玄武巖纖維和鋼纖維含量對(duì)樹脂基摩擦材料性能的影響研究

劉 浪，欒道成，胡志華，文科林，周新宇，米書恒，王正云*

（西華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，成都 610039）

0 前言

隨著現(xiàn)代交通運(yùn)輸業(yè)的高速發(fā)展，要求剎車片摩擦材料具有穩(wěn)定且適合的摩擦系數(shù)、良好的耐磨性、較低的制動(dòng)噪音、優(yōu)良的力學(xué)性能、對(duì)偶面磨損小等性能［1-4］。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)摩擦材料進(jìn)行了大量的研究［5-7］。近年來(lái)，摩擦材料的增強(qiáng)纖維成為行業(yè)研究熱點(diǎn)之一，如對(duì)玄武巖纖維、鋼纖維、碳纖維、芳綸纖維等進(jìn)行了大量研究。玄武巖纖維是一種高性能纖維，具有高強(qiáng)度、高模量等特點(diǎn)，具備耐溫性佳、抗氧化、抗輻射、絕熱隔音、過(guò)濾性好、抗壓縮強(qiáng)度高、剪切強(qiáng)度高、適用性強(qiáng)和性價(jià)比高等優(yōu)異性能［8-9］。鋼纖維具有優(yōu)良的力學(xué)性能，其最顯著的特點(diǎn)是導(dǎo)熱性好，可使局部表面熱量迅速擴(kuò)散至內(nèi)部，從而降低摩擦表面溫度，避免表面溫度過(guò)高，防止基體樹脂因受熱分解而導(dǎo)致材料磨損加劇，延長(zhǎng)摩擦塊的使用壽命［10］。碳纖維具有高比強(qiáng)度、高比模量、耐高溫及耐疲勞等一系列優(yōu)異特性，同時(shí)還具有吸震性好、耐沖擊等特點(diǎn)，使得其作為增強(qiáng)體被廣泛應(yīng)用于各類摩擦材料中［11-12］。因此，本文開發(fā)制備了一種復(fù)合增強(qiáng)樹脂基摩擦材料，研究了玄武巖纖維和鋼纖維的含量對(duì)其力學(xué)性能和摩擦磨損性能的影響，同時(shí)通過(guò)觀察試樣磨損后表面及微觀形貌，探究了摩擦材料的摩擦磨損機(jī)制。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

酚醛樹脂，河南濱海實(shí)業(yè)有限責(zé)任公司；

丁腈橡膠粉，粒徑約為187 μm，大冶市錦鵬摩擦材料有限公司；

玄武巖纖維，長(zhǎng)度為0.3～0.5 mm，常州耀邦摩擦材料有限公司；

鋼纖維，常州耀邦摩擦材料有限公司；

石墨，粒徑約為150 μm，大冶市錦鵬摩擦材料有限公司；

二硫化鉬，大冶市錦鵬摩擦材料有限公司；

氧化鋁，粒徑為13～44 μm，大冶市錦鵬摩擦材料有限公司；

二氧化硅，粒徑約為2 μm，大冶市錦鵬摩擦材料有限公司；

石油焦炭，粒徑為300～850 μm，大冶市錦鵬摩擦材料有限公司；

重晶石，粒徑約為44 μm，大冶市錦鵬摩擦材料有限公司；

高溫耐磨劑，大冶市錦鵬摩擦材料有限公司。

1.2 主要設(shè)備及儀器

高速攪拌機(jī)，HLO-400A，海力歐有限公司；

電熱鼓風(fēng)干燥箱，DHG-9245A，上海一恒科學(xué)儀器有限公司；

平板硫化機(jī)，XLB-D4002，中國(guó)青島亞?wèn)|機(jī)械集團(tuán)；

高溫電爐，ECF1-6-14，上海廣益高溫技術(shù)實(shí)業(yè)有限公司；

金相試樣切割機(jī)，QG-3，上海蔡康光學(xué)儀器有限公司；

自動(dòng)磨拋機(jī)，LMP-3S-2，萊州華銀金相設(shè)備有限公司；

洛氏硬度計(jì)，XHR-150，萊州華煜眾信試驗(yàn)儀器有限公司；

沖擊試驗(yàn)機(jī)，GT-7045-MDL，高鐵檢測(cè)儀器有限公司；

高溫材料萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，HD-B607-S，海達(dá)國(guó)際儀器有限公司；

摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，MM3000，西安順通機(jī)電應(yīng)用技術(shù)研究所；

掃描電子顯微鏡系統(tǒng)（SEM-EDS），S-3400N，株式會(huì)社日立制作所。

1.3 樣品制備

按照表1配比，利用熱壓燒結(jié)技術(shù)制備出不同摩擦樣品。在高速攪拌機(jī)中對(duì)不同配比的原料進(jìn)行混合，混合時(shí)間為4 min；然后將干燥后的混合料放入預(yù)熱好的模具中，在平板硫化機(jī)上進(jìn)行熱壓。其成型在160℃和30 MPa下進(jìn)行，熱壓時(shí)間為15 min。為使樹脂充分固化并消除殘余應(yīng)力，將試樣放入高溫電爐中進(jìn)行固化熱處理，在170℃溫度下保溫7 h，隨爐冷卻后得到成品。

表1 摩擦材料配方Tab.1 Friction material formulation

1.4 性能測(cè)試與結(jié)構(gòu)表征

按照《城市軌道交通車輛制動(dòng)系統(tǒng)第9部分：合成閘片技術(shù)規(guī)范》，利用MM3000型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)試M1、M2、M3、M4和M5摩擦材料樣品的摩擦磨損特性，對(duì)偶材料為鋁盤，其直徑為150.1 mm，將5種摩擦材料加工成15 mm×20 mm×15 mm的樣品；實(shí)驗(yàn)前用砂紙對(duì)樣品表面進(jìn)行打磨，確保樣品表面無(wú)凹坑。為研究不同制動(dòng)初速度條件下樣品的摩擦磨損性能，設(shè)置如下實(shí)驗(yàn)條件：恒定壓力在0.4 MPa，制動(dòng)初速度分別為60、80、100、135 km/h，每次實(shí)驗(yàn)均進(jìn)行4次，樣品的摩擦系數(shù)和磨耗量均為4次實(shí)驗(yàn)的平均值，以保證在相同實(shí)驗(yàn)條件下測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和重復(fù)性，所有實(shí)驗(yàn)均在室溫下進(jìn)行。

使用電子天平測(cè)量樣品磨損前后的質(zhì)量，樣品的磨耗量（L）按式（1）計(jì)算：

式中L——單位制動(dòng)能量的材料磨耗量，cm3/MJ

ω1——試驗(yàn)前樣品質(zhì)量，g

ω2——試驗(yàn)后樣品質(zhì)量，g

A——試驗(yàn)過(guò)程總的制動(dòng)功，MJ

ρ——樣品的密度，g/cm3

根據(jù)GB/T 1033.1—2008，采用浸漬法進(jìn)行密度測(cè)試。

根據(jù)GB/T 3398.2—2008，使用塑料洛氏硬度計(jì)測(cè)量試樣硬度，總負(fù)荷為588.4 N，選用HRR標(biāo)尺，2個(gè)壓痕邊緣之間或者壓痕邊緣與試樣邊緣之間的最小距離不應(yīng)小于10 mm。

根據(jù)GB/T 1043—1993，使用簡(jiǎn)支梁沖擊試驗(yàn)機(jī)測(cè)試沖擊強(qiáng)度，采用無(wú)缺口試樣，沖擊能量為1 J，沖擊速率為2.9 m/s，試樣尺寸為50 mm×6 mm×4 mm。

根據(jù)GB/T 1041—2008，進(jìn)行壓縮強(qiáng)度測(cè)試，測(cè)試速率為10 mm/min。

利用SEM-EDS對(duì)噴金后的摩擦后樣品表面進(jìn)行形貌觀察和成分檢測(cè)。

2 結(jié)果與討論

2.1 摩擦材料的物理性能

2.1.1 密度

測(cè)試結(jié)果顯示，樣品M1、M2、M3、M4、M5的密度分別為 2.10、2.14、2.23、2.27、2.35 g/cm3。由此可知，隨著鋼纖維與玄武巖纖維質(zhì)量比的增大，摩擦材料試樣的密度變化呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)，但整體變化不大。其原因是，樣品中的鋼纖維密度大于玄武巖纖維，前者對(duì)于摩擦材料密度的影響更大，因此使得摩擦材料的密度隨著鋼纖維占比增加而逐漸增大；另一方面，玄武巖纖維的比表面積較大，在樹脂含量相同的情況下，隨著玄武巖纖維含量的增多，填充度逐漸下降，空隙逐漸增多。在整個(gè)摩擦材料熱壓成型過(guò)程中，樹脂受熱流動(dòng)填充到樣品孔隙或間隙中的樹脂會(huì)增多，這是樣品密度變化的主要原因，因5個(gè)樣品的樹脂含量保持一致，所以樣品的密度整體上變化不大。

2.1.2 硬度

圖1為樣品的硬度，當(dāng)鋼纖維與玄武巖纖維比例從0.2增加到5.0時(shí)，摩擦材料制品的硬度從101 HRR左右下降到91 HRR左右，其值發(fā)生了一定程度的降低，這就說(shuō)明鋼纖維和玄武巖纖維不同占比對(duì)于摩擦材料的硬度有影響。材料硬度降低是因?yàn)樾鋷r纖維的主要成分為硬度較大的SiO2、Al2O3等顆粒，隨著玄武巖纖維含量的減少，相當(dāng)于分布在摩擦材料表面的SiO2、Al2O3等硬質(zhì)顆粒減少，造成摩擦材料的硬度下降。

圖1 不同試樣的硬度Fig.1 Hardness of different samples

2.1.3 沖擊強(qiáng)度

從圖2可知，摩擦材料的沖擊強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，當(dāng)M4即鋼纖維占比20%、玄武巖纖維占比10%時(shí)，摩擦材料的沖擊強(qiáng)度為最大值4.96 kJ/m2。圖3為M1和M3試樣脆性斷裂面的SEM微觀形貌圖，由圖3（a）可知，出現(xiàn)這種現(xiàn)象其因?yàn)槭切鋷r纖維過(guò)多會(huì)使得玄武巖纖維產(chǎn)生局部團(tuán)聚，纖維和樹脂之間呈現(xiàn)低附著狀態(tài)，結(jié)構(gòu)較為松散，導(dǎo)致沖擊強(qiáng)度下降。從圖3（b）可看出，隨著玄武巖纖維含量減少，局部團(tuán)聚程度減輕，改善了低附著狀態(tài)，沖擊強(qiáng)度提高。當(dāng)鋼纖維含量為25%時(shí)沖擊強(qiáng)度產(chǎn)生大幅度下降，這是因?yàn)榉尤渲弯摾w維之間存在界面相容性不好的情況，當(dāng)鋼纖維含量過(guò)高時(shí)鋼纖維對(duì)材料的性能增強(qiáng)作用不足以抵消由于鋼纖維和基體之間相容性差帶來(lái)的性能削弱作用，導(dǎo)致摩擦材料的沖擊強(qiáng)度降低。

圖2 不同試樣的沖擊強(qiáng)度Fig.2 Impact strength of different samples

圖3 M1和M3試樣脆性斷裂面的SEM照片F(xiàn)ig.3 SEM images of brittle fracture surfaces of M1 and M3 samples

2.1.4 壓縮強(qiáng)度

在圖4中，隨著鋼纖維含量增加，玄武巖纖維含量減少，摩擦材料的壓縮強(qiáng)度呈現(xiàn)先略微增加后逐漸減小的趨勢(shì)。造成這種現(xiàn)象主要有兩方面原因，首先是因?yàn)樾鋷r纖維作為硅酸鹽類材料，加入后使得整個(gè)摩擦材料的剛度發(fā)生了變化，對(duì)于摩擦材料的壓縮強(qiáng)度有著一定的積極作用，因而隨著玄武巖纖維含量不斷減少，材料的壓縮強(qiáng)度不斷下降；另一方面是因?yàn)?，與玄武巖纖維相比，鋼纖維與基體樹脂間的相容性不好，當(dāng)承受外界施加的壓縮載荷時(shí)，樹脂因?yàn)楹弯摾w維之間的界面接觸力更低，使得從界面接觸處首先發(fā)生分裂，摩擦材料開始發(fā)生損壞，隨著鋼纖維從接觸處分離后對(duì)周圍組織進(jìn)一步的破壞，從而帶來(lái)了更大的負(fù)效應(yīng)，使得摩擦材料進(jìn)一步被壓潰。

圖4 不同試樣的壓縮強(qiáng)度Fig.4 Compressive strength of different samples

2.2 摩擦磨損性能

對(duì)于軌道剎車片來(lái)說(shuō)，摩擦因數(shù)的高低直接影響著制動(dòng)性能的反應(yīng)速度與制動(dòng)效果，摩擦因數(shù)過(guò)高會(huì)導(dǎo)致摩擦盤抱死，加劇摩擦盤制動(dòng)盤的磨損；摩擦因數(shù)過(guò)低會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)距離變長(zhǎng)，造成制動(dòng)失效帶來(lái)安全隱患，因此需要摩擦因數(shù)穩(wěn)定且適宜。圖5為試樣的摩擦因數(shù)，從圖中可以看出隨著鋼纖維含量與玄武巖纖維含量的增加，平均摩擦因數(shù)呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，對(duì)于單個(gè)試樣來(lái)說(shuō)，隨著制動(dòng)初速度的增加，平均摩擦因數(shù)在增加。其中M3和M5保持在規(guī)定范圍內(nèi)，M3具有穩(wěn)定且適宜的摩擦因數(shù)，其余都超出了制動(dòng)限制且波動(dòng)較大。其原因是隨著鋼纖維含量增加，在摩擦磨損過(guò)程中鋼纖維被剝離、拉拔和剪切的可能性提高，脫落后在摩擦面上形成磨粒，犁削作用加大，所提供的摩擦力矩增大，導(dǎo)致摩擦因數(shù)升高。另一方面，隨著玄武巖纖維含量減少，摩擦過(guò)程中斷裂的玄武巖纖維在摩擦材料表面形成的磨粒減少，磨粒所導(dǎo)致的犁溝效應(yīng)逐步減少，因此摩擦因數(shù)逐漸減小。

圖5 不同制動(dòng)初速度時(shí)樣品的平均摩擦因數(shù)Fig.5 Average friction coefficient of the samples at different initial braking speeds

圖6為試樣的磨耗量，隨著鋼纖維含量與玄武巖纖維含量比值的增加，試樣磨耗量呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)。當(dāng)玄武巖纖維含量為15%、鋼纖維含量為15%時(shí)，磨耗量最低。主要因?yàn)?，一方面，隨著玄武巖纖維含量的減少，玄武巖纖維在摩擦過(guò)程中端部斷裂的程度下降，起磨料作用的斷裂玄武巖纖維減少，所以磨耗量下降；另一方面，鋼纖維具有較高的導(dǎo)熱性能，在摩擦材料中起著增強(qiáng)和散熱的作用，可以將摩擦過(guò)程中摩擦表面產(chǎn)生的摩擦熱有效地轉(zhuǎn)移以及釋放出去，提高樹脂基摩擦材料的整體穩(wěn)定。此外，在制動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的高溫導(dǎo)致鋼纖維發(fā)生金屬軟化現(xiàn)象，在摩擦表面形成一層金屬保護(hù)膜，從而降低了摩擦材料的磨耗量。當(dāng)鋼纖維含量從20%提高到25%時(shí)，鋼纖維的含量達(dá)到了臨界值，因?yàn)殇摾w維與摩擦對(duì)偶件的材質(zhì)相同，其含量增大，在摩擦過(guò)程中容易形成更多的黏著點(diǎn)，造成磨耗量增加。

圖6 不同試樣的磨耗量Fig.6 Abrasion quantity of different samples

2.3 微觀形貌

在研究玄武巖纖維和鋼纖維對(duì)樹脂基摩擦材料力學(xué)性能和摩擦磨損性能的影響后，選取綜合摩擦性能最優(yōu)的M3試樣進(jìn)行磨損后表面形貌進(jìn)行分析。圖7為試樣M3表面磨損后的形貌照片，可以看出，磨損后試樣表面存在著形狀不一的平臺(tái)，平臺(tái)周圍分布著雜亂無(wú)序的纖維。這些平臺(tái)是摩擦過(guò)程中試樣表面形成的摩擦層，承載著對(duì)偶盤的主要壓力，摩擦層的存在有利于穩(wěn)定摩擦因數(shù)以及減少磨損。從圖7（a）還可以看出，磨損后表面存在著明顯的裂紋，這是因?yàn)樵谀Σ吝^(guò)程中會(huì)不斷向摩擦材料施加載荷，使得摩擦材料中發(fā)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致從摩擦材料內(nèi)部組分界面接觸薄弱的部分生長(zhǎng)出微裂紋，而為了釋放積聚的殘余應(yīng)力，微裂紋會(huì)不斷擴(kuò)展使摩擦材料的表面發(fā)生疲勞剝落。如圖7（b）所示磨損后試樣表面存在凹坑、孔洞以及裸露的斷裂纖維，結(jié)合表2和圖8可，知區(qū)域2和區(qū)域4中裸露的纖維Si元素含量分別為24.02%和20.65%，說(shuō)明該纖維是玄武巖纖維。存在凹坑和空洞的主要原因是在摩擦過(guò)程中，黏結(jié)性差的填料脫落，脫落的顆粒附著在摩擦表面，對(duì)摩擦面造成劃傷，產(chǎn)生黏著磨損，形成凹坑和孔洞。因此，磨損機(jī)理主要為黏著磨損和疲勞磨損。

圖7 試樣M3磨損表面的SEM照片F(xiàn)ig.7 SEM of worn surface of sample M3

圖8 試樣M3磨損表面能譜分析Fig.8 Energy spectrum analysis of wear surface of sample M3

表2 試樣M3磨損后表面的元素組成及元素含量Tab.2 Element composition and element content of the surface of sample M3 after being worn

3 結(jié)論

（1）制備的樹脂基摩擦材料，在纖維總量一定時(shí)，隨著玄武巖纖維含量的減少，鋼纖維含量的增加，摩擦材料密度增加，其硬度和壓縮強(qiáng)度逐漸減小，沖擊強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)；

（2）當(dāng)鋼纖維含量與玄武巖纖維含量比值上升時(shí)，摩擦材料的摩擦因數(shù)先增加后減小，隨著制動(dòng)初速度的上升，摩擦因數(shù)逐漸增加，磨耗量表現(xiàn)為先減小后增大；當(dāng)玄武巖纖維和鋼纖維比例為1∶1時(shí)摩擦因數(shù)穩(wěn)定且適宜、磨耗量最??；

（3）制備的摩擦材料在與對(duì)偶件摩擦?xí)r，呈現(xiàn)出的磨損機(jī)理主要為黏著磨損和疲勞磨損。