楊戰(zhàn)厚,徐子勤,劉 理,石志剛,王明俊,王軍成,魏 婷
(1.咸陽非金屬礦研究設(shè)計(jì)院有限公司,陜西 咸陽 712021;2.陜西紡織器材研究所,陜西 咸陽 712000)
用于動力機(jī)械傳動或制動裝置的摩擦材料,是一種聚合物基復(fù)合材料;現(xiàn)代機(jī)械或機(jī)構(gòu)若無可靠的傳動和制動裝置,就無法可靠的工作。傳動和制動裝置是由摩擦材料和對偶(金屬結(jié)構(gòu)加工件)裝配組合而成,機(jī)械運(yùn)動的速度、負(fù)荷的變化對復(fù)合摩擦材料的要求越來越高[1-2];機(jī)動車輛、工程機(jī)械的運(yùn)動,必須通過傳動和制動裝置來傳遞或消除動力,它是保證行駛或工作安全的不可或缺的關(guān)鍵性材料,也是決定生命安全的重要材料。
摩擦材料主要由纖維材料、填料和粘結(jié)劑3部分組成:纖維材料為增強(qiáng)組分材料,填料是摩擦性能調(diào)節(jié)劑,粘結(jié)劑是高分子化合物。摩擦材料中纖維用量為15%~45%,是摩擦材料的骨架材料,對摩擦材料的強(qiáng)度起至關(guān)重要的作用,同時(shí)也對其功能有著重要的影響。因此,對纖維材料有嚴(yán)格的要求。摩擦材料用纖維材料的化學(xué)成分應(yīng)穩(wěn)定,有良好的機(jī)械強(qiáng)度和物理性能,耐熱、耐磨性能好,具有良好的親和性,易分散,吸附性強(qiáng)[2],有較好的可紡性,摩擦因數(shù)穩(wěn)定,制動噪聲小,符合環(huán)保要求。摩擦材料用無機(jī)纖維材料有復(fù)合礦物纖維、玻璃纖維,有機(jī)纖維材料主要有芳綸纖維、纖維素纖維等。
纖維可分為天然纖維和化學(xué)纖維兩大類。天然纖維是自然界存在的、可以直接獲得的纖維,有植物纖維、動物纖維和礦物纖維,而礦物纖維是從礦物中提取的無機(jī)纖維,如石棉纖維;化學(xué)纖維有再生纖維、合成纖維和無機(jī)纖維3類。再生纖維是用天然聚合物經(jīng)化學(xué)方法制成的纖維,合成纖維是用化學(xué)合成的聚合物制成的纖維[3]。
纖維在摩擦材料中主要起增強(qiáng)作用,以使摩擦材料具有必要的機(jī)械強(qiáng)度,并在加工和使用過程中不出現(xiàn)破損[1];纖維具有穩(wěn)定的摩擦因數(shù),化學(xué)成分穩(wěn)定,熱阻性和耐熱性好,纖維的比表面積大,最好呈絨毛狀,硬度適中,具有良好的親和性和吸附性,以利于和摩擦材料配方中的填料和粘結(jié)劑粘結(jié)可靠,工藝可操作性好,不產(chǎn)生環(huán)境危害。
摩擦材料用纖維應(yīng)具有高強(qiáng)度、低密度、制動噪聲小和化學(xué)成分穩(wěn)定的特性,目前比較常用的有:玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維及其混合纖維。玻璃纖維的特點(diǎn)是硬度高、熱穩(wěn)定性較好、與樹脂親和性好、價(jià)格低廉;碳纖維的突出優(yōu)點(diǎn)是高溫摩擦穩(wěn)定性好、耐磨、價(jià)格較高,常用于飛機(jī)和賽車制動器上;芳綸纖維是一種芳香族聚酰胺合成纖維,具有強(qiáng)度高、密度小、耐磨、耐熱、穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn),在非復(fù)合形式下具有高韌性、沒有玻璃纖維和碳纖維所呈現(xiàn)的脆性,非常適合用于摩擦材料用的增強(qiáng)材料。
纖維材料使用在摩擦材料中時(shí)會結(jié)織成網(wǎng)狀,由于纖維的比表面積較大,當(dāng)纖維含量增加時(shí)摩擦因數(shù)增大,摩擦材料的強(qiáng)度、硬度也隨纖維含量的增加而提高。摩擦材料中增強(qiáng)纖維的應(yīng)用研究主要在纖維的品種及用量的優(yōu)選方面。
芳綸是芳香族聚酰胺合成纖維,有兩種分子結(jié)構(gòu)形式,一種是分子鏈排列呈鋸齒狀的間位芳綸纖維(芳綸1313);另一種是分子鏈排列呈直線狀的對位芳綸纖維(芳綸1414)。芳綸廣泛應(yīng)用于光纖、高溫過濾、動力傳送帶,也可制成防彈衣、防彈頭盔、消防服、防切割手套等。間位芳綸有優(yōu)良的耐摩擦和耐化學(xué)品性能,對位芳綸的耐溫性能高于間位芳綸,芳綸漿粕是對芳綸纖維進(jìn)行表面原纖化處理之后得到的[1],其獨(dú)特的表面結(jié)構(gòu)極大地提高了混合物的抓附力,非常適合作為一種增強(qiáng)纖維應(yīng)用于摩擦及密封產(chǎn)品中,是摩擦和密封材料的重要原料,使用溫度范圍為-196 ℃~204 ℃,在560 ℃高溫下不分解、不熔化;其顯著特性是強(qiáng)度高,其強(qiáng)度是優(yōu)質(zhì)鋼材的5~6倍、玻璃纖維的3倍、高強(qiáng)尼龍工業(yè)絲的2倍。芳綸1414漿粕為淺黃色絮花狀,呈毛絨狀,其毛羽豐富、強(qiáng)度高、尺寸穩(wěn)定性好,無脆性、耐高溫、耐腐蝕、有韌性、收縮率小、耐磨性好、表面積大,親和性好,其物理性能見表1[1]。
表1 芳綸纖維物理性能
芳綸纖維型號NACF18NACF68Fibrox300Fibrox030B800平均直徑/mm0.03~0.060.03~0.060.01~0.020.01~0.020.02平均長度/mm3.0~8.03.0~6.04.0~8.02.0~4.0130含水率/%≤3.0≤2.5容重/(g·cm-3)0.3~1.82.2~2.42.7~2.92.7~2.90.15~0.18燒失量/% (800 ℃時(shí)燒1 h)≤30≤18≤2.4≤2.4≤0.3制造商美國杜邦美國杜邦加拿大飛寶加拿大飛寶德國JRS
摩擦材料用芳綸纖維主要有6 mm~13 mm的凱夫拉(杜邦公司產(chǎn)品)短纖維和2 mm~5 mm的芳綸漿粕纖維,摩擦材料配料纖維、填料、粘結(jié)劑等攪拌混合有一最佳時(shí)間,攪拌時(shí)間過長會引起結(jié)團(tuán)[4],進(jìn)而造成纖維在混合物中的不均勻分散。不同長度、形態(tài)、容重的20多種物料進(jìn)行均勻混合時(shí)的配方不同,用犁耙式混料機(jī)攪拌的時(shí)間也不一樣,一般最佳時(shí)間為5 min~8 min,摩擦材料配方中加入芳綸纖維,生產(chǎn)的產(chǎn)品具有穩(wěn)定的摩擦因數(shù),其耐磨性能優(yōu)于國際上禁止使用的石棉纖維。
摩擦材料配方中凱夫拉纖維的含量對產(chǎn)品的摩擦性能可產(chǎn)生較大的影響,對其機(jī)械性能的影響見表2[1]。
表2 纖維含量對摩擦材料機(jī)械性能的影響
項(xiàng)目纖維體積含量/%5101520253035沖擊強(qiáng)度/(dJ·cm-2)3.0053.5554.9104.6096.7545.5699.900彎曲強(qiáng)度/MPa0.7560.8200.6850.7160.8281.0781.351硬度/HB19.721.223.725.325.127.434.7
從纖維體積含量對沖擊強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度及硬度的影響來看,隨著纖維含量的增加,沖擊強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度增加。實(shí)驗(yàn)研究表明,摩擦材料的硬度和導(dǎo)熱率隨纖維含量的增加而線性減小,當(dāng)凱夫拉纖維的含量超過10%時(shí),摩擦因數(shù)減小50%;當(dāng)凱夫拉纖維含量繼續(xù)增加時(shí),摩擦因數(shù)基本保持不變,而磨損率隨凱夫拉纖維含量增加而繼續(xù)下降;當(dāng)摩擦材料中凱夫拉纖維含量達(dá)到40%時(shí),其磨損率僅為不含凱夫拉纖維材料的1%。結(jié)果表明加入凱夫拉纖維可極大地提高了摩擦材料的耐磨性,但其摩擦因數(shù)也隨之下降[1]。
摩擦材料配方中增加芳綸纖維的含量,使其具有較高的耐磨性,在試驗(yàn)中也到了滿意的結(jié)果;但添加量過大會引起摩擦因數(shù)降低,不符合摩擦材料要求,而且加大了生產(chǎn)成本。通常只添加不大于10%的芳綸纖維和漿粕,使生產(chǎn)成本控制合理,其產(chǎn)品摩擦因數(shù)為0.25~0.45,密度不大于2.5 g/cm3[5],摩擦材料產(chǎn)品的摩擦因數(shù)穩(wěn)定、強(qiáng)度和耐磨性能好。
芳綸1414纖維是使摩擦材料性能增強(qiáng)的組分材料,也是摩擦材料的主要原材料,對摩擦材料的綜合性能有重要影響。由于摩擦材料中禁止使用石棉纖維材料,且纖維各具有不同的力學(xué)和物理性能,通過對摩擦材料中使用的芳綸纖維、玻璃纖維、聚酯纖維、碳纖維、陶瓷纖維、玄武巖纖維等進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)果表明芳綸纖維以其優(yōu)良的物理、化學(xué)及綜合性能,成為摩擦材料中不可或缺的增強(qiáng)纖維及主要組分,芳綸纖維和玻璃纖維及其他纖維的組合是目前摩擦材料纖維增強(qiáng)組分的最佳選擇。
目前,仍未找到能夠完全具備石棉纖維所有特性的單一纖維材料[4],因此,對以芳綸纖維材料為主要材料、多種纖維進(jìn)行合理配比的復(fù)合實(shí)驗(yàn)還在不斷進(jìn)行中,目的是研究芳綸纖維在摩擦材料中的合理配比及工藝。選擇性能穩(wěn)定的芳綸纖維材料配比其他材料,生產(chǎn)摩擦因數(shù)穩(wěn)定、制動噪聲小、環(huán)保的產(chǎn)品,提高摩擦材料的摩擦性能和使用性能,推動摩擦材料朝著品質(zhì)、清潔、環(huán)保方向快速發(fā)展,是芳綸纖維在摩擦材料中應(yīng)用研究的方向。
隨著人們對職業(yè)健康安全和環(huán)境保護(hù)要求的不斷提高,新材料技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用迅速發(fā)展,多學(xué)科技術(shù)的交叉應(yīng)用、研究新配方摩擦材料中的纖維增強(qiáng)材料,將模擬計(jì)算方法用于摩擦材料的研究和試驗(yàn)中,形成能夠自動計(jì)算、檢測摩擦材料的摩擦因數(shù)、磨耗量、強(qiáng)度、硬度的技術(shù)應(yīng)用,將極大地提高摩擦材料研究應(yīng)用的技術(shù)水平。工作環(huán)境清潔安全、符合環(huán)保要求,制造出品質(zhì)穩(wěn)定、可靠性高、安全性強(qiáng)和清潔環(huán)保的摩擦材料產(chǎn)品,是未來綠色摩擦材料發(fā)展的必然趨勢。