李坤鵬 趙傳山 吳朝軍 姜亦飛 韓文佳

(齊魯工業(yè)大學(xué)制漿造紙科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東濟(jì)南,250353)

·紙基摩擦材料·

紙基摩擦材料坯體組分的研究現(xiàn)狀

李坤鵬 趙傳山 吳朝軍 姜亦飛 韓文佳

(齊魯工業(yè)大學(xué)制漿造紙科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東濟(jì)南,250353)

紙基摩擦材料是一種多孔性、吸油、易壓縮和回彈性能優(yōu)異的摩擦材料,紙基摩擦材料坯體的組分對(duì)各項(xiàng)性能起著至關(guān)重要的作用。重點(diǎn)介紹了增強(qiáng)纖維(天然植物纖維、無(wú)機(jī)纖維、碳纖維、有機(jī)合成纖維、混合纖維)和摩擦性能調(diào)節(jié)劑(減摩劑、增摩劑、多種調(diào)節(jié)劑混合)2種坯體組分的研究進(jìn)展,通過(guò)對(duì)各種紙基摩擦材料綜合性能總結(jié)對(duì)比,提出采用環(huán)境友好、耐高溫、摩擦因數(shù)穩(wěn)定、磨損率低的材料和優(yōu)化各組分結(jié)合的方式將成為坯體組分研究的主要方向。

紙基摩擦材料；增強(qiáng)纖維；摩擦性能調(diào)節(jié)劑

紙基摩擦材料使用造紙技術(shù)和工藝制造,采用復(fù)合原理,不僅克服了單一材料的缺陷,而且可以通過(guò)不同原料之間的性能組合來(lái)發(fā)揮單一組分本身所沒(méi)有的新性能,比單一材料具有更優(yōu)異的綜合性能。紙基摩擦材料制備的簡(jiǎn)易工藝流程如圖1所示,先將坯體的組分充分混合,采用造紙的方法成形制得坯體,然后干燥并浸漬樹(shù)脂,最后熱壓成型制成紙基摩擦材料。

圖1 紙基摩擦材料制備的簡(jiǎn)易工藝流程圖

紙基摩擦材料是纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料,組分按工序分為坯體和黏結(jié)劑。坯體的組分(增強(qiáng)纖維、摩擦性能調(diào)節(jié)劑和填料)對(duì)紙基摩擦材料的摩擦和物理等性能起著至關(guān)重要的作用。增強(qiáng)纖維是紙基摩擦材料的重要組成部分,是紙基摩擦材料的骨架,使材料具有好的韌性和足夠的強(qiáng)度,能經(jīng)受住剪切、拉伸和沖擊等機(jī)械作用；摩擦性能調(diào)節(jié)劑可以調(diào)節(jié)摩擦材料的摩擦性能,改進(jìn)摩擦材料的熱性能、物理性能與機(jī)械強(qiáng)度,降低摩擦材料的成本。通過(guò)對(duì)增強(qiáng)纖維和摩擦性能調(diào)節(jié)劑的研究進(jìn)展進(jìn)行對(duì)比,提出了關(guān)于紙基摩擦材料坯體組分的發(fā)展方向。

1 增強(qiáng)纖維的研究現(xiàn)狀

早期使用的增強(qiáng)纖維主要是植物纖維或石棉纖維。20世紀(jì)70年代以前,汽車多為鼓式制動(dòng),采用石棉摩擦材料,雖然石棉價(jià)格低廉、較好地解決了載荷適用性問(wèn)題,但其高溫易磨損、且石棉纖維吸入肺內(nèi),人體無(wú)法代謝,易引發(fā)肺癌,使其應(yīng)用受到了限制。20世紀(jì)70年代中期至80年代中期,汽車制動(dòng)器向盤(pán)式制動(dòng)和無(wú)石棉化發(fā)展,歐、美等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)生產(chǎn)摩擦材料時(shí)已禁止使用石棉纖維。目前紙基摩擦材料研究和工程應(yīng)用中所涉及的增強(qiáng)纖維主要包括天然植物纖維、無(wú)機(jī)纖維、碳纖維和有機(jī)合成纖維。

1.1 天然植物纖維

天然植物纖維有輕質(zhì)低廉、斷裂強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度高、耐磨損、密度小、界面作用力增強(qiáng)(表面的羥基可與基體上的酚羥基形成較強(qiáng)的氫鍵)、環(huán)保、可降解等優(yōu)異特性。馮競(jìng)偉等人[1]以劍麻漿作為增強(qiáng)體,制備了環(huán)保型紙基摩擦材料,劍麻漿占腰果酚改性酚醛樹(shù)脂(PCF)含量的4%時(shí),樹(shù)脂能夠較好地包覆在劍麻漿及其他組分的表面,與未添加劍麻漿摩擦材料相比,沖擊強(qiáng)度提高11.9%,彎曲強(qiáng)度提高7.1%、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度提高10℃,同時(shí)低溫摩擦性能得到改善；添加2%和1%的劍麻漿時(shí)可減少犁溝(硬質(zhì)突起的表面滑過(guò)另一個(gè)表面時(shí)產(chǎn)生了犁溝,犁溝增大了摩擦材料和對(duì)偶件的磨損)的產(chǎn)生, 但高溫?zé)崴ネ嗣黠@,恢復(fù)性、抗磨性略有下降。Namessan等人[2]采用經(jīng)絲光化處理的紅麻纖維作為增強(qiáng)纖維,摩擦材料的洛氏硬度為(101±1.379)HR,沖擊強(qiáng)度為(20.86±0.704)kJ/cm2,采用絲光化處理紅麻纖維提高了摩擦材料的硬度,增加了磨損率。Bajpai 等人[3]采用蕁麻纖維、grewiaoptiva纖維和劍麻纖維作為增強(qiáng)纖維,在轉(zhuǎn)速1000～3000 r/min和比壓0.5～1.5 MPa的條件下,3種摩擦材料的動(dòng)摩擦因數(shù)分別為0.3～0.5、0.2～0.8、0.3～0.6,磨損率分別為2.0×10-6～7.0×10-6cm3/J、 2.9×10-6～5.8×10-6cm3/J、0.4×10-6～9.2×10-6cm3/J。

植物纖維普遍耐熱性較差,在260℃左右以上就開(kāi)始熱裂解,耐磨性能也較差,而且由于表面有大量的羥基,具有較強(qiáng)的親水性,與疏水性的樹(shù)脂界面結(jié)合強(qiáng)度較差,在摩擦過(guò)程中容易產(chǎn)生界面分離和纖維的脫落,所以只能應(yīng)用在一些速度和載荷較低的載具上或與其他纖維混合使用。

1.2 無(wú)機(jī)纖維

紙基摩擦材料所用無(wú)機(jī)纖維包括天然礦物纖維和人造無(wú)機(jī)纖維。天然礦物纖維(主要成分為各種氧化物)是從纖維狀結(jié)構(gòu)的礦物巖石中獲得的纖維(如石棉纖維、硅灰石纖維、海泡石纖維等),其價(jià)格低廉、來(lái)源廣泛、耐熱性較好。郝華偉等人[4]分別用海泡石纖維、硅灰石纖維作為增強(qiáng)纖維,探究了兩種纖維單獨(dú)作為增強(qiáng)纖維制得摩擦材料的性能,研究發(fā)現(xiàn),海泡石、硅灰石韌性比石棉差,使用中材料有時(shí)會(huì)出現(xiàn)熱龜裂(摩擦面上,因摩擦引起的加熱冷卻反復(fù)循環(huán)所致的不規(guī)則的龜殼狀裂紋,降低了摩擦材料的使用壽命)。

常用人造無(wú)機(jī)纖維有陶瓷纖維、鈦酸鉀晶須、玻璃纖維等。陶瓷纖維是一種纖維狀輕質(zhì)耐火材料,具有質(zhì)量輕、耐高溫、熱穩(wěn)定性好、導(dǎo)熱率低、比熱小及耐機(jī)械震動(dòng)等優(yōu)點(diǎn),普通陶瓷纖維又稱硅酸鋁纖維,因其主要成分之一是氧化鋁。Unno[5]采用含量1%～3%、長(zhǎng)度大于400 μm、包含4%～10%含量氧化鋁成分長(zhǎng)度50～200 μm的生物可溶性陶瓷纖維作為增強(qiáng)纖維,可溶性陶瓷纖維是以SiO2、MgO、CaO為主要成分的堿土硅酸鹽纖維,有良好的除銹性能,可以對(duì)對(duì)偶件起到一定的除銹作用,而且具有生物可溶性,有利于改善人類的生活環(huán)境,也能夠使人們免受非降解纖維的危害,由于MgO、CaO等成分的引入,耐熱性與陶瓷纖維相比較差,在其中加入氧化鋁成分可以提高耐熱性。兩種以上平均長(zhǎng)度差值大于50 μm的生物可溶性陶瓷纖維結(jié)合使用,可以提高分散性和剪切強(qiáng)度。Zhang等人[6]制作了0～20%不同玻璃纖維含量的紙基摩擦材料,玻璃纖維具有高強(qiáng)度、高模量、高抗熱性等優(yōu)良性能,玻璃纖維含量小于10%時(shí),剪切強(qiáng)度隨玻璃纖維含量增加而增加,其含量大于10%時(shí),剪切強(qiáng)度隨玻璃纖維含量增加而減??；在轉(zhuǎn)速1000～3000 r/min和比壓0.5～1.5 MPa的條件下,玻璃纖維含量為10%時(shí),磨損率低至1.3×10-8cm3/J左右；動(dòng)摩擦因數(shù)最穩(wěn)定,為1.2～1.4。

除了在一定溫度下會(huì)分解粉化的具有結(jié)晶水結(jié)構(gòu)的無(wú)機(jī)纖維外,一般的無(wú)機(jī)纖維能夠在高溫下保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定,但無(wú)機(jī)纖維對(duì)對(duì)偶和自身的磨損較高,且韌性較差,與樹(shù)脂結(jié)合性差,界面強(qiáng)度低,使用中材料有時(shí)會(huì)出現(xiàn)熱龜裂,影響摩擦材料的使用壽命。

1.3 碳纖維

碳纖維成分的95%是碳,是由有機(jī)纖維經(jīng)碳化及石墨化處理而得到的具有亂層石墨結(jié)構(gòu)的微晶材料。碳纖維具有密度小(不到鋼的1/4)、摩擦因數(shù)穩(wěn)定、耐高溫(沒(méi)有氧氣的情況下可以耐3000℃的高溫)、穩(wěn)定性好、自潤(rùn)滑性能優(yōu)良、機(jī)械強(qiáng)度高、耐磨性能好的特點(diǎn),是紙基摩擦材料的理想增強(qiáng)纖維。

馬小龍等人[7]使用濃硝酸和HK-550硅烷偶聯(lián)劑(氨丙基三乙氧基硅烷)對(duì)碳纖維進(jìn)行表面改性,有效地提高了復(fù)合材料的界面結(jié)合強(qiáng)度,所制備的復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度大、摩擦因數(shù)較大、磨損率較小。Fei J.等人[8]采用了長(zhǎng)度100、400、600和800 μm的碳纖維,添加長(zhǎng)度100 μm纖維的試樣磨損率最低,僅為1.40×10-5mm3/J；在比壓為0.5 MPa和轉(zhuǎn)速為2000 r/min的條件下,碳纖維長(zhǎng)度從100 μm增加到600 μm,摩擦因數(shù)從0.121增加到0.134,碳纖維長(zhǎng)度為800 μm時(shí),摩擦因數(shù)為0.127；隨著碳纖維長(zhǎng)度增加,磨損率和對(duì)偶盤(pán)的磨損率也變大,碳纖維長(zhǎng)度100 μm時(shí),磨損率低至1.40×10-5mm3/J,對(duì)偶盤(pán)的磨損率低至1.02×10-5mm3/J。Fei J.等人[9]采用了40%、45%、50%和55% 4種含量的微米級(jí)碳纖維(直徑20 μm、長(zhǎng)度100 μm),4種摩擦材料的孔隙率分別為41.9%、39.0%、34.5%和31.2%,隨著碳纖維含量的增加,抗拉強(qiáng)度從21.63 MPa減少到16.33 MPa,磨損率從0.89×10-5mm3/J升高到2.87×10-5mm3/J,對(duì)偶盤(pán)的磨損率從7.25×10-5mm3/J降到0.62×10-5mm3/J,在有潤(rùn)滑油潤(rùn)滑的條件下,55%碳纖維含量的紙基摩擦材料有最好的摩擦性能穩(wěn)定性和抗振動(dòng)性能。

碳纖維是一種較為理想的增強(qiáng)纖維,但碳纖維與樹(shù)脂結(jié)合強(qiáng)度低,通常需要對(duì)碳纖維進(jìn)行表面處理,而且作為單一的增強(qiáng)纖維使用時(shí)成本太高,現(xiàn)在主要還是應(yīng)用在飛機(jī)、高速列車等對(duì)摩擦磨損性能有高要求的載具上。

1.4 有機(jī)合成纖維

芳綸纖維全稱為聚對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺,能夠提高填料的留著率,有較好的熱穩(wěn)定性(能耐400℃以上的溫度),拉伸強(qiáng)度僅次于玻璃纖維、石墨纖維和PBI纖維。芳綸漿粕是芳綸纖維差別化產(chǎn)品,芳綸漿粕表面的氨基含量是芳綸纖維的10倍,與酰胺類樹(shù)脂有更好的親和性,可與樹(shù)脂形成氫鍵從而增強(qiáng)界面結(jié)合強(qiáng)度,而且比碳纖維及玻璃纖維的分散混合性能更好。Kim S. J.等人[10]用長(zhǎng)度2 mm的芳綸漿粕作為增強(qiáng)纖維,研究了芳綸漿粕含量對(duì)摩擦材料摩擦性能和物理性能的影響。無(wú)論哪種樹(shù)脂類型,相同量芳綸漿粕的摩擦材料表現(xiàn)出相似的物理性質(zhì)。與不含芳綸漿粕的摩擦材料相比,含芳綸漿粕的摩擦材料穩(wěn)定性更好,但當(dāng)芳綸漿粕含量從10%增加20%時(shí),摩擦因數(shù)略有增加,摩擦穩(wěn)定性變化不大。

酚醛纖維是一種具有高度交聯(lián)結(jié)構(gòu)的有機(jī)纖維,由醛和酚合成酚醛樹(shù)脂然后紡絲、固化制得的,可耐瞬時(shí)2500℃的高溫,長(zhǎng)期使用溫度150～180℃,具有良好的耐磨性、自潤(rùn)滑性,與酚醛樹(shù)脂有優(yōu)良的浸潤(rùn)性,酚醛纖維與酚醛樹(shù)脂形成化學(xué)交聯(lián),再加上物理吸附和機(jī)械力的交互作用,因此結(jié)合性強(qiáng)。張海娥等人[11]添加不同含量的酚醛樹(shù)脂纖維替代部分碳纖維。隨著酚醛纖維含量的增加,材料層間剪切強(qiáng)度逐漸提高,而壓縮率變化較小,回彈率先增大后減小,材料耐熱性降低,磨損率逐漸降低,同時(shí)摩擦因數(shù)保持穩(wěn)定。

有機(jī)纖維在常溫下強(qiáng)度良好,但是耐熱性不如無(wú)機(jī)纖維和碳纖維,有的有機(jī)纖維受熱會(huì)發(fā)黏和軟化,影響摩擦材料的性能和使用壽命。

1.5 混合纖維

使用單一纖維難免有性能和成本的缺陷和不足,而使用混合纖維可以發(fā)揮各種纖維的優(yōu)勢(shì),獲得較好的綜合性能來(lái)彌補(bǔ)單一纖維的缺陷和不足。胡健等人[12]采用劍麻纖維和芳綸纖維為增強(qiáng)纖維。陸趙情等人[13]采用碳纖維、芳綸短切纖維、芳綸漿粕、竹纖維和海泡石絨為增強(qiáng)纖維。

近年來(lái)許多研究者采用了雙層工藝混合纖維,用界面結(jié)合力強(qiáng)和彈性好的纖維作為支撐層的增強(qiáng)纖維,摩擦磨損性能好的作為摩擦層的纖維。Lam R.C.等人[14]使用非線性彈性纖維和棉纖維作為支撐層的增強(qiáng)纖維,使用芳綸纖維、酚醛纖維和碳纖維作為摩擦層的增強(qiáng)纖維,所制得的摩擦材料具有很高的摩擦因數(shù),較強(qiáng)的抗振動(dòng)性和極高的耐熱性,同時(shí)還具有更高的強(qiáng)度、耐磨性和抗噪聲能力。林榮會(huì)等人[15]采用棉短絨漿作為支撐層的增強(qiáng)纖維,將碳纖維和丙烯腈漿粕作為摩擦層的增強(qiáng)纖維。Kim Y.C.等人[16]用棉短絨和芳綸纖維作為支撐層,用棉短絨、芳綸纖維和碳纖維作為摩擦層,兩層都添加了棉短絨增加了兩層間的氫鍵結(jié)合,但摩擦層的棉短絨含量不能超過(guò)10%,否則會(huì)降低耐熱性能。

增強(qiáng)纖維采用混合纖維,可以彌補(bǔ)單一纖維的缺陷,發(fā)揮復(fù)合材料性能的優(yōu)勢(shì)；雙層工藝可以充分發(fā)揮不同纖維的性能,有效降低磨損率,提高彈性、吸油性、抗振動(dòng)性能、耐熱性能和摩擦因數(shù)穩(wěn)定性。

2 摩擦性能調(diào)節(jié)劑的研究現(xiàn)狀

摩擦性能調(diào)節(jié)劑按其作用可分為減摩劑和增摩劑。減摩劑一般莫氏硬度低于2,增摩劑一般為高硬度物質(zhì),莫氏硬度通常為3～9。

2.1 減摩劑

常用的減摩劑主要為具有層狀結(jié)構(gòu)的柔軟固體,如石墨、活性炭、滑石粉、云母、金屬硫化物等,減摩劑主要作用是通過(guò)黏著摩擦機(jī)理穩(wěn)定摩擦因數(shù)、減少噪聲、熱衰減和磨損。

石墨是層狀的碳單質(zhì),耐熱性、導(dǎo)熱性、潤(rùn)滑性、化學(xué)穩(wěn)定性和抗熱振性較好,是優(yōu)良的固體潤(rùn)滑劑, 其摩擦因數(shù)為0.001,不同粒度的石墨制得的摩擦材料摩擦因數(shù)不同,耐熱性能也不同,21 μm粒度的石墨有最好的耐熱性能和物理性能。Kolluri D.R.等人[17]選用了21、41、71、137 μm 4種粒度不同但結(jié)晶度和熱傳導(dǎo)系數(shù)相同的天然石墨作為減摩劑,對(duì)石墨粒度和材料熱性能的影響進(jìn)行了研究。Toshiya T.等人[18]用0.5%～2.0%的硫化鋅和2.0%～5.0%的石墨作為減摩劑,與二硫化鎢425℃和二硫化鉬300～400℃的氧化溫度相比,硫化鋅在600℃以上才會(huì)分解成鋅和硫,可以防止金屬捕捉發(fā)生的同時(shí)保持足夠的耐磨性,添加0.5%～2.0%的硫化鋅可以在不降低摩擦因數(shù)的條件下,獲得較好的耐磨性能和足夠的制動(dòng)力。

Lee J. M.[19]以活性炭為摩擦性能調(diào)節(jié)劑,活性炭的多孔結(jié)構(gòu)使得它比石墨有更大的表面積,能加強(qiáng)與樹(shù)脂的界面結(jié)合,提高摩擦材料的耐磨性能,而且能使冷卻油在單個(gè)顆?？紫独锪鲃?dòng),使得產(chǎn)品在高溫時(shí)能夠更好地抵抗熱降解。

金屬硫化物會(huì)在摩擦材料使用過(guò)程中發(fā)生氧化反應(yīng),放出二氧化硫氣體造成環(huán)境污染,此類減摩劑的應(yīng)用應(yīng)逐漸減少。

2.2 增摩劑

在碳纖維增強(qiáng)紙基摩擦材料中,摩擦因數(shù)低將降低制動(dòng)效率,因此必須使用一定量的增摩劑以提高摩擦因數(shù)。常用的增摩劑是一些硬質(zhì)固體顆粒(如氧化鋯、氧化鋁、碳化硅、二氧化硅、氮化硼、蛭石等),增摩劑提高了摩擦因數(shù),但同時(shí)增加了對(duì)偶件的磨損。

氧化鋯具有耐高溫、強(qiáng)度高、硬度高(僅次于金剛石)、耐磨性好等特點(diǎn),但影響摩擦因數(shù)穩(wěn)定性。Suzuki T.等人[20]采用氧化鋯作為增摩劑,研究表明,摩擦因數(shù)穩(wěn)定性跟氧化鋯晶格常數(shù)有關(guān)；制得的摩擦材料即使在高負(fù)載下也能抑制摩擦因數(shù)的變化,摩擦因數(shù)也更穩(wěn)定。

Bijwe J.等人[21]分別采用2%納米級(jí)、微米級(jí)的氧化鋁、碳化硅和二氧化硅作為增摩劑,納米級(jí)增摩劑的耐磨性能為未添加的2倍,納米二氧化硅的摩擦材料有最高的耐磨性,其次是納米碳化硅和納米氧化鋁的；而最佳綜合摩擦性能的是添加納米碳化硅的,其次是添加納米氧化鋁和納米二氧化硅的。張翔等人[22]在摩擦材料中添加了蛭石,因?yàn)轵问且环N輕質(zhì)、耐高溫、片狀多孔結(jié)構(gòu)的材料,可以提高摩擦材料的摩擦性能、耐高溫性能和減震性能,隨著蛭石含量的增加,動(dòng)摩擦因數(shù)先減小而后有所增大,而靜摩擦因數(shù)先增大再減小,磨損率增加；動(dòng)摩擦因數(shù)隨著制動(dòng)壓力和轉(zhuǎn)速的增加而減小；循環(huán)制動(dòng)過(guò)程中,蛭石含量為6%時(shí)試樣具有較好的制動(dòng)穩(wěn)定性,靜摩擦因數(shù)為0.205,動(dòng)摩擦因數(shù)為0.85～0.115,磨損率為2.0×10-5mm3/J。

2.3 不同類型摩擦性能調(diào)節(jié)劑的混合

許多研究者經(jīng)常同時(shí)加入多種摩擦性能調(diào)節(jié)劑以獲得較好的綜合性能。Matsumoto T.等人[23]采用了腰果油粉、樹(shù)脂顆粒、橡膠顆粒作為混合調(diào)節(jié)劑。腰果油粉是從腰果殼油制備,可提高有機(jī)纖維和顆粒之間的界面黏合,同時(shí)減少了磨損。Ono T.等人[24]用1%～15%的γ-氧化鋁和0.3%～6%聚四氟乙烯粉作為摩擦性能調(diào)節(jié)劑制作摩擦材料,γ-氧化鋁有較大的比表面積且有耐高溫、活性高、吸附能力強(qiáng)、極好分散、耐磨性能好等優(yōu)點(diǎn),屬于活性氧化鋁,可以作為摩擦材料增摩劑使用；聚四氟乙烯粉屬于氟系聚合物,比表面積大于10 m2/g,摩擦因數(shù)0.06～0.07,潤(rùn)滑性好,制得的摩擦材料有效控制了在高負(fù)荷、高速、高溫條件下制動(dòng)效能的降低,使摩擦因數(shù)更加穩(wěn)定。薛從強(qiáng)等人[25]采用不同含量的煤矸石粉,并添加銅粉和石墨,高溫階段煤矸石粉可以改善熱衰退性,穩(wěn)定摩擦因數(shù),有良好的耐熱性和熱穩(wěn)定性,隨著煤矸石粉含量的增加,洛氏硬度、摩擦因數(shù)增大,而沖擊強(qiáng)度略有下降；煤矸石粉可以促進(jìn)摩擦層的形成,含量為 20% 的試樣具有最優(yōu)的摩擦和耐熱性能。Dadkar N.等人[26]采用了二氧化硅、氧化鋁、氧化鐵、氧化鈣和粉煤灰作為摩擦性能調(diào)節(jié)劑,利用粉煤灰不僅可以控制粉煤灰產(chǎn)生的污染也能減少成本,避免造成資源浪費(fèi),而且有較好的耐熱性能,可與樹(shù)脂建立良好的黏結(jié)界面,研究發(fā)現(xiàn)采用65%含量以上粉煤灰的試樣摩擦因數(shù)是0.34～0.35,少于60%的試樣摩擦因數(shù)為0.45～0.465,60%粉煤灰的試樣有更好的耐磨性、機(jī)械性能和摩擦因數(shù)穩(wěn)定性。Chung K.等人[27]采用了廢輪胎和六鈦酸鉀晶須作為摩擦性能調(diào)節(jié)劑,利用廢輪胎可以減少污染,節(jié)省資源,提高摩擦材料的耐磨性；六鈦酸鉀晶須能在摩擦過(guò)程中轉(zhuǎn)移熱量,防止摩擦材料升溫過(guò)快,提高摩擦因數(shù)的穩(wěn)定性,減少磨損,延長(zhǎng)了摩擦材料的使用壽命,制得試樣的摩擦因數(shù)為0.72,磨損率為1.03×10-7cm3/J。Zhang J. Z.等人[28]采用了重晶石、銻硫化物、氮化硼、鋁粉和碳化鉭作為摩擦材料調(diào)節(jié)劑,重晶石主要成分是硫酸鋇,能提高磨損率；銻硫化物具有較低的熔點(diǎn),在高溫分解后會(huì)產(chǎn)生銻的氧化物,在還原劑的存在下可以還原成金屬銻,防止材料在高溫下氧化燃燒,保持摩擦材料的摩擦穩(wěn)定性,降低摩擦高溫下的分解率,延長(zhǎng)材料的使用壽命,并能作為高溫條件下的無(wú)機(jī)膠黏劑和減摩劑；氮化硼具有低的熱膨脹系數(shù)和高的化學(xué)穩(wěn)定性；片狀鋁粉軟而輕,有穩(wěn)定的摩擦因數(shù),能降低摩擦材料的磨損,在摩擦過(guò)程中,鋁粉末的熔化過(guò)程中吸收了大量的熱量,起著熱分散的作用,可以延長(zhǎng)制動(dòng)系統(tǒng)的使用壽命；碳化鉭可以減少制動(dòng)片的擴(kuò)散磨損,制得的摩擦材料具有良好的耐高溫性能、使用壽命長(zhǎng)、耐磨性好、摩擦因數(shù)穩(wěn)定等特性。Kumar M.等人[29]分別選用納米級(jí)的銅粉(50～200 nm)和微米級(jí)的銅粉(400～600 μm)作為磨擦材料調(diào)節(jié)劑,銅粉在制動(dòng)時(shí)有提高導(dǎo)熱率、提供主要的接觸點(diǎn)和改善滑動(dòng)性能的優(yōu)點(diǎn),而且在金屬填料中,銅粉有最高的熱導(dǎo)率。研究表明,制得的摩擦材料在減速和減壓時(shí),摩擦因數(shù)為0.3～0.4,密度、硬度、熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散系數(shù)等性能均隨著納米銅粉的增加而增加,納米銅粉末的最優(yōu)添加量為2%。Singh T.等人[30]采用石墨、硫酸鋇、重晶石、納米黏土和多壁碳納米管作為磨擦材料調(diào)節(jié)劑,其中納米黏土能與石墨和芳綸纖維結(jié)合,在摩擦表面形成一個(gè)良好的轉(zhuǎn)移膜,能夠最大限度地減少磨損,但降低了摩擦因數(shù)；多壁碳納米管具有輕度磨粒的性質(zhì),提高了摩擦因數(shù),但加大了磨損,納米黏土的試樣能夠提供最好的耐磨性能,碳納米管的試樣能提供較高的摩擦因數(shù)和穩(wěn)定性,綜合考慮納米黏土的試樣具有最好的摩擦性能。

多種摩擦性能調(diào)節(jié)劑的混合能夠產(chǎn)生新的性能和優(yōu)勢(shì)；納米材料具有更高的比表面積,可以促進(jìn)應(yīng)力的轉(zhuǎn)移；復(fù)合物中需要納米級(jí)摩擦性能調(diào)節(jié)劑的量遠(yuǎn)低于相應(yīng)傳統(tǒng)微米級(jí)的；納米摩擦性能調(diào)節(jié)劑具有質(zhì)輕、良好延展性和可加工性的優(yōu)點(diǎn),并且能夠改善硬質(zhì)微米摩擦性能調(diào)節(jié)劑的耐磨性能。

3 總結(jié)與展望

現(xiàn)階段,載具正向著高速、高載荷發(fā)展,紙基摩擦材料仍存在成本和環(huán)境問(wèn)題。研究者們對(duì)紙基摩擦材料坯體的組分進(jìn)行了大量相關(guān)研究,對(duì)增強(qiáng)纖維的研究主要集中在混合纖維的組成配比、高性能纖維和環(huán)保纖維的應(yīng)用上；對(duì)摩擦性能調(diào)節(jié)劑的研究主要集中在多種摩擦性能調(diào)節(jié)劑的混合配比上,采用納米、高性能和環(huán)保材料上。紙基摩擦材料要在高速、高載荷載具上廣泛應(yīng)用,需要進(jìn)一步提高摩擦材料的耐熱性能和摩擦磨損性能,綜合考慮對(duì)環(huán)境的影響,淘汰污染材料,采用環(huán)境友好、摩擦性能穩(wěn)定、磨損率低的材料和優(yōu)化各組分的結(jié)合方式將成為紙基摩擦材料坯體組分的主要研究方向。

[1] Feng J W, Yu C B, Qin G L, et al. Preparation and performance of natural plant resource compound modified phenolic resin matrix friction material[J]. Polymeric Materials Science and Engineering, 2015(11): 167. 馮競(jìng)偉, 余傳柏, 覃桂龍, 等. 天然植物資源復(fù)合改性酚醛樹(shù)脂基摩擦材料的制備與性能[J]. 高分子材料科學(xué)與工程, 2015(11)： 167.

[2] Namessan N O, Maduako J N, Aliyu B. Comparative study of the effects of treatment techniques on the mechanical properties of Kenaf (Hibiscus canabinus) fibre reinforced brake pads[J]. Taraba Journal of Agricultural Research, 2013, 1(1): 29.

[3] Bajpai P K, Singh I, Madaan J. Tribological behavior of natural fiber reinforced PLA composites[J]. Wear, 2013, 297(1-2): 829.

[4] Hao H W. Mineralogical characteristics of sepiolite and wollastonite fiber and its application in non asbestos brake shoe[J]. Non-Metallic Mines, 2003, 26(5): 56. 郝華偉. 海泡石及硅灰石纖維的礦物學(xué)特性及其在無(wú)石棉剎車片中的應(yīng)用[J]. 非金屬礦, 2003, 26(5): 56.

[5] Unno M. Composition for friction material and friction material using same: US, 7914871B2[P]. 2011.

[6] Zhang X, Li K Z, Li H J, et al. Tribological and mechanical properties of glass fiber reinforced paper-based composite friction material[J]. Tribology International, 2014, 69(1): 156.

[7] Ma X L, Ao Y H, Xiao L H, et al. Effect of Surface Modification of Carbon Fiber on Friction Properties of Carbon Fiber/Phenolic Resin Matrix Composite[J]. Chinese Journal of Materials Research, 2015, 29(2): 101. 馬小龍, 敖玉輝, 肖凌寒, 等. 表面改性對(duì)碳纖維/酚醛樹(shù)脂基復(fù)合材料摩擦性能的影響[J]. 材料研究學(xué)報(bào), 2015, 29(2): 101.

[8] Fei J, Wang H K, Huang J F, et al. Effects of carbon fiber length on the tribological properties of paper-based friction materials[J]. Tribology International, 2014, 72(4): 179.

[9] Fei J, Luo W, Huang J F, et al. Effect of carbon fiber content on the friction and wear performance of paper-based friction materials[J]. Tribology International, 2015, 87: 91.

[10] Kim S J, Jang H. Friction and wear of friction materials containing two different phenolic resins reinforced with aramid pulp[J]. Tribology International, 2000, 33(7): 477.

[11] Zhang H E, Fu W Y, Li H J, et al. Performance of Phenolic Fiber Reinforced Paper-based Friction Material[J]. Tribology, 2014, 34(3): 311. 張海娥, 付業(yè)偉, 李賀軍, 等. 酚醛纖維增強(qiáng)紙基摩擦材料的性能研究[J]. 摩擦學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 34(3): 311.

[12] HU Jian, ZHANG Zeng. Manufacture of Paper-Based Friction Material[J]. China Pulp & Paper, 2004, 23(2): 24. 胡 健, 張 曾. 混合纖維紙基復(fù)合摩擦材料的研究[J]. 中國(guó)造紙, 2004, 23(2): 24.

[13] LU Zhao-qing, CHEN Jie, ZHANG Da-kun. Influence of PEO and CPAM on the Formation of the Base Paper for Paper Based Friction Material[J]. China Pulp & Paper, 2013, 32(2): 22. 陸趙情, 陳 杰, 張大坤. PEO和CPAM對(duì)紙基摩擦材料原紙性能的影響[J]. 中國(guó)造紙, 2013, 32(2): 22.

[14] Lam R C, Chen Y F, Maruo K. Porous friction material comprising nanoparticles of friction modifying material: US, 7749562B1[P]. 2010.

[15] Lin R H, Fang L, Li X P, et al. Double layer paper base friction material and friction plate making method: CN, 632034[P]. 2005. 林榮會(huì), 方 亮, 李新平, 等. 雙層紙基摩擦材料及摩擦片制作方法: CN, 632034[P]. 2005.

[16] Kim Y C, Cho E P, Oh Y T, et al. Paper-based Wet Friction Material of Automotive Auto Transmission: US, 0160146Al[P]. 2016.

[17] Kolluri D K, Boidin X, Desplanques Y, et al. Effect of Natural Graphite Particle size in friction materials on thermal localisation phenomenon during stop-braking[J]. Wear, 2010, 268(11-12): 1472.

[18] Toshiya T, Yasuki H , Mitsuaki Y. Friction Material: EP, 2894208A1[P]. 2015.

[19] Lee J M. Friction paper containing activated carbon: US, 5989390[P]. 1999.

[20] Suzuki Y, Itami E, Hatori K, et al. Friction material and manufacturing method thereof: US, 70148428A1[P]. 2007.

[21] Bijwe J, Aranganathan N, Sharma S, et al. Nano-abrasives in friction materials-influence on tribological properties[J]. Wear, 2012, 296(S 1-2): 693.

[22] Zhang X, Li K Z, Li H J, et al. Friction and Wear Properties of Vermiculite Modified Paper-based Composite Friction Material[J]. Materials Review, 2013, 27(16): 113. 張 翔, 李克智, 李賀軍, 等. 蛭石改性紙基摩擦材料的摩擦磨損性能研究[J]. 材料導(dǎo)報(bào), 2013, 27(16): 113.

[23] Matsumoto T, Umezawa S. Method of producing wet friction material and wet frictional material: US, 060536[P]. 2000.

[24] Ono M, Nagayoshi T, Inoue M, et al. Friction material composition and friction material therefrom: US, 18818B2[P]. 2013.

[25] Xue C Q, Gao C H, He S F, et al. Influence of Resin—based Composites Filled with Coal Gangue Fines on Tribological Performance[J]. Jiangsu Machine Building & Automation, 2015(5): 18. 薛從強(qiáng), 高誠(chéng)輝, 何福善, 等. 煤矸石粉摻量對(duì)樹(shù)脂基復(fù)合材料摩擦學(xué)性能的影響[J]. 機(jī)械制造與自動(dòng)化, 2015(5): 18.

[26] Dadkar N，Tomar B S，Satapathy B K，et al．Performance assessment of hybrid composite friction materials based on flyash-rock fibre combination[J]．Materials & Design，2010，31(2):723．

[27] Chung K，Hong Y．Friction and wear properties of scrap tire /potassium hexatitanate whisker composites[J]．Journal of Industrial&Engineering Chemistry，2013，19(4):1234．

[28] Zhang J Z．Copper-free friction material composition for brake pads:US，962711B2[P]．2015．

[29] Kumar M，Bijwe J，Sharma S．Comparison Between Nano-and Micro-Sized Copper Particles as Fillers in NAO Friction Materials[J]．Nanomaterials & Nanotechnology，2013，3(1):92．

[30] Singh T，Patnaik A，Gangil B，et al．Optimization of tribo-performance of brake friction materials: Effect of nano filler[J]．Wear，2015，324-325: 10．

(責(zé)任編輯：馬 忻)

Research Status of Main Components of Paper-based Friction Material Green Body

LI Kun-peng*ZHAO Chuan-shan WU Chao-jun JIANG Yi-fei HAN Wen-jia

(KeyLabofPulpandPaperScienceandTechnologyofMinistryofEducation,QiluUniversityofTechnology,Ji′nan,ShandongProvince, 250353)(*E-mail: lkp19891101@163.com)

Paper-based friction material has excellent performances such as properties of porosity, oil absorption, easy compression and resilience, etc. The composition of its green body plays an important role in its performance. The paper aims to introduce advances of research on two major components of green body—reinforced fiber (natural plant fiber, inorganic fiber, carbon fiber, organic synthetic fiber, hybrid fibers) and friction modifier (friction reducing agent, friction increasing agent, mix of various friction regulating agents), the integrated performances of each components were summarized from reviewing existed researches, and then they were compared respectively. A main developing direction of green bodies’ components was that the environmental friendly, material with high temperature resistant, stable friction coefficient, and low wear rate should be used as much as possible and the components combination should be optimized.

paper-based friction material； reinforced fiber； friction modifier

2016- 07-19(修改稿)

李坤鵬先生,在讀碩士研究生; 主要研究方向:特種紙、紙基摩擦材料。

TS72

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2017.02.011