劉伯威，匡湘銘，劉 詠，楊 陽，唐 兵（. 中南大學(xué) 粉末冶金國家重點實驗室，長沙 40083；. 湖南博云汽車制動材料有限公司，長沙 4005）

腰果殼油摩擦粉對樹脂基摩擦材料性能的影響

劉伯威1， 2，匡湘銘2，劉 詠1，楊 陽2，唐 兵2
（1. 中南大學(xué) 粉末冶金國家重點實驗室，長沙 410083；2. 湖南博云汽車制動材料有限公司，長沙 410205）

腰果殼油摩擦粉是樹脂基摩擦材料中廣泛應(yīng)用的摩擦性能調(diào)節(jié)劑。通過改變摩擦材料中腰果殼油摩擦粉組分含量，研究腰果殼油摩擦粉對樹脂基摩擦材料的理化、機械、摩擦磨損及制動噪聲性能的影響。結(jié)果表明：隨著摩擦粉含量增加，摩擦材料的氣孔率、壓縮變形量增大，pH值、密度、硬度和沖擊強度減小。通過執(zhí)行SAE J2521和SAE J2522程序進行臺架實驗，表明摩擦粉的加入可提高并穩(wěn)定摩擦材料的摩擦因數(shù)，同時有效降低剎車片制動過程噪聲發(fā)生概率。摩擦材料中摩擦粉添加量7%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時，摩擦材料沖擊強度3.36 kJ/m2，名義摩擦因數(shù)0.36，平均磨損厚度0.53 mm，噪音發(fā)生概率為14.4%，剎車片綜合性能最佳。

腰果殼油摩擦粉；樹脂基；摩擦材料；摩擦磨損

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，人們對車輛的運行速度、安全性、舒適度和環(huán)保化等提出了更高的要求。摩擦副的性能在某種程度上限制了汽車高速化與重載化的發(fā)展，因此進一步提高制動用摩擦材料（剎車片、閘片等）的綜合性能對汽車工業(yè)發(fā)展具有重要意義［1?4］。樹脂基摩擦材料是一種高分子多元復(fù)合材料，化學(xué)結(jié)構(gòu)、凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)、交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和共混組分等具有靈活的可設(shè)計性，可滿足當(dāng)前的運行高速化、車體輕量化和負荷重載化等復(fù)雜制動工況。該材料由粘結(jié)劑（樹脂與橡膠）、增強體和摩擦性能調(diào)節(jié)劑三大類組分及其他填料構(gòu)成。粘結(jié)劑是將各摩擦材料組分粘結(jié)起來，增強體的主要作用是使材料具有一定的力學(xué)強度和韌性。摩擦性能調(diào)節(jié)劑用來改善和調(diào)節(jié)摩擦材料的性能，包括增摩劑、減摩劑和其他性能調(diào)節(jié)劑，在摩擦材料中可調(diào)節(jié)摩擦材料摩擦因數(shù)、耐磨、耐溫性能和減少對對偶的損傷。其中摩擦粉是改善摩擦性能的有效組分［5?7］。由于腰果殼油摩擦粉成本低、性能優(yōu)越， 國內(nèi)外摩阻材料中已得到廣泛應(yīng)用，在盤式和鼓式剎車片用作穩(wěn)定劑，作為改善摩擦性能和降低噪音有效組分［8?9］。

美國 Cardolite公司于 1939年發(fā)明用腰果殼油（Cashew）制造摩擦粉，20世紀(jì)40年代初被應(yīng)用于摩擦材料中。腰果殼油摩擦粉是一種以腰果殼油為原料的高分子化合物，腰果殼油從腰果殼中柔軟的蜂窩狀結(jié)構(gòu)中提取，是一種天然生物材料，為紅褐色粘性液體，主要含有腰果酸和少量的腰果（間）二酚以及甲基衍生物［10］。腰果酸經(jīng)過熱處理脫羧可得到產(chǎn)物腰果酚。腰果酚可代替或部分代替苯酚用于制造環(huán)氧固化劑、液體酚醛樹脂或粉末狀的熱固性酚醛樹脂。和苯酚結(jié)構(gòu)比較，腰果酚間位上帶有一不飽和含15個碳原子烴基側(cè)鏈，側(cè)鏈上雙鍵可發(fā)生聚合反應(yīng)。受羥基和不飽和烴基鏈共軛作用影響，腰果酚核上羥基和烴基鄰位及對位反應(yīng)活性點得以保留。腰果酚經(jīng)化學(xué)聚合反應(yīng)，固化及高溫處理，可生產(chǎn)具有優(yōu)異黏彈性的有機摩擦粉。

近年來，國內(nèi)專門研究腰果殼油摩擦粉或腰果殼液在摩擦材料中的應(yīng)用報道很少，在國外研究較多。CHO等［11］研究了腰果殼油摩擦粉含量對摩擦材料硬度、氣孔率和摩擦磨損性能的影響。研究表明摩擦材料配方中加入摩擦粉可降低摩擦材料的硬度，同時能穩(wěn)定摩擦因數(shù)。但存在不足：腰果殼油摩擦粉耐熱性差，350 ℃后會逐漸分解。JANG等［12］通過調(diào)整配方中樹脂和腰果殼油摩擦粉兩種有機成分含量進行分析。實驗數(shù)據(jù)表明摩擦粉含量從10%提高到12%（體積分?jǐn)?shù)），材料摩擦因數(shù)的波動幅度減小，更穩(wěn)定。KIM等［13］將配方中腰果殼液含量由8%提高到24%（體積分?jǐn)?shù)）后，摩擦材料硬度明顯下降，氣孔率、壓縮率提高，摩擦過程中真實接觸面積增大使摩擦因數(shù)提高。得出結(jié)論在配方中加入一定量腰果殼液，能使摩擦材料保持低硬度，高氣孔率，有效降低剎車片噪聲發(fā)生概率。到目前為止，幾乎沒有見到腰果殼油摩擦粉對摩擦材料整體性能尤其噪音性能影響的研究報道。本文作者系統(tǒng)地研究了腰果殼油摩擦粉含量對摩擦材料理化和力學(xué)性能的影響，且首次通過臺架試驗數(shù)據(jù)分析了其對摩擦材料摩擦磨損和噪音性能的影響，以期為研究高性能的汽車摩擦材料提供參考依據(jù)。

1 實驗

1.1 摩擦粉的理化性質(zhì)

腰果殼油摩擦粉由卡德萊公司生產(chǎn)，全部過篩（孔徑為380 μm），丙酮提取物結(jié)果≤2%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同），灰分結(jié)果≤3%，pH值為3，摻雜15%炭黑進行改性。其顯微形貌如圖1所示。

圖1 腰果殼油摩擦粉SEM像Fig. 1 SEM image of cashew dust

表1 摩擦材料的基本成分Table 1 Basic composition of friction material

1.2 原料及試樣配方

摩擦材料組分包括粘結(jié)劑、增強纖維、摩擦性能調(diào)節(jié)劑及填料等。具體配比列于表 1，同時調(diào)節(jié)腰果殼油摩擦粉和沉淀BaSO4的含量以保證各組分總含量不變，配制A1、A2、A3、A4和A5試樣，配方詳見表 1。其中腰果殼油摩擦粉在配方中含量變化為0～13%。沉淀BaSO4是一種在摩擦材料中廣泛使用的低價填充料，莫氏硬度為 3～3.5，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，屬于重質(zhì)填料，所占體積分?jǐn)?shù)不大。對摩擦材料的摩擦磨損和噪聲性能影響不明顯。因此，5個基本配方中腰果殼油摩擦粉含量變化是影響摩擦材料制動性能變化主要因素。

1.3 剎車片制備和配方

根據(jù)表1的5個基本配方配料，用自制簡易高速混料機混料，混料時間為3 min，混料機轉(zhuǎn)速為1400 r/min。選擇 03款本田雅閣前（D465）剎車片作為樣品型號，稱量170 g混合料，在旺達JFY60型小型氣壓機上采用一次成型方式模壓成型，壓制溫度為（160±5） ℃，壓力為11.5 MPa，再經(jīng)熱處理、后續(xù)機加工制得成品。

1.4 熱分析及性能測試

摩擦粉熱質(zhì)量損失在德國Netzsch公司生產(chǎn)的熱重分析儀進行，樣品質(zhì)量10 mg，升溫速率10 ℃/min，加熱至1000 ℃，氮氣為載氣。

根據(jù)QC/T 583?1999汽車制動器襯片顯氣孔率試驗方法，采用浸油法測量樣品開孔氣孔率。試樣的硬度在 HR?150A型洛氏硬度計上進行測量，壓頭為直徑12.7 mm的鋼球，施加力980 N。根據(jù)ISO 6310道路車輛制動襯片壓縮應(yīng)變試驗方法，在美國Link公司生產(chǎn)的Model 1620型壓縮性能試驗機上，測試室溫時剎車片樣品16 MPa壓縮載荷下的變形量，以此評價摩擦材料的可壓縮性。沖擊強度測試按GB 5763?2008 在 XCJ?4型沖擊強度試驗機上進行，試樣尺寸為6 mm×10 mm×55 mm。根據(jù)JC/T 685?1998摩擦材料密度試驗方法，采用阿基米德原理排水稱量法測量剎車片樣品的密度。根據(jù)JASO C458?1986汽車制動襯片、制動塊和離合器表面pH值試驗規(guī)程，用pH計測量摩擦材料的pH值。摩擦磨損性能測試按照程序SAE J2522，在美國LINK 3000型慣性臺架試驗機上進行，剎車片樣品安裝在1/4制動器總成上，采用液壓制動方式，測試摩擦材料樣品在不同制動速度、制動壓力、制動溫度下摩擦性能的變化情況。采用日本JSM?6490LV型掃描電子顯微鏡，對試驗后的摩擦塊樣品表面形貌進行分析，并采用Phoenix EDAX 2000型能譜分析儀（EDX）對摩擦塊樣品表面進行成分分析。摩擦材料制動噪聲測試按照程序SAE J2521，在美國LINK 3900型NVH慣量實驗臺上進行，測試制動速度、制動壓力、制動溫度及制動方向等試驗條件對制動噪聲發(fā)生的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 腰果殼油摩擦粉熱重分析

熱重分析是指在程序控制溫度下測量待測樣品的質(zhì)量與溫度變化關(guān)系的一種熱分析技術(shù)，用來研究材料的熱穩(wěn)定性和組份。汽車在高速度、高負荷、高頻次剎車時，剎車片的溫度急劇升高，會造成材料中的有機物如樹脂、摩擦粉等分解，產(chǎn)生水、氣體小分子以及有機成分分解后殘留在摩擦材料表面形成潤滑膜，致使摩擦因數(shù)急劇降低，引起高溫衰退，降低剎車效能［14］。因此，進行腰果殼油摩擦粉的差熱?熱重分析對研究摩擦材料在制動過程中的熱變化具有重要意義。

圖2所示為摩擦粉在N2氛圍下的TG?DTG曲線，TG曲線表示樣品質(zhì)量的變化，DTG是TG的一次微分曲線。摩擦粉主要有3個質(zhì)量損失區(qū)，第一質(zhì)量損失區(qū)200 ℃以前可認(rèn)為是由脫水引起的質(zhì)量損失峰；然后在380～553 ℃范圍內(nèi)質(zhì)量損失明顯，此階段為主質(zhì)量損失區(qū)，說明腰果殼油摩擦粉在此溫度段發(fā)生了劇烈的裂解反應(yīng)。據(jù)文獻［15］報道：此溫度范圍，芳香環(huán)上側(cè)鏈—C15H13碳鏈結(jié)構(gòu)發(fā)生斷裂生成甲烷、丙烷、丁烷等氣體。側(cè)鏈斷裂后芳香環(huán)結(jié)構(gòu)有甲基酚、甲苯、二甲苯、乙基甲苯和二甲苯酚等物質(zhì)，同時苯、甲苯、苯酚等逸出量隨著溫度的升高會急劇增加，進一步發(fā)生鏈斷和解聚反應(yīng)；第三質(zhì)量損失區(qū)是裂解后期即炭化階段。最后固體殘留量約為32%。通過圖2分析得到摩擦粉樣品熱分解溫度在380 ℃以上。相比較而言，本試驗所用摩擦粉其耐熱性能高于摩擦材料中的其他有機組分，如酚醛樹脂、丁腈橡膠等。這是因為所用摩擦粉是摻雜納米炭黑進行了改性，其熱分解溫度提高。納米炭黑因其特殊的小尺寸效應(yīng)本身具有良好的耐高溫性能，又是一種良好的熱導(dǎo)體，腰果殼油摩擦粉通過納米炭黑進行改性后，摩擦材料在高溫下可將產(chǎn)生的熱量通過納米炭導(dǎo)出，有利于摩擦面熱量的擴散，降低了局部高溫而起到保護作用［16?18］。

圖2 腰果殼油摩擦粉在氮氣氛圍中的TG?DTG曲線Fig. 2 TG?DTG curves of cashew dust in nitrogen atmosphere

2.2 腰果殼油摩擦粉含量對摩擦材料理化性能的影響

表2所列為不同摩擦粉含量對摩擦材料理化性能的影響。由表2可知，摩擦粉含量增加，摩擦材料的pH值略有降低，原因是腰果殼油摩擦粉的pH值為3，顯酸性，而其替代物是中性的硫酸鋇，所以隨摩擦粉含量的增加，摩擦材料的 pH值逐漸降低。摩擦材料的密度隨摩擦粉含量的增加而減小，這是因為腰果殼油摩擦粉的密度為 1.10～1.15 g/cm3，小于替代物硫酸鋇密度（4.5 g/cm3）。因此，隨著腰果殼油摩擦粉的加入，摩擦材料的密度降低。

摩擦材料的氣孔由開、閉口氣孔兩部分組成。能被液體填充的，稱開口氣孔，而閉口氣孔則不能被液體填充。開、閉口氣孔兩者所充氣體之和與試樣總體積的比值，稱為真氣孔率，開口氣孔體積與總體積的比值為顯氣孔率。通常只測定顯氣孔率，簡稱氣孔率。表2中摩擦材料氣孔率隨摩擦粉含量的增加先顯著增大后趨于穩(wěn)定。腰果殼油摩擦粉的形貌如圖1所示，其表面粗糙疏松，且因其特殊的空間結(jié)構(gòu)而具有一定的彈性和韌性，熱膨脹系數(shù)大，在1×10?4m/K以上?；旌狭显诮?jīng)熱壓和熱處理制成摩擦材料的過程中，摩擦粉會有一定的熱形變，由于其熱膨脹系數(shù)比其他組分的大得多，所以受熱后比摩擦材料中其他組分體積膨脹更大，而在冷卻過程中，因膨脹系數(shù)不同，導(dǎo)致摩擦粉和其他組分間形成空隙，因此氣孔率增大。

表2 不同摩擦粉含量試樣的理化性能Table 2 Physical and chemical properties of samples with different cashew dust contents

圖4 不同摩擦粉含量試樣的硬度和壓縮變形量Fig. 4 Hardness and compression deformation of samples with different cashew dust contents

2.3 腰果殼油摩擦粉含量對摩擦材料力學(xué)性能的影響

圖3所示為不同含量的摩擦粉對摩擦材料沖擊強度的影響。沖擊強度數(shù)值誤差在±0.12內(nèi)，從圖 3中可看出加入摩擦粉后摩擦材料沖擊強度呈減小趨勢。原因有二點：一是腰果殼油摩擦粉是完全固化后的樹脂化合物，并經(jīng)過納米炭黑改性，活性基團被封鎖，與摩擦材料中的其他組分不能形成有效化學(xué)鍵［19?20］；二是加入摩擦粉后摩擦材料體積密度逐漸變小，摩擦塊氣孔率增大，內(nèi)部氣孔增加，因而材料結(jié)構(gòu)強度降低。

腰果殼油摩擦粉含量對摩擦材料的硬度和壓縮變形量的影響如圖4所示。摩擦粉因其特殊的結(jié)構(gòu)，韌性大、彈性好，類似于橡膠顆粒，因而隨著摩擦粉含量的增加，摩擦材料的體積密度降低，氣孔率增大，在洛氏硬度測試中摩擦材料表現(xiàn)出彈性變形能力越強，測試出來的硬度值越低。剎車片的硬度對摩擦對偶的壓緊力大小有一定的匹配性，在滿足制動工況的前提下，剎車片的硬度以低為好，對降低對偶磨損，改善制動的平穩(wěn)性和舒適性有益。摩擦材料的壓縮變形量與硬度呈反比關(guān)系，硬度越低，在外載荷作用下變形量越大。因此，隨著摩擦粉含量的增加，材料的壓縮變形量增大。

圖3 不同摩擦粉含量試樣的沖擊強度Fig. 3 Impact strength of samples with different cashew dust contents

2.4 腰果殼油摩擦粉含量對摩擦材料摩擦和磨損性能的影響

執(zhí)行SAE J2522標(biāo)準(zhǔn)考察摩擦材料在不同制動速度、制動壓力、制動溫度下摩擦性能的變化情況。因試驗數(shù)據(jù)較多，本文作者只對名義摩擦因數(shù)和最低摩擦因數(shù)進行分析討論，并具體分析剎車片第一次高溫衰退時摩擦因數(shù)隨摩擦粉含量的變化情況，討論摩擦粉在摩擦材料使用過程中的熱變化。

2.4.1 摩擦粉含量對摩擦材料名義摩擦因數(shù)和最低摩擦因數(shù)的影響

圖5所示為摩擦粉含量對摩擦材料名義摩擦因數(shù)（μnom）和最低摩擦因數(shù)（μmin）的影響。隨著摩擦粉含量的增加，試樣的名義摩擦因數(shù)逐漸增大后穩(wěn)定在0.38。最低摩擦因數(shù)先增大后減小。名義摩擦因數(shù)體現(xiàn)了摩擦材料的整體摩擦因數(shù)水平，最低摩擦因數(shù)則代表了材料的抗熱衰退能力。由圖5可知，添加腰果殼油摩擦粉的試樣A2、A3、A4和A5名義摩擦因數(shù)和最低摩擦因數(shù)都大于未添加摩擦粉試樣 A1的。因為同摩擦材料其他組分相比，腰果殼油摩擦粉的結(jié)構(gòu)中有長的脂肪鏈，使其具有良好的柔韌性、延展性和易變形性，因而在剎車工況下能增加摩擦材料的真實接觸面積，與摩擦對偶件貼合性良好。

圖5 不同摩擦粉含量試樣的摩擦因數(shù)Fig. 5 Friction coefficients of samples with different cashew dust contents

圖6 不同試樣摩擦表面形貌Fig. 6 Friction surface morphologies of different samples: （a） Without cashew dust； （b） With 10% cashew dust

圖 7 不同摩擦粉含量試樣在第一次衰退程序摩擦因數(shù)的變化曲線Fig. 7 Friction coefficient of samples with different cashew dust contents in Fade 1

圖6所示分別為含0和10%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）摩擦粉的A1和A4試樣在執(zhí)行SAE J2522試驗標(biāo)準(zhǔn)后摩擦面的形貌特征。從圖6（a）可見，摩擦表面凹凸不平，沒有摩擦膜出現(xiàn)，摩擦副主要以微凸體接觸為主，摩擦力來源于磨粒的犁削力，因而材料的名義摩擦因數(shù)和最低摩擦因數(shù)都低。從圖6（b）可見，試樣表面摩擦膜完整均勻，摩擦力主要來源于摩擦膜的粘著作用。由于摩擦副的真實接觸面積大，產(chǎn)生的粘著力也大，因而名義摩擦因數(shù)和最低摩擦因數(shù)都高。同時結(jié)合摩擦粉的熱質(zhì)量損失曲線分析可知，本研究所用摩擦粉耐熱性良好，380 ℃以下不發(fā)生結(jié)構(gòu)分解。因此，摩擦材料中加入摩擦粉可改善制動對速度的過分敏感，保持制動的平穩(wěn)性，提高摩擦因數(shù)［21?22］。當(dāng)摩擦粉含量繼續(xù)增加到13%時，材料的最低摩擦因數(shù)降低，這是因為摩擦材料中的摩擦粉因含量過多而形成磨屑，被空氣氧化分解，釋放出小分子和水等，在摩擦面上形成潤滑膜，降低摩擦材料的摩擦因數(shù)。

2.4.2 摩擦粉含量對摩擦材料抗熱衰退性能的影響

通過分析不同含量摩擦粉試樣在第一次衰退過程中摩擦因數(shù)的變化曲線，可進一步了解腰果殼油摩擦粉的熱穩(wěn)定性對剎車片高溫摩擦因數(shù)的影響。不同含量摩擦粉對摩擦材料在一衰過程中摩擦因數(shù)的影響如圖7所示。從圖7中曲線分析，5個試樣的摩擦因數(shù)整體趨勢是衰退初期降低，在第6次左右制動時摩擦因數(shù)達到最低點，然后逐漸升高或趨于平穩(wěn)。其中沒有添加摩擦粉的試樣A1在第6次制動時摩擦因數(shù)為0.24，為最小值。而隨著摩擦粉含量的增加，從試樣A2至A5，最小摩擦因數(shù)依次升高，試樣A5的最小摩擦因數(shù)為0.35，為最大值。這表明本研究中所使用的經(jīng)納米炭黑改性的腰果殼油摩擦粉可提高摩擦材料的抗熱衰退性能。

在執(zhí)行SAE J2522標(biāo)準(zhǔn)進行第一次衰退試驗中，第6次制動時要求制動盤的初溫為400 ℃，剎車后盤的溫度會升高到500 ℃以上，此時摩擦塊的表面溫度也基本上接近500 ℃。在500 ℃的高溫下，摩擦材料中的有機成分會急速分解，如酚醛樹脂和摩擦粉等裂解產(chǎn)生甲苯、二甲苯等芳香族化合物，同時也釋放出甲烷、丙烷等小分子，以及因氧化燃燒而產(chǎn)生水、二氧化碳等氣體，這些物質(zhì)一部分散逸到空氣中，一部分留在摩擦材料的表面而形成潤滑性能良好的油膜，從而顯著降低摩擦因數(shù)。

添加10%摩擦粉的試樣A4在執(zhí)行SAE J2522標(biāo)準(zhǔn)試驗后其摩擦面的 SEM像和能譜分析分別如圖 8和表3所示。由圖8和表3可見，F(xiàn)e元素在表面成分中占到53.25%，Ti元素達到6.93%，遠高于原配方中Fe和 Ti元素的含量，這說明高溫下材料中的有機物被分解成小分子揮發(fā)掉或被氧化，留下的主要是金屬成分或其他非揮發(fā)性的無機物。

圖8 試樣A4在執(zhí)行SAE J2522程序后SEM像Fig. 8 SEM image of sample A4 after SAE J2522 test

表3 試樣A4在執(zhí)行SAE J2522程序后的能譜分析Table 3 EDAX analysis of sample A4 after SAE J2522 test

在第一次衰退程序的后期，A4和A5摩擦材料的摩擦因數(shù)沒有大的波動，較平穩(wěn)。這是因為在經(jīng)歷過高溫后，多余的有機物被氧化揮發(fā)，殘存在摩擦面上的殘?zhí)课锱c其他的磨屑產(chǎn)生協(xié)同作用，形成穩(wěn)定的摩擦膜，增加了與對偶件的真實接觸面積，因而保證了制動的平穩(wěn)性，摩擦因數(shù)基本保持不變。試樣 A1、A2、A3、A4和 A5的摩擦因數(shù)波動范圍分別為0.24～0.42、0.26～0.41、0.30～0.37、0.33～0.42和0.35～0.44，摩擦因數(shù)波動幅度 Δμ分別為 0.18、0.15、0.07、0.09和0.09，其中試樣A3的Δμ最小，而試樣A1的摩擦材料中沒有加入摩擦粉，波動幅度最大。結(jié)果表明：加入摩擦粉后，摩擦材料的摩擦因數(shù)波動幅度變小，摩擦因數(shù)更穩(wěn)定，制動更平穩(wěn)。

2.4.3 腰果殼油摩擦粉含量對摩擦材料磨損性能的影響

圖9表明隨著摩擦粉含量的增加，摩擦材料的厚度和質(zhì)量磨損增大，相比較摩擦材料中沉淀BaSO4組分，腰果殼油摩擦粉分解溫度低，380 ℃后逐漸分解，所以加入腰果殼油摩擦粉，會加大摩擦材料的磨損?？傮w來說，摩擦材料在低溫時以磨粒磨損和粘著磨損為主，在320 ℃以上高溫時摩擦粉、橡膠粉和酚醛樹脂等有機物開始熱分解，犁切磨損和疲勞磨損有所增加［23?24］。摩擦粉同摩擦材料其他組分粘結(jié)性差，也是摩擦磨損增大的一個原因。試樣A3和A2比較，試樣A3的磨損厚度比試樣A2的大，磨損質(zhì)量卻相反，這是因為摩擦塊A3的密度要比A2的小。綜合考慮摩擦材料力學(xué)和摩擦磨損性能。腰果殼油摩擦粉的加入量以 7%時比較適宜，此時摩擦材料沖擊強度為 3.36 kJ/m2，名義摩擦因數(shù)0.36，磨損厚度0.53 mm。

2.5 腰果殼油摩擦粉含量對摩擦材料制動噪聲的影響

執(zhí)行SAE J2521噪聲試驗標(biāo)準(zhǔn)考察摩擦材料在不同制動速度、制動溫度、制動壓力、制動方向等試驗條件下，摩擦材料制動噪聲的發(fā)生情況。本研究的剎車片型號為03款本田雅閣前片，試驗制動器類型為不帶懸架的 1/4總成，因此將聲音頻率范圍為 2000～17000 Hz，分貝值為70 dB以上的制動聲音記為制動噪聲。不同摩擦粉含量的摩擦材料制動噪聲發(fā)生概率、評分及制動噪聲頻率分布情況如圖10和圖11所示。

由圖10可知，當(dāng)摩擦粉的含量由0增加到13%時，制動噪聲的發(fā)生概率逐漸降低后趨于穩(wěn)定，相應(yīng)的綜合評分升高。當(dāng)摩擦粉含量為10%時，制動噪聲發(fā)生概率2.2%，為最低值，噪聲評分9.0分，為最高值。

圖10 不同摩擦粉含量試樣的制動噪聲發(fā)生概率及評分值Fig. 10 Brake noise probability of occurrence and noise index of samples with different cashew dust contents

圖 11 不同摩擦粉含量試樣制動噪聲發(fā)生情況Fig. 11 Brake noise occurrence of samples with different cashew dust contents: （a） Sample A1； （b） Sample A2； （c） Sample A3； （d） Sample A4； （e） Sample A5

由圖11可看出，試樣A1在正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、減速和拖磨程序段都出現(xiàn)制動噪聲，在12400 Hz和17000Hz出現(xiàn)多次且噪聲強度高達110 dB的尖叫聲。添加摩擦粉的各個試樣，在正反轉(zhuǎn)、減速過程中的噪聲減少，試樣A5只在拖磨過程中出現(xiàn)噪聲。各個試樣的噪聲出現(xiàn)主要頻段在8000 Hz、12400 Hz和17000 Hz附近。隨著摩擦粉含量增加，8000 Hz頻段的噪聲先增加后降低；12400 Hz和17000 Hz兩個頻段的噪聲概率和強度都降低，這說明加入摩擦粉對降低這兩個頻率段的噪聲發(fā)生有改善作用［25］。

綜合分析圖10和圖11可知，腰果殼油摩擦粉的加入可以有效降低摩擦材料制動噪聲的發(fā)生概率和強度。主要原因是摩擦材料中的酚醛樹脂、丁腈橡膠等有機物在320 ℃及以上的溫度會出現(xiàn)大量分解氧化，導(dǎo)致摩擦因數(shù)急劇下降，制動力矩降低，剎車出現(xiàn)打滑、粘啃和表面不平等現(xiàn)象，因而產(chǎn)生不同程度的噪聲；在多次剎車后的高壓和高溫的雙重作用下，其表層出現(xiàn)硬化、碳化等異化現(xiàn)象，使得摩擦材料中硬度較高的材料對剎車對偶件工作面的損傷加大，摩擦層失去原有的特性，整個摩擦扭矩下降。本研究所加入的改性腰果殼油摩擦粉在380 ℃以上才開始分解，由于其較大的熱膨脹系數(shù)，增大了真實接觸面積，穩(wěn)定了剎車扭矩，因此可以減少制動噪聲的產(chǎn)生；同時腰果殼油摩擦粉由于其化學(xué)結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異彈性和高塑性，及熱膨脹系數(shù)的不匹配性，其添加可有效提高摩擦材料的氣孔率，吸收摩擦振動、減小噪聲的發(fā)生概率。

3 結(jié)論

1） 腰果殼油摩擦粉作為樹脂基摩擦材料性能組分，隨著其含量的增加，摩擦材料的氣孔率、壓縮變形量增大，密度、硬度和沖擊強度減小，同時摩擦材料pH值呈減小趨勢。

2） 添加經(jīng)納米炭黑改性的腰果殼油摩擦粉，摩擦材料的名義摩擦因數(shù)和磨損率呈現(xiàn)出一致升高趨勢，而最低摩擦因數(shù)先升高后降低，添加量10%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）左右出現(xiàn)拐點。

3） 隨著腰果殼油摩擦粉含量的增加，制動噪聲發(fā)生概率和噪聲強度降低，并且高頻率噪聲逐漸消失。添加量超過10%后，噪聲發(fā)生概率值趨于平穩(wěn)。

4） 摩擦材料中腰果殼油摩擦粉的添加量以7%左右為宜，材料的力學(xué)性能好，摩擦磨損性能優(yōu)異，制動噪聲發(fā)生概率低。

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（編輯 王 超）

Effects of cashew dust on performances of resin-based friction material

LIU Bo-wei1， 2， KUANG Xiang-ming2， LIU Yon1， YANG Yang2， TANG Bing2
（1. State Key Laboratory of Powder Metallurgy，Central South University， Changsha 410083， China；2. Hunan Boyun Automobile Brake Material Co.， LTD.， Changsha 410205， China）

Cashew dust is a very important organic filler in the friction materials industry due to its respective characteristic. The effects of cashew dust on physical， chemical， friction， wear and noise performances of resin-based friction material were studied. The results show that apparent porosity and compression deformation of friction material are improved， as well as pH， density， hardness and impact strength are reduced with the increase of cashew dust content. The results of bench test using SAE J2521 and SAE J2522 test procedure show that the use of cashew dust makes stability of friction coefficient become more stable or friction coefficient become higher， which can reduce probability of noise occurrence during the braking period. Through analyzing the experimental results， when the content of cashew dust is 7% （mass fraction）， the overall properties of friction material are the optimum: the impact strength is 3.36 kJ/m2， the average coefficient of friction is 0.36， the thickness loss is 0.53 mm， the noise frequency is 14.4%.

cashew dust； resin based； friction material； friction and wear

Project（621020009） supported by the State Key Laboratory' Special Foundation

date： 2015-10-29； Accepted date： 2016-04-05

LIU Bo-wei； Tel: +86-731-88122568； E-mail: kuangxiangming1988@163.com

TB333

A

1004-0609（2016）-04-0891-10

國家重點實驗室專項經(jīng)費（621020009）

2015-10-29；

2016-04-05

劉伯威，副教授；電話：0731-88122568；E-mail: kuangxiangming1988@163.com