氧化鋁纖維對紙基摩擦材料摩擦學性能的影響

陸趙情， 胡文靜， 謝 璠

(陜西科技大學 輕工科學與工程學院 陜西省造紙技術(shù)及特種紙品開發(fā)重點實驗室 輕化工程國家級實驗教學示范中心， 陜西 西安 710021)

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氧化鋁纖維對紙基摩擦材料摩擦學性能的影響

陸趙情， 胡文靜， 謝 璠

(陜西科技大學 輕工科學與工程學院 陜西省造紙技術(shù)及特種紙品開發(fā)重點實驗室 輕化工程國家級實驗教學示范中心， 陜西 西安 710021)

采用濕法成型工藝制備未添加氧化鋁纖維和添加氧化鋁纖維的兩種復合紙基摩擦材料.借助材料表面性能綜合測試儀和熱重分析儀對制備的紙基摩擦材料的摩擦磨損性能和耐熱性能進行檢測和研究，采用掃描電鏡對磨損表面進行觀察分析，從而探究兩種紙基摩擦材料在相同的載荷和同一轉(zhuǎn)速下的摩擦磨損性能和耐熱性能.結(jié)果表明：氧化鋁纖維的添加對材料及摩擦磨損性能和耐熱性能有顯著影響.摩擦前期，材料的動摩擦系數(shù)波動性較大，摩擦后期，材料的動摩擦系數(shù)波動曲線呈平穩(wěn)狀態(tài)，且氧化鋁纖維的添加增加了紙基摩擦材料運行的平穩(wěn)性，降低了磨損率，并提高了紙基摩擦材料的耐熱性能.

氧化鋁纖維； 紙基摩擦材料； 動摩擦系數(shù)； 磨損率； 耐熱性能

0 引言

紙基摩擦材料是將纖維、填料、摩擦性能調(diào)節(jié)劑采用濕法抄造制成摩擦材料原紙，經(jīng)樹脂浸漬加工而成的復合材料，主要應用于汽車傳動系統(tǒng)和制動系統(tǒng)[1,2].因其具有摩擦系數(shù)穩(wěn)定、磨損率低、使用壽命長、噪音小及可保護對偶材料等優(yōu)點，已經(jīng)發(fā)展成為一類越來越重要的濕式摩擦材料[3,4].隨著科技的進步和人民生活水平的提高，機械及汽車工業(yè)逐漸向著高速、重載、安全、舒適的方向發(fā)展，人們對于紙基摩擦材料的性能要求更多更高，因此改善材料的耐熱性能、提高材料的摩擦穩(wěn)定性及延長材料的壽命已經(jīng)成為了國內(nèi)外學者廣泛關(guān)注的熱點.

發(fā)達國家對紙基摩擦材料也早有研究.Amar Patnaik等[5]通過研究硅酸鋁陶瓷纖維和芳綸纖維的配比來制備酚醛樹脂基的紙基摩擦材料；H.J.Hwang等[6]研究了碳納米管的添加對紙基摩擦材料摩擦性能和導熱性能的影響；美國專利US 5478642[7]也提出了使用高性能的碳纖維、芳綸纖維和棉纖維，以及碳顆粒、石墨作為填料制備雙層紙基摩擦材料.

國內(nèi)對紙基摩擦材料也做了相對的研究，西北工業(yè)大學的付業(yè)偉等[8]研究了碳纖維復合紙基摩擦材料耐熱性能、摩擦性能和磨損性能.這些方法都存在著一定的缺陷，竹纖維和木纖維制得的紙基摩擦材料雖然成本低，但其耐熱耐磨性能差；芳綸纖維和碳纖維等高性能纖維的大量使用不僅會增加摩擦材料的生產(chǎn)成本，而且芳綸纖維和碳纖維表面光滑，化學惰性強[9]，與基體中的其他組分結(jié)合差.總體而言，國內(nèi)在增強纖維的選擇研究方面雖然有了一定的進展，但纖維的選擇類型還比較單一，混雜纖維研究較少.

氧化鋁纖維作為一種新型的超輕質(zhì)高溫絕熱材料，有較好的耐熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性，其復合材料的力學性能、耐磨性、硬度均有提高，熱膨脹系數(shù)降低；又與樹脂基體結(jié)合良好，比玻璃纖維的彈性大，比碳纖維的壓縮強度高，其復合材料正逐步在一些領(lǐng)域取代玻璃纖維和碳纖維[10-13].然而對氧化鋁纖維應用在紙基摩擦材料方面的研究較少，且對其摩擦性能的影響機理也尚不明確.

因此，本文研究了氧化鋁纖維的添加對紙基摩擦材料摩擦磨損性能的影響.紙基摩擦材料是由高性能纖維濕法成型抄造，為了進一步提高材料的摩擦磨損性能和耐熱性能，添加氧化鋁纖維這種新組分到材料基體中，對比研究了相同載荷和相同轉(zhuǎn)速下紙基摩擦材料的動摩擦系數(shù)、磨損率和熱穩(wěn)定性.

1 實驗部分

1.1 實驗原料

實驗原料包括抄紙原料和十二烷基苯磺酸鈉等藥品.抄紙用的原料包括各種纖維、粘結(jié)劑、填料、摩擦性能調(diào)節(jié)劑、各種助劑等.纖維包括碳纖維、芳綸纖維、竹纖維、氧化鋁纖維、海泡石絨；填料包括硅藻土、氧化鋁粉體等；摩擦性能調(diào)節(jié)劑是石墨；助劑有羧基丁苯膠乳、聚氧化乙烯(PEO)、陽離子聚丙烯酰胺(CPAM).

1.2 紙基摩擦材料原紙的制備

將纖維及其原料放入標準疏解機中，制成漿料懸浮液.采用紙樣抄取器將其制成紙基摩擦材料原紙，定量為100 g/m2.用酚醛樹脂對原紙進行浸漬，將浸漬后的原紙烘干后在平板硫化機上進行熱壓成型處理，制成紙基摩擦材料，如圖1所示.

圖1 紙基摩擦材料的制備工藝流程圖

1.3 紙基摩擦材料的性能表征

采用CFT-Ⅰ型材料表面性能綜合測試儀對制備好的紙基摩擦材料的摩擦磨損性能進行檢測，檢測其在負載載荷100 N，轉(zhuǎn)速300 r/min的條件下所檢測得到的摩擦磨損性能.

使用材料表面性能綜合測試儀對材料的摩擦磨損實驗結(jié)束后，用無水乙醇浸泡樣片并將其干燥，再采用VEGA-3-SBH型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察磨損表面形貌.

采用TGA-Q500型熱重分析儀測試紙基摩擦材料樣片的耐熱性能.

2 結(jié)果與討論

2.1 紙基摩擦材料的摩擦磨損性能

一般情況下，影響材料摩擦磨損性能的因素有許多，如負載載荷、摩擦轉(zhuǎn)速、摩擦時間、表面狀態(tài)以及材料的結(jié)構(gòu)成分等.摩擦的時間是一個變化的量，隨著時間的增加，材料表面的溫度和狀態(tài)有所變化，這些都將反映到材料摩擦性能的變化[14].其中，摩擦系數(shù)是表征材料傳動/制動效率的重要參數(shù)，摩擦系數(shù)越高表明傳動/制動效率越高；在不同實驗條件下波動越小，即表明材料摩擦穩(wěn)定性越好[15,16]；摩擦過程中的磨損始終是增加的.

2.1.1 紙基摩擦材料的摩擦性能

圖2為各試樣的動摩擦系數(shù)對比圖.由圖2可以看出，添加氧化鋁纖維紙基摩擦材料的動摩擦系數(shù)與未添加氧化鋁纖維紙基摩擦材料的動摩擦系數(shù)相比略有下降，約為11%，但仍符合摩擦材料行業(yè)國標規(guī)定的動摩擦系數(shù)為0.15～0.19的標準.有研究結(jié)果表明[17-19]，隨著摩擦時間的增加，摩擦系數(shù)有所下降，這被認為摩擦表面的溫度起著重要作用，局部高溫造成的低熔點纖維或金屬軟化并形成氧化物摩擦膜，這種膜使得摩擦面變得光滑，因此有利于降低摩擦系數(shù).

a：未添加氧化鋁纖維的紙基摩擦材料; b：添加氧化鋁纖維的紙基摩擦材料圖2 未添加氧化鋁纖維和添加氧化鋁纖維的紙基摩擦材料的動摩擦系數(shù)

圖3為各試樣的動摩擦系數(shù)隨時間變化的波動曲線圖.由圖3可以看出，在實驗的開始階段，兩條摩擦系數(shù)曲線隨時間的變化出現(xiàn)波動，隨著實驗的進行又逐漸達到平穩(wěn)狀態(tài).隨時間的變化，未添加氧化鋁纖維的紙基摩擦材料的摩擦系數(shù)略有升高的趨勢，添加氧化鋁纖維的紙基摩擦材料的摩擦系數(shù)略有降低的趨勢，但摩擦系數(shù)整體變化不明顯，這是因為紙基摩擦材料在磨擦一段時間后，磨損表面變得粗糙而使得摩擦界面的相對運動阻力變大、摩擦系數(shù)升高，而氧化鋁纖維作為硬質(zhì)相可以強化基體，使得紙基摩擦材料的強度和硬度明顯提高，從而有效地阻止初期摩擦產(chǎn)生的表面易粗糙的現(xiàn)象，因此與未添加氧化鋁纖維相比，摩擦系數(shù)略有下降.

且由圖3還可以看出，前期40 min，添加氧化鋁纖維的紙基摩擦材料與未添加氧化鋁纖維的紙基摩擦材料相比，其摩擦系數(shù)波動在更大的一個范圍內(nèi)，40 min以后，添加氧化鋁纖維的紙基摩擦材料與未添加氧化鋁纖維的紙基摩擦材料相比，其摩擦系數(shù)的波動在更小的一個范圍內(nèi).由此說明：摩擦初期，紙基摩擦材料的動摩擦系數(shù)波動性較大；摩擦后期，紙基摩擦材料的動摩擦系數(shù)波動曲線呈平穩(wěn)狀態(tài)，氧化鋁纖維增加了紙基摩擦材料的平穩(wěn)性.氧化鋁纖維與碳纖維共同作用，有效地阻止了材料局部過熱造成的塑性流動，最終使得摩擦材料由急劇磨損轉(zhuǎn)變?yōu)槠椒€(wěn)磨損.

2.1.2 紙基摩擦材料的磨損性能

磨損率是表征復合紙基摩擦材料使用壽命的一個重要參數(shù).磨損率越低，則表明紙基摩擦材料使用壽命越長；在高載荷高溫度條件下磨損率越低，即表明材料越適合在大熱負荷條件下使用[15].

圖4為各試樣的磨損率的對比柱狀圖.由圖4可以看出，未添加氧化鋁纖維的紙基摩擦材料磨損率明顯大于添加氧化鋁纖維的紙基摩擦材料的磨損率，高出約47%.說明氧化鋁纖維的添加有利于降低磨損率，緩解磨損的嚴重性，也充分說明了氧化鋁纖維具有優(yōu)異的耐磨性.

造成以上實驗現(xiàn)象的原因如下：紙基摩擦材料在摩擦過程中，摩擦副間的微凸體相互咬合，這種初期嚙合使得摩擦系數(shù)處于時刻波動的狀態(tài)，隨著時間的增加，摩擦熱的不斷積聚致使材料表面局部軟化，材料強度降低，局部的高溫使得微凸體中低熔點的組分發(fā)生破碎，然后熔融形成了致密的膜，這些膜使得此時摩擦副之間的接觸表現(xiàn)為膜與膜之間的接觸，形成的摩擦膜在一定程度上具有流動性，減少了接觸面的剪切應力，降低了摩擦系數(shù)，從而起到潤滑作用[20-22].而且，在復合材料中，基體和增強體之間的界面粘結(jié)往往較弱，隨著時間的繼續(xù)增加，摩擦力逐漸增加并超過一定極限時，界面將會發(fā)生破裂，致使摩擦膜破裂，纖維等從基體拔出，并隨周圍發(fā)生塑性變形的基體而脫落，產(chǎn)生越來越多的磨粒和磨屑，最終磨損量和磨損率增大.

a：未添加氧化鋁纖維的紙基摩擦材料；b：添加氧化鋁纖維的紙基摩擦材料圖4 未添加氧化鋁纖維和添加氧化鋁纖維的紙基摩擦材料的磨損率

2.2 紙基摩擦材料的磨損表面分析

對紙基摩擦材料的摩擦性能起重要作用的因素還與摩擦后的磨損表面密切相關(guān).實際上，在摩擦條件下，強烈磨損后形成的大量磨斑呈現(xiàn)在摩擦表面，通過對磨斑表面進行觀察和分析來討論氧化鋁纖維影響材料摩擦磨損性能的因素.

圖5所示為未添加氧化鋁纖維和添加氧化鋁纖維的紙基摩擦材料的磨損表面的磨斑電鏡圖.其中，圖5(a)和(b)為未添加氧化鋁纖維的紙基摩擦材料的摩擦前電鏡圖.由圖5(a)和(b)可以看出，未經(jīng)摩擦前的紙基摩擦材料的各組分表面較為光滑和平整，在樹脂的包覆下，纖維和填料緊密的交織，被樹脂粘結(jié)劑粘結(jié)在一起.

圖5(c)和(d)為添加氧化鋁纖維的紙基摩擦材料的摩擦前電鏡圖.由圖5(c)和(d)可以看出，紙基摩擦材料的各組分在樹脂的粘結(jié)下，更加緊密的交織在一起.

圖5(e)和(f)為未添加氧化鋁纖維的紙基摩擦材料的摩擦后電鏡圖.由圖5(e)和(f)可以看出,摩擦后的紙基摩擦材料表面有明顯剝落的痕跡，各組分與樹脂基體間的剝離嚴重，部分纖維被磨斷，這主要是因為摩擦過程中在外力作用和高溫條件下，材料的部分纖維和填料組分發(fā)生滑移和斷裂，這些斷裂和被破壞的組分黏著能力很差，容易脫落而附著在磨損基體表面.

圖5(g)和(h)為添加氧化鋁纖維的紙基摩擦材料的摩擦后電鏡圖.由圖5(g)和(h)可以看出,其間有少量的蝕點和較淺的溝槽，磨痕也相對較淺，這可能是因為摩擦過程產(chǎn)生的熱量不能及時導出，而在接觸區(qū)域大量聚集，致使不耐高溫的組分在較高溫度下發(fā)生軟化，從而造成熱變形.且認為加入氧化鋁纖維后，材料整體耐熱性提高，原本摩擦過程中產(chǎn)生強烈的局部過熱會因材料耐高溫性的提高，使材料表面的微凸體減緩脫落和凸起，形成較微小的磨粒，這些磨粒在剛性摩擦滑塊的作用下擠入因摩擦發(fā)熱而變軟的基底中，使接觸區(qū)域產(chǎn)生較大的形變和應力，在表面形成微坑和輕度的蝕點損傷.因此，由圖5(g)和(h)可知，未添加氧化鋁纖維的紙基摩擦材料摩擦后表面的磨損情況比添加氧化鋁纖維的磨損情況較為嚴重，主要是認為氧化鋁纖維有利于降低材料的摩擦磨損性能.

(a)未添加氧化鋁纖維的紙基摩擦材料摩擦前(×500) (b)未添加氧化鋁纖維的紙基摩擦材料摩擦前(×1 000)

(c)添加氧化鋁纖維的紙基摩擦材料摩擦前(×500) (d)添加氧化鋁纖維的紙基摩擦材料摩擦前(×1 000)

(e)未添加氧化鋁纖維的紙基摩擦材料摩擦后(×500) (f)未添加氧化鋁纖維的紙基摩擦材料摩擦后(×1 000)

(g)添加氧化鋁纖維的紙基摩擦材料摩擦后(×500) (h)添加氧化鋁纖維的紙基摩擦材料摩擦后(×1 000)圖5 未添加氧化鋁纖維和添加氧化鋁纖維的紙基摩擦材料的磨損表面電鏡圖

2.3 紙基摩擦材料的耐熱性能

熱重分析儀的熱重曲線是表征材料耐熱性能的重要參數(shù)，隨著溫度的變化，材料的各組分在不同的溫度下產(chǎn)生了一定的熱損失.

圖6是紙基摩擦材料的熱重曲線圖.由圖6中曲線可知,兩種紙基摩擦材料的分解溫度相近，這是由于紙基摩擦材料的耐熱性能主要取決于酚醛樹脂浸漬液，兩種紙基摩擦材料都是在相同條件下被酚醛樹脂浸漬，紙基摩擦材料中各組分被樹脂包覆、粘結(jié)在一起，樹脂占有重要的作用.試樣a(未添加氧化鋁纖維的紙基摩擦材料)與試樣b(添加氧化鋁纖維的紙基摩擦材料)最大分解速率點溫度均在375 ℃附近，且添加氧化鋁纖維的紙基摩擦材料的熱分解溫度始終高于未添加氧化鋁纖維的紙基摩擦材料的熱分解溫度，說明氧化鋁纖維優(yōu)異的耐熱性能，在一定程度上可以降低紙基摩擦材料的分解速率，減少其質(zhì)量損失.

a：未添加氧化鋁纖維的紙基摩擦材料；b：添加氧化鋁纖維的紙基摩擦材料圖6 未添加氧化鋁纖維和添加氧化鋁纖維的紙基摩擦材料的熱重曲線圖

在相同的實驗條件下，添加氧化鋁纖維的紙基摩擦材料的熱分解溫度始終在未添加氧化鋁纖維的紙基摩擦材料的熱分解溫度之上，其原因在于氧化鋁纖維優(yōu)異的耐熱性能.在紙張成形的過程中，氧化鋁纖維和各組分之間均勻的分散、結(jié)合在一起，形成了結(jié)構(gòu)均一、組成致密的紙基摩擦材料，隨著溫度的升高，紙張在不斷的失重，所有的組分在其對應的玻璃化溫度轉(zhuǎn)變點發(fā)生變化，導致各組分隨溫度慢慢流失，但始終保持不變的是，添加氧化鋁纖維的紙基摩擦材料所能承受的熱負荷大于未添加氧化鋁纖維的紙基摩擦材料，說明在升溫的過程中，氧化鋁纖維和其他高熔點纖維或填料物質(zhì)緊密交織，保護了整個材料在升溫過程中的質(zhì)量流失.

3 結(jié)論

(1)添加氧化鋁纖維的紙基摩擦材料動摩擦系數(shù)的波動性在摩擦初期較大，摩擦后期的曲線呈平穩(wěn)狀態(tài)，氧化鋁纖維提高了紙基摩擦材料的平穩(wěn)性.

(2)氧化鋁纖維的添加有利于降低磨損率，緩解磨損的嚴重性，這一點充分說明了氧化鋁纖維具有優(yōu)異的耐磨性.

(3)氧化鋁纖維優(yōu)異的耐熱性能，在一定程度上可以降低紙基摩擦材料的分解速率，減少質(zhì)量損失，整體提高紙基摩擦材料的耐熱性能.

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【責任編輯：陳 佳】

Effects of alumina fiber on the tribological property of composite paper-based friction material

LU Zhao-qing, HU Wen-jing, XIE Fan

(College of Bioresources Chemical and Materials Engineering, Shaanxi Province Key Laboratory of Papermaking Technology and Specialty Paper, National Demonstration Center for Experimetal Light Chemistry Engineering Education, Shaanxi University of Science & Technology, Xi′an 710021, China)

A novel paper-based friction material via wet-forming skills with the addition of alumina fibers was fabricated.The tribology and wear properties and the thermostability were investigated with the help of CFT-I multi-functional material surface performance tester and the thermogravimetric analyzer (TGA) under the same load and speed.Scanning electron microscopy (SEM) was also used to observe and analyze the worn surface.The results showed that the addition of alumina fibers had obvious effects on tribological properties and the thermostability.In the early stage of friction,the dynamic friction coefficient of materials was volatile and in the late stage,the wave curve of dynamic friction coefficient was in steady state.Moreover the addition of alumina fibers increased the stationarity of paper-based friction materials and reduced the wear rate.Meanwhile,the excellent heat stability of alumina fibers improved the heat resistance of paper-based friction materials.

the alumina fibers; paper-based friction materials; the dynamic friction coefficient; wear rate; the heat resistance

2017-06-02

十三五國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFB0303304); 陜西省科技廳科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計劃項目(2016KTCQ01-87)

陸趙情(1979-)，男，浙江金華人，教授，博士，研究方向：高性能纖維及其紙基功能材料

2096-398X(2017)04-0001-05

TS758+.7

A