制動(dòng)裝置用碳纖維復(fù)合材料耐磨性能表征及影響研究

doi：10.3969/j.issn.1001-5922.2024.02.021

摘 要：以環(huán)氧樹(shù)脂和碳纖維為原料，采用模壓成型工藝制備了汽車(chē)防抱制動(dòng)裝置用碳纖維復(fù)合材料，研究了模壓壓力、加壓溫度、固化溫度和固化時(shí)間對(duì)碳纖維復(fù)合材料摩擦磨損性能的影響，并分析了其摩擦磨損機(jī)理。結(jié)果表明，當(dāng)模壓壓力為10 MPa、加壓溫度為110 ℃、固化溫度為140 ℃、固化時(shí)間為30 min時(shí)，汽車(chē)防抱制動(dòng)裝置用碳纖維復(fù)合材料的摩擦系數(shù)較小，到達(dá)磨合期較短，具有良好的耐磨性能，為適宜的模壓成型工藝?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)整模壓成型工藝參數(shù)，制備出耐磨性能良好的汽車(chē)防抱制動(dòng)裝置用碳纖維復(fù)合材料。

關(guān)鍵詞：汽車(chē)防抱制動(dòng)；碳纖維復(fù)合材料；模壓成型；工藝參數(shù)；摩擦性能

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ342⁺.74"""""""文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " "文章編號(hào)：1001-5922（2024）02-0077-04

Characterization and influence of wear resistance of carbon fiber composites for braking devices

HU Yeming，JIAN Xiaonu

（Guangdong Nanfang Institute College of Technology，Jiangmen 529000，Guangdong China）

Abstract： The effects of molding pressure，pressure temperature，curing temperature and curing time on the friction and wear properties of carbon fiber composites were studied，and their friction and wear mechanisms were analyzed.The results showed that when the molding pressure was 10 MPa，the pressure temperature was 110 ℃，the curing temperature was 140 ℃，and the curing time was 30 min，the friction coefficient of carbon fiber composite used for automobile anti-lock braking device was small，the running-in period was short，and it had good wear resistance，which is a suitable compression molding process.By adjusting the molding process parameters，the carbon fiber composite material with good wear resistance could be prepared for automobile anti-lock braking device with good wear resistance.

Key words：automobile anti-lock braking;carbon fiber composites;molding;process parameters;friction performance

如果汽車(chē)防抱制動(dòng)裝置材料具有良好的摩擦磨損性能，則可以有效避免后輪側(cè)滑甩尾和前輪喪失轉(zhuǎn)向能力，提高汽車(chē)制動(dòng)穩(wěn)定性、操縱性和安全性，并通過(guò)縮短制動(dòng)距離以取得最佳的制動(dòng)效果^[1]。隨著碳纖維復(fù)合材料的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，在汽車(chē)防抱制動(dòng)裝置中具有良好的應(yīng)用前景^[2-3]，然而，實(shí)際具有良好摩擦性能和應(yīng)用性能的碳纖維復(fù)合材料的制備工藝還不成熟，尤其是模壓成型工藝參數(shù)對(duì)摩擦性能的影響方面不清楚^[4-5]，研究以環(huán)氧樹(shù)脂和碳纖維為原料，采用模壓成型工藝制備了汽車(chē)防抱制動(dòng)裝置用碳纖維復(fù)合材料，分析了模壓壓力、加壓溫度、固化溫度和固化時(shí)間對(duì)碳纖維復(fù)合材料摩擦磨損性能的影響，結(jié)果將有助于新型碳纖維復(fù)合材料的開(kāi)發(fā)，推動(dòng)其在汽車(chē)防抱制動(dòng)裝置中的應(yīng)用，提高汽車(chē)防抱制動(dòng)裝置的安全性和制動(dòng)穩(wěn)定性。

1"試驗(yàn)材料與方法

1.1"試驗(yàn)原料

實(shí)驗(yàn)原料包括SYT49-12K型碳纖維（單絲直徑7 μm、根數(shù)12、線(xiàn)密度0.8 g/m、拉伸強(qiáng)度4 980 MPa、拉伸模量230 GPa）；NPEL-130型雙酚A型樹(shù)脂（環(huán)氧當(dāng)量186 g/eq、黏度13 500 cps/（25 ℃）；雙酚胺促進(jìn)劑。

1.2"制備工藝

預(yù)先在預(yù)浸裝置中進(jìn)行短切碳纖維的浸潤(rùn)處理，碳纖維絲寬控制在7 mm，通過(guò)調(diào)節(jié)輥壓力0.15、0.35 MPa，制備短切碳纖維預(yù)浸料^[6]。在模具預(yù)熱階段采用DEAWA 933型脫模劑，在到達(dá)78 ℃時(shí)在模具表面涂覆，模具同步預(yù)熱；將預(yù)先制備好的短切碳纖維預(yù)浸料進(jìn)行稱(chēng)量，并采用水平投影面75%的鋪料，確保模腔四周流動(dòng)性良好；控制模具并進(jìn)行模壓成型，在環(huán)氧樹(shù)脂到達(dá)凝膠溫度110 ℃后進(jìn)行凝膠處理。在到達(dá)預(yù)浸料的加熱溫度后，施加壓力，并加熱至固化溫度后，保溫一定固化時(shí)間，完成固化過(guò)程；在模具冷卻至室溫附近時(shí)，進(jìn)行脫模處理，得到碳纖維復(fù)合材料制品。

1.3"測(cè)試與表征

在MPX-1G型銷(xiāo)盤(pán)式摩擦試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行碳纖維復(fù)合材料的干摩擦磨損試驗(yàn)，試樣尺寸設(shè)計(jì)為50 mm×50 mm×2 mm，轉(zhuǎn)速0.4 m/s、載荷為5 N和40 N，摩擦球直徑為8 mm、摩擦半徑為6 mm、摩擦?xí)r間為1 h，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中記錄摩擦系數(shù)^[7]。采用JSM-6800型掃描電子顯微鏡觀察摩擦磨損形貌。

2"試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1"模壓壓力

圖1為模壓壓力對(duì)碳纖維復(fù)合材料摩擦性能的影響。

由圖1可知，在開(kāi)始階段，碳纖維復(fù)合材料的摩擦系數(shù)會(huì)隨著摩擦?xí)r間的延長(zhǎng)而迅速增大，在經(jīng)歷過(guò)一定時(shí)間的摩擦后，較大模壓壓力下的碳纖維復(fù)合材料的摩擦系數(shù)逐漸趨于穩(wěn)定；而模壓壓力分別為6、8 MPa時(shí)，復(fù)合材料在一定時(shí)間摩擦后會(huì)繼續(xù)增大。由此可見(jiàn)，模壓壓力在一定程度上影響到達(dá)穩(wěn)定期的磨合時(shí)間，并對(duì)穩(wěn)定期的摩擦系數(shù)產(chǎn)生明顯影響。隨著模壓壓力增加，穩(wěn)定期平均摩擦系數(shù)先減小后增大，而磨合期時(shí)間則整體呈現(xiàn)隨模壓壓力增加而減小的趨勢(shì)。整體而言，當(dāng)模壓壓力為10 MPa時(shí)，碳纖維復(fù)合材料中的環(huán)氧樹(shù)脂與碳纖維的浸潤(rùn)結(jié)合良好，使得復(fù)合材料可以更充分的浸潤(rùn)包裹，減少表面微凸體的產(chǎn)生而減小摩擦系數(shù)，增強(qiáng)耐磨性能^[8]，此時(shí)的模壓壓力是適宜的。

2.2"加壓溫度

圖2為加壓溫度對(duì)碳纖維復(fù)合材料摩擦性能的影響。

由圖2可知，在開(kāi)始階段，碳纖維復(fù)合材料的摩擦系數(shù)會(huì)隨著摩擦?xí)r間的延長(zhǎng)而迅速增大，在經(jīng)歷過(guò)一定時(shí)間的摩擦后，較高加壓溫度下的碳纖維復(fù)合材料的摩擦系數(shù)逐漸趨于穩(wěn)定，而加壓溫度分別為115、120 ℃時(shí)復(fù)合材料在一定時(shí)間摩擦后會(huì)有較大的波動(dòng)。由此可見(jiàn)，加壓溫度會(huì)一定程度上影響到達(dá)穩(wěn)定期的磨合時(shí)間，并對(duì)穩(wěn)定期的摩擦系數(shù)產(chǎn)生明顯影響。隨著加壓溫度增加，穩(wěn)定期平均摩擦系數(shù)和磨合期時(shí)間先減小后增大。整體而言，當(dāng)加壓溫度為110 ℃時(shí)，碳纖維復(fù)合材料中的環(huán)氧樹(shù)脂與碳纖維的浸潤(rùn)結(jié)合良好，使得復(fù)合材料可以更充分的浸潤(rùn)包裹，增強(qiáng)耐磨性能，此時(shí)摩擦系數(shù)較小、磨合期時(shí)間較短，110 ℃的加壓溫度是適宜的。

2.3"固化溫度

圖3為固化溫度對(duì)碳纖維復(fù)合材料摩擦性能的影響。

由圖3可知，在開(kāi)始階段，碳纖維復(fù)合材料的摩擦系數(shù)會(huì)隨著摩擦?xí)r間的延長(zhǎng)而迅速增大，在經(jīng)歷過(guò)一定時(shí)間的摩擦后，較大固化溫度下的碳纖維復(fù)合材料的摩擦系數(shù)逐漸趨于穩(wěn)定，而固化溫度為150 ℃時(shí)復(fù)合材料在一定時(shí)間摩擦后會(huì)出現(xiàn)較大波動(dòng)，由此可見(jiàn)，固化溫度會(huì)一定程度上影響到達(dá)穩(wěn)定期的磨合時(shí)間，并對(duì)穩(wěn)定期的摩擦系數(shù)產(chǎn)生明顯影響。隨著固化溫度增加，穩(wěn)定期平均摩擦系數(shù)和磨合期時(shí)間都表現(xiàn)為先減小后增大的趨勢(shì)。整體而言，當(dāng)固化溫度為140 ℃時(shí)，碳纖維復(fù)合材料中的環(huán)氧樹(shù)脂與碳纖維的浸潤(rùn)結(jié)合良好，使得復(fù)合材料可以更充分的浸潤(rùn)包裹，增強(qiáng)耐磨性能，此時(shí)的固化溫度是適宜的。

2.4"固化時(shí)間

圖4為固化時(shí)間對(duì)碳纖維復(fù)合材料摩擦性能的影響。

由圖4可知，在開(kāi)始階段，碳纖維復(fù)合材料的摩擦系數(shù)會(huì)隨著摩擦?xí)r間的延長(zhǎng)而迅速增大，在經(jīng)歷過(guò)一定時(shí)間的摩擦后，較長(zhǎng)固化時(shí)間下的碳纖維復(fù)合材料的摩擦系數(shù)逐漸趨于穩(wěn)定，而固化時(shí)間為35 min時(shí)復(fù)合材料在一定時(shí)間摩擦后會(huì)出現(xiàn)較大波動(dòng)，由此可見(jiàn)，固化時(shí)間會(huì)一定程度上影響到達(dá)穩(wěn)定期的磨合時(shí)間，并對(duì)穩(wěn)定期的摩擦系數(shù)產(chǎn)生明顯影響。隨著固化時(shí)間增加，穩(wěn)定期平均摩擦系數(shù)先增大后減小，磨合期時(shí)間整體呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，但是在磨合期時(shí)間達(dá)到25 min及以上時(shí)整體變化較小。整體而言，當(dāng)固化時(shí)間為30 min時(shí)，碳纖維復(fù)合材料的摩擦系數(shù)和磨合期時(shí)間都較小，固化時(shí)間是適宜的。

2.5"摩擦磨損機(jī)理

圖5為汽車(chē)防抱制動(dòng)裝置用碳纖維復(fù)合材料的摩擦過(guò)程和典型磨損形貌。

由圖5可知，汽車(chē)防抱制動(dòng)裝置用碳纖維復(fù)合材料在摩擦磨損試驗(yàn)過(guò)程中會(huì)從摩擦原點(diǎn)的摩擦系數(shù)快速增加，直至摩擦系數(shù)穩(wěn)定，其中之前一個(gè)階段稱(chēng)為摩擦磨合期，后面一個(gè)階段稱(chēng)為摩擦穩(wěn)定期^[9]。從典型磨損形貌中可見(jiàn)，碳纖維復(fù)合材料表面可見(jiàn)纖維狀凸起和微凸體顆粒，如果微凸體顆粒數(shù)量越多，則在摩擦磨損過(guò)程中需要克服的阻力越大，相對(duì)會(huì)需要更多的磨合期時(shí)間^[10]，如果微凸體顆粒較少，則相應(yīng)地磨合期時(shí)間會(huì)越小，而如果沒(méi)有微凸體顆粒存在，則復(fù)合材料摩擦磨損過(guò)程中主要受到纖維狀凸起的阻力作用^[11]。

在最優(yōu)化工藝下制備碳纖維復(fù)合材料，即模壓壓力為10 MPa、加壓溫度為110 ℃、固化溫度為140 ℃、固化時(shí)間為30 min。

圖6為汽車(chē)防抱制動(dòng)裝置用碳纖維復(fù)合材料在穩(wěn)定期的摩擦磨損形貌。

由圖6可知，在摩擦磨損過(guò)程中，碳纖維復(fù)合材料表面會(huì)出現(xiàn)沿著摩擦磨損方向的犁溝、局部粘著破損和磨粒出現(xiàn)，且犁溝附近可見(jiàn)明顯變形。由此可見(jiàn)，最優(yōu)化工藝下汽車(chē)防抱制動(dòng)裝置用碳纖維復(fù)合材料在穩(wěn)定期的磨損機(jī)制主要為磨粒磨損和粘著磨損，此時(shí)由于環(huán)氧樹(shù)脂和碳纖維的浸潤(rùn)結(jié)合良好，二者發(fā)揮協(xié)同作用而增強(qiáng)了復(fù)合材料的耐磨性^[12-13]。

3"結(jié)語(yǔ)

（1）當(dāng)模壓壓力為10 MPa、加壓溫度為110 ℃、固化溫度為140 ℃、固化時(shí)間為30 min時(shí)，汽車(chē)防抱制動(dòng)裝置用碳纖維復(fù)合材料的摩擦系數(shù)較小，到達(dá)磨合期較短，具有良好的耐磨性能，為適宜的模壓成型工藝;

（2）最優(yōu)化工藝下汽車(chē)防抱制動(dòng)裝置用碳纖維復(fù)合材料在穩(wěn)定期的磨損機(jī)制主要為磨粒磨損和粘著磨損，耐磨性能主要與碳纖維復(fù)合材料表面可見(jiàn)纖維狀凸起和微凸體顆粒有關(guān)。

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收稿日期：2023-09-13；修回日期：2023-12-09

作者簡(jiǎn)介：胡業(yè)明（1978-），男，高級(jí)技師，研究方向：汽車(chē)材料等；E-mail：hy2009ming@163.com。

基金項(xiàng)目：廣東省教育廳特色創(chuàng)新項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2022KTSCX378）。

引文格式：胡業(yè)明，簡(jiǎn)小女.制動(dòng)裝置用碳纖維復(fù)合材料耐磨性能表征及影響研究[J].粘接，2024，51（2）：77-79.