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第２期５６２００９年６月纤维复合材料ＦｍＥＲＣｏＮⅡ．ｏＳＩＴＥＳＮｏ．２Ｊｕｎ．，２００９混杂纤维对摩擦材料性能影响的研究杨富军，胡以强，刘伟（华东理工大学机械与动力工程学院，上海２００２３７）摘要本文采用腰果壳油、三聚氰胺改性粉末酚醛树脂为基体，陶瓷纤维、钛酸钾晶须和ｋｅｖｌａｒ纤维混杂制备制动摩擦材料，研究了不同混杂纤维含量对摩擦材料摩擦磨损性能影响。结果表明，增强纤维含量过低或者过高均会导致摩擦材料摩擦性能的降低。陶瓷纤维、钛酸钾晶须和ｋｅｖｌａｒ三种增强纤维混杂使用能够提高并稳定制动摩擦材料的摩擦系数，对降低摩擦材料的磨损率有明显的作用。推荐在纤维混杂摩擦材料配方中采用２５％的纤维含量和３％的Ｋｅｖｌａｒ纤维含量。关键词摩擦材料；增强纤维；摩擦磨损ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅＦｒｉｃｔｉｏｎａｎｄＷｅａｒＰｒｏｐｅｒｔｙｏｆＨｙｂｒｉｄＦｉｂｒｅｓＹＡＮＧＦｕｊｕｎ，ＨＵＹｉｑｉａｎｇ，ＬＩＵＷｅｉ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ＆ＰｏｗｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＥａｓｔＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２００２３７）ＡＢＳＴＲＡＣＴ１１帕ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎＷａｇｃｏｎｃｃｎｌｒａｔｅｄａｓｏｎｂｒａｋｅｆｒｉｃｔｉｏｎｍａｔｅｒｉａｌｓ。ｗｈｉｃｈｗｅｒｅｐｒｅｐａｒｅｄｂｕｓｉｎｇＣＮＳＬａｎｄｍｅｌａｍｉｎｅｍｏｄｉｆｉｅｄｐｏｗｄｅｒｐｈｅｎｏｌｉｃｆｏｒｍａｌｄｅｈｙｄｅｒｅｓｉｎｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍａｔｅｒｉａｌｓｉｎｔｈｉｓｉｅｄ．Ｉｔｃｏｎｔｅｎｔｂｏｎｄｉｎｇｍａｔｅｒｉａｌｓ。ｃｅｒａｍｉｃｃｏｎｔｅｎｔｏｎｆｉｂｒｅ，ＰＩＷ（ｐｏｔａｓｓｉｕｍｗｅａｒｐｒｏｐｅｒｔｙｔｉｔａｎａｔｅｗｈｉｓｋｅｒｓ）ａｎｄｋｅｖｌａｒａｓｓｔｕ－ｐａｐｅｒ．７ｎ配ｅｆｆｅｃｔｓｏｆｆｉｂｒｅｔｈｅｆｒｉｃｔｉｏｎａｎｄｏｆｂｒａｋｅｆｒｉｃｔｉｏｎｍａｔｅｒｉａｌｓｗｅｒｅＷａｓｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄｆｒｏｍｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｔｉｏｎｔｈａｔｔｈｅｉｓｔｏｏｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｆｒｉｃｔｉｏｎｍａｔｅｒｉａｌｗｉｌｌｂｅｒｅｄｕｃｅｄｗｈｅｎｔｈｅｆｉｂｅｒｌｏｗｏｒｔｏｏｗｅａｒｈｉｇｈ，ａｎｄｃｏｅｆｌｌｃｉｅｍａＪｌｄｆｉｏｎｌｏｗｅｒｒａｔｅ．Ｂｙ州玎ｇｔｈｅｃｅｒａｍｉｃｆｉｂｒｅ，Ｐ聊ａｎｄｋｅｖｌａｒｂｒａｋｅｆｒｉｃｔｉｏｎｍａｔｅｒｉａｌｈａｖｅｅｘｔｒｅｍｅｌｙｓｔａｂｌｅｈｉｇｈｅｒｆｒｉｃｔｉｏｎ２５％ｆｉｂｅｒｓｃｏｍｐｏｓｉｔｅｃｏｎｔｅｎｔ，３％Ｋｅｖｌａｒｃｏｎｔｅｎｔ，ｔｈｅｆｒｉｃｔｉｏｎｍａｔｅｒｉａｌｓｈａｓｇｏｏｄｆｒｉｃ－ａｎｄｗｅａｒｐｒｏｐｅｒｔｙ．Ｆｒｉｃｔｉｏｎｍａｔｅｒｉａｌ：Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｆｉｂｒｅｓ；ＦｒｉｃｔｉｏｎＫＥⅥ＾『ＯＲＤＳａｎｄｗｅａｒ１引言ＫａｚｕｏＮｏｇｕｃｈｉ设计的配方中使用１５～４０％碳纤维和７．２０％钢纤维混杂，美国的Ｐ．Ｇｏｐａｌ等人对芳纶２０世纪９０年代以来，我国汽车行业蓬勃发展，摩擦材料生产企业也从早期的几十家发展到现在的几百家以上并保持快速的增长趋势。汽车摩擦材料是汽车行业中关键的安全件，随着对汽车安全，环保节能要求的不断的不断提高，摩擦材料行业也面临着严峻的挑战…。增强纤维是摩擦材料中的重要组成部分，其作用是使摩擦材料具有一定的强度和韧性，使材料能够经受冲击、剪切、拉伸等机械作用，而不出现裂纹、断裂等机械损伤，对材料的摩擦磨损性能有重要的影响【２｜。由于石棉的致癌作用已经逐步退出了摩擦材料领域，目前常用的增强纤维主要有钢纤维、玻璃纤维、陶瓷纤维、芳纶纤维等。但单一增强纤维摩擦材料已经显示出多方面的不足，因此混杂纤维增强成为目前增强纤维的主要发展方向［３－５］。选用性能和价格互补的两种或两种以上纤维混杂增强，不仅可以降低成本，还能够发挥各自优点，弥补缺陷，提高性能ｏ６Ｊ。研究文献表明，１９８１年（Ｋｅｖｌａｒ）浆粕和钢纤维、玻璃纤维混杂纤维增强摩擦材料的性能作了系统研究，研究结果表明芳纶的加入可以提高摩擦性能的稳定性，磨损量明显减小，可以明显降低以致完全去除高频（频率＞５ｋＩ－Ｉｚ）的噪声［７｜。Ｓａｌｅｈｉ—Ｋｈｏｊｉｎ等人发现芳纶纤维／钛酸钾纤维增强摩擦材料中，摩擦界面形成了一层耐用的表面膜，而钛酸钾纤维附着在芳纶纤维上，提高了表面膜的耐热性和强度，使得摩擦材料的摩擦磨损性能稳定¨ＪｏＡｍｉｎ在摩擦材料领域，陶瓷纤维增强摩擦材料作为一个新品种，具有无噪声、不腐蚀轮毂、耐用、环保等优点。钛酸钾晶须是世界上最新一代高性能复合材料增强剂，它的尺寸细小、结晶完美，具有高强度、高模量、耐磨耗、耐高温、隔热、高的电器绝缘性及优异的红外反射等优良的力学性能和物理性能。本文选用陶瓷纤维、钛酸钾晶须、ｋｅｖｌａｒ纤维混合增强摩擦材料，以腰果壳油、三聚氰胺改性粉末酚醛树脂为基万方数据２期杨富军等：混杂纤维对摩擦材料性能影响的研究体，同时加入适量的摩擦材料用摩擦性能调节剂制备纤维混杂摩擦材料，分析研究纤维含量对摩擦磨损性能的影响，为实现工业化生产提供参考依据。２实验设计２．１配方设计见表２．１表２．１摩擦材料配方组成组分重量比（％）组分重量比（％）配方中：固体酚醛树脂为腰果壳油、三聚氰胺改性粉末酚醛树脂，浙江海盐华强树脂有限公司生产，型号５１２０一Ｂ；纤维混合料由陶瓷纤维和钛酸钾晶须按不同配比组合而成，两种纤维均经过液体酚醛树脂包覆处理。摩擦粉（由特制的酚类树脂经反应、固化、粉碎，而得的具有所要求的摩擦性能的固化聚合物，是一种孔隙率非常高的有机材料）型号ＦＤ８０１０，浙江海盐华强树脂有限公司生产；石油焦，武进市宏达摩擦材料有限公司生产；其它摩擦性能调节剂主要包括铬铁矿粉、硫铁矿粉、沉淀硫酸钡、黄铜粉等。２．２实验工艺实验工艺路线为：配料一混料一压制一热处理一磨削混料采用捏合机，实验压制温度为１５５℃、压制压力２０ＭＰａ、压制时间１０分钟（其中排气２—３次）。热处理从１２０℃开始起温，阶梯升温（保温ｌ小时升温１０℃），最高温度２１０。Ｃ保温４小时后随炉自然冷却。２．３实验测试设备硬度测试使用塑料洛氏硬度计，参照标准ＧＢ／Ｔ５７６６—１９９６（摩擦材料洛氏硬度测定法）进行试验；冲击强度测试采用冲击强度试验机，试验标准为ＧＢ５７６５—８６（摩擦材料冲击强度测定法）；摩擦磨损性能测试采用ＸＤ—ＮＳＭ定速式摩擦试验机（陕西咸阳国家非金属矿检测中心），其中摩擦盘材质为国标ＧＢ／Ｔ９４３９中规定的ＨＴ２５０灰铸铁，系珠光体组织，硬度为１８０—２２０ＨＢＳ。滑动线速度为７．５ｍ／ｓ。特点是计算机控制，自动记录摩擦系数、温度曲线，自动计算平均摩擦力、摩擦系数、磨损率，自动生成并打印试验报告。试验标准ＧＢ５７６３—１９９８（汽车用制动衬片摩擦磨损性能测定法）。３结果与讨论万方数据３．１陶瓷和晶须对摩擦性能的影响将两种纤维以３：２比例混合组成纤维混合料，研究不同含量对摩擦材料摩擦磨损性能的影响，具体实验分组如表３．１所示，实验结果分别见图３．１和３．２。表３．１实验分组表从表中可以看出，随着纤维含量的增加，摩擦材料的冲击强度先升高后降低，其中试件Ａ４的冲击强度最高，达到０．１７；而硬度逐渐增大，但整体仍维持在６０到９０之间，满足摩擦材料的硬度要求。Ｏ∞Ｏ！窜—◆一１０％－－ｌ－－１５％—｝２０％赫瞩纛■－－－ｔ１－－－２５％Ｏ∞—■｝一３０％Ｏ弘１００１２１５０℃２００１２２５０℃３００℃３５０１２温度图３．Ｉ纤维含量对摩擦系数的影响从图中可以看出，摩擦材料的摩擦系数维持在０．４和０．５之间，低温摩擦系数略高于高温摩擦系数，到３５０℃高温时摩擦系数均有小幅度的回落。总体上来看，摩擦系数随纤维混合料含量的增加而增大，其中纤维混合料食量为１０％的试件摩擦系数明显低于其它试件，可见增强纤维对摩擦系数有重要的影响。纤维混合料含量为３０％的试件低温摩擦系数高于其它试件，但其３５００Ｃ高温时的衰退也最严重，这是因为高温时树脂的热降解反应加剧，纤维含量过多，与树脂之间的粘结性下降，造成摩擦系数的下降。而２５％的试件在整个升温测试中，摩擦系数变化比较平稳。从图中可以看出，摩擦材料的磨损率随实验温度的升高而增大，但总体数值均低于０．７，低温时的磨损率较小而增加幅度比较明显，高温时的磨损率增加幅度较为缓慢。纤维含量为１０％和３０％的试件磨损率比其它的试件磨损率高，这说明纤维含量纤维复合材料２００９仨过低或者过高均会导致摩擦材料的磨损率增加。－．．ｅ－－－１隔爵—．＿１５％辑啦＋２５％＋２０％．－－－Ｉｔ－－．３傩图３．２纤维含量对体积磨损率的影响综上所述，纤维含量为２５％的摩擦材料摩擦系数高而平稳，磨损率较小，具有良好的摩擦磨损性能，其数值可在一定范围内调节。３．２ｋｅｖｌａｒ纤维对摩擦性能的影响Ｋｅｖｌａｒ纤维是非常优秀的摩擦材料用增强纤维，机械强度高，是钢丝的５～６倍，热分解温度达到５６０℃，用它增强的摩擦材料，在５０００Ｃ～８００℃时仍能保持优良的摩擦性能。为研究Ｋｅｖｌａｒ纤维在纤维混杂时对摩擦材料性能的影响，在２．１节实验基础上设计实验分组如表３．３，其实验结果见图３．３和３．４。表３．３Ｋｅｖｌａｒ纤维实验分组Ｏ．５０Ｏ．４５赫＋１％鬟ｏ．４０＋３％誓＋溅０．３５１００℃１５０℃２００１２２５０℃３００℃３５０℃温度图３．３ｋｅｖｌａｒ纤维含量对摩擦系数的影响从图中可见，在１００℃和１５０℃之间，各试件的摩擦系数随温度的升高逐渐增大，随后随着温度的不断升高，摩擦系数略有回落，但幅度不大，在高温３５０℃时也能维持在０．３７以上。Ｋｅｖｌａｒ纤维含量为５％的试件高温时的衰退教大于其它两个试件，这是因为Ｋｅｖｌａｒ纤维含量过大时会影响与基体的粘结万方数据性，导致摩擦系数的下降。三支星勺甜蜷鼍图３．４ｋｅｖｌａｒ纤维含量对磨损率的影响各试件的磨损率随温度变化趋势大致相同，Ｋｅｖｌａｒ纤维含量为１％的试件磨损率明显高于其它两个试件，这说明Ｋｅｖｌａｒ纤维对摩擦材料的的高温摩擦磨损性能有重要的影响。纤维含量３％的试件磨损率最低，显示了Ｋｅｖｌａｒ纤维优良的摩擦磨损性能。４结论（１）采用陶瓷纤维、钛酸钾晶须和Ｋｅｖｌａｒ纤维混杂制备的摩擦制动材料具有良好的摩擦磨损性能和物理性能。（２）陶瓷纤维和钛酸钾晶须混合使用时，摩擦材料的摩擦系数随纤维含量的增加而增大，但纤维含量过大会加剧高温衰退，而纤维含量过少或过多都会导致摩擦材料的磨损率增加，推荐采用２５％的纤维含量。（３）在摩擦材料配方中加入Ｋｅｖｌａｒ纤维，能够明显提高材料的高温摩擦磨损性能，推荐在纤维混杂摩擦材料中采用３％的Ｋｅｖｌａｒ纤维含量。参考文献［１］高惠民．矿物复合摩擦材料［Ｍ］．北京：化学工业出版社，２００７：１２—１３．［２］张扬．汽车摩擦材料用增强纤维的研究现状与发展趋势［Ｊ】．北京工商大学学报（自然科学版），２００６，２４（５）：１９—２１．［３］叶素娟，禹权。黄承砸．钛酸钾晶须填充ＵＨＭＷＰＥ复合材料的摩擦磨损性能研究［Ｊ］．塑料工业，２００７．３５（１３０６）：３１２—３１４．［４】林伟．多纤维混杂增强复合摩擦材料的研制［Ｄ］．福州：福州大学学位论文，２００３．［５］何东新，王成国等．汽车用摩阻材料的研究状况［Ｊ］．工程塑料应用，２００２。３０（２）：５４—５７．［６］Ｔ．Ｌ．Ｙａｎｇ，Ｄ．Ｍ．ｔｈｉａｎｇ，Ｒ．ｔｈｅｎ．ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆａＮｏｖｅｌＰｏｒｏｕｓＬａｍｉｎａｔｅｄＣ．，ｍｎｐ∞ｉｔｅＭａｔｅｒｉａｌｆｏｒＨｉ【ｇｈＳｏｕｎｄＡｂｓｏｒｐｔｉｏｎ［ＪＪ．Ｊｏｕｒｎａｌ０ｆＶｉｂｒａｔｉｏｎａｎｄＣ，ｏｎｔｌｄ，２００１，７（５）：６７５—６９８．［７】Ｐ．（砸Ｉ．ｅｔａ１．ＦａｄｅａｎｄｗｗｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆａｇＩ∞一ｆｉｂｅｒ—ｒｅｉｎ・ｆｏｎｕ甜ｐｈｅｎｏｌｉｃｆｒｉｃｔｉｏｎｍａｔｅｒｉａｌ［Ｊ］．Ｗｅａｒ，１９９４，１７４：１１９一１２７．［８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