ZnO晶須對碳纖維增強紙基摩擦材料性能的影響

費 杰， 張 浩， 董立社， 張立潔， 黃劍鋒， 羅 丹

(1.陜西科技大學 材料科學與工程學院， 陜西 西安 710021； 2.陜西漢德車橋有限公司， 陜西 西安 710201)

ZnO晶須對碳纖維增強紙基摩擦材料性能的影響

費 杰1， 張 浩1， 董立社2， 張立潔1， 黃劍鋒1， 羅 丹1

(1.陜西科技大學 材料科學與工程學院， 陜西 西安 710021； 2.陜西漢德車橋有限公司， 陜西 西安 710201)

以ZnO晶須作為材料改性劑，制備了不同晶須含量的碳纖維增強紙基摩擦材料.通過測試不同晶須含量樣品的孔隙率、粗糙度以及微觀形貌，研究材料結構隨晶須含量的變化規律；測試樣品的力學性能和摩擦學性能，探究了材料性能隨晶須含量變化的關系.結果表明：ZnO晶須可以改善紙基摩擦材料的均勻性，隨著晶須含量的增加，材料孔隙率先上升后下降，樣品剪切強度隨晶須含量增加而上升.當晶須含量在20%～30%之間時，樣品具有最佳綜合性能.

碳纖維； ZnO晶須； 紙基摩擦材料； 孔隙率

0 引言

紙基摩擦材料是一種工作于潤滑油條件下的摩擦材料，廣泛應用于工程機械變速箱、轎車自動變速器和摩托車離合器中.與銅基濕式摩擦材料相比，具有摩擦系數高、傳扭能力強、制動平穩、使用壽命長等突出優點[1-4].

碳纖維具有密度低、硬度大、軸向強度高、尺寸穩定性好等諸多優異性能而逐漸應用于紙基摩擦材料中.然而，由于碳纖維相對于芳綸纖維柔韌性較差，不同取向的碳纖維接觸、搭接，在紙基摩擦材料中形成大量大小不一的孔隙，使紙基摩擦材料的均勻性較差，導致紙基摩擦材料穩定性下降.為此，我們前期對比微米級與毫米級碳纖維增強紙基摩擦材料的摩擦學性能，發現微米級碳纖維明顯優于毫米級碳纖維的性能，說明孔隙結構對該類摩擦材料摩擦學性能具有極為重要影響[5].

四針狀ZnO晶須由于其良好的耐磨性和較高的強度和硬度，廣泛用作復合材料增強改性劑.此外，獨特的立體四針狀結構使其能夠更容易均勻分散在材料基體中.因此，將其加入紙基摩擦材料中，適當填充孔隙，可制備出均勻性良好的濕式摩擦材料.

基于此，本文將ZnO晶須添加到碳纖維增強紙基摩擦材料中，制備出不同晶須含量的紙基摩擦材料，研究了樣品力學性能和摩擦學性能的變化規律，結果將為該類摩擦材料的設計提供指導.

1 實驗部分

1.1 原材料和樣品制備

增強纖維：PAN基短切碳纖維，長度為800～1 000μm，直徑5～8μm；芳綸纖維，長度2～4 mm；纖維素纖維，長度2～5 mm；四針狀ZnO晶須，根部直徑，2～5μm，針狀體長度，30～100μm.粘結劑：丁腈橡膠改性的酚醛樹脂；溶劑：分析純無水乙醇等.

將短切碳纖維、芳綸纖維、纖維素纖維、ZnO晶須和水按一定比例混合制備出均勻分散的摩擦材料漿液，采用摩擦材料預制體成型器得到摩擦材料預制體，然后烘干，浸漬改性酚醛樹脂乙醇溶液.在硫化機上成型出紙基摩擦材料樣品.本文中制備了不同ZnO晶須含量的樣品，其配比如表1 所示.所使用四針狀ZnO晶須的微觀形貌及尺寸如圖1所示.

表1 各樣品原材料配比(%)

(a)放大500倍照片 (b)放大2 000倍照片圖1 四針狀ZnO晶須的SEM照片

1.2 實驗方法

采用美國麥克儀器公司全自動壓汞法孔徑分析儀AutoPoreⅣ 9510測試樣品的孔隙率和孔徑分布.

采用CFT-Ⅰ型多功能材料表面性能綜合測試儀測試樣品的動摩擦系數和磨損率.

采用美國FEI公司Q45型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察樣品的表面形貌.

采用濟南中路昌試驗機公司的WDW-50H型萬能試驗機測試樣品的剪切性能和壓縮回彈性能.

2 結果與討論

2.1 不同晶須含量樣品的結構及微觀形貌

圖2為不同ZnO晶須含量樣品的微觀形貌照片.從圖2可見，碳纖維在材料中均勻分散，形成許多大小不一的孔隙.在ZnO晶須含量較低樣品中，晶須主要分布在纖維間較小孔隙中，隨著含量增加，晶須主要堆積并填充在材料較大的孔隙中.晶須對材料孔隙的填充可以改善孔徑分布，提高材料的均勻性，有利于潤滑油在材料內部流動和改善摩擦面潤滑狀態.

(a)晶須含量0%的樣品 (b)晶須含量10%的樣品

(c)晶須含量20%的樣品(d)晶須含量30%的樣品圖2 不同ZnO晶須含量樣品的微觀形貌照片

孔隙率和孔結構是紙基摩擦材料的一項重要指標，一方面通過影響潤滑油在摩擦材料中的流動狀態，減少摩擦材料的熱磨損，另一方面影響摩擦材料表面的潤滑狀態，進而影響摩擦材料的摩擦系數及其穩定性[6,7].

圖3 (a) 和(b) 分別為不同ZnO晶須含量樣品的孔隙率和孔徑分布圖，表2為樣品的孔隙結構參數.可以看出，樣品的孔隙率隨著ZnO晶須含量的增加呈現出先增大后減小的趨勢.當ZnO晶須含量從0%增加到10%，孔隙率從37.8% 增長到40.3%，ZnO晶須含量從10%增加到40%，孔隙率下降至33.2%.同時看出，隨著晶須含量的增加，材料孔徑分布的范圍變得更寬，材料多孔結構的均勻性更好.這是由于，當添加少量晶須時，晶須主要分布在纖維間較小孔隙中，由于ZnO晶須的支撐作用，使小孔隙在制備過程中得以保留.當晶須含量超過10 %時，ZnO晶須逐漸堆積填充在較大的孔隙中，導致材料的孔隙率下降.

(a)孔隙率隨滲透壓力變化的曲線圖

(b)不同孔隙直徑大小的分布曲線圖圖3 不同ZnO晶須含量樣品 孔隙率和孔徑分布

CP?0CP?10CP?20CP?30孔隙率/%37．840．335．933．2體密度/(g/mL)1．4061．4541．5631．598

粗糙度是表征材料表面特性的重要參數，材料表面的粗糙峰在滑動過程中產生的犁溝效應是產生摩擦力的重要因素之一[8,9].圖4和表3分別為不同ZnO晶須含量樣品的三維表面輪廓圖和粗糙度參數.從圖中可以看出，隨著晶須含量的增加，材料的表面粗糙度呈現出先減小后增加的趨勢.一方面，ZnO晶須填充了材料表面的孔隙，使得材料表面趨于平整，表面粗糙度下降.另一方面，隨著ZnO晶須含量增加，晶須不可避免的沉積在材料表面，使得材料的表面粗糙峰增加，導致材料粗糙度的上升.兩種因素共同作用，導致了材料表面粗糙度的變化趨勢.

(a)ZnO晶須含量為0%的樣品

(c)ZnO晶須含量為20%的樣品

(d)ZnO晶須含量為30%的樣品圖4 不同ZnO晶須含量樣品的三維輪廓圖

CP?0CP?10CP?20CP?30Ra5．0953．8262．4545．557Rc22．36416．05311．6421．739Rq7．0575．1393．3326．993

2.2 晶須含量對樣品力學性能的影響

壓縮性能是紙基摩擦材料主要性能之一.在濕式離合器等接合-分離過程中，紙基摩擦材料產生形變，同時潤滑油從材料內部擠出和重新吸入，從而影響摩擦材料的熱磨損行為.因此，具有良好的壓縮性能是保證材料的摩擦性能和耐熱性的重要的條件之一[10,11].圖5所示為不同晶須含量樣品的壓縮率.由圖5可知，在200 N載荷下，樣品CP-20、CP-30的壓縮率僅為14%和12.7%，而CP-0的壓縮率為26.2%，相同的載荷下，樣品CP-20與CP-30的壓縮率遠遠小于樣品CP-0，這是因為，晶須有效填充于較大孔隙中，使得樣品多種尺寸的孔隙能發揮更好分散應力的作用，從而有效提高了材料的抗壓能力.這表明ZnO晶須的加入將有利于提高摩擦材料的抗壓縮性能并改善材料的摩擦磨損性能.

圖5 不同ZnO晶須含量樣品的壓縮率

在濕式離合器和制動器結合-分離過程中，紙基摩擦材料受到剪切力作用，從而產生材料的層間破損，具有良好的抵抗剪切作用的能力是保證紙基摩擦材料使用壽命的必要條件之一.圖6所示為不同ZnO晶須含量樣品的剪切強度柱狀圖.由圖6可知，不添加晶須樣品的剪切強度僅為2.23 MPa，當樣品中晶須含量提高到30%時，剪切強度為5.05 MPa，強度提高接近一倍，可見晶須的加入具有明顯的顆粒增強效果，可大幅度改善復合材料的界面結合狀態，有利于提升復合材料的摩擦磨損性能.

2.3 晶須含量對樣品摩擦學性能的影響規律

圖7所示為不同ZnO晶須含量樣品的摩擦系數隨速率變化趨勢.由圖7可以看出，隨著速率的增加，樣品的摩擦系數減小，這是由于，在較高的速度下，摩擦副表面的粗糙峰之間難以形成有效的犁溝效應，從而降低了摩擦材料與對偶間的摩擦系數[12,13].添加ZnO晶須樣品的摩擦系數隨晶須含量的增加而上升，對于添加ZnO晶須的樣品，隨著晶須含量的增加，粗糙峰數量增加，導致犁溝效應的增強；同時，材料孔隙率降低，使孔隙中擠出的潤滑油相應的減少，摩擦面的潤滑狀態變差.兩種影響因素共同作用，最終導致了摩擦系數的上升.此外，樣品CP-30的摩擦系數(0.10～0.14)高于CP-0(0.08～0.12)，說明當晶須含量為30%時，添加ZnO晶須的樣品具有比未添加ZnO晶須樣品更高的摩擦系數.

圖6 不同ZnO晶須含量樣品的剪切強度

圖7 摩擦系數隨速度變化的曲線圖

圖8所示為不同ZnO晶須含量樣品在摩擦速率為500 t/min和載荷為150 N條件下長時間持續摩擦的磨損率.由圖中可見，材料的磨損率隨著ZnO晶須的含量增加先下降后上升，同時樣品CP-20 的磨損率(1.51×10-5mm3/(N·m))比CP-0(3.02×10-5mm3/(N·m))降低50%.對比不同ZnO晶須含量樣品的粗糙度可見，樣品的磨損率與粗糙度呈同步變化的趨勢.這是因為，在濕摩擦條件下，潤滑油膜的存在，使得因實際接觸產生的粘著作用較小，摩擦力主要由表面粗糙峰嵌入導致的犁溝效應產生[14,15].當粗糙度增加時，則犁溝效應變得更加嚴重，相應的磨損加劇，導致磨損率上升.值得注意的是，未添加ZnO晶須樣品CP-0的粗糙度比CP-30低，卻表現出較高的磨損率.這是因為，ZnO晶須增強了材料的剪切強度，使材料在相同條件下，能夠抵抗粗糙峰犁溝力的作用，從而使材料具有更低的磨損率.

圖8 不同ZnO晶須含量樣品的磨損率圖

圖9所示為不同ZnO晶須含量樣品磨損后微觀形貌的背散射SEM照片.由圖9可見，樣品表面存在碳纖維拔出和縱向磨痕的磨損現象.這說明材料的主要磨損形式是碳纖維的剝離和犁溝效應導致的磨粒磨損.同時，隨著ZnO晶須含量的增加，纖維拔出的現象明顯減少，同時磨損表面變得更加光滑致密，并且在部分區域形成了摩擦膜，這使得材料的摩擦性能在摩擦過程中變得更加穩定，從而大幅度改善摩擦材料的耐磨損性能.

(a)晶須含量0%的樣品 (b)晶須含量10%的樣品

(c)晶須含量20%的樣品 (d)晶須含量30%的樣品圖9 不同ZnO晶須含量樣品 磨損形貌照片

圖10為樣品CP-20磨損后的高倍率背散射SEM照片.由圖10可清晰看到，ZnO晶須在摩擦過程中的磨平現象，而晶須周圍的碳纖維和樹脂沒有被磨平的痕跡.由此可以推斷，在磨損過程中，ZnO晶須充當了粗糙峰的作用并首先被磨平，同時由于四針狀ZnO晶須的特殊三維立體形貌及其周圍碳纖維的結合效果使ZnO晶須不易從材料基體中脫落出來，從而避免了嚴重磨粒磨損的產生.以上現象表明，ZnO晶須能明顯改善材料磨損過程，并有效保護材料基體.

圖10 樣品CP-20放大1 000倍 的磨損形貌照片

3 結論

本文研究了ZnO晶須對碳纖維增強紙基摩擦材料結構、力學和摩擦學性能的影響規律.研究結果表明，隨著ZnO晶須含量的增加，紙基摩擦材料的孔隙率呈下降趨勢，孔徑分布更加均勻；材料的剪切強度和摩擦系數呈上升趨勢，其中晶須含量為30%的樣品剪切強度和摩擦系數最高.樣品磨損率隨晶須含量的增加呈先下降后上升的趨勢，含量為20%的樣品磨損率最低.ZnO晶須能有效改善碳纖維增強紙基摩擦材料的力學和摩擦學性能，當晶須含量在20%～30%之間時，樣品具有最佳的綜合性能.

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【責任編輯：蔣亞儒】

Properties of carbon fiber reinforced paper based friction material modified by ZnO whisker

FEI Jie1， ZHANG Hao1, DONG Li-she2， ZHANG Li-jie1,HUANG Jian-feng1, LUO Dan1

(1.School of Materials Science and Engineering, Shaanxi University of Science & Technology， Xi′an 710021, China; 2.Shaanxi Hande Axle Co., Ltd., Xi′an 710201, China)

The ZnO whisker was employed as modifier for improving the homogeneity of paper based friction material.In order to study the change of material structure,we tested the porosity,roughness and SEM of samples with different ZnO whisker content.The mechanical and tribological properties of the samples were tested under different condition to explore the relationship between the properties and whiskercontent.The results indicated that the ZnO whisker can improve the inhomogeneity of the paper based friction material.With the increase of the content of the ZnO whisker,the porosity increased and then decreased.The shear strength ofsamples increased with the increase of whiskercontent.In summary,the optimum contentwith the best comprehensive performance of ZnO whisker should be between 20%～30%.

carbon fiber; ZnO whisker; paper based friction material; porosity

2016-11-29

國家自然科學基金項目(51672166)； 陜西省科技廳青年科技新星計劃項目(2014KJXX-68)

費 杰(1981-)，男，河南太康人，副教授，博士，研究方向：摩擦材料、碳基復合材料

1000-5811(2017)01-0045-05

TB332

A