施儉亮，付業(yè)偉，李賀軍，費(fèi) 杰，朱文婷，張 翔

（西北工業(yè)大學(xué) 凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710072）

隨著車輛向環(huán)保、高速以及重載方向發(fā)展，人們對(duì)汽車制動(dòng)材料的性能提出了更高的要求，特別是在高溫制動(dòng)時(shí)，材料的穩(wěn)定性及安全性至關(guān)重要［1，2］。因此，開(kāi)發(fā)和研制一種高性能汽車制動(dòng)材料是當(dāng)今摩擦材料行業(yè)的當(dāng)務(wù)之急。

摩擦材料在使用過(guò)程中隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，特別是頻繁剎車的情況下，制動(dòng)襯片的表面溫度急劇上升可達(dá)800℃以上。傳統(tǒng)有機(jī)摩擦材料耐熱性能較差，當(dāng)溫度高于350℃時(shí)樹(shù)脂炭化產(chǎn)生熱衰退現(xiàn)象，導(dǎo)致剎車性能降低，這是造成事故的主要原因［3，4］。陶瓷基摩擦材料具有密度適中、耐腐蝕、使用壽命長(zhǎng)、制動(dòng)舒適，環(huán)保等一系列優(yōu)點(diǎn)，但是一般陶瓷材料制備工藝復(fù)雜，成本高，所以低成本新型陶瓷剎車片的發(fā)展將具有非常重要的社會(huì)意義、經(jīng)濟(jì)意義和良好的發(fā)展前景［5－7］?；诖?，本工作提出一種采用無(wú)樹(shù)脂的無(wú)機(jī)黏結(jié)劑，以纖維作為增強(qiáng)體，利用模壓工藝制備出的新型陶瓷摩擦材料。無(wú)機(jī)黏結(jié)劑是一種以硅酸鹽為主要成分的黏結(jié)用材料，通過(guò)改性的硅酸鹽類無(wú)機(jī)黏結(jié)劑使用溫度可以達(dá)到750℃。以硅酸鹽類無(wú)機(jī)黏結(jié)劑替代傳統(tǒng)有機(jī)合成摩擦材料中樹(shù)脂基體制備出新型陶瓷摩擦材料，能夠克服耐熱性差的缺點(diǎn)，使摩擦材料的耐熱性大幅度提升。新型陶瓷摩擦材料的制備采用模壓工藝，較低處理溫度，與傳統(tǒng)陶瓷材料相比，具有工藝簡(jiǎn)單、成本低的優(yōu)點(diǎn)。

本工作采用炭纖維作為增強(qiáng)纖維，通過(guò)改變其含量制備了五種炭纖維增強(qiáng)新型陶瓷摩擦材料。研究了炭纖維含量對(duì)新型陶瓷摩擦材料的物理性能、力學(xué)性能、摩擦磨損性能的影響，以期為新型陶瓷摩擦材料的設(shè)計(jì)提供實(shí)驗(yàn)支持。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原料及試樣制備

無(wú)機(jī)黏結(jié)劑，粒度150～200目，其化學(xué)成分為聚合鋁硅酸鹽，固化溫度100～250℃，固化后材料以（－Si－O－Al－O－）n為骨架形成連續(xù)三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，陜西西安德謙科技有限公司；短切炭纖維，直徑為10～25μm，長(zhǎng)度為3～10mm，宜興市天鳥(niǎo)高新技術(shù)有限公司；Kevlar纖維，長(zhǎng)度2mm左右，美國(guó)杜邦公司；WG－80石墨粉，工業(yè)級(jí)，粒度150～200目，市購(gòu)；三氧化二鋁、硫酸鋇、硅藻土、螢石粉、螢石粉、碳酸鈣均為工業(yè)級(jí)，粒度150～200目，市購(gòu)。

采用模壓成型工藝制備新型陶瓷摩擦材料，將原材料經(jīng)充分混合后，利用平板硫化機(jī)熱壓成型，壓力為50MPa，熱壓溫度為150℃，保壓時(shí)間為2min／mm。然后在50～180℃溫度范圍內(nèi)進(jìn)行熱處理，得到實(shí)驗(yàn)用摩擦材料試樣，依次標(biāo)記為試樣1，2，3，4，5。實(shí)驗(yàn)所用摩擦材料試樣的配比組成如表1所示。

表1 試樣的配比組成（質(zhì)量分?jǐn)?shù)／%）Table 1 Relative content of raw materials in the designed samples（mass fraction／%）

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

參照“QC／T473—1999”，“GB／T1041—2008”，采用CMT5304—30KN型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試試樣的抗剪切強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度；參照“GB／T5763—2008”，采用QDM150型定速摩擦磨損性能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試試樣摩擦磨損性能；采用MM1000型慣性摩擦磨損性能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試摩擦制動(dòng)穩(wěn)定性，主要測(cè)試條件為：主軸轉(zhuǎn)速2000r／min，制動(dòng)壓力1.0MPa，主軸慣量0.20kg·m2，對(duì)偶材質(zhì)為45＃鋼，表面粗糙度為0.8μm （Ra）；采用JSM－6360LV型掃描電鏡觀察試樣磨損后的表面形貌；采用TGA／SDTA851e型熱分析儀測(cè)試耐熱性能，測(cè)試條件為：氣氛為空氣，升溫速率10℃／min。

2 結(jié)果與討論

2.1 炭纖維含量對(duì)抗壓強(qiáng)度和抗剪切強(qiáng)度的影響

圖1為炭纖維含量與抗壓強(qiáng)度和抗剪切強(qiáng)度之間的關(guān)系曲線。從圖1可以看出，隨著炭纖維含量的增加，試樣的抗壓強(qiáng)度和抗剪切強(qiáng)度均先增大后減小。當(dāng)炭纖維含量為20%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）時(shí)，試樣的抗壓強(qiáng)度和抗剪切強(qiáng)度均達(dá)到最大值。

圖1 炭纖維含量對(duì)抗壓強(qiáng)度和抗剪切強(qiáng)度的影響Fig.1 Effects of fiber content on compressive strength and shearing strength

圖2 不同試樣剪切面微觀形貌照片 （a）試樣1；（b）試樣5Fig.2 SEM micrographs of shearing surface of different samples （a）sample 1；（b）sample 5

圖2為試樣1，5的剪切面微觀形貌圖。從圖2可以看出，當(dāng)炭纖維含量較低為10%時(shí)（見(jiàn)圖2（a）），基體將炭纖維緊密包裹，兩者之間緊密結(jié)合，炭纖維的增強(qiáng)作用得到充分的發(fā)揮，使材料的抗壓強(qiáng)度和抗剪切強(qiáng)度得到提高，隨著炭纖維含量增加，這種增強(qiáng)作用表現(xiàn)得越明顯，材料的抗壓強(qiáng)度和抗剪切強(qiáng)度越高；當(dāng)炭纖維含量增加到某個(gè)臨界值時(shí)（20%），炭纖維的增強(qiáng)作用達(dá)到最大值，繼續(xù)增加炭纖維含量到30%（見(jiàn)圖2（b）），會(huì)造成黏結(jié)劑的含量不能使各組元之間緊密結(jié)合，并且有纖維團(tuán)聚現(xiàn)象發(fā)生（圖2（b）白色圈定區(qū)域），兩者都會(huì)造成纖維與基體的界面結(jié)合力減弱，不能達(dá)到預(yù)期的增強(qiáng)效果，在外力的作用下炭纖維與基體結(jié)合較弱的界面反而為裂紋的生成和擴(kuò)展創(chuàng)造了條件，導(dǎo)致材料的抗壓強(qiáng)度和抗剪切強(qiáng)度降低［8，9］。

2.2 定速實(shí)驗(yàn)條件下炭纖維含量對(duì)摩擦磨損性能的影響

2.2.1 炭纖維含量對(duì)摩擦因數(shù)的影響

圖3為炭纖維含量與摩擦因數(shù)之間的關(guān)系曲線。從圖中可以看出：在升溫過(guò)程中，各個(gè)試樣的摩擦因數(shù)均比較平穩(wěn)，沒(méi)有出現(xiàn)熱衰退；各個(gè)試樣的摩擦因數(shù)變化趨勢(shì)一致，在不同溫度下，隨著炭纖維含量的增加，摩擦因數(shù)都降低。這是因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)所采用的無(wú)機(jī)黏結(jié)劑固化成型后耐熱性好，使用溫度可以達(dá)到750℃以上，高溫下不會(huì)形成影響摩擦因數(shù)衰退的焦油狀物質(zhì)，從而保證了摩擦因數(shù)的熱穩(wěn)定性［3，10］。同時(shí)，因?yàn)槟撼尚蜁r(shí)的壓力施加方向與摩擦面垂直，成型壓力作用下大部分炭纖維的分布方向與摩擦面平行或呈現(xiàn)小角度，在摩擦過(guò)程中不斷有平行于摩擦表面的炭纖維與對(duì)偶盤(pán)接觸，炭纖維的自潤(rùn)滑性和減磨性能發(fā)揮重要的作用；且隨著炭纖維含量的增加，與對(duì)偶件接觸的炭纖維增多，其潤(rùn)滑作用增強(qiáng)［11］，摩擦因數(shù)減小，所以摩擦因數(shù)隨炭纖維含量的增加而減少。

圖3 炭纖維含量對(duì)摩擦因數(shù)的影響（定速試驗(yàn)）Fig.3 Effects of fiber content on friction coefficient（constant speed test）

2.2.2 炭纖維含量對(duì)磨損率的影響

圖4為炭纖維含量與磨損率的關(guān)系曲線。從圖中可以看出，當(dāng)溫度低于300℃時(shí)，隨著炭纖維含量的增加，試樣的磨損率先減小后增大；當(dāng)溫度達(dá)到300℃時(shí)，試樣1，2，3的磨損率增幅突然變大，而試樣4，5的磨損率增幅依然較小。

圖4 炭纖維含量對(duì)磨損率的影響Fig.4 Effects of fiber content on wear rate

圖5為試樣磨損后的表面微觀形貌圖。從圖5可以看出，當(dāng)炭纖維含量低于20%時(shí)，炭纖維、填料、黏結(jié)劑結(jié)合較緊密，磨損表面完整光滑；當(dāng)炭纖維含量高于20%時(shí)，炭纖維與基體黏結(jié)劑之間的結(jié)合情況較差，磨損表面出現(xiàn)凹坑與剝落。

當(dāng)溫度低于300℃時(shí)，各組分之間的結(jié)合情況是影響磨損率的主要因素。當(dāng)纖維含量小于20%時(shí)，隨著炭纖維含量的增加，炭纖維減磨作用增強(qiáng)，磨損率減小；當(dāng)纖維含量高于20%時(shí)，隨著纖維含量增加，黏結(jié)劑的含量相對(duì)于炭纖維含量減少，黏結(jié)劑與炭纖維不能充分結(jié)合，且有可能出現(xiàn)纖維團(tuán)聚現(xiàn)象，造成結(jié)合強(qiáng)度降低，更容易發(fā)生黏著磨損，故試樣的磨損率增大。

當(dāng)溫度高于300℃時(shí)，試樣1，2，3的磨損率增幅較大，而炭纖維含量較高的試樣4，5磨損率的增幅相對(duì)較小。高溫條件下，炭纖維的高溫穩(wěn)定性成為影響磨損率的主要因素。當(dāng)實(shí)驗(yàn)溫度達(dá)到300℃時(shí)，摩擦面瞬間溫度將遠(yuǎn)高于300℃，炭纖維含量低于20%時(shí)，表層炭纖維在氧化和壓力共同作用下使得原來(lái)規(guī)則的石墨結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，并且結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)變，使炭纖維與基體之間的界面結(jié)合減弱，增強(qiáng)作用被削弱［12］。同時(shí)，無(wú)機(jī)黏結(jié)劑固化后具有陶瓷的性質(zhì)，摩擦表面在經(jīng)受反復(fù)剪切作用時(shí)，產(chǎn)生很大應(yīng)力集中，應(yīng)力點(diǎn)上無(wú)機(jī)黏結(jié)劑和增強(qiáng)體之間的界面受到破壞。隨著摩擦進(jìn)行，基體發(fā)生脆性碎裂，黏結(jié)作用喪失（黏結(jié)性失效），因此試樣磨損率增幅較大［13，14］。當(dāng)炭纖維含量高于20%時(shí)，摩擦過(guò)程中不斷有與摩擦表面平行和呈小角度的炭纖維與對(duì)偶盤(pán)接觸，由炭纖維的“亂層石墨”結(jié)構(gòu)引起的自潤(rùn)滑性和減磨性降低了磨損率的增幅。

2.3 慣性實(shí)驗(yàn)條件下炭纖維含量對(duì)摩擦材料摩擦因數(shù)及其穩(wěn)定性的影響

2.3.1 炭纖維含量對(duì)摩擦因數(shù)的影響

圖6為炭纖維含量與摩擦因數(shù)的關(guān)系曲線。從圖6可以看出，隨著炭纖維含量的增加，材料的摩擦因數(shù)減小，與定速實(shí)驗(yàn)條件下的測(cè)試結(jié)果趨勢(shì)一致。這主要是因?yàn)殡S著炭纖維含量增加，炭纖維的自潤(rùn)滑作用增強(qiáng)，導(dǎo)致摩擦因數(shù)減小。

圖5 不同試樣在350℃磨損形貌照片 （a）試樣1；（b）試樣2；（c）試樣3；（d）試樣4；（e）試樣5Fig.5 SEM micrographs of worn surface of different samples at 350℃ （a）sample 1；（b）sample 2；（c）sample 3；（d）sample 4；（e）sample 5

圖6 炭纖維含量對(duì)摩擦因數(shù)的影響（慣性試驗(yàn)）Fig.6 Effects of fiber content on friction coefficient（inertia test）

2.3.2 炭纖維含量對(duì)摩擦因數(shù)穩(wěn)定性的影響

圖7為100次連續(xù)制動(dòng)過(guò)程中摩擦因數(shù)的穩(wěn)定性曲線。從圖7可以看出，各個(gè)試樣在前20次制動(dòng)過(guò)程中，摩擦因數(shù)逐漸增大，第20次以后摩擦因數(shù)趨于穩(wěn)定。這是因?yàn)殡S著制動(dòng)次數(shù)的增加，摩擦表面粗糙峰變形程度增加，新的接觸面不斷產(chǎn)生，實(shí)際接觸面積增大，因此動(dòng)摩擦因數(shù)增大；而經(jīng)過(guò)多次往復(fù)制動(dòng)后，摩擦表面達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，摩擦因數(shù)趨于平穩(wěn)［15］。從圖7中還可以看出，隨著炭纖維含量的增加，摩擦因數(shù)波動(dòng)幅度減小，摩擦制動(dòng)的穩(wěn)定性提高。這是因?yàn)殡S著炭纖維含量的增加，裸露在摩擦面的炭纖維增多，炭纖維的“亂層石墨”結(jié)構(gòu)引起的自潤(rùn)滑性作用增強(qiáng)，從而使摩擦因數(shù)相對(duì)平穩(wěn)［16］。

圖7 不同試樣的摩擦因數(shù)穩(wěn)定性Fig.7 Friction coefficient stability of different samples

3 結(jié)論

（1）隨著炭纖維含量的增加，摩擦材料的抗壓強(qiáng)度、抗剪切強(qiáng)度先增大后減小，并且當(dāng)炭纖維含量為20%時(shí)，試樣的抗壓強(qiáng)度和抗剪切強(qiáng)度達(dá)到最大值。

（2）新型陶瓷摩擦材料在350℃以內(nèi)摩擦因數(shù)穩(wěn)定，沒(méi)有出現(xiàn)熱衰退現(xiàn)象；隨著炭纖維含量的增加，摩擦因數(shù)降低，且摩擦因數(shù)穩(wěn)定性提高。當(dāng)溫度小于300℃時(shí)，隨著炭纖維含量的增加，試樣的磨損率先減小后增大；當(dāng)溫度高于300℃時(shí)，炭纖維含量的增加有助于減緩材料高溫下磨損率增長(zhǎng)。

（3）炭纖維含量影響新型陶瓷摩擦材料力學(xué)性能的微觀原因?yàn)楦鹘M分間的結(jié)合作用；摩擦因數(shù)的大小與炭纖維的自潤(rùn)滑作用強(qiáng)弱有關(guān)；組分結(jié)合情況和炭纖維的自潤(rùn)滑作用共同影響磨損率大小。

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