鄭開(kāi)魁　高誠(chéng)輝　何福善　林有希　江良煊

1.福州大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，福州，3501162.福州大學(xué)機(jī)電工程實(shí)踐中心，福州，350116

0　引言

隨著汽車(chē)的安全、舒適和環(huán)保性能對(duì)制動(dòng)材料的摩擦學(xué)性能要求日益提高，世界各國(guó)開(kāi)展了無(wú)石棉[1-2]、少或無(wú)金屬[3-5]高綜合性能制動(dòng)材料的研發(fā)。無(wú)石棉制動(dòng)材料按其材質(zhì)可分為樹(shù)脂基、粉末冶金、碳/碳復(fù)合和陶瓷基摩擦材料。樹(shù)脂基摩擦材料成本低、性能優(yōu)良，是目前應(yīng)用最為廣泛的汽車(chē)制動(dòng)材料。酚醛樹(shù)脂存在耐熱性有限、沖擊強(qiáng)度低等不足，常被認(rèn)為是導(dǎo)致材料熱衰退及制約其成為高性能制動(dòng)材料的主要原因。盡管研究表明對(duì)酚醛樹(shù)脂進(jìn)行改性可提高材料的高溫摩擦學(xué)性能[6-13]，但仍難以承受摩擦過(guò)程中350～1000 ℃的摩擦溫升。因此，如何進(jìn)一步提高酚醛樹(shù)脂的高溫摩擦學(xué)性能是獲得高性能制動(dòng)材料的關(guān)鍵。粉末冶金摩擦材料解決了樹(shù)脂基摩擦材料熱衰退等問(wèn)題[14-16]，但其成本高、對(duì)對(duì)偶材料磨損大等缺點(diǎn)又制約其不能在汽車(chē)上獲得廣泛應(yīng)用，目前主要應(yīng)用于鐵路[17]、飛機(jī)[18]及重型卡車(chē)[19]。碳/碳復(fù)合摩擦材料具有密度低、耐高溫等優(yōu)點(diǎn)[20-23]，但其成本高、對(duì)使用環(huán)境要求高等不足限制了其應(yīng)用推廣，主要用于飛機(jī)剎車(chē)片[24-27]。陶瓷基摩擦材料結(jié)合了粉末冶金的耐高溫與碳/碳復(fù)合材料的低密度等優(yōu)異性能[28]，但其制品成本較高，主要應(yīng)用于高速列車(chē)、跑車(chē)、坦克[29-30]。綜上所述，開(kāi)發(fā)一種性能與陶瓷基相當(dāng)?shù)臉?shù)脂基摩擦材料，既可降低成本，又能大幅提高摩擦材料的綜合性能，使其獲得廣泛應(yīng)用。稀土具有獨(dú)特的電子組態(tài)和突出的化學(xué)活性，可大幅度提高鋼、鐵、合金等質(zhì)量與性能[31-33]，應(yīng)用于復(fù)合材料中可起到增強(qiáng)、提高耐熱性等作用[34-35]。本研究用稀土氧化鑭(La2O3)來(lái)改性樹(shù)脂基制動(dòng)摩擦材料，探討La2O3及其含量對(duì)材料摩擦磨損性能、抗熱衰退性能與恢復(fù)性能的影響，以期提高其高溫摩擦學(xué)性能，為獲得高性能樹(shù)脂基制動(dòng)材料提供實(shí)驗(yàn)及理論依據(jù)。

1　試驗(yàn)部分

本試驗(yàn)所用稀土La2O3由佛山藍(lán)素新材料有限公司生產(chǎn)，其特性如表1所示；增強(qiáng)纖維為河南省周口市奇峰礦物纖維有限公司提供的陶瓷纖維(含45%～55%的SiO2，40%～50%的Al2O)，其特性如表2所示；黏結(jié)劑為日本住友公司生產(chǎn)的腰果殼油改性酚醛樹(shù)脂，其技術(shù)指標(biāo)參見(jiàn)表3；填料包括市售的硫酸鋇粉、氧化鋁粉、銅粉、石墨粉、輪胎粉。

表1　La2O3特性Tab.1　Properties of La2O3

表2　陶瓷纖維特性Tab.2　Properties of ceramic fiber

表3　樹(shù)脂技術(shù)指標(biāo)Tab.3　Technical index of resin

采用干法熱壓成形工藝制備汽車(chē)制動(dòng)摩擦材料，分別制備La2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0、5%、9%、13%、17%、20%、23%、26%的試樣，試樣各組分配比如表4所示。

試樣制備的工藝路線如下：原材料干燥處理→配料→混料→熱壓成形→熱處理→試樣加工。其中，干燥與熱處理設(shè)備為JF980S型熱處理箱，混料設(shè)備為JF810S型混料機(jī)，熱壓成形設(shè)備為Y32-63四柱液壓機(jī)。

表4　試樣組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Tab.4　Mass fraction of experimental materials　%

采用XJJ-5簡(jiǎn)支梁式擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)測(cè)試復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度，其沖擊能量為0.9807 J，沖擊速度為2.9 m/s。試樣長(zhǎng)度為55 mm±0.5 mm，寬度為6 mm±0.2 mm，厚度為4 mm±0.2 mm，試驗(yàn)時(shí)，調(diào)節(jié)支點(diǎn)間距離為40 mm±0.2 mm。采用XHRD-150型電動(dòng)塑料洛氏硬度計(jì)對(duì)復(fù)合材料硬度進(jìn)行測(cè)試，壓頭直徑為6.35 mm，初始的施加力為98 N，總的施加力為980 N。

1.氣缸　2.測(cè)力桿　3.門(mén)架　4.試樣　5.摩擦盤(pán)　6.熱電偶圖1　調(diào)壓變速摩擦試驗(yàn)機(jī)簡(jiǎn)圖Fig.1　Sketch of the variable pressure and speed frictional tester

采用咸陽(yáng)新益摩擦密封設(shè)備有限公司生產(chǎn)的X-DM型調(diào)壓變速摩擦試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行摩擦磨損性能測(cè)試，實(shí)驗(yàn)執(zhí)行GB5763-2008《汽車(chē)用制動(dòng)器襯片》中第四類盤(pán)式制動(dòng)襯片檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。摩擦盤(pán)(表面經(jīng)粒度P240砂紙(JB/T7498)處理)的材質(zhì)為GB/T9493標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的灰鑄鐵HT250，布氏硬度為180～220 HB，摩擦盤(pán)金相組織為珠光體。如圖1所示，正壓力由預(yù)調(diào)壓力的氣壓通過(guò)氣缸1對(duì)被測(cè)試樣2進(jìn)行軸向加壓，摩擦力矩通過(guò)安裝在門(mén)架3上與測(cè)力桿4相連的拉壓力傳感器測(cè)出，摩擦盤(pán)5表面溫度由熱電偶6傳出，然后通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。試驗(yàn)壓力98 MPa、轉(zhuǎn)速480 r/min，將試樣制成25 mm×25 mm×(6～8)mm的片狀試樣。將試樣預(yù)磨后在100 ℃、150 ℃、200 ℃、250 ℃、300 ℃、350 ℃下進(jìn)行測(cè)試，摩擦因數(shù)由電腦自動(dòng)記錄，磨損厚度采用千分尺測(cè)量并輸入電腦，由電腦自動(dòng)計(jì)算得到相應(yīng)的體積磨損率。摩擦因數(shù)及磨損率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為電腦自動(dòng)計(jì)算與記錄，摩擦因數(shù)μ與磨損率V(cm3/(N·m))計(jì)算公式為

μ=Ff/N

(1)

(2)

式中，F(xiàn)f為2 500～5 000 r/min的平均摩擦力；N為正壓力即加在試片上的法向力；R為試片中心與摩擦盤(pán)旋轉(zhuǎn)軸中心的距離，R=0.15 m；n為試驗(yàn)時(shí)摩擦盤(pán)總轉(zhuǎn)數(shù)，n=5 000；A為試片磨損面的總面積；d1為試驗(yàn)前試片的平均厚度;d2為試驗(yàn)后試片的平均厚度；Fm為試驗(yàn)時(shí)的總平均摩擦力。

1.試樣　2.摩擦鼓　3.熱電偶　4.支架圖2　CHASE摩擦試驗(yàn)機(jī)簡(jiǎn)圖Fig.2　Sketch of the CHASE friction tester

采用咸陽(yáng)新益摩擦密封設(shè)備有限公司生產(chǎn)的XYC-A型CHASE摩擦試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行變溫變載摩擦性能測(cè)試，試驗(yàn)過(guò)程執(zhí)行美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)SAEJ661。摩擦盤(pán)的材質(zhì)為GB/T9493標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的灰鑄鐵HT250，布氏硬度為180～220 HB，摩擦盤(pán)金相組織為珠光體，其表面經(jīng)320目砂紙?zhí)幚怼Ｈ鐖D2所示，以一個(gè)恒定壓力Fp將被測(cè)試樣1壓在以某一速度旋轉(zhuǎn)的摩擦鼓2的內(nèi)表面，使試樣1帶動(dòng)支架4，通過(guò)杠桿作用在拉壓傳感器上，測(cè)出摩擦力Ff的大小。通過(guò)2個(gè)傳感器測(cè)得Fp和Ff，由計(jì)算機(jī)計(jì)算出摩擦因數(shù)，即μ=Ff/Fp。摩擦鼓的溫度由安裝在摩擦鼓背部的熱電偶3測(cè)出，通過(guò)集流環(huán)輸出到溫度放大器，并在計(jì)算機(jī)上顯示。試驗(yàn)過(guò)程中，計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前的試驗(yàn)狀態(tài)及測(cè)試數(shù)據(jù)；測(cè)試數(shù)據(jù)記錄及試驗(yàn)結(jié)果被保存于計(jì)算機(jī)。試驗(yàn)過(guò)程主要包括基線試驗(yàn)(鼓轉(zhuǎn)速411 r/min、載荷660 N的條件下，對(duì)試樣加載10 s，然后卸載20 s，重復(fù)進(jìn)行20次，鼓溫應(yīng)在180 ℉(82 ℃)～200 ℉(93 ℃)之間)、第一次衰退試驗(yàn)(鼓轉(zhuǎn)速411 r/min、載荷660 N的條件下，試樣連續(xù)拖磨，試驗(yàn)從200 ℉(93 ℃)開(kāi)始，每隔50 ℉(28 ℃)記錄一次摩擦力，直至鼓溫度達(dá)到550 ℉(288 ℃)或拖磨時(shí)間達(dá)到10 min)、第一次恢復(fù)試驗(yàn)(鼓轉(zhuǎn)速為411 r/min，鼓溫降至500 ℉(260 ℃)、400 ℉(204 ℃)、300 ℉(149 ℃)和200 ℉(93 ℃)時(shí)，分別對(duì)試樣加載10 s，載荷為660 N，記錄各次加載時(shí)的摩擦力)、磨損試驗(yàn)(鼓轉(zhuǎn)速411 r/min、載荷660 N的條件下，對(duì)試樣加載20 s，卸荷10 s，一共進(jìn)行100次，試驗(yàn)時(shí)鼓溫應(yīng)在380 ℉(193 ℃)～400 ℉(204 ℃)之間)、第二次衰退試驗(yàn)、第二次恢復(fù)試驗(yàn)、第二次基線試驗(yàn)和最終磨損試驗(yàn)。

采用美國(guó)FEI公司生產(chǎn)的Phenom臺(tái)式掃描電鏡對(duì)試樣磨損表面形貌進(jìn)行觀察與分析。

2　結(jié)果與討論

2.1　La2O3含量對(duì)制動(dòng)材料沖擊強(qiáng)度及硬度的影響

本試驗(yàn)在其他組分配比不變的情況下，選取La2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0～26%的范圍內(nèi)考察其對(duì)制動(dòng)材料沖擊強(qiáng)度及硬度的影響。采用簡(jiǎn)支梁式擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)測(cè)試復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度，每組試樣測(cè)試4根，將其算術(shù)平均值作為該試樣的沖擊強(qiáng)度；采用電動(dòng)塑料洛氏硬度計(jì)測(cè)試復(fù)合材料硬度，將5組試樣的算術(shù)平均值作為該組材料的硬度值，測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

由圖3a可以看出，未添加La2O3試樣的沖擊強(qiáng)度為7.13 kJ/m2，添加La2O3試樣的沖擊強(qiáng)度均有明顯提升，La2O3含量達(dá)17%以上時(shí)，試樣的沖擊強(qiáng)度均高于9.53 kJ/m2，較未添加La2O3試樣的沖擊強(qiáng)度提高33.7%以上。La2O3含量低于17%時(shí)，試樣沖擊強(qiáng)度隨著La2O3含量的增加而增大；La2O3含量到達(dá)17%(17%～26%)后，試樣的沖擊強(qiáng)度隨La2O3含量變化不明顯。由此可知，La2O3的加入可有效提高復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度，特別是當(dāng)La2O3含量達(dá)到17%及以上，復(fù)合材料的沖擊性能改善更為顯著。

(a)沖擊強(qiáng)度

(b)硬度圖3　La2O3含量對(duì)制動(dòng)材料沖擊強(qiáng)度及硬度的影響Fig.3　Effect of La2O3 contents on impact strength and hardness of brake material

由圖3b可知，與未添加La2O3試樣相比，添加La2O3試樣的硬度均有明顯提高，而且隨著La2O3含量的增加，復(fù)合材料硬度整體呈增大的趨勢(shì)。制動(dòng)材料硬度大小對(duì)其摩擦因數(shù)、磨損率、摩擦噪聲等特性產(chǎn)生影響。在法向載荷作用下，硬度較低的制品其真實(shí)接觸面積較硬度較高的制品大，黏著作用強(qiáng)，可能導(dǎo)致黏著磨損增大。然而，制品硬度過(guò)大易產(chǎn)生摩擦噪聲，還會(huì)刮傷金屬對(duì)偶件。因此，La2O3加入量須適當(dāng)，低于25%為佳。

2.2　La2O3含量對(duì)制動(dòng)材料摩擦學(xué)性能的影響

考慮到La2O3密度大、硬度高的制約，其用量須適當(dāng)，過(guò)少則改性效果不顯著，過(guò)多則使制品密度和硬度大幅增加，易損傷對(duì)偶材料。本試驗(yàn)在其他組分配比不變的情況下，選取La2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0～26%的范圍內(nèi)考察其對(duì)制動(dòng)材料摩擦磨損性能的影響，采用X-DM型調(diào)壓變速摩擦試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行摩擦磨損性能測(cè)試，每種材料進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)，取其算術(shù)平均值，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

(a)摩擦因數(shù)

(b)磨損率圖4　La2O3含量對(duì)制動(dòng)材料摩擦磨損性能的影響Fig.4　Effect of La2O3 contents on friction and wear properties of brake material

由圖4a可以看出，隨著試驗(yàn)盤(pán)溫的升高，摩擦因數(shù)均呈先增大、后減小的趨勢(shì)。試驗(yàn)盤(pán)溫為100～250 ℃時(shí)，La2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%試樣的摩擦因數(shù)與未添加La2O3試樣的摩擦因數(shù)相當(dāng)，其他試樣摩擦因數(shù)均明顯高于未添加La2O3試樣，且摩擦因數(shù)基本都在0.40之上，其中，La2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13%的試樣摩擦因數(shù)最大，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為23%、17%與20% La2O3的試樣次之。試驗(yàn)盤(pán)溫高于250 ℃時(shí)，La2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的試樣摩擦因數(shù)最高，含23%、26% La2O3的試樣次之。試驗(yàn)盤(pán)溫為100～350℃時(shí)，未添加La2O3試樣摩擦因數(shù)波動(dòng)區(qū)間為0.35～0.46，含17%、20% La2O3的試樣摩擦因數(shù)波動(dòng)區(qū)間分別為0.41～0.48和0.38～0.47，表現(xiàn)出較高的摩擦因數(shù)穩(wěn)定性。未添加La2O3試樣摩擦因數(shù)均值為0.41，La2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%、9%、13%、17%、20%、23%、26%試樣摩擦因數(shù)均值分別為0.41、0.42、0.45、0.43、0.44、0.44、0.42，可見(jiàn)La2O3含量較高試樣摩擦因數(shù)整體較高。綜上所述，試樣中加入適當(dāng)含量的La2O3，如17%、20%，可有效提高制動(dòng)材料摩擦因數(shù)與摩擦因數(shù)的穩(wěn)定性。

從圖4b中各試樣磨損率的變化情況可知，隨著試驗(yàn)盤(pán)溫的升高，各試樣磨損率基本上呈不斷增大的趨勢(shì)，其中，含13%、17% La2O3試樣的高溫磨損率較大；含20% La2O3試樣磨損率隨盤(pán)溫的變化最小，其在各個(gè)盤(pán)溫下的磨損率均低于0.70×10-7cm3/(N·m)，試樣在盤(pán)溫為100～250 ℃時(shí)的磨損率大大低于其他試樣，說(shuō)明20% La2O3含量試樣高溫耐磨性能極佳；其他添加La2O3試樣磨損率與未添加La2O3試樣相差不大。從具體的數(shù)值來(lái)分析，未添加La2O3試樣在各個(gè)盤(pán)溫下的總磨損率為3.58×10-7cm3/(N·m)，與含5% La2O3試樣的3.35×10-7cm3/(N·m)相當(dāng)，含13%、15 % La2O3試樣磨損率均較高，其總磨損率均超過(guò)5×10-7cm3/(N·m)，含20%、23%、26% La2O3試樣的總磨損率分別為2.01×10-7cm3/(N·m)、2.07×10-7cm3/(N·m)、2.86×10-7cm3/(N·m)，明顯低于未添加La2O3及其他試樣。綜上所述，制動(dòng)材料中加入適當(dāng)含量的La2O3，如20%、23%，可有效提高復(fù)合材料的耐磨性，尤其是高溫磨損性能。

為更清晰對(duì)比較優(yōu)La2O3含量加入對(duì)制動(dòng)材料摩擦磨損性能的影響，單獨(dú)選取未添加La2O3試樣與添加20% La2O3試樣的摩擦磨損性能測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，如圖5所示。

(a)摩擦因數(shù)

(b)磨損率圖5　較優(yōu)La2O3含量對(duì)制動(dòng)材料摩擦磨損性能的影響Fig.5　Effect of optimum La2O3 content on friction and wear properties of brake material

由圖5可以看出，試樣中加入適當(dāng)La2O3，可有效提高試樣的摩擦磨損性能及摩擦穩(wěn)定性，進(jìn)而提高摩擦材料的制動(dòng)安全性與穩(wěn)定性，延長(zhǎng)制動(dòng)材料的使用壽命。La2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的試樣，在各盤(pán)溫下的摩擦因數(shù)均明顯高于未添加La2O3試樣，且摩擦因數(shù)穩(wěn)定性好。未添加La2O3試樣在盤(pán)溫超過(guò)250 ℃之后，摩擦因數(shù)由0.46(250 ℃)下降至0.40，產(chǎn)生明顯的熱衰退現(xiàn)象，且試樣磨損率隨盤(pán)溫的升高而不斷增大；含20% La2O3試樣在盤(pán)溫超過(guò)250 ℃之后，摩擦因數(shù)仍維持在較高水平，表現(xiàn)出良好的熱穩(wěn)定性，且試樣磨損率隨盤(pán)溫的變化不大，試樣磨損率在盤(pán)溫超過(guò)250 ℃之后仍保持在較低水平，體現(xiàn)出良好的耐磨性能。

2.3　La2O3對(duì)制動(dòng)材料高溫摩擦學(xué)性能的影響

為更全面反應(yīng)La2O3對(duì)制動(dòng)材料的摩擦磨損性能的影響，尤其是對(duì)試樣的高溫摩擦學(xué)性能的影響，采用美國(guó)Link公司生產(chǎn)的CHASE試驗(yàn)機(jī)分別對(duì)0、20% La2O3試樣進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果概要見(jiàn)表5。對(duì)試樣進(jìn)行2次熱衰退與恢復(fù)試驗(yàn)，以更加全面地反映制動(dòng)材料的抗熱衰退性能與正?；謴?fù)性能，及制動(dòng)材料在長(zhǎng)期使用過(guò)程中的摩擦學(xué)性能，試樣熱衰退性能測(cè)試和恢復(fù)性能測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

表5　CHASE試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果概要Tab.5　Summary of test results for CHASE test

注：a.必須大于0.25，b.必須大于0.15。

(a)無(wú)La2O3

(b)含20% La2O3試樣

圖6制動(dòng)材料的熱衰退與恢復(fù)曲線
Fig.6Fade and recovery curve of brake material

由表5可以看出，含20% La2O3試樣的常溫及高溫摩擦因數(shù)均高于未添加La2O3試樣，且高溫摩擦因數(shù)提高得更為明顯，含20% La2O3試樣高溫摩擦因數(shù)為0.437，未添加La2O3試樣高溫摩擦因數(shù)為0.359；含20% La2O3試樣的磨損損失為11.59%，小于未添加La2O3試樣的20.87%，可見(jiàn)加入適量La2O3不僅可提高制動(dòng)材料的摩擦性能尤其是高溫摩擦性能，還可有效降低復(fù)合材料的磨損，試驗(yàn)結(jié)果與定速摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果相符。

從圖6a中的第一次與第二次熱衰退曲線可以看出，未添加La2O3試樣隨著溫度的升高，摩擦因數(shù)呈現(xiàn)先增大、后減小的趨勢(shì)，高溫段摩擦因數(shù)稍小于低溫段摩擦因數(shù)，說(shuō)明試樣發(fā)生一定程度的熱衰退。從試樣的兩次恢復(fù)曲線可知，第一次恢復(fù)試驗(yàn)，試樣摩擦因數(shù)隨溫度的降低而增大；第二次恢復(fù)試驗(yàn)，試樣摩擦因數(shù)隨溫度的降低而呈先增大、后減小的趨勢(shì)，兩次恢復(fù)曲線規(guī)律不一致，說(shuō)明未添加La2O3試樣摩擦因數(shù)穩(wěn)定性較差。從圖6b中的第一次與第二次熱衰退曲線可以看出，含20% La2O3試樣隨著溫度的升高，試樣的摩擦因數(shù)呈現(xiàn)先減小、后增大的趨勢(shì)，隨著溫度不斷升高，摩擦因數(shù)不僅沒(méi)有降低，反而升高，表現(xiàn)出良好的抗熱衰退性能。從試樣的兩次恢復(fù)曲線可知，兩次恢復(fù)曲線的變化規(guī)律基本一致，均隨著溫度的降低而呈增大的趨勢(shì)，說(shuō)明含20% La2O3試樣具有良好的摩擦因數(shù)穩(wěn)定性。

2.4　La2O3對(duì)制動(dòng)材料摩擦學(xué)性能影響機(jī)理分析

制動(dòng)材料中加入適量的La2O3(如20%)，不僅可有效提高復(fù)合材料的摩擦因數(shù)，而且還能有效降低其磨損率，高溫摩擦學(xué)性能改善尤為顯著。分別對(duì)La2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0和20%的制動(dòng)材料試樣在盤(pán)溫為100 ℃和350 ℃進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并觀察分析表面形貌，如圖7所示。

　(a)La2O3含量為0,溫度為100 ℃(b)La2O3含量為0,溫度為350 ℃

　(c)La2O3含量為20%,溫度為100 ℃(d)La2O3含量為20%,溫度為350 ℃圖7　試樣在不同溫度磨損試驗(yàn)后的表面形貌SEM圖Fig.7　SEM images of worn surface of composites wit different La2O3 content after tests at 100 and 350 ℃

由圖7a可以看出，盤(pán)溫為100 ℃情況下，未添加La2O3試樣在磨損后表面的表層均勻涂覆一層樹(shù)脂，說(shuō)明試樣的磨損形式主要以黏著磨損為主，此時(shí)試樣表面在摩擦力作用下，剪切發(fā)生在離黏著結(jié)合點(diǎn)不遠(yuǎn)的較軟復(fù)合材料的淺表層內(nèi)，較軟的復(fù)合材料涂抹在硬的摩擦盤(pán)上形成輕微磨損，摩擦主要表現(xiàn)為復(fù)合材料間的摩擦。此時(shí)，制動(dòng)材料摩擦因數(shù)為0.35，磨損率為0.19×10-7cm3/(N·m)。添加20% La2O3的制動(dòng)材料試樣在盤(pán)溫為100 ℃磨損后的表面如圖7c所示，試樣表面分布些許劃痕與細(xì)小的裂紋，還有少許凹坑，說(shuō)明試樣的磨損形式主要為輕微磨粒磨損。添加20% La2O3制動(dòng)材料受到表面摩擦力作用且最大拉伸應(yīng)力超過(guò)復(fù)合材料強(qiáng)度后，在表面最大應(yīng)力部位產(chǎn)生細(xì)小裂紋，隨著應(yīng)力交替，裂紋擴(kuò)展，形成塊狀磨粒而產(chǎn)生磨損，塊狀磨粒在滑動(dòng)面上形成犁削效應(yīng)，造成摩擦力的增加，宏觀上就表現(xiàn)為其摩擦因數(shù)大于未添加La2O3試樣。此時(shí)，制動(dòng)材料摩擦因數(shù)為0.38，磨損率變化不大。

盤(pán)溫350 ℃情況下，未添加La2O3試樣磨損后表面如圖7b所示，樹(shù)脂基體已部分受熱分解，試樣表面有較大的剝落坑，部分陶瓷纖維呈半裸露狀態(tài)。首先，試樣經(jīng)高溫摩擦作用，部分表層樹(shù)脂產(chǎn)生熱分解，試樣磨損率增大，此時(shí)試樣的磨損形式主要為樹(shù)脂的熱分解；同時(shí)，酚醛樹(shù)脂受熱分解形成的油性降解產(chǎn)物會(huì)減小其摩擦因數(shù)。因此，隨著溫度的升高，復(fù)合材料摩擦因數(shù)減小，磨損率不斷增大。其次，試樣表面以黏著磨損為主，而黏著點(diǎn)的剪切破壞發(fā)生在距黏著面一定深度的復(fù)合材料亞表面內(nèi)，因此形成較大的剝落坑，導(dǎo)致磨損率增加。此時(shí)，制動(dòng)材料摩擦因數(shù)為0.40，磨損率為1.49×10-7cm3/(N·m)。含20% La2O3的制動(dòng)材料試樣在盤(pán)溫為350 ℃磨損后表面如圖7d所示，試樣表面平整，表層沿滑動(dòng)方向有犁溝痕跡，同時(shí)表層均勻涂抹一層樹(shù)脂，其磨損形式以微觀犁溝型磨粒磨損與黏著磨損為主。由于La2O3的加入，試樣在高溫時(shí)并未出現(xiàn)熱衰退現(xiàn)象，試樣表層樹(shù)脂也未觀察到明顯的熱分解，說(shuō)明La2O3的加入可有效抑制或延緩樹(shù)脂基體的熱分解，進(jìn)而提高復(fù)合材料的高溫摩擦磨損性能。此外，樹(shù)脂高溫軟化，表面形成黏著磨損，而黏著磨損的黏結(jié)點(diǎn)剪切破壞基本發(fā)生在黏著面上，故摩擦因數(shù)增大，但磨損率卻較低。此時(shí)，制動(dòng)材料摩擦因數(shù)為0.43，磨損率為0.61×10-7cm3/(N·m)。

綜上所述，La2O3的加入促使復(fù)合材料主要磨損形式發(fā)生變化，可有效抑制或延緩樹(shù)脂基體的熱分解，進(jìn)而改善復(fù)合材料的摩擦磨損性能，尤其是高溫摩擦學(xué)性能。在低溫(盤(pán)溫為100 ℃)時(shí)，La2O3的加入促使復(fù)合材料由原來(lái)的以黏著磨損為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐暂p微磨粒磨損為主；在高溫(盤(pán)溫為350 ℃)時(shí)，未添加La2O3試樣的磨損主要為樹(shù)脂的熱分解，而添加La2O3試樣表層樹(shù)脂未出現(xiàn)明顯的熱分解，其磨損形式以微觀犁溝型磨粒磨損和黏著磨損為主。

3　結(jié)論

(1)復(fù)合材料中加入適量La2O3可有效提高復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度，La2O3含量到達(dá)17%后(17%～26%)，試樣的沖擊強(qiáng)度提高33.7%以上；復(fù)合材料的硬度隨著La2O3含量的增加，整體呈上升的趨勢(shì)。

(2)制動(dòng)材料中添加適量La2O3可有效提高其摩擦因數(shù)、降低其磨損量，同時(shí)還可增加其摩擦因數(shù)的穩(wěn)定性；其中，添加20% La2O3的試樣的綜合摩擦學(xué)性能最優(yōu)。

(3)La2O3的加入可有效提高復(fù)合材料的抗熱衰退性能與恢復(fù)性能。未添加La2O3試樣高溫段摩擦因數(shù)低于低溫段摩擦因數(shù)，試樣發(fā)生一定程度的熱衰退，且兩次恢復(fù)曲線規(guī)律不一致，穩(wěn)定性欠佳；添加La2O3試樣的摩擦因數(shù)呈現(xiàn)先減小、后增大的趨勢(shì)，隨著溫度不斷升高，摩擦因數(shù)不僅沒(méi)有降低反而升高，表現(xiàn)出良好的抗熱衰退性能，且兩次恢復(fù)曲線近乎一致，穩(wěn)定性好。

(4)La2O3的加入可促使復(fù)合材料主要磨損形式發(fā)生變化，同時(shí)有效抑制或延緩樹(shù)脂基體的熱分解，進(jìn)而改善復(fù)合材料的摩擦磨損性能，尤其是高溫摩擦學(xué)性能。低溫時(shí)，La2O3的加入促使復(fù)合材料由原來(lái)的以黏著磨損為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐暂p微磨粒磨損為主；高溫時(shí)，未添加La2O3試樣的磨損主要為樹(shù)脂的熱分解，而添加La2O3試樣表層樹(shù)脂未出現(xiàn)明顯的熱分解，其磨損形式以微觀犁溝型磨粒磨損和黏著磨損為主。

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(編輯張洋)