碳纖維含量對濕法混料摩擦材料性能的影響

朱綿鵬，李張義，石志剛，張 振（.咸陽非金屬礦研究設計院有限公司，陜西 咸陽 70；.永嘉縣質量技術監(jiān)督檢測研究院，浙江 永嘉 500；.國家非金屬礦制品質量監(jiān)督檢驗中心，陜西 咸陽 70）

碳纖維含量對濕法混料摩擦材料性能的影響

朱綿鵬1，李張義2，石志剛3，張 振3
（1.咸陽非金屬礦研究設計院有限公司，陜西 咸陽 712021；2.永嘉縣質量技術監(jiān)督檢測研究院，浙江 永嘉 325100；3.國家非金屬礦制品質量監(jiān)督檢驗中心，陜西 咸陽 712021）

【摘 要】本文研究碳纖維含量對濕法混料所制備摩擦材料性能的影響。三種條件(標準：500r/min、0.98MPa；高速：1 000r/min、0.98MPa；高壓：500r/min、1.96MPa)的摩擦磨損試驗均表明，從低溫到高溫的升溫過程，含碳纖維摩擦材料的摩擦系數(shù)穩(wěn)定，或略有升高，沒有熱衰退發(fā)生；在高速、高壓的工況下，含碳纖維材料具有較低的磨損率。當碳纖維含量在2%～10%時，隨著碳纖維含量增大，材料的磨損率先減小后增大，當碳纖維含量為6%時，材料的摩擦磨損性能為最優(yōu)。

【關鍵詞】碳纖維；濕法混料；摩擦材料；磨損

1　前言

隨著物流業(yè)的發(fā)展，車輛向高速、重載等方向發(fā)展已經(jīng)成為一種趨勢，對制動摩擦材料的性能要求也越來越高，特別是在高速高壓條件下的穩(wěn)定性和耐磨性等要求日益突出。傳統(tǒng)的石棉摩擦材料在高溫制動時容易出現(xiàn)摩擦性能“熱衰退”，并且產(chǎn)生的石棉粉塵對人體有致癌的危害。因此，許多國家都以玻璃纖維、礦物纖維、鋼纖維、芳綸纖維和碳纖維等代替石棉，制成無石棉摩擦材料。其中碳纖維具有密度小、比強度高、耐磨性好的優(yōu)點，并具有極好的耐腐蝕和耐高溫性能，是石棉在摩擦材料中的理想替代品。已有國內外研究者對碳纖維在摩擦材料中的應用進行了大量研究[1-4]。張西奎等[5-6]研究了碳纖維含量對摩擦材料性能的影響，所制備的摩擦材料由干法混料制成，其中樹脂在制備材料時，在160℃條件下，60s左右迅速凝膠，碳纖維表面非常光滑，樹脂不能對碳纖維起到很好的浸潤作用，不能充分發(fā)揮碳纖維的功效。采用液體酚醛樹脂濕法混料，能夠使碳纖維和樹脂充分地浸潤，有助于提高碳纖維和樹脂的結合強度，充分發(fā)揮碳纖維的功效。本文采用濕法混料制備含碳纖維摩擦材料，考察不同碳纖維含量的摩擦材料在高速高壓條件下的摩擦磨損性能，為碳纖維在摩擦材料中的應用進行探索和提供參考。

2　試樣制備和試驗方法

2.1 試樣制備

(1) 試驗用摩擦材料的主要原料及其產(chǎn)地。

硼改性液體酚醛樹脂(2165)：海鹽華強樹脂有限公司；碳纖維(12K)：東麗公司；芳綸：帝人公司；陶瓷纖維：咸陽非金屬礦研究設計院有限公司；NACF纖維：南京索沃新材料科技有限公司。

(2) 試驗用摩擦材料的試樣配方。

NACF纖維：10；2165樹脂(按含固量計)：10；陶瓷纖維：10；碳纖維：X；芳綸：3；填料：67-X(填料由石油焦、人造石墨、鉻鐵礦粉、硫鐵礦粉、碳酸鈣等組成)。

(3) 碳纖維的含量。

碳纖維含量與試樣編號對應關系為：0—D0、2% —D1、4%—D2、6%—D3、8%—D4、10%—D5。

2.2 材料壓制工藝方法

(1) 混料工藝采用捏合機進行混料，捏合機上具有加熱裝置。在捏合機中捏合60min，在混料過程中持續(xù)加溫到60℃為止。

(2) 試樣壓制工藝壓制時壓力為30MPa，壓制開始時4 0、3 0、2 0、1 0 s各放氣一次，保壓時間10min，壓制溫度170℃。

(3) 試樣的熱處理工藝為熱處理從160℃開始，每上升10℃保溫1h直到220℃，在220℃保溫4h，然后隨爐冷卻。

2.3 試驗方法

根據(jù)國家試驗標準GB5763-2008《汽車用制動襯片》摩擦磨損性能測定法制作試樣。采用XDMSM定速式摩擦試驗機，進行500r/min、0.98MPa條件下材料的摩擦磨損性能測試，采用QDM150可調速調壓干式摩擦材料試驗機，分別進行1 000r/ min、0.98MPa和500r/min、1.96MPa條件下材料的摩擦磨損性能的測試。

3　試驗結果分析

3.1 500r/min、0.98MPa條件下的摩擦磨損性能

在500r/min、0.98MPa條件下6種不同配比的摩擦磨損性能數(shù)據(jù)見表1。

表1　500r/min、0.98MPa條件下D0～D5的摩擦磨損性能

由表1可以看出，沒加碳纖維的試樣D0在低溫條件下摩擦系數(shù)高，但是在350℃時出現(xiàn)明顯的熱衰退現(xiàn)象，其摩擦系數(shù)大幅下降。而其他添加了碳纖維的試樣D1～D5在低溫條件下摩擦系數(shù)較低，但在高溫條件下摩擦系數(shù)隨溫度的上升有穩(wěn)步提升的趨勢，即使是添加了少量的碳纖維(2%)試樣，也不出現(xiàn)熱衰退現(xiàn)象。而沒加碳纖維的試樣D0的磨損率，無論是在低溫還是在高溫下，都明顯高于含碳纖維試樣的磨損率。為了能夠更清楚、直觀的看出D0～D5這6種摩擦材料的區(qū)別，將表1中的數(shù)據(jù)繪制成曲線如圖1、圖2所示。

我無意中參與了一場巷戰(zhàn)，被路過的老師扭送到校長室。校長看著我劣跡斑斑的違規(guī)記錄，擺擺手說：“你回家去吧，以后，也不必再來了。”

圖1　500r/min、0.98MPa條件下D0～D5的摩擦系數(shù)

圖2　500r/min、0.98MPa條件下D0～D5的磨損率

從圖1可以看出，隨著碳纖維含量的增加，低溫摩擦系數(shù)逐漸降低，碳纖維含量在8%時，低溫摩擦系數(shù)最低，當碳纖維含量達到10%時，低溫摩擦系數(shù)又開始上升；高溫摩擦系數(shù)先降低，碳纖維含在4%時，高溫摩擦系數(shù)最低，然后隨著碳纖維含量的增加，逐步增高；350℃摩擦系數(shù)由低升高，碳纖維含量達到4%后，隨著碳纖維含量的增加，350℃摩擦系數(shù)逐步增高。從圖2可以看出，低溫平均磨損率、高溫平均磨損率和350℃平均磨損率具有同樣的趨勢，當碳纖維含量達到6%，磨損率最低，但高溫平均磨損率和350℃磨損率降低的幅度較大；同時也可以看出，即使添加了2%碳纖維，高溫平均磨損率和350℃磨損率也有明顯的降低，碳纖維含量達到6%后，增加碳纖維反而會使磨損率略微增大。

3.2 1 000r/min、0.98MPa條件下摩擦磨損性能

在1 000r/min、0.98MPa條件下6種不同配比的摩擦材料的摩擦磨損性能詳見表2。

由表2可以看出，沒加碳纖維的試樣D0在低溫條件下摩擦系數(shù)高，但在300℃時出現(xiàn)明顯的熱衰退現(xiàn)象，摩擦系數(shù)大幅下降。而添加了碳纖維的試樣D1～D5在低溫條件下摩擦系數(shù)較低，但在高溫條件下摩擦系數(shù)隨溫度的上升，略有提升，即使是添加了少量的碳纖維(2%)試樣，也不出現(xiàn)熱衰退現(xiàn)象。沒加碳纖維的試樣D0的磨損率，無論是在低溫還是在高溫下，都明顯高于含碳纖維試樣的磨損率。為了能夠更清楚、直觀的看出D0～D5這6種摩擦材料的區(qū)別，將表2中的數(shù)據(jù)繪制成曲線，如圖3、圖4所示。

表2　1 000r/min、0.98MPa條件下D0～D5的摩擦磨損性能

圖3　1 000r/min、0.98MPa條件下D0～D5的摩擦系數(shù)

圖4　1 000r/min、0.98MPa條件下D0～D5的磨損率

從圖3可以看出，碳纖維含量在2%時，高溫摩擦系數(shù)和350℃摩擦系數(shù)都有改善，特別是350℃摩擦系數(shù)大幅提升，碳纖維含量＞2%時，隨著碳纖維含量的增加，低溫摩擦系數(shù)、高溫摩擦系數(shù)和350℃摩擦系數(shù)都呈現(xiàn)逐步增加的趨勢。從圖4可以看出，低溫平均磨損率、高溫平均磨損率和350℃平均磨損率具有同樣的趨勢，當碳纖維含量達到6%，磨損率最低，但高溫平均磨損率和350℃磨損率降低的幅度較大；同時也可以看出，即使添加了2%碳纖維，高溫平均磨損率和350℃磨損率也有明顯的降低；碳纖維達到6%后，增加碳纖維反而會使磨損率略微增大。

3.3 500r/min、1.96MPa條件下摩擦磨損性能

在500r/min、1.96MPa條件下6種不比配比摩擦材料的摩擦磨損性能數(shù)據(jù)詳見表3。

表3　500r/min、1.96MPa條件下D0～D5的摩擦磨損性能

由表3可以看出，沒加碳纖維的試樣D0在低溫條件下摩擦系數(shù)高，但在300℃時出現(xiàn)明顯的熱衰退現(xiàn)象，摩擦系數(shù)大幅下降。而添加了碳纖維的試樣D1～D5在低溫條件下摩擦系數(shù)較低，但在高溫條件下隨溫度的上升，摩擦系數(shù)穩(wěn)定，或略有提升，即使是添加了少量的碳纖維(2%)試樣，也不出現(xiàn)熱衰退現(xiàn)象。沒加碳纖維的試樣D0的磨損率，無論是在低溫還是在高溫下，都明顯高于含碳纖維試樣的磨損率。為了能夠更清楚、直觀的看出D0～D5這6種摩擦材料的區(qū)別，將表3中的數(shù)據(jù)繪制成曲線，如圖5、圖6所示。

圖5　500r/min、1.96MPa條件下D0～D5的摩擦系數(shù)

圖6　500r/min、1.96MPa條件下D0～D5的磨損率

從圖5可以看出，碳纖維含量在2%時，350℃摩擦系數(shù)大幅提升，低溫摩擦系數(shù)大幅下降；碳纖維含量達到4%時，低溫、高溫和350℃摩擦系數(shù)都為較高的值；碳纖維含量＞4%時，隨著碳纖維含量的增加，低溫、高溫和350℃摩擦系數(shù)都變化不大，呈現(xiàn)小幅下降的趨勢。從圖6可以看出，低溫平均磨損率、高溫平均磨損率和350℃平均磨損率具有同樣的趨勢，當碳纖維含量達到6%，磨損率最低；同時也可以看出，碳纖維含量在2%時，低溫平均磨損率、高溫平均磨損率和350℃磨損率有所降低，但并不明顯。

對比圖1、圖3和圖5可以看出，碳纖維含量為6%時，低溫、高溫和350℃摩擦系數(shù)之間的間距均為最小或較小。由此表明：碳纖維含量為6%的材料，在制動溫度變化、速度變化、壓力變化的條件下，均能維持極為穩(wěn)定的摩擦系數(shù)，摩擦系數(shù)變化的范圍極小。對比圖2、圖4和圖6可以看出，碳纖維含量為6%時，低溫、高溫和350℃磨損率隨碳纖維含量變化，具有相同的變化規(guī)律，碳纖維含量為6%時，磨損率均為最低。由此表明：碳纖維含量為6%的材料，在制動溫度變化、速度變化、壓力變化的條件下，均能維持很小的磨損率。故碳纖維含量為6%，是濕法混料摩擦材料的優(yōu)化質量比例。

4　結語

(1) 在摩擦材料中使用碳纖維，在多種工況條件下，均具有使摩擦系數(shù)穩(wěn)定的特點，即從低溫到高溫，摩擦系數(shù)維持不變或略有升高，沒有熱衰退現(xiàn)象發(fā)生，并能較大幅度地降低材料的磨損率；即使使用2%的碳纖維含量，摩擦磨損性能也具有明顯的改善。

(2) 當碳纖維含量在2%～10%時，隨著碳纖維含量增大，材料的磨損率先減小后增大，當碳纖維含量在6%時，材料的磨損率最低；在高速條件下，隨著碳纖維含量增大，摩擦系數(shù)略有提升；在高壓條件下，碳纖維含量的變化，對摩擦系數(shù)影響不大。

(3) 碳纖維含量為6%時，在制動溫度變化、速度變化、壓力變化的條件下，均能維持極為穩(wěn)定的摩擦系數(shù)、很低的磨損率。6%的碳纖維含量是濕法混料摩擦材料的優(yōu)化質量比例。

【參考文獻】

[1]李建利,張元,張新元.碳纖維復合材料摩擦片的發(fā)展及其應用前景[J].材料開發(fā)與應用,2012,27(2):107-111.

[2]關慶豐,萬明珍,鄒陽,等.碳纖維增強摩擦材料的摩擦表面層[J].摩擦密封材料,2012(3):69-74.

[3]SATAPATHY B K, BIJWE J. Performance of friction materials based on variation innature of organic fibres[J]. Wear, 2004, 257: 585-589.

[4]SAFFAR A, SHOJAEI A, ARJMAND M. Theoretical and experimental analysis of the thermal, fade and wear characteristics of rubber-based composite friction materials[J]. Wear, 2010, 269: 145-151.

[5]張西奎,王成國,王海慶,等.碳纖維含量對摩擦材料性能的影響[J].機械工程材料,2003,27(7):49-51.

[6]張西奎,王成國,王海慶.碳纖維增強汽車摩擦材料的研究[J].汽車工業(yè)與材料,2003(4):9-11.

Effects of Carbon Fiber Content on Properties of Wet-mixed Friction Materials

ZHU Mian-peng1, LI Zhang-yi2, SHI Zhi-gang3, ZHANG Zhen3
(1.Xianyang Research & Design Institute of Non-metallic Minerals Co., Ltd., Xianyang 712021, China; 2.Yongjia County Bureau of Quality and Technical Supervision, Yongjia 325100, China; 3.China National Non-metallic Mineral Products Quality Inspection Test Center, Xianyang 712021, China)

Abstract:The objective of this article was to study the influence of carbon fiber content on the friction behavior of wet-mixed friction material. It was shown by the experimental results of three friction performances (500r/min and 0.98MPa, 1000r/min and 0.98MPa, 500r/min and 1.96MPa) that friction material with carbon fiber possessed stable friction coefficient that did not decrease at elevated temperature, resulting in no occurrence of heat-fade, and low wear rates for the material were observed under the conditions of high temperature, high speed and high pressure. When carbon fiber content was in the range of 2%～10%, the ware rate of friction material decreased and then increased as the content of carbon fiber increased. As a result, a carbon fiber content of 6% would provide friction material an optimum friction performance.

Key words:carbon fiber; wet mixed; friction materials; wear

【收稿日期】2015-03-10

【文章編號】1007-9386(2015)04-0014-04

【文獻標識碼】A

【中圖分類號】TB322