水造粒技術汽車制動襯片顯氣孔率對比試驗研究

王振玉，楊 斌，王鐵山

（1.成都理工大學工程技術學院，四川 樂山 614007；2.吉林大學機電設備研究所，吉林 長春 130117）

1 概述

摩擦材料是一種多元復合材料[1]，其主要用于交通工具和機器設備中的制動器、離合器及摩擦傳動裝置，是傳遞和轉換能量的材料，摩擦材料的性能直接影響制動平穩性及安全性。

摩擦材料從配方設計的指導思想來說，不僅局限于原料組分，比例設計逐漸由傳統材料的比例設計上升到材料的內部結構設計[2]。就是從材料微觀單元的摩擦磨損特性分析入手，構思摩擦材料的內部結構。主要以水作為連橋液，采用造粒技術，使材料成為顆粒狀，并有針對性地對顆粒的內部結構進行設計，有效控制摩擦材料的密度、氣孔率、可壓縮性、導熱性、固有頻率等，不但基本解決了摩擦材料生產中的環保問題，更重要的是從理念上為新型摩擦材料的發展開辟了廣闊前景。

由于摩擦材料制動噪音與材料內部的孔隙率[3]有關，高孔隙率具有聲學阻尼功能，可顯著降低制動噪音的概率。然而，國內對于摩擦材料孔隙率的測量目前尚無標準，有關這方面的研究報道也極少。材料中開孔降低制動噪音的概率比閉孔大得多[4]，所以只要求測量摩擦材料開孔孔隙率，即顯氣孔率，其為制動襯片開口氣體體積與總體積的比值。本文應用造粒技術，通過對相同材料組分、相同生產工藝制備的制動襯片做顯氣孔率的對比試驗。

2 試驗條件及評測方法

2.1 試驗規程

根據汽車行業標準中的汽車制動器襯片顯氣孔率試驗方法(QC/T583-1999)[5]，選取SY1172工業齒輪油為浸漬液，主要試驗過程如下：

(1) 制備3組試樣，尺寸約25mm×25 m m×5mm，用120#砂紙打磨，使其表面平滑均勻，用千分尺測量，并記錄每個試樣的長、寬、厚。

(2) 用分析天平稱量，并記錄每個試樣質量m1，細銅絲將試樣扎緊，并在上端扎成吊環狀，以便懸掛。

(3) 將試樣懸浸入盛浸漬液的燒杯中，試樣與試樣、試樣與燒杯內壁不得相互接觸。在徐徐攪拌下，通過溫度指示控制儀，將油加熱至90±5℃，保持8h，見圖1。

圖1 顯氣孔率測量裝置

(4) 將試樣移入另一處于室溫的油液中，靜置浸漬12h。

(5) 將試樣從油浴器中取出，用濾紙快速擦去試樣表面附著的油滴。用分析天平稱量每個充滿油的試樣質量m2。

2.2 計算公式

式中：m1——試樣質量，g；

m2——充滿油的試樣質量，g；

ρ——室溫下油的密度，g/cm3；

V ——試樣總體積，cm3。

式中：Pi——試樣的測定值；

n ——試樣總數，n≥3。

3 制取顆粒及試樣制備

3.1 造粒原料及其配比

為使成分顆粒均勻，密實度較好，應選取顆粒直徑較小，密度較大的原料進行造粒，量取總質量為2000g，其造粒原料和配比，見表1。

根據配比，用電子稱量取各原料組分，投入角度可調式摩擦材料混料造粒機中，按照混料時間每次為2min，共混三次，每次間隔2min，將物料混和均勻。

表1 摩擦材料造粒原料及配比

3.2 造粒設備及顆粒制備

造粒設備采用吉林大學機電設備研究所制造的JF805R型槳式混料造粒機[6]。該機主要用于聚合物基復合材料配方研究的混料，適合于混制纖維材料和顆粒材料，并能應用于原材料造粒。

將混合均勻的造粒原料一次性放入造粒機中。選用水作為造粒劑，待水加熱至100℃，將量筒預熱，用量筒量取1000mL水，倒入手板式噴霧器中，將普通桿式溫度計插入，觀察其溫度降到70℃后，啟動造粒機，先低速，從料液入口采用噴霧方式加水，待濕度達到50%左右，或從觀察口觀察其無灰塵時，將絞刀和筒體速度調至高速，間歇式反復調速，在絞刀和筒體高速反向旋轉下，約6min左右，粉體幾乎全部成粒時，撥開棘爪，旋轉調整手柄，電機及絞刀整體上升，再右旋筒體，將筒體與顆粒從造粒機中取下，如圖2所示。

圖2 物料顆粒

3.3 顆粒后處理

從造粒機中取出的顆粒相對濕度較大、強度較低、顆粒形狀不一、粒徑不同，要想完好的保持顆粒形狀，將顆粒按粒徑分選開，就需要對顆粒進行熱處理、分級分選。

3.3.1 熱處理

采用熱處理箱進行熱處理，其熱處理工藝為室溫升至100℃，升溫40min，保溫1h，再升至160℃，升溫2h，保溫3h。將顆粒用接料盤盛裝放入熱處理箱的中間層，打開鼓風機，啟動程序。約經過7h，完成熱處理過程。

3.3.2 分級分選

經過熱處理后的顆粒，使用孔徑不同的標準篩對其進行分級，共分五個等級：1±0.2mm、2±0.2mm、3±0.2mm、4±0.2mm，分別見圖3至圖6。

圖3 粒徑為1±0.2mm的顆粒體

圖4 粒徑為2±0.2mm的顆粒體

圖5 粒徑為3±0.2mm的顆粒體

圖6 粒徑為4±0.2mm的顆粒體

3.4 試樣制備

以顆粒配比優化試驗研究結果[7]，本文選取粒徑為3±0.2mm的顆粒體(如圖5)為制備試樣的顆粒料。以鋼纖維和芳綸纖維按一定比例混雜為增強纖維，外加酚醛樹脂粘結劑和一些功能性填料，采用摩擦材料一次裝料熱壓成型的定比壓熱壓法[8]，再經過試樣后處理，制備3組尺寸約25mm×25mm×5mm制動襯片。不加顆粒料直接壓制的試樣稱為粉體試樣，選70%母體配方，30%顆粒直徑為3mm的顆粒料制備的試樣稱為造粒試樣。

4 結果分析與討論

4.1 浸漬液密度的計算

將處于室溫下的浸漬液注入量筒中，并測量其質量，計算浸漬液的密度，分三次測量取平均值。浸漬液密度測量及計算結果見表2。

表2 浸漬液密度測量計算結果

4.2 顯氣孔率的計算

根據式(1)和式(2)及測量結果，得出顯氣孔率測量及計算結果如表3所示。

5 結論

本文應用造粒技術，通過對相同材料組分、相同生產工藝制備的制動襯片試樣做對比試驗，在試驗范圍內，針對所選配方得出如下結論：應用造粒技術后，制動襯片的顯氣孔率提高近3倍，在熱壓過程中，使制品排氣較容易、有效減小了熱壓模腔容積、縮短了熱壓時間、提高了生產效率、降低了制品的固有頻率，并可減小制動噪音發生的可能性。

[1]FRIEDRICH K, LU Z, HAGER A M. Overview on polymer composites for friction and wear application[J]. Theoreticaland Applied Mechanics, 1993(19):1-11.

[2]王鐵山.歐洲摩擦材料先進技術的特征[J].摩擦密封材料,2002(2):1-3.

[3]YANG T L, CHIANG D M, CHEN R S, Development of a novel porous laminated composite material for high sound absorption JVC[J].Journal of Vibration and Control, 2001, 7(5): 675-698.

[4]任文堂,趙儉,李孝寬.工業噪音和振動控制技術[M].北京:冶金工業出版社,1986.

[5]中國汽車技術研究中心.汽車標準匯編(第4卷)[M].北京:中國標準出版社,2002.

[6]王振玉,宋黎,王鐵山.摩擦材料混料造粒一體機的研制[J].非金屬礦,2010,33(3):66-76.

[7]王振玉,王英,王鐵山.基于造粒技術的制動襯片顆粒配比優化試驗研究[J].中國非金屬礦工業導刊,2008(4):28-32.

[8]王鐵山,笪光艷.我國摩擦材料設備的技術與市場定位[J].非金屬礦,2002,25(2):21-57.