顆粒數(shù)增加量較少；另一方面由于在紙樣制備過程中，摩擦粉更傾向于沉降至底部，使摩擦粉主要集中在紙樣的網(wǎng)面。

圖4為樣品B原紙的網(wǎng)面和毯面照片，正方形所示部分尺寸為25 mm×25 mm，黑點部分為摩擦粉顆粒，可見網(wǎng)面上明顯存在著較多的摩擦粉，表明摩擦粉傾向于沉降至網(wǎng)面。這使摩擦粉主要集中在紙樣的網(wǎng)面，而截面中的摩擦粉顆粒含量較少，因此摩擦粉含量的增加未能有效地提高樣品的壓縮回彈性。

圖4 樣品B原紙的網(wǎng)面和毯面照片F(xiàn)ig.4 Wire side and felt side pictures of base paper B

綜上所述，彈性填料摩擦粉的添加可使樣品穩(wěn)定壓縮率從6.9%提高至7.7%，但摩擦粉含量從4%繼續(xù)提高至8%時，紙樣的穩(wěn)定壓縮率的變化并不顯著。

2.4 樹脂彈性模量對壓縮回彈性的影響

3#酚醛樹脂與5#酚醛樹脂的彈性模量比較接近，分別為0.96、0.93 GPa；4#酚醛樹脂的彈性模量最低，為0.79 GPa，表明該樹脂受到應(yīng)力時更容易發(fā)生形變，尺寸穩(wěn)定性較差，但具有較高的可壓縮性。因此，應(yīng)用了4#酚醛樹脂的樣品J的永久形變率較高，為5.2%，而穩(wěn)定壓縮率較低，為7.0%。但是，應(yīng)用3#酚醛樹脂的樣品I與應(yīng)用5#酚醛樹脂的樣品B的壓縮回彈性略有差異，穩(wěn)定壓縮率分別為7.1%和7.9%，永久形變率分別為4.3%和4.0%。造成性能差異可能是由于溶劑體系的不同。3#酚醛樹脂采用丙酮與正丁醇混合溶劑，5#酚醛樹脂采用乙醇溶劑。丙酮與正丁醇混合溶劑易揮發(fā)，樣品經(jīng)過3#酚醛樹脂的浸漬后，樹脂溶劑揮發(fā)過快，導(dǎo)致樹脂發(fā)生明顯的熱遷移。

圖5為樣品I截面的掃描電子顯微鏡照片，照片中樣品上側(cè)為溶劑揮發(fā)面，由于樹脂熱遷移的作用，靠近上側(cè)的樹脂含量較高，結(jié)構(gòu)緊密，此部分可壓縮性較低；而另一側(cè)的結(jié)構(gòu)較疏松，樹脂含量較低，此部分具有較好的可壓縮性，但尺寸穩(wěn)定性較差。上述兩方面因素的綜合作用，樣品I相對于樣品B，穩(wěn)定壓縮率更低、永久形變率略高。

圖5 樣品I截面的掃描電子顯微鏡照片F(xiàn)ig.5 SEM picture of sample I section

綜上所述，樹脂的彈性模量會影響樣品的壓縮回彈性，同時樹脂的溶劑體系會影響樣品浸膠后的干燥過程，導(dǎo)致樣品內(nèi)樹脂分布不均勻，使樣品的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性變差。5#酚醛樹脂具有較高的彈性模量，采用乙醇溶劑，干燥過程中乙醇的揮發(fā)速度相對較慢，因此應(yīng)用該樹脂的樣品B尺寸穩(wěn)定性良好，并具有較佳的穩(wěn)定壓縮率。

2.5 壓縮回彈性對摩擦磨損特性的影響

表7 4種樣品的壓縮回彈性及摩擦磨損性能測試結(jié)果

通過調(diào)整配方，制備出的K、L、M、N樣品的壓縮回彈性依次提高。

樣品K的平均動摩擦系數(shù)為0.123，cm/ci相對于1的離散程度為0.092，表明該樣品在接合過程的起始階段，力矩傳遞曲線發(fā)生較顯著的“犄角”現(xiàn)象，力矩傳遞不平穩(wěn)。該樣品在測試的最后兩個階段，活塞位移最大行程未能使摩擦副摩擦接合，測試無法完成。主要原因是樣品K的永久形變率較高，為8.9%，尺寸穩(wěn)定性較差。在測試時，樣品經(jīng)過多次受壓逐漸發(fā)生永久形變，樣品的厚度發(fā)生了較大變化，摩擦副的間隙越來越大，使測試的后半段摩擦副接合的穩(wěn)定性變差，并在最后測試階段失效，使測試無法繼續(xù)。

樣品L的平均動摩擦系數(shù)最大，為0.139；cm/ci略偏離1，離散程度為0.067，表明接合的起始階段平穩(wěn)性稍顯不足，摩擦特性曲線會出現(xiàn)輕微的“犄角”現(xiàn)象；ce/cm與1的離散程度為0.026，較小，表明樣品L在摩擦副接合過程結(jié)束階段的力矩傳遞比較穩(wěn)定。由樣品K、L、M、N的粗糙度測試結(jié)果(平均表面粗糙度分別為2.63、2.43、3.31、5.60 μm)可知，樣品L的表面粗糙度較低，表面接觸峰組分組成均勻，因此具有比較穩(wěn)定而高的摩擦系數(shù)。但由于樣品L的可壓縮性不高，在接合的起始階段可能對沖擊的緩沖作用不夠，因此接合起始階段力矩傳遞平穩(wěn)性稍顯不足。

樣品M的平均動摩擦系數(shù)為0.126，cm/ci與1的離散程度較低，說明樣品M在摩擦接合初始階段的力矩傳遞比較平穩(wěn)。這可能是由于樣品的穩(wěn)定壓縮率較高，樣品具有更好的彈性，在摩擦接合的初始階段摩擦副瞬間受到活塞的壓力，樣品在開始摩擦的同時受到一定的沖擊，而具有良好可壓縮性的樣品對接合沖擊有緩沖作用，從而使樣品M在接合初始階段的力矩傳遞更平穩(wěn)。樣品M的ce/cm與1的離散程度比較高(為0.049)，表明樣品M在摩擦接合結(jié)束階段的力矩傳遞不平穩(wěn)。這是因為樣品M加入了摩擦粉，提高了穩(wěn)定壓縮率，摩擦粉取代了大部分的鱗片石墨、二氧化硅等組分，在表面形成較高的接觸峰，同時鱗片石墨含量的減少導(dǎo)致摩擦接合結(jié)束階段的力矩傳遞平穩(wěn)性下降，出現(xiàn)顯著的“犄角”現(xiàn)象，二氧化硅含量的減少也導(dǎo)致平均摩擦系數(shù)的下降。

樣品N的平均動摩擦系數(shù)為0.115，cm/ci和ce/cm與1的離散程度均最高，分別為0.107和0.059，這表明樣品N在摩擦接合初始、結(jié)束階段的力矩傳遞平穩(wěn)性均較差。雖然樣品N的尺寸穩(wěn)定性和可壓縮性能較佳，但由于使用了80oSR的棉漿，樣品孔隙結(jié)構(gòu)致密，氣孔率較低，導(dǎo)致樣品的油吸收性能下降，不易形成邊界摩擦的油膜。此外，氣孔率也影響導(dǎo)熱率，從而導(dǎo)致摩擦副系統(tǒng)熱彈性不穩(wěn)定的現(xiàn)象發(fā)生，使樣品的摩擦性能不穩(wěn)定。

綜上所述，摩擦副的摩擦接合是通過活塞壓力的施加進行的。在接合摩擦的初始階段，摩擦副受力接合，此時摩擦副將受到一定的沖擊作用。彈性良好的摩擦材料可以減緩接合沖擊帶來的震動與噪聲，使接合的過程更平穩(wěn)。多次摩擦接合后，過高的永久形變率會導(dǎo)致摩擦副的間隙增大，最終由于活塞最大行程不能使摩擦副接合而工作失效，當濕式紙基摩擦材料的永久形變率在4.0%～4.4%、穩(wěn)定壓縮率在6.9%～7.9%時，材料的摩擦性能比較穩(wěn)定。

3 結(jié)論

本文首先就棉纖維打漿度、碳纖維形態(tài)、彈性填料含量和樹脂彈性模量對紙基摩擦材料壓縮回彈性的影響進行了分析，然后設(shè)計了4種具有不同壓縮回彈性的樣品，分析了壓縮回彈性對濕式紙基摩擦材料摩擦磨損性能的影響。研究結(jié)果表明：

(1)棉纖維打漿度對壓縮回彈性有顯著的影響。隨著棉纖維打漿度的提高，樣品A-E的穩(wěn)定壓縮率依次經(jīng)歷了增大、略有減小、增大的過程，永久形變率則在逐漸減小。棉纖維打漿度為20oSR和80oSR時，樣品具有較佳的壓縮回彈性。

(2)采用彈性填料腰果殼油摩擦粉、3 mm長碳纖維和具有高彈性模量、緩慢揮發(fā)溶劑體系的酚醛樹脂，可使樣品獲得較佳的壓縮回彈性。

(3)當濕式紙基摩擦材料的永久形變率在4.0%～4.4%、穩(wěn)定壓縮率在6.9%～7.9%時，材料可以獲得比較穩(wěn)定、良好的摩擦性能。