混雜纖維摩擦材料的力學及摩擦學性能研究

林少芳,鄭開魁,江威

(1. 福州職業(yè)技術學院交通工程系，福建 福州 350108; 2. 福州大學機械工程及自動化學院, 福建 福州 350108)

混雜纖維摩擦材料的力學及摩擦學性能研究

林少芳1,鄭開魁2,江威2

(1. 福州職業(yè)技術學院交通工程系，福建 福州 350108; 2. 福州大學機械工程及自動化學院, 福建 福州 350108)

以改性竹纖維和硅酸鋁陶瓷纖維作為混雜纖維，牡蠣殼粉、硫酸鈣晶須等為填料，制備制動摩擦材料，通過X-DM型調壓變速摩擦試驗機測試試樣的摩擦磨損性能.結果表明：相對單一纖維摩擦材料，改性竹纖維和硅酸鋁陶瓷纖維混雜纖維材料的摩擦學性能更好，具有良好的混雜效應.

混雜纖維；力學性能；摩擦學性能

0 引言

眾所周知，汽車使用過程中汽車制動片的質量優(yōu)劣直接關系到駕駛員和行人的人身安全[1].制動摩擦片的摩擦材料是影響汽車制動效能和制動效能恒定性的關鍵因素，必須具有良好的摩擦系數(shù)和耐磨損性能，同時有一定的耐熱性和機械強度.

由于傳統(tǒng)制動摩擦材料石棉中的細小纖維若被吸入人體內，將造成各種肺部疾病，嚴重時甚至會引起肺癌[2]，因此目前包括中國在內的世界絕大多數(shù)國家都嚴禁石棉在制動摩擦材料中應用.為了同國際環(huán)境接軌，1990年后，我國汽車摩擦材料行業(yè)出現(xiàn)了一個新的發(fā)展趨勢，即NAO摩擦片，也就是通常說的非鋼纖維型和非石棉摩擦片[3].2009年中國摩擦學會主任張嗣偉教授[4]提出“綠色摩擦學”的概念，他認為摩擦材料應當節(jié)能節(jié)材，可以改善環(huán)境和生命質量.在綠色摩擦學概念的引導下，NAO摩擦材料的研究進一步環(huán)?；?，國內外摩擦材料研究學者開始在少金屬、無金屬的NAO摩擦材料方向深入.

在綠色摩擦材料研究過程中，國內外學者通常采用兩種以上(含兩種)不同類型的纖維作為摩擦材料的增強相，這種摩擦材料通常稱為混雜增強纖維摩擦材料.研究表明[5-7]，多種纖維進行混雜，可以提升摩擦材料的摩擦學性能，起到取長補短的效應，這是目前摩擦材料發(fā)展的一個方向.

1 試驗部分

1.1試驗材料及制備

1.1.1 試驗配方 本實驗中的配方見表1.

在前期試驗的基礎上，本試驗中采用含量20%的40目牡蠣殼粉和硫酸鈣晶須等材料作為填料，在保持其他組分含量不變的前提下，將改性竹纖維和硅酸鋁陶瓷纖維按不同的配比進行配料，組成新的混雜纖維摩擦材料配方，具體見表2，然后用Y32-63T型四柱液壓機壓制出含量不同的試樣.

表1 混雜纖維增強摩擦材料配方

表2 改性竹纖維和硅酸鋁陶瓷纖維含量(質量分數(shù)/%)

1.1.2 試驗設備 摩阻材料試樣制備所用的主要設備如表3所示.

表3 試驗主要設備

1.2試樣制備方法本試驗中采用熱壓成型工藝，將增強纖維與作為基體的樹脂等材料進行機械混合，通過模壓制樣.此方法可使制備的材料增強相分散較均勻，是目前汽車制動片運用最廣泛的工藝.實驗工藝流程如圖1所示.

圖1 摩擦材料制備工藝流程

1.3摩阻材料性能測試方法

1.3.1 摩阻材料的硬度測試 采用XHRD-150型電動塑料洛氏硬度計進行摩阻材料的硬度測試.在每個試樣上分別選5個不同的點進行硬度測試，然后取平均值.工藝參數(shù)如下：鋼球壓頭直徑為6.35 mm，初試驗力為98.07 N，總試驗力為980.7 N.試樣尺寸為：長度(25±0.5) mm，厚度(6±0.2) mm，寬度(25±0.5) mm.

1.3.2 摩阻材料沖擊強度測試 牡蠣殼粉試樣的沖擊強度用XJJ-5型的簡支梁式擺錘沖擊試驗機進行試驗測試.試驗時，調節(jié)支點間距離為(40±0.2) mm.每種試樣將測試3根，摩阻材料的沖擊強度為3次試驗的平均值.試樣的尺寸為：厚度(6±0.2) mm，長度(55±0.5) mm，寬度(10±0.2) mm.試驗工藝參數(shù)：擺錘的沖擊能量為0.98 J，沖擊速度為2.9 m/s.

1.3.3 摩擦學性能實驗 摩擦材料的摩擦磨損性能實驗使用的設備是X-DM型調壓變速摩擦試驗機，由咸陽新益摩擦密封設備有限公司生產.根據(jù)GB5763-1998標準對摩擦材料試樣的摩擦系數(shù)和磨損性能進行檢測.X-DM型調壓變速摩擦試驗機主要技術參數(shù)見表4.

表4 X-DM型調壓變速摩擦試驗機主要技術參數(shù)

磨損率計算公式為：

式中，R—試片中心與摩擦盤轉軸中心的距離(0.15 m);n—試驗時摩擦盤總轉數(shù)(5 000轉)；A—試片磨損面的總面積(cm2);d1—試驗前試片的平均厚度(cm);d2—試驗后試片的平均厚度(cm);fm—試驗時的總平均摩擦力(N).

1.3.4 摩擦磨損表面形貌觀察 試樣的磨損表面形貌采用荷蘭henom-World公司生產的臺式掃描電子顯微鏡觀察.

2 混雜纖維摩擦材料機械性能分析

2.1試驗結果混雜纖維摩擦材料含量對硬度的影響如圖2所示，混雜纖維摩擦材料含量對沖擊強度的影響如圖3所示.

圖2 混雜纖維摩擦材料含量對硬度的影響

圖3 混雜纖維摩擦材料含量對沖擊強度的影響

2.2試驗分析從圖2和圖3可以發(fā)現(xiàn)，改性竹纖維與硅酸鋁陶瓷纖維混雜增強的試樣的硬度和沖擊強度明顯高于硅酸鋁陶瓷纖維增強的試樣，硬度和改性竹纖維增強試樣基本相同，但沖擊強度高于改性竹纖維增強試樣，這充分說明改性竹纖維與硅酸鋁陶瓷纖維具有較好的混雜效應，同時起到協(xié)同互補作用.

3 混雜纖維摩擦材料摩擦和磨損性能

圖4 摩擦升溫過程中增強纖維含量對摩擦系數(shù)的影響

3.1增強纖維含量對摩擦材料摩擦系數(shù)的影響摩擦材料的抗熱衰退性能可以從升溫過程中的摩擦系數(shù)變化中反映出來.從圖4可以看出，當摩擦材料中的增強纖維不同時，摩擦材料試樣的摩擦系數(shù)也呈現(xiàn)出不同的變化趨勢.對于改性竹纖維單一增強材料試樣而言，摩擦系數(shù)在200 ℃時緩慢下降，高溫熱衰退現(xiàn)象不嚴重，在200 ℃摩擦溫度時摩擦系數(shù)達到最大值0.39，在100 ℃時，摩擦系數(shù)達到最小值0.32.在100 ℃-350 ℃溫度變化期間，改性竹纖維單一增強材料試樣的摩擦系數(shù)較穩(wěn)定.這說明改性竹纖維單一增強材料試樣相對而言其摩擦熱穩(wěn)定性能更優(yōu)良.對于硅酸鋁陶瓷纖維單一增強材料試樣，摩擦系數(shù)在250 ℃時達到最大值，為0.47，然后急劇下降，出現(xiàn)嚴重的高溫熱衰退現(xiàn)象.350 ℃時摩擦系數(shù)達到最小值0.21.對于改性竹纖維和硅酸鋁陶瓷纖維混雜增強摩擦材料而言，其摩擦系數(shù)總體上變化趨勢接近，均是先增大再減小.摩擦系數(shù)基本上介于改性竹纖維單一增強材料試樣和硅酸鋁陶瓷纖維單一增強材料試樣之間，說明改性竹纖維和硅酸鋁陶瓷纖維混雜增強能起到互補協(xié)同效應.

從圖4還可以看出，混雜纖維增強摩擦材料的含量不同，它們的摩擦系數(shù)變化也略有所不同.對于3.4%改性竹纖維和3.4%硅酸鋁陶瓷纖維混雜纖維增強摩擦材料試樣，在150-300 ℃溫度變化期間，摩擦系數(shù)變化幅度較小，熱衰退現(xiàn)象不明顯，摩擦系數(shù)最大值為0.43，最小值為0.37，這表明其摩擦熱穩(wěn)定性更好,改性竹纖維和硅酸鋁陶瓷纖維的互補協(xié)同效應更佳.1.7%改性竹纖維和5.1%硅酸鋁陶瓷纖維混雜纖維摩擦材料試樣的摩擦系數(shù)變化較大，趨勢和硅酸鋁陶瓷纖維單一增強材料試樣相似.總體上看，改性竹纖維和硅酸鋁陶瓷纖維能起到較好的混雜效應.

降溫過程中摩擦系數(shù)的變化趨勢能反映該材料的恢復性能的優(yōu)劣.圖5為摩擦降溫過程中增強纖維含量對摩擦材料性能的影響.從圖5可以看出，在300-100 ℃降溫過程中，試樣的摩擦系數(shù)均隨著溫度的降低而逐漸減小，其中改性竹纖維單一增強纖維摩擦材料試樣的變化趨勢最大.從300 ℃時摩擦系數(shù)0.52降到100 ℃時摩擦系數(shù)0.29，恢復性最差.1.7%改性竹纖維和5.3%硅酸鋁陶瓷纖維混雜增強的試樣摩擦系數(shù)隨溫度的降低變化趨勢較小，相比較而言，它的摩擦性能最穩(wěn)定，恢復性也較好.

3.2增強纖維含量對摩擦材料磨損率的影響圖6為增強纖維含量與摩擦材料磨損率隨溫度變化的關系.從圖6中可以發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的升高，5種增強纖維摩擦材料的磨損率變化均呈現(xiàn)上升趨勢，在250 ℃以上，磨損率增加的趨勢更為顯著.從圖6還可以看出，在單一纖維增強的試樣中，以改性竹纖維增強的試樣在100 ℃-350 ℃之間的磨損率均最大，變化幅度也最大，磨損率最大達到0.44，表明以硅酸鋁陶瓷纖維為單一增強纖維的試樣的耐磨性能要好于改性竹纖維試樣.

圖5 摩擦降溫過程中增強纖維含量對摩擦系數(shù)的影響

圖6 增強纖維含量對摩擦材料磨損率的影響

此外，改性竹纖維和硅酸鋁陶瓷纖維混雜增強的試樣在各個溫度下的磨損率均低于單一纖維增強的試樣，說明混雜纖維具有更好的耐磨性.

4 混雜纖維摩擦材料的磨損形貌分析

摩擦材料的表面磨損是復雜的損傷過程，受到溫度、材料等因素的影響.為了更好地分析理解不同種類的增強纖維對其摩擦系數(shù)和磨損率影響，本試驗中對不同混雜纖維的摩擦材料試樣進行磨損形貌分析，SEM結果分別如圖7-10.

從圖7中顯示，單一硅酸鋁陶瓷纖維試樣磨損表面出現(xiàn)較大面積的摩擦膜，磨損面出現(xiàn)較多的磨屑顆粒和一些較大的剝落凹坑，摩擦材料出現(xiàn)片狀撕扯，磨損程度增大，導致硅酸鋁陶瓷纖維試樣的磨損相對混雜纖維試樣的大.由此可見，單一硅酸鋁陶瓷纖維試樣磨損表現(xiàn)出來的是黏著磨損和磨粒磨損.

從圖7-10可以發(fā)現(xiàn)，幾個混雜纖維試樣的磨損表面光滑，出現(xiàn)比較多的大面積平整及致密的摩擦層，這樣可以在磨損面上形成保護覆蓋，進一步減輕磨損面的不平度，降低摩擦系數(shù).圖10所示，1.7%改性竹纖維和5.3%硅酸鋁陶瓷纖維混雜纖維摩擦材料試樣中，剝落現(xiàn)象較明顯，有些纖維被拔出，摩擦系數(shù)增大，磨損表現(xiàn)出來的是剝落磨損為主.

圖7 硅酸鋁陶瓷單一纖維試樣在磨損試驗后的摩擦表面SEM照片

圖8 1.7%硅酸鋁陶瓷纖維+5.3%改性竹纖維試樣在磨損試驗后的摩擦表面SEM照片

圖9 3.4%硅酸鋁陶瓷纖維+3.4%改性竹纖維試樣在磨損試驗后的摩擦表面SEM照片

圖10 5.3%硅酸鋁陶瓷纖維+1.7%改性竹纖維試樣在磨損試驗后的摩擦表面SEM照片

5 結論

1) 改性竹纖維與硅酸鋁陶瓷纖維混雜增強的試樣的硬度和沖擊強度明顯高于改性竹纖維增強的試樣，硬度和硅酸鋁陶瓷纖維增強試樣基本一樣，但沖擊強度高于硅酸鋁陶瓷纖維增強試樣，這充分說明改性竹纖維與硅酸鋁陶瓷纖維具有較好的混雜效應，在摩擦過程中起到協(xié)同互補作用.

2) 在單一增強纖維摩擦材料試樣中，相對硅酸鋁陶瓷纖維試樣，改性竹纖維單一增強材料試樣相對而言其摩擦熱穩(wěn)定性能更優(yōu)良.

3) 在摩擦材料試樣升溫過程中，不同含量的改性竹纖維和硅酸鋁陶瓷纖維混雜增強摩擦材料，其摩擦系數(shù)總體上變化趨勢接近，均是先增大再減小.摩擦系數(shù)基本上介于改性竹纖維單一增強材料試樣和硅酸鋁陶瓷纖維單一增強材料試樣之間，說明改性竹纖維和硅酸鋁陶瓷纖維混雜增強能起到互補協(xié)同效應.

4) 在摩擦材料試樣降溫過程中，不同含量試樣的摩擦系數(shù)均隨溫度的降低而逐漸減小，其中改性竹纖維單一增強纖維摩擦材料試樣的變化趨勢最大.從300 ℃時摩擦系數(shù)0.52降到100 ℃時摩擦系數(shù)0.29，恢復性最差.1.7%改性竹纖維和5.1%硅酸鋁陶瓷纖維混雜增強的試樣的摩擦系數(shù)隨溫度的降低變化趨勢較小，相對而言，它的摩擦性能最穩(wěn)定，恢復性也較好.

5) 隨著溫度的升高，本實驗中不同含量的增強纖維摩擦材料的磨損率變化均呈現(xiàn)上升趨勢，在250 ℃以上，磨損率增加的趨勢更為顯著.在單一纖維增強的試樣中，以改性竹纖維增強的試樣在100-350 ℃之間的磨損率均最大，變化幅度也是最大，磨損率最大達到0.44，表明以硅酸鋁陶瓷纖維為單一增強纖維的試樣的耐磨性能要好于改性竹纖維試樣.同時，改性竹纖維和硅酸鋁陶瓷纖維混雜增強的試樣在各個溫度下的磨損率均低于單一纖維增強的試樣，說明混雜纖維具有更好的耐磨性.

6) 硅酸鋁陶瓷纖維試樣的磨損主要為黏著磨損，改性竹纖維和硅酸鋁陶瓷纖維混雜增強的試樣的磨損形式主要為黏著磨損和磨粒磨損的復合磨損.

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Analysisonmechanicalandtribologicalperformanceofhybridfiberfrictionmaterial

LIN Shaofang1, ZHENG Kaikui2, JIANG Wei2

(1.Department of Traffic Engineering, Fuzhou Polytechnic College, Fuzhou 350108,China;
2.School of Mechanical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou 350108, China)

Oyster shell powder and calcium sulfate whisker were added as fillers, modified bamboo fiber and ceramic fiber as hybrid fiber. A new type of friction was made. The friction and wear properties were tested by X-DM regulating speed friction testing machine. The results showed that the modified bamboo fiber/aluminum silicate ceramic fiber had better tribological properties and good hybrid effect.

hybrid fiber; mechanical performance; tribological performance

2017-03-25

2015年福建省中青年教師教育科研項目(JA15803)資助

林少芳(1976-)，女，講師，E-mail：419800288@qq.com

1000-2375(2017)06-0591-06

TH117.1

A

10.3969/j.issn.1000-2375.2017.06.006

(責任編輯 郭定和)