石墨對酚醛樹脂材料摩擦性能的影響

張恩，高飛

(大連交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

高速列車的快速發(fā)展對車輛制動系統(tǒng)也提出了新的要求，制動材料性能的好壞直接關(guān)系到列車的安全性、舒適性和對生態(tài)環(huán)境的影響[1-4].目前高速列車制動系統(tǒng)逐步向輕量化，零污染，制備低耗能等方面發(fā)展[5].酚醛樹脂由于具有低密度、結(jié)合力強、環(huán)保性能優(yōu)良，具有較好的摩擦磨損性能等特點，成為有機摩擦基體材料之一.然而，由于酚醛樹脂作為制動材料時還存在磨損量較高，摩擦系數(shù)不夠穩(wěn)定等問題，需要在其中添加固體潤滑劑以達到穩(wěn)定摩擦系數(shù)和降低磨損量的目的.

石墨作為一種固體潤滑劑，是摩擦材料中重要的潤滑組元，它可以起到降低摩擦系數(shù)和磨損率的作用[6-8].當(dāng)石墨添加到多組元酚醛樹脂基摩擦材料中，必然導(dǎo)致材料的摩擦學(xué)性能及磨損機理發(fā)生一定的變化[9-11].Cho[12]等研究了固體潤滑劑的摩擦特性對汽車剎車片摩擦性能的影響，他們通過添加Sb2S3和石墨等固體潤滑劑改善了剎車片的摩擦穩(wěn)定性.由于在酚醛樹脂基摩擦材料中還添加了像芳綸漿粕、氧化鋁、二硫化鉬等組元，隨著各組元之間的相互作用，很難澄清石墨在摩擦磨損過程中的作用機理.尤其對于酚醛樹脂基復(fù)合材料，石墨含量對摩擦性能的影響程度，仍有待探討.

本文通過在酚醛樹脂中添加不同比例的石墨(0%～20%)，研究石墨對酚醛樹脂基復(fù)合材料在不同速度下(200～3 000 r/min)的摩擦學(xué)性能和摩擦表面形貌的影響.本文研究的目的在于通過單一石墨的添加，研究石墨與酚醛樹脂在摩擦過程中的相互作用原理，以及摩擦層的形成過程，揭示石墨增強酚醛樹脂基摩擦材料摩擦性能的作用機理.

1 實驗方法

1.1 試驗材料及制備

酚醛樹脂粉末，標(biāo)號：PF6702，密度為1.27g/cm3，石墨粒度為200～315 μm.分別將體積分?jǐn)?shù)為10%、15%、20%的石墨顆粒與酚醛樹脂粉末在室溫下混合均勻，然后在180 ℃和70MPa條件下，燒結(jié)成φ17 mm×8 mm的樣品.

1.2 摩擦磨損試驗

摩擦磨損試驗在GF150D型定速摩擦機上進行，摩擦壓力是0.51 MPa，摩擦盤材質(zhì)為H13鋼，摩擦半徑150 mm，摩擦速度為200～3 000 r/min(線速度為3～47 m/s)，摩擦?xí)r間為300 s，實時摩擦曲線由摩擦試驗機自動記錄，平均摩擦系數(shù)為3次摩擦試驗的平均值.比磨損率K(mm3·N-1m-1)由式(1)計算得出：

K=Δm/utρP

(1)

其中：Δm為試樣質(zhì)量磨損(g)；ρ為試樣密度(g·mm-3)；P為應(yīng)用載荷(N)；u為摩擦速度(m·s-1)；t為制動時間(s).

1.3 表面測試與分析

采用OLYMPUS激光共聚焦顯微鏡統(tǒng)計和觀察磨損表面粗糙度和3D形貌，采用JSM-6360LV掃描電子顯微鏡觀察磨損表面微觀形貌.掃描電子顯微鏡工作電壓為20 kV，觀察前，需要在磨損表面噴金.

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 不同速度下的摩擦磨損性能

圖1為酚醛樹脂未添加石墨和添加不同比例石墨后，在壓力0.51 MPa，摩擦?xí)r間300 s時摩擦系數(shù)和磨損率在不同摩擦速度下的變化情況.可見，未添加石墨的酚醛樹脂摩擦材料，在摩擦轉(zhuǎn)速為200～1 500 r/min條件下，摩擦系數(shù)較高，隨著轉(zhuǎn)速的升高，摩擦系數(shù)先降低后升高，波動明顯，在2 000 r/min轉(zhuǎn)速下，摩擦系數(shù)達到最低值.酚醛樹脂加入15%的石墨后，平均摩擦系數(shù)降低了56.9%.在添加石墨的三個試樣中，10%石墨含量的摩擦材料在轉(zhuǎn)速在200～1 000 r/min時，摩擦系數(shù)大于其他兩種摩擦材料，轉(zhuǎn)速在2 000～3 000 r/min區(qū)間內(nèi)，摩擦系數(shù)略有升高(圖1(a)).在圖1(b)中可以看出，酚醛樹脂在摩擦盤轉(zhuǎn)數(shù)200～3 000 r/min范圍內(nèi)，磨損率波動較大，在200 r/min磨損率達到最高值，隨著速度的增加，磨損率先減小后增加，在1 500 r/min磨損率達到最小值，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過1 500 r/min磨損率呈逐漸升高趨勢.酚醛樹脂中加入石墨后，平均磨損率降低了83.2%. 在轉(zhuǎn)速200～1 000 r/min范圍內(nèi)磨損率隨轉(zhuǎn)速的增加逐漸減小，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過1 000 r/min，磨損率相對穩(wěn)定.

(a)摩擦系數(shù)

(b)磨損率圖1 石墨-酚醛樹脂基材料摩擦系數(shù)和磨損率隨摩擦速度變化情況

石墨含量為10%時，磨損率在200～1000 r/min范圍內(nèi)較其他兩個不同石墨含量的摩擦材料高.

通過以上分析，表明了石墨的添加可以有效地降低酚醛樹脂基摩擦材料的摩擦系數(shù)和磨損率.當(dāng)石墨含量超過15%時，石墨含量的增加對酚醛樹脂基摩擦磨損性能的影響不明顯.

2.2 摩擦系數(shù)隨摩擦?xí)r間變化情況

圖2所示為純酚醛樹脂、石墨-酚醛樹脂基摩擦材料在壓力0.51 MPa，速度1 500 r/min的摩擦系數(shù)隨時間變化情況.可以看出，純酚醛樹脂材料其摩擦系數(shù)在前75s內(nèi)快速升高之后急速下降，隨著摩擦?xí)r間的延長，呈先升高后急速降低的規(guī)律性波動，摩擦系數(shù)波動較大.相比于純酚醛樹脂材料，含有石墨的酚醛樹脂基材料其摩擦系數(shù)隨著時間的變化整體相對穩(wěn)定，波動較小.對不同石墨含量的三種試樣而言，含量為10%石墨的試樣在摩擦開始的3 s內(nèi)，摩擦系數(shù)變化與純酚醛樹脂材料相似，隨后摩擦系數(shù)逐漸降低，36 s后摩擦系數(shù)趨于平穩(wěn)，但有部分波動.這是由于摩擦表面酚醛樹脂的面積遠大于石墨， 摩擦初始階段以基體和鋼盤的摩擦為主，當(dāng)石墨的磨屑產(chǎn)生并逐步分散，摩擦系數(shù)逐漸降低，但是由于石墨含量少，在磨損表面分散不均勻，導(dǎo)致摩擦系數(shù)產(chǎn)生波動.當(dāng)石墨含量超過15%時，摩擦系數(shù)在摩擦開始的3s內(nèi)逐漸降低，6 s后摩擦系數(shù)穩(wěn)定在0.17～0.22之間.這說明石墨的添加可以顯著增加酚醛樹脂基摩擦材料摩擦系數(shù)的穩(wěn)定性，當(dāng)石墨含量超過15%時，摩擦系數(shù)穩(wěn)定性變化不明顯.

圖2 石墨-酚醛樹脂基復(fù)合材料摩擦系數(shù)隨時間變化情況

2.3 摩擦表面形貌分析

圖3為酚醛樹脂材料和15%石墨含量酚醛樹脂材料在0.51 MPa，1 500 r/min轉(zhuǎn)速下的三維摩擦磨損表面形貌和相對應(yīng)的表面粗糙度曲線.從圖3(a)和3(c)可以看出，未添加石墨的酚醛樹脂材料表面粗糙(表面粗糙度SRa為6.208)，而且有較寬和較深的犁溝，說明在沒有潤滑的條件下，材料受摩擦對偶材料和磨粒的影響較大，摩擦表面磨損情況嚴(yán)重，導(dǎo)致酚醛樹脂材料的表面粗糙度曲線波動明顯，振幅較大.隨著石墨的加入(圖3(b))，摩擦磨損表面相對平滑(表面粗糙度SRa為1.842)，沒有犁溝出現(xiàn)，堆積的摩擦層上有垂直于摩擦方向的裂紋出現(xiàn)，同時酚醛樹脂基體上伴隨著垂直于摩擦方向的裂紋.由圖3(d)可以看出， 添加石墨的酚醛樹脂摩擦材料表面粗糙度曲線波動幅度較小，相對平穩(wěn)，說明石墨的添加有助于形成較好平整度的摩擦表面，從而提高摩擦系數(shù)的穩(wěn)定性(圖2).

(a) 純酚醛樹脂

(b) 石墨含量15%的酚醛樹脂基復(fù)合材料

(c)酚醛樹脂材料粗糙度曲線

(d)石墨-酚醛樹脂復(fù)合材料粗糙度曲線圖3 兩種不同酚醛樹脂基復(fù)合材料的摩擦表面3D形貌

為了進一步研究石墨增強摩擦磨損性能的機理，用掃描電子顯微鏡觀察轉(zhuǎn)速在1 500 r/min條件下的磨損表面形貌.圖4(a)為純酚醛樹脂磨損SEM形貌.如圖所示，摩擦表面有明顯的局部撕裂痕跡，說明酚醛樹脂材料在摩擦過程中，摩擦表面局部與摩擦對偶材料接觸，在對偶材料的硬質(zhì)點強切削力作用下，較軟的樹脂材料塑性變形，發(fā)生黏著撕裂，并斷裂剝離，導(dǎo)致摩擦表面粗糙度較大.由于酚醛樹脂材料摩擦表面撕裂痕跡的存在，粗糙度較大的摩擦表面與鋼盤表面凸起的硬質(zhì)點產(chǎn)生嚙合作用，增大了實際接觸面積，提高了酚醛樹脂材料的摩擦系數(shù)和磨損率(圖1).圖4(b)為酚醛樹脂添加石墨后磨損表面SEM形貌.如圖所示，添加石墨的酚醛樹脂材料摩擦磨損表面平滑，沒有犁溝存在，但是有明顯的剝落坑和少量裂紋，并且磨屑呈片狀分散在摩擦表面和剝落坑中.研究認為，在摩擦磨損過程中，摩擦面與鋼盤接觸所產(chǎn)生的石墨與基體混合的片狀磨屑覆蓋在摩擦表面形成了致密的潤滑層，隨著時間的延長，石墨顆粒破碎并剝落，形成了剝落坑.磨屑在剝落坑堆積，壓實，形成新的致密的潤滑層，降低了摩擦系數(shù)和磨損率，同時起到穩(wěn)定摩擦系數(shù)的作用.

(a)純酚醛樹脂材料

(b)石墨含量15%的酚醛樹脂基復(fù)合材料圖4 摩擦速度在1 500 r/min時磨損表面形貌

3 結(jié)論

(1)石墨的添加可以有效提高酚醛樹脂基摩擦材料的摩擦磨損性能和摩擦系數(shù)穩(wěn)定性，添加15%石墨的平均摩擦系數(shù)和磨損率較酚醛樹脂材料分別降低了56.9%和83.2%，當(dāng)石墨含量超過15%，石墨含量對酚醛樹脂基摩擦材料摩擦磨損性能和摩擦系數(shù)穩(wěn)定性影響不明顯；

(2)酚醛樹脂基摩擦材料中加入石墨后，摩擦表面平整度相對于未添加石墨材料明顯提高，摩擦表面粗糙度SRa由6.208變?yōu)?.842；

(3)酚醛樹脂材料在摩擦過程中受到摩擦對偶材料硬質(zhì)點的強切削力作用下，發(fā)生黏著撕裂形成犁溝，導(dǎo)致摩擦系數(shù)不穩(wěn)定，磨損率較高；石墨的添加有助于在磨損表面形成致密的潤滑層，提高了酚醛樹脂的摩擦磨損性能和摩擦系數(shù)穩(wěn)定性.