濕式離合器用紙基摩擦片的研究進展

原靈霞　顏紅俠　賈園　李婷婷

摘要：紙基摩擦片是一種多孔濕式摩擦材料，因其具有良好的摩擦特性而廣泛應用于車輛及工程機械的自動變速器和制動器中。簡要介紹了紙基摩擦片的摩擦磨損機理，綜述了近年來通過改進原料配方、制備工藝和油槽結構提高紙基摩擦片性能的進展，并對紙基摩擦片的發展趨勢進行了展望。

關鍵詞：紙基摩擦片；多孔；摩擦磨損機理；摩擦性能

中圖分類號：TQ327 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2014）06-0083-04

紙基摩擦材料出現于上世紀50年代末，至今經歷了由早期的纖維素增強紙基，石棉增強紙基和高品質紙基摩擦材料的3代發展[1]。該種材料已廣泛應用于汽車、船舶、工程機械、礦山機械等領域的離合器、制動器中。

隨著紙基摩擦片的應用從輕載車輛向重載車輛過渡，對紙基摩擦片性能的要求也有所提高。GB/T 21955—2008《農林拖拉機和機械紙基摩擦片技術條件》對紙基摩擦片的摩擦性能作出了嚴格規定，要求動摩擦系數0.11～0.14，靜摩擦系數0.12～0.17，磨損率小于5×10-8 cm3/J。GB/T 13826—2008《濕式（非金屬類）摩擦材料》規定：用于汽車、拖拉機和工程機械的紙基摩擦片的動摩擦系數0.15～0.19，靜摩擦系數大于0.15，磨損率小于6×10-5 cm3/J，密度0.6～3.0 g/cm3，孔隙率25%～50%。

為了提高紙基摩擦材料的性能，保證機械的工作效率，研究者對紙基摩擦材料的摩擦機理進行了大量研究。主要是通過原料配方、制備工藝和溝槽結構的改進來提高紙基摩擦片的摩擦磨損性能和力學性能。

1 摩擦磨損機理研究

在車輛的自動變速裝置中，紙基摩擦材料通過與對偶片的相互作用而達到能量傳輸的目的。根據接合壓力的不同，可以將紙基摩擦材料與對偶片的接合過程分為3個階段：擠壓段、混合表面接觸段及壓緊接觸段。隨著紙基摩擦材料和對偶盤之間的潤滑油被逐漸擠壓出接觸面，潤滑狀態由流體潤滑過渡到混合接觸潤滑，最后形成邊界潤滑。實際接觸面積和潤滑狀態是影響紙基摩擦材料性能的重要因素。

H.Gao[2]利用Weibull密度分布建立了紙基濕式摩擦材料的微觀接觸模型，并用此模型研究了摩擦材料在接合過程中的實際接觸面積，研究發現摩擦材料的表面粗糙度和偏斜度對實際接觸面積都有較大影響。Yubo Yang等[3]利用熱力學知識建立了紙基摩擦材料熱傳遞的數學模型，并分析了紙基摩擦材料表面在接合過程中的溫度分布和衰退機理。研究發現接合過程中90%的熱量被摩擦片吸收，并在摩擦片厚度的方向形成溫度梯度，衰退速率是溫度的函數。

磨損是2個相互接觸的固體表面在滑動、滾動或沖擊運動中的表面損傷或脫落。在大多數情況下，磨損是表面微凸體相互作用而引起的。紙基摩擦材料的磨損機理與其他材料類似，即主要由粘著磨損（咬合磨損）、磨粒磨損及疲勞磨損組成。在磨損過程中，微凸體的局部溫度會升高，如果熱量來不及被帶走，會使耐熱性差的組分發生熱分解或碳化，引起材料的熱衰退，進而導致摩擦材料更容易發生磨損。

鐘新林等[4]以劍麻纖維、芳綸纖維、酚醛樹脂為原料，通過造紙工藝制備紙基摩擦材料，并在濕式摩擦試驗機上進行磨損試驗。將磨損樣品用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察，紙基摩擦材料磨損后，其表面發生纖維磨損、界面分離，并形成磨屑、磨粒。紙基摩擦材料的磨損機理主要為粘著磨損和疲勞磨損，這2種機理通過組分磨損、界面破壞和磨屑及磨粒形成表現出來。而磨粒磨損不構成該材料的有效磨損。熱性能分析結果表明，摩擦材料在摩擦過程中發生了明顯的熱降解。

粘著磨損和熱衰退是紙基摩擦材料老化的主要機理。Ompusunggu A P等[5]分別研究了粘著磨損和熱降解對紙基摩擦材料性能的影響。研究發現，隨粘著磨損的進行紙基摩擦材料的表面形貌發生變化，實際接觸面積增大，摩擦系數隨之增大；另一方面，熱降解會導致紙基摩擦材料的結構發生變化，材料性能下降，進而摩擦系數降低。

2 原料配方的優化

紙基摩擦材料是纖維增強樹脂基復合材料，一般由纖維、粘合劑、摩擦性能調節劑、填料等組分構成。因其采用造紙的方式生產坯體，之后經過浸漬樹脂、熱壓固化而成，所以被稱為紙基。紙基摩擦材料的組成是影響材料性能的主要因素。為了提高紙基摩擦材料的摩擦磨損性能，國內外的研究者在原料配方方面進行了大量研究。

2.1 增強纖維

增強纖維是摩擦材料的重要組成部分。早期使用的增強纖維主要是纖維素纖維或石棉纖維。但纖維素纖維耐熱性能較差，適用載荷較低；石棉纖維雖然較好地解決了載荷適用性問題，但有害健康和環境污染使其應用受到了限制。

徐子才[6]采用竹纖維為增強纖維，制備了一種摩擦性能優良的紙基摩擦材料，但其耐熱性較差。李賀軍[7]開發了碳纖維增強紙基摩擦材料，材料耐熱性能優異、動摩擦系數高、摩擦性能穩定、磨損率低，但其成本較高。

近年來混合纖維在紙基摩擦材料中應用受到廣泛關注。混合纖維可以通過性能的優勢互補來滿足摩擦材料的性能要求。Kitahara等[8]使用20%～40%的碳纖維和20%～40%的Kevlar纖維替代天然纖維漿泊，制備的摩擦材料的摩擦性能和耐熱性能均有所改善。Yukio Ikuta等[9]使用微原纖化的苧麻纖維、棉纖維和芳綸纖維為增強纖維，提高紙基摩擦材料在高壓、高速下的耐磨損性能。章少陽等[10]開發了一種紙漿纖維、芳綸纖維、玻璃纖維增強的紙基摩擦材料，其摩擦性能與含石棉的紙基摩擦材料的摩擦性能相當，而其磨損率1.39×10-5～1.46×10-5 mm3/J，低于石棉紙基摩擦材料的磨損率1.50×10-5 mm3/J。

2.2 粘合劑樹脂

紙基摩擦材料的各組分在粘合劑的作用下粘結為一個整體，并使材料具一定的力學性能和摩擦磨損性能。

酚醛樹脂因具有良好的耐熱性、高的力學強度和相對高的耐磨性，一直是摩擦材料的首選粘合劑材料。但由于交聯度高、硬度大、韌性差、易在界面上產生應力裂紋，存在與偶盤貼合性不好、初期摩擦系數小、在高溫和高載荷情況下耐久性差、高溫狀態下易對偶盤產生熱斑等缺點。解決上述問題的途徑是使用改性酚醛樹脂或混合樹脂。

Makoto[11]利用P-壬基苯酚改性酚醛樹脂作為粘合劑，P-壬基苯酚占樹脂粘合劑總量的5%～60%。制得的摩擦材料具有較穩定的摩擦系數、較高的耐熱性和抗磨損性，有效地抑制了熱斑的形成。梁云[12]以三聚氰胺、腰果殼油改性酚醛樹脂和丁腈改性酚醛樹脂為對象進行了相關研究。結果表明，丁腈改性酚醛樹脂制備的材料耐熱性較好，摩擦系數適中，磨損率低，且壓力穩定性和轉速穩定性相對較好，離合曲線平穩，摩損前后材料表面的孔隙適中，綜臺性能相對于三聚氰胺、腰果殼油改性酚醛樹脂較優。

Marc[13]以酚醛樹脂和硅樹脂的混合物為粘合劑。Masahiro[14]以可溶性酚醛樹脂和硅烷偶聯劑的水溶液作為粘合劑，所制得的摩擦材料具有較高的摩擦系數，壓縮疲勞性能好且摩擦系數隨滑動速度的增加而增大。

2.3 摩擦性能調節劑和填料

摩擦性能調節劑和填料的作用是調節紙基摩擦材料的摩擦磨損性能，同時降低摩擦材料的成本。

摩擦性能調節劑按其作用可分為增摩劑和減摩劑。常用的減摩劑主要為具有層狀結構的柔軟固體，如石墨。李賀軍等[15，16]研究發現，隨著石墨粒度的減小和石墨含量的增加，紙基摩擦材料的動、靜摩擦系數減小，磨損率降低，且制動穩定性較好。陸趙情等[17]在紙基摩擦材料中加入了質量分數為10%～15%的片狀石墨；而James M.Lee[18]以活性炭代替石墨作為摩擦性能調節劑，其多孔結構更有利于潤滑油的流動，進而控制摩擦材料在使用過程中的熱降解。在碳纖維增強紙基摩擦材料中，碳纖維的自潤滑作用將減小材料的摩擦系數，降低制動效率，因此必須使用一定量的增摩劑以提高摩擦系數。常用的增摩劑是一些硬質固體顆粒，如氧化鋁、碳化硅、氧化硅、氮化硼等。例如，李賀軍[19]在制備碳纖維增強紙基摩擦材料時加入了質量分數2%～15%的氧化鋁。

硅藻土具有多孔結構且價格低廉，是紙基摩擦材料中最常用的填料。在實際應用中經常同時加入多種摩擦性能調節劑和填料以獲得較好的綜合性能。Shun kitahara[20]在紙基摩擦材料中加入了質量分數為10%的腰果殼粉和20%的硅藻土作為填料。Matsumoto[21]使用了腰果殼粉、樹脂顆粒和橡膠顆粒作為摩擦性能調節劑，并使用硅藻土和粘土作為填料。

3 制備工藝的優化

紙基摩擦材料的工藝流程如圖1所示。

近年來紙基摩擦材料的生產工藝也有了進一步發展。許多紙基摩擦材料都采用了雙層結構。Lam R C[22]提出支撐層使用棉纖維和非線性彈性纖維為增強纖維，摩擦層使用碳纖維、芳綸纖維和酚醛纖維為增強纖維。所制得的摩擦材料基層孔隙率較高，具有黏彈性和吸油率，而摩擦層具有較高的耐熱性和強度。林榮會[23]先按照造紙工藝制備出摩擦層和支撐層，將摩擦層和支撐層疊合在一起進行壓榨脫水和真空干燥，然后浸漬納米酚醛樹脂，并熱壓固化。

范培育[24]在紙基摩擦材料預制體表面涂覆碳納米管摩擦層，然后粘合劑浸漬，并熱壓、固化，所制得的紙基摩擦材料耐熱性較高，摩擦性能穩定，但在使用過程中易脫層。黃劍鋒[25]將碳納米管分散于十二烷基磺酸鈉溶液中，然后加入短切碳纖維、竹纖維和硅藻土，抄片，干燥，浸漬，固化，克服了以往工藝將碳納米管作為增強層添加到濕式摩擦材料中所帶來的脫層現象，有效降低了磨損率。

Robbert A Todd[26]先后用酚醛樹脂和硅酸乙酯的水解溶液浸漬紙基摩擦材料預制體。Lam[27]利用含有摩擦調節劑納米顆粒的粘合劑浸漬基體材料，使摩擦調節劑納米顆粒均勻地沉積在增強纖維表面。制得的紙基摩擦材料具有穩定且良好的摩擦性能，并提高了摩擦材料的抗振動性、耐熱性、耐久性和強度。

4 油槽結構的設計

摩擦片的結構形式特別是表面狀態（如油槽的形狀和分布）對濕式離臺器和制動器的動態性能有很大的影響。楊化龍等[28]研究發現油槽對碳纖維增強紙基摩擦片的摩擦制動性能和耐熱性有較大影響。具有油槽的紙基摩擦片在動摩擦系數及穩定性方面有較大提高， 靜、動摩擦系數更接近， 其中雙圓弧槽摩擦片摩擦系數性能最好；無槽摩擦片耐熱性能較差， 平行槽摩擦片耐熱性能最優異。

洪躍等[29]采用微凸體接觸模型的威布爾分布，建立了基于Patir-cheng平均流量模型及威布爾分布的接觸因子的摩擦副研究分析模型；并討論了油槽寬度對嚙合性能的影響。結果表明在溝槽數量一定的情況下，溝槽越寬，摩擦副嚙合實際接觸面積減小，嚙合轉矩的峰值變小；軸向力一定的情況下，延緩后期嚙合過程，嚙合時間變長；反之，嚙合時間變短。

高曉敏[30]對不同表面溝槽的摩擦片進行了研究，得到了7種典型摩擦片表面溝槽的摩擦特性曲線以及對動態特性的影響。

Akira Tsuboi [31]提出在摩擦片表面留出大量的油槽，間隔分布在摩擦片表面，當摩擦盤轉動時，具有卸油角的油槽使潤滑油從摩擦材料內圍流入外圍，而具有流入角的油槽使潤滑油從摩擦盤外圍流入內圍。不僅提高了摩擦片在接合過程中的摩擦性能，而且降低了離合器處于分離狀態時由潤滑油的黏性引起的阻力。

5 結語

盡管紙基摩擦材料在挖掘機、裝載機等領域得到應用，但仍集中在負載相對較低的叉車領域。開發出具有高能量吸收能力的紙基摩擦材料，成為工程機械用紙基摩擦材料亟待解決的一個難題。

我國摩擦材料產業起步較晚，相對于國外還存在較大的差距，因此還需在該領域進行大量實驗和理論研究。

參考文獻

[1]賀奉嘉，黃伯云.汽車制動摩擦材料的發展[J].粉末冶金技術，1993，11（3）：213-217.

[2]Gao H， Barber G C.Microcontact model for paper-based wet friction materials[J]. Journal of Tribology，2002，124（2）：414-419.

[3]Yang Y， Lam R C. Theoretical and experimental studies on the interface phenomena during the engagement of automatic transmission clutch[J].Tribology Letters，1998，5（1）：57-67.

[4]鐘林新，付時雨，周雪松，等.紙基摩擦材料的磨損機理分析[J].中國造紙，2011，30（6）：26-31.

[5]Ompusunggu A P，Sas P，Van Brussel H.Influence of adhesive wear and thermal degradation on the frictional characteristics of paper-based friction materials：A comparative study[J].ISRN Tribology，2013.

[6]徐子才，屈子梅，溫學成.一種紙基摩擦材料及其制備方法：CN，l292465A[P].200l-4-25.

[7]李賀軍，付業偉，李克智，等.碳纖維增強紙基摩擦材料及其制備方法：CN，1446875A[P].2003.

[8]Kitahara S，Umezawa S.Wet friction material：US，6130177[P].2000-10-10.

[9]Ikuta Y.Friction material for operating in oil：US，5290627[P].1994-03-01.

[10]章少陽，張元元，等.一種無石棉紙基摩擦材料：CN，101250271[P].2008-8-27.

[11]Suzuki M，Mori M.Wet friction material：US，6231977[P].2001-05-15.

[12]梁云，黃小華，胡健，等.樹脂對濕式紙基摩擦材料性能的影響[J].造紙科學與技術，2005，24（6）：69-69.

[13]Yesnik M A.Friction material comprising powdered phenolic resin and method of making same：US，5529666[P].1996-06-25.

[14]Mori M， Yagi H， Kawai S. Wet friction material：US，7491664[P].2009-2-17.

[15]費杰，李賀軍，齊樂華，等.石墨含量對紙基摩擦材料摩擦磨損性能的影響[J].摩擦學學報，2007，27（5）：451-455.

[16]張翔，李克智，李賀軍，等.石墨粒度對紙基摩擦材料摩擦磨損性能的影響[J].無機材料學報，2011，26（6）：638-642.

[17]陸趙情，張大坤，王志杰.一種高性能環保紙基摩擦材料原紙及摩擦片的制作方法：CN，101805589A[P].2010-08-18.

[18]Lee J M.Friction paper containing activated carbon：US，5989390[P].1999-11-23.

[19]李賀軍，付業偉，李克智，等.碳纖維增強紙基摩擦材料及其制備方法：CN， 1446875[P].2003-10-08

[20]Kitahara S，Muramatsu F，Umezawa S.Wet friction material and process for producing the same：US，6331358[P].2001-12-18.

[21]Matsumoto T，Umezawa S.Method of producing wet friction material and wet frictional material：US，6060536[P].2000-05-09.

[22]Lam R C.High performance two-ply friction material：US，6182804[P].2001-02-06.

[23]林榮會，方亮，李新平，等.雙層紙基摩擦材料及摩擦片制作方法：CN，1632034[P]. 2005-06-29.

[24]范培育，付業偉，李賀軍，等.碳納米管雙層紙基摩擦材料研究[J].機械科學與技術，2011， 30（12）：2107-2110.

[25]黃劍鋒，王文靜，費杰.一種多壁碳納米管改性紙基摩擦材料的制備：CN， 102943410A[P].2013-02-27.

[26]Todd R A.Friction facing with porous sheet base：US，4045608[P].1977-08-30.

[27]Lam R C，Chen Y F，Maruo K.Porous friction material comprising nanoparticles of friction modifying material：US，7429418[P].2008-09-30.

[28]楊化龍，齊樂華，付業偉，等.油槽對碳纖維增強紙基摩擦片摩擦制動性能和耐熱性的影響[J].機械科學與技術，2010，29（012）：1623-1627.

[29]洪躍，劉寶運，金士良，等.表面帶溝槽濕式離合器摩擦副嚙合過程分析[J].潤滑與密封，2007，32（12）：69-73.

[30]高曉敏，張協平，吳凡，等.摩擦片表面溝槽對離合器動態特性影響的研究[J].傳動技術，2001（3）：10-13.

[31]Tsuboi A，Kawamura S，Miyatsu M，et al.Wet clutch friction plate： US，8061498[P].2011-11-22.