不生銹輕質(zhì)泡沫纖維含量對樹脂基摩擦材料性能影響

馮馳原，王秀飛,2，尹彩流* ，李慶慶，文國富

(1.廣西民族大學(xué) 摩擦材料研究所，廣西 南寧 530006；2.北京優(yōu)材百慕航空器材有限公司，北京 100095)

0 引言

隨著工業(yè)的迅速發(fā)展，對樹脂基摩擦材料提出的要求也越來越嚴苛，如更小的制動噪音、更環(huán)保的原材料、更好的耐熱性以及更高的摩擦因數(shù)穩(wěn)定度。樹脂基摩擦材料主要由黏結(jié)劑、增強纖維、摩擦性能調(diào)節(jié)劑和填料組成，具有比重輕、制動噪音低、對偶盤損傷小、易于成型加工及價格低廉等特點，廣泛應(yīng)用于汽車和工程機械領(lǐng)域，是制動系統(tǒng)中的關(guān)鍵零部件[1-4]。增強纖維在樹脂基摩擦材料中起到提升綜合力學(xué)性能，保證摩擦磨損性能等重要的作用。目前較為常見的增強纖維主要包括鋼纖維[5]、碳纖維[6]、芳綸纖維[7]、植物纖維和礦物纖維[8]等。摩擦材料中增強纖維與基體的結(jié)合能夠有效地阻止疲勞裂紋的擴展。制動時外加載荷由增強纖維作為承載單元，能夠使材料具有一定的強度和韌性，在經(jīng)受沖擊、剪切、拉伸等機械作用時避免材料出現(xiàn)失效現(xiàn)象[9]。

目前國內(nèi)外研究摩擦材料的學(xué)者普遍認為，摩擦材料要向疏松、多孔、輕質(zhì)方向發(fā)展，在摩擦材料的使用過程中應(yīng)盡量避免生銹、產(chǎn)生噪音和產(chǎn)生火花等現(xiàn)象。石棉纖維是二十世紀七十年代以前最常用的增強纖維，但后來石棉被發(fā)現(xiàn)具有致癌作用而被限制使用，取而代之的是更多的新型產(chǎn)品[10-11]。陳東等[12]研究發(fā)現(xiàn)鋼棉纖維的磨損主要以黏著磨損、氧化磨損和磨粒磨損為主。摩擦過程中摩擦材料表面的鋼棉纖維很容易發(fā)生氧化，而形成的氧化層有利于克服鋼棉纖維與對偶之間的黏著。但是摩擦材料與對偶接觸面之間的硬質(zhì)磨屑容易劃傷鋼棉纖維導(dǎo)致磨粒磨損。劉愛萍等[13]研究了不銹鋼纖維/碳纖維混雜增強聚醚醚酮基摩擦材料的配比對其摩擦磨損性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，當不銹鋼纖維質(zhì)量分數(shù)適當時，所制得的摩擦材料具有摩擦因數(shù)穩(wěn)定和磨損率低等優(yōu)點。但是目前關(guān)于不生銹輕質(zhì)泡沫纖維增強樹脂基摩擦材料的研究卻很少。不生銹輕質(zhì)泡沫纖維是合成摩擦材料中出現(xiàn)的新材料，它的原料與鋼棉纖維相似，本質(zhì)上是純鐵(含碳量≤0.02 %)。鐵是人體需要的微量元素，對人體無害，對大氣、水源沒有污染。不生銹輕質(zhì)泡沫纖維具有表面粗糙、疏松多孔、可塑性優(yōu)良、密度低和生銹速度緩慢等優(yōu)點。其以鐵為原料，經(jīng)過粉碎、磁選、風(fēng)選、級配、混料等在1 300 ℃高溫下加入發(fā)泡劑進行高溫發(fā)泡，并經(jīng)過900 ℃鈍化處理，具有輕質(zhì)、消除靜電、防止產(chǎn)生火花、避免出現(xiàn)金屬鑲嵌、改善摩擦磨損性能和減少噪音等特性。所以本文主要針對現(xiàn)有制動材料摩擦因數(shù)不穩(wěn)定、使用壽命短的問題，采用熱壓成型法制備了不生銹輕質(zhì)泡沫纖維增強樹脂基摩擦材料，通過實驗研究和理論分析，探討不生銹輕質(zhì)泡沫纖維含量對樹脂基摩擦材料綜合力學(xué)性能和摩擦磨損性能的影響，以期為制備高性能樹脂基摩擦材料提供理論支持。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

制備不生銹輕質(zhì)泡沫纖維增強樹脂基摩擦材料的主要原材料包括NFJ不生銹輕質(zhì)泡沫纖維(粒度為0.1 mm，密度為0.6～1 g/cm3，孔隙率為80 %，北京金科復(fù)合材料有限責(zé)任公司)、高鋁礬土、腰果殼油改性酚醛樹脂、芳綸漿粕、陶瓷纖維、石墨、蛭石、氧化鋁、輕質(zhì)氧化鎂、摩擦粉、硫酸鋇。

1.2 試樣制備

按照表1的質(zhì)量配比制備不同不生銹輕質(zhì)泡沫纖維含量的摩擦材料試樣(分別用A1至A5表示)。制備工藝:首先按表所示配比用電子天平(JCS-W，哈爾濱眾匯衡器有限公司)稱量得到相應(yīng)組分的原材料，并將其分別置于鉸刀式混料機(自制)中。因各組分導(dǎo)電性能不同，同時混料會造成纖維團聚，因此采用兩步干混法混料。先將不生銹輕質(zhì)泡沫纖維、陶瓷纖維、石墨、芳綸等導(dǎo)電性能良好的組分預(yù)混，預(yù)混料時間為20 s，然后將剩余組分加入干混，混料時間為60 s，混合均勻的粉料置于電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(DHG-9070A，上海鴻都電子科技有限公司)于80 ℃保溫15 min預(yù)熱。然后將預(yù)熱好的粉料置于平板硫化機(XLB-D，浙江湖州東方機械有限公司)中熱壓成型，熱壓溫度165 ℃，熱壓壓力12 MPa，保壓時間15 min，放氣次數(shù)3～5次，放氣時間20 s，獲取試樣粗坯。將熱壓成型的粗坯置于電熱鼓風(fēng)干燥箱中進行固化熱處理，固化時間為3 h，固化溫度為180 ℃。

表1 不同不生銹輕質(zhì)泡沫纖維質(zhì)量分數(shù)的試樣配方

1.3 性能測試

按照《塑料非泡沫塑料密度的測定》(GB/T 1033—2008)，使用全自動電子密度計(GH-128E，量程0.000 1～100 g，精度0.000 1 g/cm3)測量摩擦材料試樣的密度。按照《汽車制動器襯片顯氣孔率測試方法》(QC/T 583—1999)，采用吸油法測定摩擦材料試樣的孔隙率。按照《摩擦材料洛氏硬度試驗方法》(GB/T 5766—2007)，采用洛氏硬度計(XHR-150，上海光學(xué)儀器一廠)測試摩擦材料試樣的洛氏硬度(HRM)。按照《摩擦材料沖擊強度試驗方法》(GB/T 33835—2017)，使用沖擊試驗機(XJJ-5D，濟南華興試驗設(shè)備有限公司)測試試樣的沖擊強度，試樣尺寸為55 mm×15 mm×6 mm。按照《纖維增強塑料壓縮性能試驗方法》(GB/T 1447—2005)，使用萬能試驗機(WEW-100EШ，濟南時代試金試驗機有限公司)測試試樣的壓縮強度。

采用MM1000-Ⅲ型摩擦性能試驗機(西安順通機電應(yīng)用技術(shù)研究所)測試摩擦材料的摩擦磨損性能。對偶盤材質(zhì)為灰鑄鐵HT 250，硬度為185～215 HB，表面粗糙度為1.6 μm。試樣尺寸為25 mm×25 mm×10 mm，進行摩擦磨損性能測試前需對試樣進行磨合，磨合面積需大于總面積的85 %。測試配置慣量為0.4 kg·m2，制動壓力為0.6 MPa，制動轉(zhuǎn)速分別為2 000 r/min、3 000 r/min、4 000 r/min，每個試樣在同一轉(zhuǎn)速下制動10次，摩擦因數(shù)取10次制動的平均值。摩擦因數(shù)穩(wěn)定度采用平均摩擦因數(shù)與最高摩擦因數(shù)的比值進行表征。測量試樣制動前后的質(zhì)量，差值即為試樣在不同制動速度下的質(zhì)量損耗。其質(zhì)量磨損率按公式(1)進行計算：

(1)

式中,K為磨損率，g/(N·m)；Δm為試驗前后試樣質(zhì)量差，g；W為摩擦功，N·m。

用掃描電鏡(ZEISS EVO18)觀察試樣沖擊斷面、摩擦表面以及磨屑顯微形貌，并用EDS分析磨屑成分。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 密度

表2為試樣A1至A5的密度和孔隙率，隨著不生銹輕質(zhì)泡沫纖維含量的增加，摩擦材料的密度從2.12 g/cm3降至1.86 g/cm3，孔隙率則從3.4 %增加至4.8 %。主要原因是不生銹輕質(zhì)泡沫纖維本身是一種疏松、多孔且密度較低的材料。同時隨著纖維含量的增加，樹脂相對含量減少，增強纖維與樹脂基體之間的結(jié)合性能下降，材料內(nèi)部缺陷增多，導(dǎo)致摩擦材料密度下降，孔隙率升高。

表2 不同不生銹輕質(zhì)泡沫纖維含量的摩擦材料的密度和孔隙率

2.2 洛氏硬度和力學(xué)性能

表3為試樣A1至A5的洛氏硬度、沖擊強度和壓縮強度。隨著不生銹輕質(zhì)泡沫纖維含量的增加，摩擦材料的沖擊強度先增加后降低，而洛氏硬度和壓縮強度則呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，但下降趨勢緩慢，總體數(shù)值較平穩(wěn)。試樣洛氏硬度從85 HRM下降至80 HRM，由于摩擦材料的工作原理是與對偶件的摩擦面貼合產(chǎn)生機械摩擦力從而達到制動目的，若摩擦材料硬度過高，則會對對偶件造成較大的磨損；而若其硬度過低，則會影響制動效果與使用壽命。所以在實際應(yīng)用中需要選擇硬度適宜的摩擦材料才能達到理想的制動效果。對于沖擊強度而言，試樣A2的沖擊強度最高，為3.9 kJ/m2。試樣壓縮強度隨著不生銹輕質(zhì)泡沫纖維含量的增加從99 MPa下降至79 MPa。主要原因是當試樣受到外力作用時，較高的孔隙率會導(dǎo)致材料承受載荷的有效面積大幅減少，從而造成力學(xué)性能下降。

表3 不同不生銹輕質(zhì)泡沫纖維含量的摩擦材料的洛氏硬度和力學(xué)性能

圖1(a)至圖1(e)所示是試樣A1至A5沖擊斷口的SEM形貌。當摩擦材料承受沖擊載荷作用時，裂縫會首先出現(xiàn)在試樣中心區(qū)域，此時，不生銹輕質(zhì)泡沫纖維在樹脂基體中的橋接作用會阻礙裂縫的延伸，應(yīng)力主要由增強纖維承受。當不生銹輕質(zhì)泡沫纖維被拔出或拉斷時，裂縫才會繼續(xù)延伸直至破壞。觀察圖1(a)可以發(fā)現(xiàn)，試樣A1中樹脂與增強纖維結(jié)合較好，但是在標出區(qū)域存在少量纖維團聚現(xiàn)象，導(dǎo)致其沖擊強度較低。從圖1(b)可以看出，試樣A2的沖擊斷口處纖維團聚現(xiàn)象明顯減少且增強纖維與樹脂的結(jié)合較好，使得其沖擊強度提高。纖維團聚現(xiàn)象減少的主要原因是不生銹輕質(zhì)泡沫纖維具有消除靜電的能力，能夠在一定程度上減少由靜電引起的纖維團聚現(xiàn)象。圖1(c)標示的區(qū)域可以看出試樣A3中增強纖維與樹脂的結(jié)合處出現(xiàn)了較大的孔洞，主要原因是增強纖維的含量增加后，樹脂不能充分包覆纖維，摩擦材料在承受沖擊載荷時增強纖維容易被拔出，導(dǎo)致能夠承擔(dān)載荷的承載單元減少，沖擊強度降低。由圖1(d)和圖1(e)中標示區(qū)域可以明顯觀察到試樣A4至A5的沖擊斷面存在孔洞和裂紋，這是因為不生銹輕質(zhì)泡沫纖維本身就是一種多孔且疏松的材料，過量地加入使樹脂結(jié)合能力下降，摩擦材料內(nèi)部孔洞增多，導(dǎo)致沖擊強度降低。隨著不生銹輕質(zhì)泡沫纖維含量的增加，纖維團聚現(xiàn)象減少，提升摩擦材料的綜合力學(xué)性能。但是增強纖維含量增加會導(dǎo)致界面結(jié)合性較差，使摩擦材料綜合力學(xué)性能降低。這兩種不同的特性產(chǎn)生相互抵消作用，導(dǎo)致試樣的力學(xué)性能在不生銹輕質(zhì)泡沫纖維含量增加的情況下并無大幅度的降低。

(a)A1

2.3 摩擦磨損性能

圖2和圖3所示分別為試樣摩擦因數(shù)變化曲線和摩擦因數(shù)穩(wěn)定度變化曲線。可以看出，試樣A1的摩擦因數(shù)在制動速度為2 000 r/min時達到0.48，但隨著制動速度的增加摩擦因數(shù)出現(xiàn)較大幅度的下降。主要原因是試樣A1中出現(xiàn)纖維團聚現(xiàn)象，隨著制動速度增大，摩擦表面溫度急劇升高，導(dǎo)致表面樹脂基體黏結(jié)性能下降，增強纖維大量脫落，使得摩擦因數(shù)降低。摩擦因數(shù)的大幅下降說明不生銹輕質(zhì)泡沫纖維質(zhì)量分數(shù)為5 %的摩擦材料熱衰退現(xiàn)象明顯，摩擦因數(shù)穩(wěn)定度較差。在不同的制動速度下試樣A2的摩擦因數(shù)均在0.42～0.44，且摩擦因數(shù)穩(wěn)定度均不低于0.90。在試樣與對偶的摩擦過程中，不生銹輕質(zhì)泡沫纖維率先承受剪切作用，提供主要的摩擦力矩；同時增強纖維與基體之間的結(jié)合作用提供剩下的摩擦力矩。較高的摩擦因數(shù)穩(wěn)定度說明試樣A2中不生銹輕質(zhì)泡沫纖維與樹脂基體結(jié)合較好，加之不生銹輕質(zhì)泡沫纖維本身具有較高的強度，所以在制動速度較高時，試樣A2仍然能保持較高的摩擦因數(shù)。隨著不生銹輕質(zhì)泡沫纖維含量的繼續(xù)增加，試樣A3至A5的摩擦因數(shù)和摩擦因數(shù)穩(wěn)定度均逐漸降低，試樣A5在制動速度為4 000 r/min時摩擦因數(shù)僅為0.36。由于試樣A3至A5的樹脂相對含量較低，基體黏結(jié)力大幅下降，導(dǎo)致不生銹輕質(zhì)泡沫纖維在承受對偶剪切作用時容易出現(xiàn)剝離現(xiàn)象，從而使摩擦因數(shù)和摩擦因數(shù)穩(wěn)定度降低。同時試樣A3至A5的孔隙率較高，材料內(nèi)部較為疏松，在循環(huán)應(yīng)力作用下產(chǎn)生裂紋的缺陷源增多，使得其內(nèi)抗剪強度和抗壓強度降低，也會導(dǎo)致摩擦因數(shù)和摩擦因數(shù)穩(wěn)定度下降。圖4所示為試樣的磨損率變化曲線。在摩擦材料的工作過程中，必定伴隨著磨損，摩擦材料耐磨性的好壞直接決定其使用壽命的長短，而磨損率就是表征摩擦材料耐磨性的物理量。觀察圖4可以看出，當制動速度較大時，試樣磨損率較高。主要原因是當制動速度較大時，摩擦材料在制動過程中所產(chǎn)生的熱量隨之增加，高溫使得樹脂基體發(fā)生熱分解，導(dǎo)致磨損率升高。這種現(xiàn)象就是所謂的“熱磨損”現(xiàn)象[14]。此外隨著不生銹輕質(zhì)泡沫纖維含量的增加，試樣磨損率逐漸降低。高含量的不生銹輕質(zhì)泡沫纖維能降低摩擦材料的整體密度，起到調(diào)節(jié)摩擦材料的孔隙率的作用，由于氣孔對樹脂在高溫條件下分解產(chǎn)生的分子具有吸附作用[15]，能在一定程度上降低磨損率。同時不生銹輕質(zhì)泡沫纖維具有較好的導(dǎo)熱性，當其相對含量較高時，能將摩擦表面熱量快速傳導(dǎo)至材料內(nèi)部，減少了表面溫度過高引起的樹脂基體熱分解，也能降低部分磨損率。所以不生銹輕質(zhì)泡沫纖維含量較高時，摩擦材料的磨損率較低。

圖2 不同制動速度下摩擦因數(shù)與不生銹輕質(zhì)泡沫纖維含量的函數(shù)關(guān)系

圖3 不同制動速度下摩擦因數(shù)穩(wěn)定度與不生銹輕質(zhì)泡沫纖維含量的函數(shù)關(guān)系

圖4 不同制動速度下磨損率與不生銹輕質(zhì)泡沫纖維含量的函數(shù)關(guān)系

2.4 摩擦學(xué)行為分析

圖5(a)至圖5(e)所示分別是試樣A1至A5摩擦表面顯微形貌的SEM照片。由圖5(a)可以看出，試樣A1的摩擦表面出現(xiàn)纖維團聚現(xiàn)象，說明其表面并未形成均勻的摩擦膜，抗磨損能力較差。同時其摩擦表面還存在少量纖維被拔出后留下的孔洞，這是因為不生銹輕質(zhì)泡沫纖維與對偶材料的組成成分相似，當制動速度較高時摩擦表面溫度達到樹脂分解溫度，這時由于摩擦膜未能完全覆蓋摩擦表面，導(dǎo)致不生銹輕質(zhì)泡沫纖維在受連續(xù)制動剪切作用時從樹脂基體中脫落，使摩擦因數(shù)下降，磨損率上升。試樣A1的主要磨損機理為黏著磨損。由圖5(b)可以觀察到，試樣A2的磨擦表面光滑平整，形成了摩擦膜，在摩擦膜表面存在較淺的溝犁痕跡。這說明試樣A2的摩擦表面形成了較為均勻的摩擦膜，使得摩擦因數(shù)穩(wěn)定度較高且磨損率相對較低，磨損機理轉(zhuǎn)變?yōu)槟チＤp。當摩擦材料在制動過程中受到對偶剪切作用時，摩擦表面部分不生銹輕質(zhì)泡沫纖維會被拔出形成一些微小顆粒。同時摩擦材料在工作過程中表面溫度升高，使得樹脂呈現(xiàn)熔融態(tài)。隨著摩擦過程的繼續(xù)進行，這些微小顆粒在外力作用下，釘扎在摩擦表面，在連續(xù)的摩擦作用下形成摩擦膜。摩擦膜的存在對于樹脂基摩擦材料的摩擦磨損性能而言具有較大的影響作用。由于不生銹輕質(zhì)泡沫纖維具有較好的塑性，因此當其含量較少時，未被拔出的纖維再次受到對偶剪切作用時會產(chǎn)生塑性變形而不是直接從基體脫落，有效避免了試樣表面摩擦膜遭到破壞，使摩擦材料在高轉(zhuǎn)速的情況下仍然能保持較高的摩擦因數(shù)。這與圖3中試樣A2摩擦因數(shù)穩(wěn)定度較高相符。觀察圖5(c)可以發(fā)現(xiàn)，試樣A3的摩擦表面也形成了較為完整的摩擦膜，但是摩擦膜表面溝犁痕跡較深，且存在少量凹坑。這說明試樣A3所形成的摩擦膜遭到較為嚴重的破壞，出現(xiàn)剝落現(xiàn)象，因此其摩擦因數(shù)穩(wěn)定度相比A2有所下降。由圖5(d)和5(e)可以看出，試樣A4和A5的摩擦表面出現(xiàn)了明顯的片層結(jié)構(gòu)，同時表面淺坑數(shù)量增多，這說明過量的不生銹輕質(zhì)泡沫纖維會在制動時破壞摩擦膜，導(dǎo)致摩擦膜在破壞-形成-再破壞的過程中不斷循環(huán)，使得摩擦膜的厚度不斷增加，造成摩擦材料的摩擦因數(shù)下降。試樣A3、A4和A5的磨損機理為磨粒磨損和疲勞磨損。

(a)A1

圖6至圖10所示為試樣A1至A5摩擦表面磨屑的SEM形貌及EDS能譜分析。EDS分析表明，磨屑中含有的主要元素為Fe和O，是不生銹輕質(zhì)泡沫纖維的主要成分，證明磨屑主要為制動過程中脫落的不生銹輕質(zhì)泡沫纖維碎屑。結(jié)合圖5可以看出各試樣摩擦表面均有不同程度的劃痕，這是由于制動過程中磨屑會對摩擦表面進行劃刻，從而產(chǎn)生犁溝效應(yīng)。由于不生銹輕質(zhì)泡沫纖維塑性較好，所以這些脫落的不生銹輕質(zhì)泡沫纖維碎屑形成的磨屑形狀較為規(guī)整，當磨屑數(shù)量較少時不會對摩擦表面摩擦膜產(chǎn)生永久性的破壞。

(a)A1

(a)A2

(a)A3

(a)A4

(a)A5

3 結(jié)論

① 5種不同不生銹輕質(zhì)泡沫纖維含量的摩擦材料均表現(xiàn)出較好的綜合力學(xué)性能，其中不生銹輕質(zhì)泡沫纖維質(zhì)量分數(shù)為10 %的摩擦材料綜合力學(xué)性能最好。

② 5種不同不生銹輕質(zhì)泡沫纖維含量的摩擦材料的摩擦磨損性能均較好，摩擦因數(shù)達到0.36～0.48，其中不生銹輕質(zhì)泡沫纖維質(zhì)量分數(shù)為10 %的摩擦材料在制動過程中在其摩擦表面形成了均勻且完整的摩擦膜，不同制動速度下的摩擦因數(shù)穩(wěn)定度均較高。

③ SEM分析表明，不生銹輕質(zhì)泡沫纖維質(zhì)量分數(shù)為5 %的摩擦材料主要的磨損機理為黏著磨損；當增強纖維質(zhì)量分數(shù)增加到10 %時，磨損機理改變?yōu)槟チＤp；而當其質(zhì)量分數(shù)再次增加到15 %～25 %時，摩擦材料的磨損機理則為磨粒磨損和疲勞磨損。