薛 奎，王 慧，歐章明，竇文芳，劉澤華

（中國(guó)輕工業(yè)造紙與生物質(zhì)精煉重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津市制漿造紙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津科技大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300457）

紙基濕式摩擦材料是一種在油介質(zhì)中工作的、能夠滿足自動(dòng)變速器和濕式制動(dòng)裝置的變速和制動(dòng)要求的片狀材料[1－2]。紙基濕式摩擦材料主要由纖維、填料、摩擦性能調(diào)節(jié)劑和膠黏劑構(gòu)成，其表面形貌見圖1。原紙的制備采用傳統(tǒng)抄紙工藝，將纖維、填料和摩擦性能調(diào)節(jié)劑在水相介質(zhì)中分散，并最終以脫水的方式成形[3]，其材料品種、材料性能以及制備工藝決定著車輛運(yùn)行的安全性和平穩(wěn)性[4]。纖維素纖維基摩擦材料具有摩擦因數(shù)高且穩(wěn)定、摩擦力矩平穩(wěn)、靜/動(dòng)摩擦因數(shù)接近于1、噪音小和使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，成為最重要的濕式摩擦材料[5-6]。但是，纖維素纖維也存在力學(xué)性能、耐高溫性能等方面的不足，石棉纖維的引入使紙基摩擦材料的性能得到了大幅度改善，性價(jià)比相應(yīng)提高，這是紙基摩擦材料發(fā)展過(guò)程的重要里程碑。由于石棉纖維存在致癌風(fēng)險(xiǎn)，非石棉纖維的紙基摩擦材料得以被廣泛研究。

圖1 汽車用離合器摩擦材料SEM圖

1 增強(qiáng)纖維

增強(qiáng)纖維的主要作用是提高摩擦材料的強(qiáng)度、耐熱性能和摩擦磨損性能，保證材料在機(jī)械作用下不出現(xiàn)裂紋和斷裂等機(jī)械損傷，同時(shí)影響著摩擦材料的硬度、密度、界面結(jié)合狀態(tài)，是摩擦材料的重要組成部分[7]。碳纖維、芳綸等高性能纖維具有較高的比強(qiáng)度、較高的比模量、耐高溫、耐磨等優(yōu)點(diǎn)，在復(fù)合材料中常被用作增強(qiáng)材料[3]。

1.1 碳纖維

碳纖維表面缺乏具有化學(xué)活性的官能團(tuán)，其表面呈化學(xué)性惰性，因此碳纖維與復(fù)合基體的黏結(jié)性較差，在使用碳纖維作為紙基摩擦材料的增強(qiáng)纖維時(shí)，一般要對(duì)其進(jìn)行表面改性處理[8－9]。碳纖維的表面處理按工藝可分為物理方法和化學(xué)方法，前者主要包括涂層法和等離子處理法，后者主要包括表面氧化法、電化學(xué)法和化學(xué)接枝法。

張國(guó)亮等[10]采用化學(xué)法對(duì)碳纖維進(jìn)行表面改性處理，制備出的碳纖維表面粗糙度有明顯的提升，并且有新的基團(tuán)引入，使得碳纖維與水的接觸角變小、表面活性提高。使用改性碳纖維制備出的聚酰亞胺紙基摩擦材料的界面性能提升了45.3%，孔隙率有一定程度的下降，表面改性碳纖維對(duì)紙基摩擦材料的摩擦學(xué)性能具有提升作用。李坤鵬等[11]通過(guò)化學(xué)法對(duì)碳纖維進(jìn)行改性，實(shí)驗(yàn)采用米氏酸、硅烷偶聯(lián)劑（KH550）對(duì)碳纖維進(jìn)行改性處理，并用改性的碳纖維配抄紙基摩擦材料。與添加未改性碳纖維的紙基摩擦材料相比，添加米氏酸、硅烷偶聯(lián)劑、米氏酸和硅烷偶聯(lián)劑同時(shí)改性碳纖維的試樣的抗張指數(shù)分別提升了64.87%、91.38%和28.88%。

張安花[12]采用乙醇對(duì)PAN基碳纖維表面的上漿劑進(jìn)行清洗，通過(guò)濃硝酸浸泡和濃硝酸超聲兩種方式進(jìn)行改性，結(jié)果顯示兩種方法都在一定程度上改變了碳纖維的表面性質(zhì)。其中，超聲和硝酸的協(xié)同作用對(duì)碳纖維的表面性質(zhì)影響較大，硝酸的刻蝕作用和超聲的空化作用使得碳纖維表面更加粗糙，同時(shí)也提升了碳纖維含氧官能團(tuán)的數(shù)量，因此能制作強(qiáng)度更高的復(fù)合材料。

張雪等[8]采用氨基硅烷偶聯(lián)劑對(duì)碳纖維進(jìn)行表面改性，碳纖維表面被包裹上了一層KH550，且物理包覆較完整，說(shuō)明KH550成功地修飾到碳纖維的表面，形成了很多高低不平的坑洞和溝槽，大大增加了纖維的表面粗糙度。

SUN等[13]采用氧離子等離子體處理碳纖維，結(jié)果顯示經(jīng)過(guò)處理的碳纖維表面增加了含氧官能團(tuán)，同時(shí)纖維表面的粗糙度與表面紋理也明顯增多。胡文靜等[14]采用高溫空氣氧化法對(duì)碳纖維表面進(jìn)行改性處理后，碳纖維表面出現(xiàn)了比較明顯的條紋狀的刻蝕，其表面積增大，使得在紙基摩擦材料抄造的過(guò)程中改性碳纖維與其他組分的有效接觸面積增大。同時(shí)，由于對(duì)碳纖維引入了大量的活性基團(tuán)，材料的層間結(jié)合強(qiáng)度提高了21%。

從以上學(xué)者的研究可以看出，對(duì)碳纖維的改性主要是體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：一是提高碳纖維的表面粗糙度，以增大碳纖維與其他基體的結(jié)合強(qiáng)度；二是對(duì)碳纖維引入新的基團(tuán)，提高其表面活性。這兩個(gè)方面對(duì)碳纖維的成紙性能都有一定的影響，可使得紙基復(fù)合材料的強(qiáng)度和摩擦性能有一定的提升。

研究發(fā)現(xiàn)，摩擦材料中碳纖維的含量和長(zhǎng)度對(duì)材料的物理性能也有很大的影響。FEI等[15]制備了100、400、600、800μm四種長(zhǎng)度的碳纖維增強(qiáng)紙基摩擦材料。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：碳纖維越短，摩擦材料中形成的孔隙分布越均勻。隨著碳纖維含量的增加，試樣的孔隙率和拉伸強(qiáng)度降低，磨損率增加。在油潤(rùn)滑條件下，含55%碳纖維的試樣表現(xiàn)出最佳的摩擦穩(wěn)定性和抗震顫性能。100μm碳纖維制備的紙基摩擦材料的磨損率僅為1.4×10-5mm3/J，具備了優(yōu)異的耐磨性能。

1.2 芳綸纖維

芳綸是發(fā)展最快的高性能化學(xué)纖維之一，其聚合物大分子的主鏈由芳香環(huán)和酰胺鍵構(gòu)成，且其中至少85%的酰胺鍵直接鍵合在芳香環(huán)上。每個(gè)重復(fù)單元的酰胺基中的氮原子和羰基均直接與芳香環(huán)中的碳原子相連，并且置換其中一個(gè)氫原子的聚合物稱為芳香聚酰胺樹脂，由它紡成的纖維稱為芳香聚酰胺纖維，我國(guó)定名為芳綸，其中對(duì)位芳綸（PPTA）因其具有高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、低密度、耐化學(xué)腐蝕等優(yōu)異性質(zhì)，被廣泛地應(yīng)用于汽車工業(yè)、航空航天、電子通訊等領(lǐng)域。但由于其特殊的分子結(jié)構(gòu)，芳綸纖維呈剛性伸直狀，纖維之間的結(jié)合力弱，在使用芳綸纖維作為增強(qiáng)纖維生產(chǎn)復(fù)合材料時(shí)，常常需要對(duì)芳綸纖維進(jìn)行表面改性[16]。

對(duì)芳綸纖維表面改性主要分為兩種：一是破壞芳綸纖維的光滑表面，使分子沿纖維軸向的取向度降低，纖維表面的粗糙程度上升，表面極性增大，纖維與基體的浸潤(rùn)性增加；二是在芳綸纖維表面增加功能化活性基團(tuán)或形成連接“橋梁”，使其與基體以物理或化學(xué)鍵結(jié)合，提高纖維與基體的界面黏結(jié)強(qiáng)度[17]。目前，對(duì)芳綸纖維的改性有表面涂層法，化學(xué)改性（表面刻蝕、表面接枝），物理改性（等離子表面改性、γ射線輻射方法、超聲浸漬法）。

謝瓃等[19]采用磷酸氧化、等離子處理、多巴胺仿生修飾對(duì)芳綸纖維表面進(jìn)行改性處理。結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)改性后的纖維表面出現(xiàn)了高低不平的凹槽和刻蝕，在纖維表面粗糙度增加的同時(shí)暴露出了羥基和羧基等活性基團(tuán)。

LIN等[20]用無(wú)水氯化鈣和氫氧化鈉溶液對(duì)芳綸纖維進(jìn)行預(yù)處理，隨后采用兩種不同的方法分別對(duì)芳綸纖維進(jìn)行改性：首先用硅烷偶聯(lián)劑（KH570）接枝芳綸纖維；然后在芳綸纖維表面原位生成二氧化硅。經(jīng)過(guò)預(yù)處理后的芳綸纖維表面的含氧基團(tuán)成功地將KH570接枝到了芳綸纖維表面。經(jīng)KH570二次改性后，纖維復(fù)合材料的拉伸性能提高了31.9%，耐磨性提高了16.2%。

汪倫合等[21]采用KOH對(duì)芳綸纖維表面進(jìn)行預(yù)處理，再用經(jīng)水性聚氨酯預(yù)聚體（WPUP）改性的ZnO對(duì)其進(jìn)行二次處理，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)處理后的芳綸纖維表面被涂覆了一層均勻致密的改性氧化鋅粒子，纖維表面粗糙度和化學(xué)活性大幅度增加，表面浸潤(rùn)性大大改善。

張素風(fēng)等[22－23]采用氯磺酸、醋酸酐對(duì)芳綸短切纖維進(jìn)行了改性處理，經(jīng)過(guò)處理的芳綸短切纖維與其他纖維進(jìn)行配抄，所得紙張的抗張指數(shù)和撕裂指數(shù)都有大幅度的提升。其還利用不同質(zhì)量濃度的乙醇、丙酮、丙酸、二甲基亞砜、二甲基乙酰胺等化學(xué)試劑對(duì)芳綸纖維表面進(jìn)行處理和改性，并進(jìn)行纖維成紙性能研究，結(jié)果表明，當(dāng)改性劑表面能接近纖維表面能時(shí)，對(duì)提升紙張強(qiáng)度的影響最顯著，紙張強(qiáng)度性能是纖維表面黏附功和纖維本身強(qiáng)度共同作用的結(jié)果。

李濤等[24]利用磷酸硅烷偶聯(lián)劑、硝化/還原改性劑等對(duì)芳綸纖維進(jìn)行改性，再用改性芳綸纖維和芳綸漿粕配抄芳綸紙。結(jié)果表明，該改性方法可以提高芳綸纖維和芳綸漿粕的界面結(jié)合，從而改善芳綸紙的機(jī)械強(qiáng)度。

朱大勇等[25]對(duì)芳綸纖維先后采用CaCl2乙醇溶液和多巴胺水溶液處理。結(jié)果表明，在芳綸纖維表面形成了致密、均勻的聚多巴胺涂層，纖維表面粗糙度增大，表面活性基團(tuán)增加。

司帥[26]以多巴胺作為表面改性劑，采用提拉法對(duì)PPTA長(zhǎng)纖維進(jìn)行表面修飾。結(jié)果表明，改性后的PPTA纖維表面包覆了一層聚多巴胺活性層，氨基和羥基增多，水接觸角由143.50°減小到120.6°，親水性增強(qiáng)。

WANG等[27]采用等離子體誘導(dǎo)氣相接枝聚合方法（PIVPGP）對(duì)芳綸纖維進(jìn)行表面改性，研究了在不同的等離子體處理時(shí)間、輸出功率和工作氣體等條件下對(duì)芳綸纖維進(jìn)行預(yù)處理以及等離子體處理參數(shù)對(duì)芳綸纖維表面丙烯酸（AA）的PIVPGP及其表面結(jié)構(gòu)和性能的影響。結(jié)果表明，AA在芳綸纖維表面的PIVPGP能有效改善芳綸纖維表面的潤(rùn)濕性和黏附性。等離子體條件對(duì)芳綸纖維表面AA的PIVPGP效率及其表面結(jié)構(gòu)和性能有顯著影響，由高到底依次為等離子體處理時(shí)間、輸出功率和工作氣體。

2 黏結(jié)樹脂

黏結(jié)樹脂主要有將組分黏結(jié)成整體并傳遞和均衡載荷的作用，能增強(qiáng)摩擦材料的強(qiáng)度性能和摩擦磨損性能[14]。黏結(jié)劑的性能直接影響摩擦材料的熱衰退性能、恢復(fù)性能、磨損性能和機(jī)械性能。

黏結(jié)樹脂的含量以及種類對(duì)紙基摩擦材料力學(xué)性能和摩擦性能都有一定的影響。FEI等[28]以腰果油改性酚醛樹脂為黏結(jié)劑，采用造紙工藝制備了四種碳纖維紙基摩擦材料，其中樹脂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%～50%，考察了酚醛樹脂對(duì)材料性能的影響。結(jié)果表明，增強(qiáng)纖維均勻地分散在酚醛樹脂基體中，含有大小不一的氣孔。樹脂含量較低（35%～40%）的試樣具有較高的摩擦因數(shù)、優(yōu)異的摩擦穩(wěn)定性、良好的耐熱性和合理的強(qiáng)度。胡健等[29]研究了樹脂含量對(duì)濕式紙基摩擦材料的摩擦磨損性能和表面形貌的影響。結(jié)果表明：隨樹脂含量的增加，材料的氣孔率降低；當(dāng)含量為25%時(shí)，材料綜合性能較好，氣孔率為32.43%，磨損率為1.32×10－8cm3/J，且摩擦因數(shù)的壓力穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性較高，材料的摩擦力矩曲線較為平穩(wěn)，材料在摩擦前后的表面形貌也較好。周雪松等[30]研究了酚醛樹脂種類和樹脂上膠量對(duì)復(fù)合高性能復(fù)合紙的力學(xué)性能和摩擦性能的影響。結(jié)果表明：采用酚醛樹脂制備的耐高溫剎車片的各項(xiàng)性能較好，其復(fù)合紙的動(dòng)、靜摩擦因數(shù)較高，且二者比較接近，是制作紙基摩擦材料的較好的增強(qiáng)樹脂；在樹脂上膠量為40%～60%時(shí)，紙頁(yè)可獲得優(yōu)良的力學(xué)性能。

王貝貝等[31]以酚醛樹脂、聚酰亞胺樹脂、聚酰亞胺樹脂和酚醛樹脂復(fù)合3種浸漬液對(duì)紙基摩擦材料原紙進(jìn)行浸漬，研究了不同浸漬條件對(duì)熱壓前后手抄片抗張強(qiáng)度和熱壓后手抄片孔隙率的影響。結(jié)果表明：隨著單一樹脂浸漬液用量的增加，熱壓前后手抄片的抗張強(qiáng)度均增加；單一樹脂浸漬時(shí)，手抄片的孔隙率隨浸漬量的增加而降低；當(dāng)兩種樹脂復(fù)合浸漬時(shí)，熱壓后手抄片的抗張強(qiáng)度和孔隙率均隨聚酰亞胺樹脂比例的增加而增加，且手抄片抗張強(qiáng)度和孔隙率均比單一酚醛樹脂浸漬時(shí)有所提高。陸趙情等[32]以酚醛樹脂、聚酰亞胺和酚醛樹脂復(fù)合兩種浸漬液來(lái)浸漬丁腈膠乳預(yù)浸漬過(guò)的紙基摩擦材料原紙，研究不同浸漬條件對(duì)紙基摩擦材料摩擦磨損性能的影響。結(jié)果表明：當(dāng)酚醛樹脂浸漬量為24%時(shí)，酚醛樹脂將纖維、填料、摩擦性能調(diào)節(jié)劑緊密地包裹在材料中，同時(shí)能看到大量的孔隙結(jié)構(gòu)，并具有穩(wěn)定的動(dòng)摩擦系數(shù)、較低的磨損率；當(dāng)聚酰亞胺和酚醛樹脂復(fù)合浸漬時(shí)，隨著聚酰亞胺含量的增加，摩擦力矩的穩(wěn)定系數(shù)有一定增加，磨損率比單一酚醛樹脂浸漬低。

除此之外，黏結(jié)樹脂的浸膠方式、固化壓力、溫度及時(shí)間對(duì)紙基摩擦材料的物理性能也有一定的影響。任遠(yuǎn)春等[33]研究了固化壓力對(duì)材料孔隙率、動(dòng)摩擦因數(shù)、靜動(dòng)摩擦因數(shù)之比以及摩擦力矩曲線的影響。研究表明：孔隙率隨固化壓力增加而下降；動(dòng)摩擦因數(shù)隨制動(dòng)壓力的增加而下降；而靜動(dòng)摩擦因數(shù)之比隨壓力的增加分布趨勢(shì)較為復(fù)雜，較低的固化壓力條件下，靜動(dòng)摩擦因數(shù)之比略有上升，而較高的固化壓力條件下靜動(dòng)摩擦因數(shù)之比則略有下降趨勢(shì)；摩擦力矩曲線隨固化壓力升高有輕微翹曲出現(xiàn)。綜合考慮固化壓力對(duì)動(dòng)摩擦因數(shù)、靜動(dòng)摩擦因數(shù)比值以及摩擦力矩曲線的影響，在這種紙基摩擦材料成分不變的條件下，其對(duì)應(yīng)的較合適固化壓力約為3.4 MPa。曹麗云等[34]研究了固化溫度對(duì)紙基摩擦材料的影響。結(jié)果表明：固化溫度高于或低于160℃時(shí)，材料的耐熱性能減弱，樹脂和竹纖維的熱分解較嚴(yán)重，材料摩擦磨損性能穩(wěn)定性差；160℃時(shí)，材料的磨損表面平整致密，在循環(huán)制動(dòng)中動(dòng)摩擦因數(shù)的波動(dòng)性較小，摩擦力矩的變化較平穩(wěn)，可以降低制動(dòng)噪音。韋佳等[35]研究了真空浸膠對(duì)紙基摩擦材料孔隙率和摩擦磨損性能的影響。結(jié)果表明：采用真空浸膠工藝制備的紙基摩擦材料孔隙率穩(wěn)定，一致性好。與常壓浸膠紙基摩擦材料相比，采用真空浸膠的紙基摩擦材料的平均孔隙率高8%，2000次離合動(dòng)平均動(dòng)摩擦因數(shù)高14.29%，平均靜摩擦因數(shù)高10.74%，平均磨損值低51.65%；除此之外，真空浸膠生產(chǎn)效率明顯高于常壓浸膠，且可節(jié)約原膠和溶劑用量。

3 摩擦性能調(diào)節(jié)劑

摩擦性能調(diào)節(jié)劑按其作用可分為增摩劑和減摩劑，可以調(diào)節(jié)動(dòng)摩擦和靜摩擦因數(shù)，改善耐磨性能。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，其在各種摩阻材料中的應(yīng)用較為廣泛。Al2O3具有增摩效果好、價(jià)格便宜等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各類摩阻材料中[36-38]。

LU等[39]通過(guò)預(yù)成型獲得了不同有機(jī)硅含量的紙基摩擦材料，表明在紙基摩擦材料中加入少量的有機(jī)硅可以提高紙基摩擦材料的靜摩擦因數(shù)，但也會(huì)降低紙基摩擦材料的動(dòng)摩擦因數(shù)和磨損率。當(dāng)材料中有機(jī)硅的含量大于5%時(shí)，材料的磨損率趨于穩(wěn)定。有機(jī)硅含量為7.5%的紙基摩擦材料的靜摩擦因數(shù)最高，材料穩(wěn)定性最好。

費(fèi)杰等[40]研究了石墨含量對(duì)紙基摩擦材料磨損性能的影響。隨著石墨含量增加，摩擦力矩曲線尾部翹起程度減??；動(dòng)、靜摩擦因數(shù)降低，且摩擦表面形成了潤(rùn)滑性能良好的固體潤(rùn)滑膜，從而磨損率減小。對(duì)照組紙基摩擦材料的磨損表面分布著尺寸較大的磨粒，且出現(xiàn)微裂紋。其還研究了Al2O3含量對(duì)紙基摩擦材料磨損性能的影響。結(jié)果表明，Al2O3含量對(duì)摩擦材料的孔隙率影響不大。隨著Al2O3含量的增加，摩擦力矩曲線趨于平穩(wěn)，摩擦因數(shù)升高，磨損率增大。

張翔等[41]研究了石墨粒度對(duì)紙基摩擦材料的摩擦磨損性能的影響，結(jié)果表明：隨著石墨粒度的減小，摩擦表面形成了潤(rùn)滑性能良好的固體潤(rùn)滑膜，有利于提高材料的耐磨性能；制動(dòng)時(shí)間增加，摩擦力矩曲線中間部分趨于平直；同時(shí)，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，石墨粒度較小的試樣制動(dòng)穩(wěn)定性較好。

4 總結(jié)與展望

紙基摩擦材料是汽車以及工程機(jī)械中重要的配件，截至目前，研究者針對(duì)提升摩擦材料的性能做了大量的研究，主要集中在對(duì)增強(qiáng)纖維的改性、黏結(jié)劑的應(yīng)用以及摩擦性能調(diào)節(jié)劑的添加等方面。增強(qiáng)纖維的改性可以提升其在紙基中的成型以及結(jié)合，黏結(jié)樹脂將各組分黏結(jié)成整體并傳遞和均衡載荷，摩擦性能調(diào)節(jié)劑對(duì)改善紙基摩擦材料的摩擦因數(shù)有重要作用。但是，當(dāng)前對(duì)于高性能纖維的改性過(guò)程比較復(fù)雜，需探索簡(jiǎn)單高效的改性方式。