非金屬礦物材料在摩擦材料中的應用

張紅林，焦紅斌（咸陽非金屬礦研究設計院有限公司，陜西 咸陽 712021）

非金屬礦物材料在摩擦材料中的應用

張紅林，焦紅斌
（咸陽非金屬礦研究設計院有限公司，陜西 咸陽 712021）

【摘 要】非金屬礦物材料以其獨特的物化性能，在摩擦材料應用中有著不可或缺的地位。本文詳細介紹了非金屬礦物材料的特征、分類，以及摩擦材料用主要原材料的基本要求。另外，結合摩擦材料生產實際，還介紹了幾種摩擦材料用非金屬礦物材料的應用和質量控制情況，對非金屬礦物材料的實際應用起到指導意義。

【關鍵詞】非金屬礦物材料；摩擦材料；應用；質量控制

1　非金屬礦物材料的特征與分類

1.1 特征

非金屬礦物材料是以非金屬礦物或巖石為基本或主要原料，通過加工制備出具有一定功能、一定使用目的材料，如功能填料、摩擦材料、密封材料、保溫隔熱材料、電功能材料、吸附催化材料、環保材料、膠凝與流變材料、聚合物/納米粘土復合材料、建筑裝飾材料等。

非金屬礦物材料主要特征有：①其原料或主要組分為非金屬礦物或經過選礦、加工的非金屬礦物；②非金屬礦物材料沒有完全改變非金屬礦物原有的物理、化學特性或結構特征；③非金屬礦物材料是通過加工制備的功能性材料。因此，非金屬礦物材料具有一定的技術含量和明確用途，而不能直接應用的原礦和加工產品不屬于非金屬礦物材料的范疇。

1.2 分類

非金屬礦物材料種類繁多，按照非金屬礦的化學成分和結構分類如表1所示。

2　摩擦材料的組成和生產要求

摩擦材料屬于高分子三元復合材料，它包括三部分：以高分子化合物為粘結劑、以無機或有機類纖維為增強材料、以填料為摩擦性能調節劑。

表1　非金屬礦物材料分類

2.1 對粘結劑的要求

摩擦材料生產中要求粘結劑具有以下性能：①要耐熱性好，有較好的熱分解溫度和較低的熱失重；②粉狀樹脂細度要高，一般為100～200目，細度越細越好；③游離酚含量要低，以1%～3%為宜；④要有適宜的固化速度(150℃下，40～60s)和流動距離(125℃下，40～80mm)。

2.2 對纖維材料的要求

摩擦材料生產中用到的纖維材料應具有以下性能：①增強效果好；②耐熱性好，在摩擦工作溫度下，不會發生熔融、碳化與熱分解現象；③具有基本的摩擦系數；④硬度不宜過高；⑤工藝(可操作性)性能好。

2.3 對填料的要求

摩擦材料生產中所用的填料應具有以下性能：①能夠調節和改善制品的摩擦性能、物理性能和機械強度；②能夠控制制品熱膨脹系數、導熱性、收縮性，增加產品尺寸的穩定性；③能夠改善制品的制動噪音；④能夠提高制品的制造工藝性能與加工性能；⑤能夠改善制品外觀質量及密度；⑥能夠降低生產成本。

3　非金屬礦物材料在摩擦材料中的應用與質量控制

非金屬礦物材料的結構和化學性能是在摩擦材料中得到使用的重要因素，但同時也不能忽視非金屬礦物材料的粒度、硬度、導熱性、熱穩定性、表面積等物理性能對摩擦材料的影響。本文選取用作增強材料的蛭石和空間填料的重晶石兩種非金屬礦物材料，介紹其應用和質量控制。

3.1 蛭石在摩擦材料中的應用與質量控制

3.1.1 蛭石的特征

蛭石是一種復雜的鐵、鎂含水硅酸鹽類礦物，屬于無機非金屬材料。分子式為(MgFe)2(SiAlFe)4O10(OH)2·4H2O。蛭石呈薄片狀結構，由兩層層狀的硅氧骨架，通過氫氧鎂石層或氫氧鋁石層結合而形成雙層硅氧四面體，“雙層”之間有水分子層。高溫加熱時“雙層”間的水分變為蒸汽產生壓力，使“雙層”分離、膨脹。

3.1.2 蛭石的分類

蛭石按階段性劃分為蛭石原礦和膨脹蛭石，按顏色分類可分為金黃色蛭石、銀白色蛭石、乳白色蛭石。

3.1.3 蛭石的物理性能及化學成分

蛭石物理性能如下：外觀呈鱗片狀、片狀或單斜晶系的假晶體，鱗片重疊，在2.54cm厚度內可疊100萬片；珍珠光澤、油脂光澤、無光澤、表面暗淡呈多種光澤；金黃、褐、褐綠、暗綠、黑色及雜色，條痕白色；密度2.2～2.8g/cm3；硬度1～1.5；松散密度1 100～1 200kg/m3；熔點1 320～1 350℃；抗壓強度100～150MPa；折射極限Ng=1.525～1.561，Np=1.545～1.581；含水量7%。

蛭石化學成分為(%)：SiO237～43、MgO 11～ 23、Al2O39～17、CaO 1～3、Fe2O35～24、其他2～9。

3.1.4 膨脹蛭石的性能

膨脹蛭石是蛭石精礦在800～1 000℃膨脹獲得的，其結構彼此共用三個頂點連接成無限六方平面網，借助剩下的活性氧離子與金屬離子相連再與平面層連接的層狀結構(如下圖所示)。

膨脹蛭石SEM圖

膨脹蛭石因其特殊成分及結構，具有以下優良性能：①由于層間粘結力弱，從而使蛭石片可分剝到20 ×10-10m的薄片，因此蛭石內外表面很大，它和基體連接比較緊密，具有較高的粘結強度，良好的剪切應力；②膨脹蛭石的熔點高達1 400℃以上，因此其具有很好的熱穩定性；③膨脹蛭石的莫氏硬度為1～1.5之間，因此使用膨脹蛭石不會劃傷制動盤；④由于膨脹蛭石的層狀結構，層與層之間容易滑動，剪切力小，因此會適當調節摩擦材料的摩擦系數，并提高材料的耐磨性；⑤膨脹蛭石具有較強的吸聲性能；⑥膨脹蛭石屬無機物，高溫時結構穩定，因此耐腐蝕。

3.1.5 膨脹蛭石在摩擦材料中的作用

摩擦材料的發展趨勢是向高性能、高舒適性(低振動和噪音)、低成本、輕量化、環保型等方向發展。膨脹蛭石由于低成本、可吸音、比重小、耐溫性、性質穩定，在降噪減震、環保方面的出色表現而廣泛用于摩擦材料。特別是盤式制動片中，可以有效降低制動噪聲，并降低制品的密度，改善并清理摩擦靜電粘貼物，增加制品彈性。

3.1.6 對膨脹蛭石的技術指標要求

膨脹蛭石應用于摩擦材料時，需控制的性能指標如表2所示。

3.1.7 膨脹蛭石的測試方法及質量控制

膨脹蛭石質量指標按JC/T 441-2009《膨脹蛭石》標準中規定的試驗方法進行。膨脹蛭石因其較大的孔隙率和比表面積，具有較強的吸附能力，而膨脹蛭石的松體積密度和粒度組成是這一性能的直接體現，因此在使用過程中需控制好松體積密度和粒度組成這兩個指標的穩定性。此外，膨脹蛭石中的雜質，特別是一些堅硬的砂粒，會在摩擦材料使用中造成對偶面的損傷。因此，企業在使用時除了控制好JC/ T441-2009《膨脹蛭石》標準中的指標項目外，還應結合自己的產品控制好膨脹蛭石的含雜量。

3.2 重晶石在摩擦材料中的應用與質量控制

3.2.1 重晶石的性質

重晶石是一種含鋇的硫酸鹽類礦物，屬斜方晶系，常見的晶體呈板狀，少數呈柱狀、條狀，也有三向等長的晶體。集合體常呈粒狀，少數呈致密狀、隱晶狀或土狀。因混入物的特性和數量不同，有白色、淺灰色、淡藍色、黃色、粉紅色、褐色、淡棕色等，也常見無色透明晶體。基于重晶石價廉、熱穩定性好、耐酸耐堿等天然特性，重晶石廣泛應用于各個領域。

3.2.2 重晶石的分類

按照礦物成分的不同，重晶石礦石可分為單礦物重晶石礦石、石英—重晶石礦石、螢石—重晶石礦石、硫化物—重晶石礦石、鐵—重晶石礦石、粘土質或砂質—重晶石礦石。

3.2.3 重晶石的物理性能及化學組成

重晶石的物理特性：密度大(4.3～4.7g/cm3)，硬度低(莫氏硬度為2.5～3.5)。重晶石的化學性能穩定，不溶于水、鹽酸，無磁性和毒性，其化學組成如表3所示。

表2　膨脹蛭石的指標要求

表3　重晶石化學組成(%)

3.2.4 重晶石在摩擦材料中的作用

化工用重晶石的品級劃分按BaSO4的含量分為：一級96%、二級90%、三級85%，摩擦材料行業用的重晶石，其規格多為BaSO4含量90%～95%，粒度為325目。

重晶石作為填料廣泛應用于摩擦材料中，可使產品摩擦系數穩定、磨耗小，特別在高溫下能形成穩定的摩擦界面，防止對對偶材料表面擦傷，使對偶磨面表面光潔，特別在高溫時對對偶盤的保護較為顯著。混料時，重晶石因比重較大而有利于提高分散性，同時也可調節壓制品表面密實度。重晶石用量的變化，不會嚴重改變產品性能的特點，可以用來調節壓制品密度、調整工藝模量、提高分散性、微調摩擦系數等。

3.2.5 對重晶石的技術指標要求

重晶石應用于摩擦材料時，需控制的性能指標如表4所示。

表4　重晶石技術指標要求

3.2.6 重晶石的檢測方法及質量控制

重晶石的各項技術指標依照標準GB/T 2899-2008《工業沉淀硫酸鋇》或HG/T 3588-1999 《化工用重晶石》中規定的試驗方法進行。重晶石在摩擦材料的應用中，除了關注粒度、含量外更應該注意到材料中所含的雜質，根據重晶石礦石的分類可知，除了單礦物重晶石礦石，其他礦石都有伴生礦，因此最終產品重晶石粉中就有可能引入不利雜質(如二氧化硅、硅酸鹽等)，從而影響摩擦材料的產品性能和應用效果。

4　結論

非金屬礦物材料因其優異的物理化學性能，會促進和改善摩擦材料的產品性能，但在使用中除了關注含量、粒度、水分等基本的性能指標外，更應關注其生產環節中雜質的控制，只有這樣，才能更好地發揮非金屬礦物材料應有的作用。

【參考文獻】

[1]張焜,程勝高.膨脹蛭石的性質及其應用前景[C]//中國礦物巖石地球化學學會第11屆學術年會論文集,2007.

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[3]高惠民.礦物復合摩擦材料[M].北京:化學工業出版社,2007.

[4]高惠民,曹獻坤,陳磊,等.蛭石摩擦材料研究[J].非金屬礦,1996 (5):62-64.

【開發利用】

Application of Non-metallic Minerals in Friction Materials

ZHANG Hong-lin, JIAO Hong-bin
(Xianyang Institute of Non-metallic Minerals Research & Design Co., Ltd., Xianyang 712021, China)

Abstract:There is an indispensable role of non-metallic mineral materials in the application of friction material, because of its unique physical and chemical properties.This paper instructed the basic performances and classification of non-metallic mineral materials, and the basic requirements of main raw materials used in the friction material. In addition, combined with the actual production of friction material, the application and quality control of several non-metallic mineral materials in friction materials were introduced, there is a guiding significance for application of these non-metallic materials.

Key words:non-metallic materials; friction material; application; quality control

【收稿日期】2015-03-06

【文章編號】1007-9386(2015)04-0004-03

【文獻標識碼】A

【中圖分類號】TB321；TF125.9