碳納米管對汽車剎車片用陶瓷摩擦材料性能的影響

謝茂青,王雷剛

1.江蘇大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 2120013

2.浙江鐵流離合器股份有限公司,浙江 杭州 311101

近年來，汽車制造逐步向安全環(huán)保、高速高壽命方向發(fā)展，這對汽車制動系統(tǒng)的綜合性能和剎車片材料的高溫穩(wěn)定性及可靠性提出了更高的要求[1]。作為摩擦傳動制動系統(tǒng)的重要材料，摩擦材料需要具備較高的抗壓強度、較大的摩擦系數(shù)、較低的磨損率以及優(yōu)異的穩(wěn)定性等[2]。與傳統(tǒng)的有機摩擦材料相比，陶瓷材料在壽命、環(huán)境及穩(wěn)定等方面具有巨大的優(yōu)勢，從而成為重要的研究方向[3]。

陶瓷剎車片通常由基體材料、摩擦改進劑、增強材料和填料組成。作為摩擦材料的骨架，增強材料對剎車片的機械強度和力學(xué)性能起著關(guān)鍵作用[4]。廣泛使用的石棉增強材料具有一定的致癌性，在生產(chǎn)和使用過程中容易危害人體健康和造成環(huán)境污染。因此，尋找可替代石棉的增強材料來研制出安全環(huán)保和高性能的汽車剎車用摩擦材料是當(dāng)前的研究重點。

碳納米管是由sp2雜化的碳原子鍵合而成的一維管狀碳納米結(jié)構(gòu)，具有很高的比表面積（理論值為1315 m2g-1）和非常出色的熱學(xué)、力學(xué)性能，其熱導(dǎo)率為3500 Wm-1K-1，楊氏模量為1 TPa，拉伸強度達到了300 GPa[5]。本文采用碳納米管作為增強材料，通過調(diào)節(jié)碳納米管含量獲得了不同的新型陶瓷摩擦材料。探究了碳納米管含量對摩擦材料的物理、力學(xué)和磨損性能的影響，旨在為設(shè)計開發(fā)出高性能的新型陶瓷摩擦材料提供實驗指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材料來源

無機粘結(jié)劑，酚醛樹脂，湖北武漢福斯特科技有限公司；多壁碳納米管，直徑為15～30 nm，長度為10～30 μm，江蘇南京先豐納米材料科技有限公司；硅酸鋁陶瓷纖維，直徑3～5 μm，長度2～5 mm左右，山東熱盾高溫材料有限公司；工業(yè)級石墨，硫酸鈣、三氧化二鋁、螢石粉、硅藻土、碳酸鈣，粒度150～200 目，市購。

1.2 材料的處理

以碳納米管為增強材料的新型陶瓷摩擦材料采用模壓成型工藝制備。簡單來說，將各種原材料進行充分混合并攪拌均勻，然后采用干法工藝熱壓成型，溫度為160°C，壓強為50 MPa，熱壓時間為5 min/mm。接著在80～200°C 溫度范圍內(nèi)進行熱處理，經(jīng)磨削之后得到實驗用樣品。實驗制備的不同樣品的原材料配方如表1 所示。

表1 汽車剎車片摩擦材料配方(%)Table 1 Composition of friction materials(%)for auto motive braking pads

1.3 實驗方法

摩擦材料的微觀形貌和磨損形貌采用Hitachi S4800 型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察。參照“GB/T1041-2008”和“QC/T473-1999”，摩擦材料的抗壓和抗剪切強度通過WDW-50 型電子萬能試驗機進行測試。參照“GB/T5763-2008”，摩擦材料的摩擦磨損性能采用XD-MSM 型定速摩擦試驗機進行測試。

2 結(jié)果與分析

2.1 物理和力學(xué)性能測試

2.1.1 碳納米管含量對抗壓和抗剪切強度的影響 由圖1可知，當(dāng)碳納米管含量為15%時，摩擦材料的抗壓和抗剪切強度達到最高值，分別為223 MPa 和11.6 MPa。從總體上看，隨著碳納米管含量的增加，摩擦材料的抗壓和抗剪切強度呈現(xiàn)出類似的變化規(guī)律：均是先增加后降低。當(dāng)碳納米管含量低于15%時，碳納米管可以和其他材料緊密結(jié)合，增強效果越來越明顯，摩擦材料的抗壓強度和抗剪切強度均得以提升。當(dāng)碳納米管含量進一步增加（高于15%），黏結(jié)劑的含量相對不足，會弱化各組分之間的作用力。此外，過多的碳納米管自身會發(fā)生團聚，也會降低增強效果。

圖1 碳納米管含量對摩擦材料抗壓強度和抗剪切強度的影響Fig.1 Effects of CNT content on compressive strength and shearing strength of friction materials

2.1.2 摩擦材料表面形貌 圖3 是碳納米管含量分別為0 和15%時，所制得的摩擦材料斷面高倍SEM照片。由圖3a 可知，基體材料和各種填料呈現(xiàn)微米級顆粒，尺寸均勻，在酚醛樹脂的作用下團聚在一起。從3b 中可以觀察到碳納米管均勻覆蓋在顆粒表面，兩者通過界面作用力緊密結(jié)合，碳納米管的增強作用得到充分的發(fā)揮，使摩擦材料的抗壓強度和抗剪切強度得到提高。

圖2 碳納米管含量分別為0（a）和15%（b）的摩擦材料的SEM 照片F(xiàn)ig.2 SEM images of friction materials with CNT content of 0(a)and 15% （b）

2.2 摩擦磨損性能測試

2.2.1 碳納米管含量對摩擦因子的影響 由圖3a 可知，不含碳納米管時，摩擦因子在150 ℃之前上升，經(jīng)歷200 ℃的降低后顯著增加，溫度達到300 ℃再次下降。這是因為300 ℃后摩擦材料開始出現(xiàn)熱衰退，熱穩(wěn)定性降低，材料間的增強效果下降，磨損加劇，從而致使摩擦材料的摩擦因子降低[6]。與之相比，碳納米管含量為15%的摩擦材料的摩擦因子在溫度升高過程中表現(xiàn)得很穩(wěn)定，一直波動在0.33～0.40 之間，這有利于提升剎車片在汽車制動時的車輛穩(wěn)定性，避免因為摩擦因子的急劇波動帶來的車圈抱死或者剎不住車的后果。然而，繼續(xù)增加碳納米管的含量至25%，摩擦材料在升溫到250 ℃的過程中摩擦因子上漲幅度特別高，隨后又出現(xiàn)下降趨勢，這歸因于過多的碳管由于自身團聚而減弱增強作用，高溫下摩擦層隨之被破壞，磨損程度嚴重。

圖3 不同摩擦材料的摩擦因數(shù)（a）和磨損率（b）Fig.3 Friction coefficient(a)and wearing rate(b)of different friction materials

2.2.1 碳納米管含量對磨損率的影響 圖3b 是碳納米管含量與摩擦材料磨損率的關(guān)系曲線。和摩擦因子類似，碳納米管含量為15%時，摩擦材料磨損率最為穩(wěn)定，在100～300 ℃時一直保持在0.14～0.18×10-1cm-3N-1m-1之間，在300 ℃后小幅度升高，表明材料沒有出現(xiàn)明顯的磨損和熱衰退。相比之下，另外兩個對照樣品磨損率更高，并且在溫度超過200 ℃就出現(xiàn)顯著增大，說明熱穩(wěn)定性急劇下降。

2.3 磨損表面形貌

圖4a 是不加碳納米管的陶瓷基摩擦材料的斷面SEM 照片，可以觀察到裸露的基體材料、填料以及孔洞結(jié)構(gòu)，這主要是因為酚醛樹脂的黏結(jié)作用不夠強。與之相對比的是碳納米管含量為15%的摩擦材料的斷面SEM 照片（圖4b），各種材料緊密結(jié)合，結(jié)構(gòu)緊實，沒有看到明顯的孔洞，這主要是由于碳納米管的增強作用得以凸顯，能夠和基體材料、填料作用在一起。通過調(diào)整摩擦材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)來提升整體的物理、力學(xué)和摩擦磨損性能。

圖4 斷面SEM 照片F(xiàn)ig.4 Cross-sectional SEM images

圖4c,d 是上述兩種摩擦材料磨損后的斷面SEM 照片。由圖4c 可知，不含碳納米管的陶瓷基材料摩擦面有裂紋和明顯的材料剝落現(xiàn)象，導(dǎo)致基體材料裸露。這是因為酚醛樹脂在摩擦過程中產(chǎn)生的高溫下發(fā)生分解，粘結(jié)作用隨之降低，在受到摩擦力和壓力后摩擦表面產(chǎn)生疲勞磨損形成裂紋，裂紋不斷擴展誘使材料從摩擦面上脫落形成剝落坑[7]。由圖4d 可知，添加碳納米管的陶瓷材料的摩擦表面僅僅觀察到局部凹坑和一些輕微的劃痕，表面致密的摩擦層明顯提高摩擦系數(shù)的穩(wěn)定性，抑制了摩擦材料的磨損程度。這說明碳納米管有效降低了熱衰退，提升了摩擦材料高溫時的熱穩(wěn)定性，從而極大地改善了摩擦材料的綜合性能。

3 結(jié)論

以碳納米管作為增強材料，可以改善陶瓷基摩擦材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，進而提升物理、力學(xué)以及摩擦磨損性能。當(dāng)碳納米管的含量為15%時，摩擦材料的抗壓和抗剪切強度均達到最高值，分別為223 MPa 和11.6 MPa，遠高于不含碳納米管的試樣。然而碳納米管含量過高（25%時），其增強作用弱化，導(dǎo)致熱穩(wěn)定性降低，磨損加劇，摩擦材料的摩擦因子和磨損率均高于碳納米管含量為15%的摩擦材料。該研究結(jié)果表明一定含量的碳納米管對于研制高性能的汽車剎車片用摩擦材料非常有效。