陶瓷顆粒增強(qiáng)樹(shù)脂基摩擦材料的制備及性能研究*

王曉芳，徐子山，何宇陽(yáng)，朱文婷

（咸陽(yáng)師范學(xué)院 化學(xué)與化工學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712000）

近年來(lái)，隨著工業(yè)迅猛發(fā)展，對(duì)制動(dòng)材料的性能要求越來(lái)越高[1-3]。傳統(tǒng)樹(shù)脂型摩擦材料由于高溫階段出現(xiàn)嚴(yán)重的“熱衰退”現(xiàn)象，已不能滿足科技發(fā)展需求[4,5]。因此，研究開(kāi)發(fā)具有優(yōu)異綜合性能的新型樹(shù)脂基摩擦材料迫在眉睫。研究表明，摩擦材料中填料種類與含量對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)的安全使用發(fā)揮著重要作用[6]。如王占紅等研究粉煤灰增強(qiáng)樹(shù)脂基摩擦材料的磨屑形狀及成分表明，添加適量粉煤灰可有效改善摩擦材料的摩擦磨損性能[7]。鄭開(kāi)魁等研究La2O3改性樹(shù)脂基制動(dòng)材料的摩擦學(xué)性能揭示出，制動(dòng)材料中添加適量La2O3可提高摩擦因數(shù)，降低其磨損率，同時(shí)還可增加摩擦因數(shù)的穩(wěn)定性[8]。

二氧化硅陶瓷顆粒來(lái)源廣泛，具有化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、耐高溫、抗腐蝕、絕緣性好及價(jià)格低廉等特點(diǎn)，在材料領(lǐng)域受到廣泛重視[9,10]。因此，本研究針對(duì)傳統(tǒng)樹(shù)脂基摩擦材料高溫摩擦因數(shù)低、磨損率大、易產(chǎn)生熱衰退等問(wèn)題，擬將SiO2陶瓷顆粒引入到摩擦材料配方中，研究SiO2陶瓷顆粒含量對(duì)樹(shù)脂基摩擦材料性能的影響規(guī)律，期望得到一種具有優(yōu)異摩擦磨損性能的摩擦材料。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料及實(shí)驗(yàn)配方

試驗(yàn)配方中粘結(jié)劑包括酚醛樹(shù)脂（7% 200目，山東圣泉公司）和丁腈橡膠（5% 200目，南京邁潤(rùn)橡塑有限公司）；35%混雜纖維（包括銅纖維5%、礦物復(fù)合纖維20%及硅酸鋁纖維10%，～0.5mm，河北靈壽縣信德礦業(yè)加工廠）；53%的填料（包括石墨、云母、BaSO4、硅藻土、蛭石、SiO2等原料，200～325目，河北玖礦礦產(chǎn)品有限公司；配方采用減少蛭石（40目 河北靈壽縣石創(chuàng)礦產(chǎn)品加工廠）含量的同時(shí)相應(yīng)增加SiO2（600目 武漢吉業(yè)升化工有限公司）含量，成分含量見(jiàn)表1。

表1 摩擦材料試樣原料配方（質(zhì)量分?jǐn)?shù)%）Tab.1 Raw material formula of friction material（mass fraction）

1.2 樣品制備工藝

依據(jù)配方，采用WT2003K型電子天平（河北雙鑫試驗(yàn)儀器有限公司）精確稱取原料190g，利用6202型高速混料機(jī)（北京環(huán)亞天元機(jī)械技術(shù)有限公司）混合，經(jīng)XLB-D400×400型平板硫化機(jī)（西安裕華橡膠機(jī)械廠）在15MPa、160℃靜壓10min，后將摩擦材料試樣在YJ101-00AS型烘箱（東莞市友佳儀器設(shè)備有限公司）內(nèi)進(jìn)行熱處理3h待用。

1.3 性能測(cè)試

1.3.1 摩擦磨損性能 采用XD-MSM型定速摩擦試驗(yàn)機(jī)（咸陽(yáng)新益摩擦密封設(shè)備有限公司），依據(jù)GB5763-2008汽車用制動(dòng)器襯片（三類標(biāo)準(zhǔn)）的規(guī)定進(jìn)行。具體方法為：測(cè)定材料從室溫升至300℃的摩擦因數(shù)和磨損率，測(cè)試過(guò)程中每50℃記錄一次數(shù)值。

1.3.2 物理力學(xué)性能測(cè)試 根據(jù)JC/T685-1998摩擦材料密度實(shí)驗(yàn)方法，利用阿基米德原理測(cè)定摩擦材料樣品的密度；采用XHRD-150型電動(dòng)塑料洛氏硬度計(jì)（萊州華銀試驗(yàn)儀器有限公司）測(cè)定摩擦材料樣品的硬度；根據(jù)GB5763-2008，利用2BC1251型擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)（深圳三思縱橫有限公司）測(cè)定試樣的耐沖擊性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 摩擦性能分析

圖1為試樣的摩擦系數(shù)隨測(cè)試溫度變化曲線。

圖1 摩擦材料試樣摩擦系數(shù)隨溫度變化曲線Fig.1 Variation curves of friction coefficient with temperature for friction material samples

由圖1可知，（1）試樣1在100～300℃試驗(yàn)條件下，摩擦系數(shù)由0.47驟減至0.16，表明試樣的摩擦性能和耐熱性能欠佳；（2）加入SiO2顆粒，隨著測(cè)試溫度增加，試樣摩擦系數(shù)下降幅度減小，表明摩擦系數(shù)穩(wěn)定性有所改善；（3）試樣2在200℃以前，摩擦系數(shù)均保持在0.45以上，當(dāng)溫度在200～300℃時(shí)，摩擦系數(shù)顯著降低，表明樣品的耐高溫性能不理想。試樣3在100～300℃測(cè)試溫度范圍內(nèi)，摩擦系數(shù)值較為平穩(wěn)，表明試樣的耐熱性優(yōu)于試樣1和試樣2。在測(cè)試溫度范圍內(nèi)，試樣4的摩擦系數(shù)始終保持在0.35以上且變化幅度不大，表明樣品的耐熱衰退性能優(yōu)異。由圖1摩擦性能變化可知，在樹(shù)脂基摩擦材料配方中，引入SiO2陶瓷顆粒不僅可以提高樹(shù)脂基摩擦材料的摩擦系數(shù)，還可以改善其熱衰退性能，分析原因是由于SiO2顆粒具有粒徑小、硬度高、分散性好、耐高溫的性能[11]，將其加入到樹(shù)脂基摩擦材料配方中，可顯著改善其摩擦性能和耐熱性能。

2.2 磨損性能分析

圖2為試樣體積磨損率隨測(cè)試溫度變化曲線。

圖2 試樣磨損率隨溫度變化曲線Fig.2 Variation curves of wear rate with temperature for samples

由圖2可知，（1）測(cè)試溫度在100～200℃時(shí)，各試樣的體積磨損率曲線變化平穩(wěn)，其數(shù)值均保持在0.3×10-7～0.7×10-7cm3·（N·m）-1之間，表明SiO2陶瓷顆粒對(duì)樹(shù)脂基摩擦材料的低溫磨損性能沒(méi)有顯著影響；（2）測(cè)試溫度在200～300℃內(nèi)，試樣1的體積磨損率數(shù)值迅速增加，在300℃時(shí)達(dá)到最大值2.0×10-7cm3·（N·m）-1，表明試樣1的高溫摩擦性能較差。當(dāng)加入SiO2顆粒之后，試樣2～4的磨損率數(shù)值雖小幅增加，但增長(zhǎng)幅度非常緩慢，磨損率最大值與最小值僅相差0.05×10-7cm3·（N·m）-1，表明試樣的高溫耐磨損性能顯著改善。分析原因是由于SiO2陶瓷顆粒中Si-O鍵的鍵能高[12]，化學(xué)性能穩(wěn)定，耐熱性優(yōu)異，將其引入到樹(shù)脂基摩擦材料配方中，在高溫階段可起到摩擦磨損性能穩(wěn)定劑的作用。

為了進(jìn)一步分析SiO2陶瓷顆粒對(duì)試驗(yàn)試樣磨損性能的影響，測(cè)試了平均磨損率隨SiO2顆粒含量變化曲線，見(jiàn)圖3。

圖3 平均磨損率隨組份變化曲線Fig.3 Variation curve of average wear rate with components

由圖3可知，在100～300℃范圍內(nèi)，添加SiO2陶瓷顆粒后，試樣的平均磨損率數(shù)值顯著降低，各樣品表現(xiàn)出優(yōu)異的耐磨性能，進(jìn)一步表明，在樹(shù)脂基摩擦材料配方中引入SiO2顆粒，可以顯著改善摩擦材料試樣的耐磨損性能。

2.3 物理性能和力學(xué)性能分析

圖4為各試樣的洛氏硬度值隨SiO2添加量的變化關(guān)系。

由圖4可知，未添加SiO2陶瓷顆粒的1#試樣平均硬度為64.2 HRM；添加SiO2陶瓷顆粒的2#～4#試樣的平均硬度值分別為76.7、81和83.3 HRM。硬度值變化關(guān)系表明，隨著SiO2添加量增加，試驗(yàn)樣品的硬度數(shù)值增加，但值得注意的是，各試樣的硬度值都在40～90HRM內(nèi)，表明試驗(yàn)樣品的硬度適中。

圖4 洛氏硬度值隨試樣編號(hào)變化關(guān)系Fig.4 Relationships between rockwell hardness values with samples

圖5為試驗(yàn)樣品的沖擊強(qiáng)度隨SiO2顆粒含量變化的測(cè)試結(jié)果。

圖5 抗沖擊強(qiáng)度值隨試樣編號(hào)變化關(guān)系Fig.5 Relationships between impact strength values with samples

由圖5可知，1#試樣平均沖擊強(qiáng)度為0.762kJ·m-2；2#試樣平均沖擊強(qiáng)度為0.771kJ·m-2；3#試樣平均沖擊強(qiáng)度為0.785kJ·m-2；4#試樣的平均沖擊強(qiáng)度為0.803kJ·m-2。表明摩擦材料的沖擊強(qiáng)度隨著SiO2顆粒含量的增加而增大。

3 結(jié)論

（1）樹(shù)脂基摩擦材料配方設(shè)計(jì)中引入適量SiO2陶瓷顆粒不僅會(huì)增大摩擦系數(shù)，而且會(huì)改善摩擦系數(shù)的平穩(wěn)性；

（2）添加SiO2陶瓷顆粒后，摩擦材料的高溫耐磨損性能顯著改善，表明SiO2顆粒會(huì)降低樹(shù)脂基摩擦材料的磨損率；

（3）SiO2陶瓷顆?？筛淖兡Σ敛牧系奈锢硇阅芎土W(xué)性能。