紙基摩擦材料坯體組分的研究現狀

李坤鵬 趙傳山 吳朝軍 姜亦飛 韓文佳

(齊魯工業大學制漿造紙科學與技術教育部重點實驗室,山東濟南,250353)

·紙基摩擦材料·

紙基摩擦材料坯體組分的研究現狀

李坤鵬 趙傳山 吳朝軍 姜亦飛 韓文佳

(齊魯工業大學制漿造紙科學與技術教育部重點實驗室,山東濟南,250353)

紙基摩擦材料是一種多孔性、吸油、易壓縮和回彈性能優異的摩擦材料,紙基摩擦材料坯體的組分對各項性能起著至關重要的作用。重點介紹了增強纖維(天然植物纖維、無機纖維、碳纖維、有機合成纖維、混合纖維)和摩擦性能調節劑(減摩劑、增摩劑、多種調節劑混合)2種坯體組分的研究進展,通過對各種紙基摩擦材料綜合性能總結對比,提出采用環境友好、耐高溫、摩擦因數穩定、磨損率低的材料和優化各組分結合的方式將成為坯體組分研究的主要方向。

紙基摩擦材料；增強纖維；摩擦性能調節劑

紙基摩擦材料使用造紙技術和工藝制造,采用復合原理,不僅克服了單一材料的缺陷,而且可以通過不同原料之間的性能組合來發揮單一組分本身所沒有的新性能,比單一材料具有更優異的綜合性能。紙基摩擦材料制備的簡易工藝流程如圖1所示,先將坯體的組分充分混合,采用造紙的方法成形制得坯體,然后干燥并浸漬樹脂,最后熱壓成型制成紙基摩擦材料。

圖1 紙基摩擦材料制備的簡易工藝流程圖

紙基摩擦材料是纖維增強樹脂基復合材料,組分按工序分為坯體和黏結劑。坯體的組分(增強纖維、摩擦性能調節劑和填料)對紙基摩擦材料的摩擦和物理等性能起著至關重要的作用。增強纖維是紙基摩擦材料的重要組成部分,是紙基摩擦材料的骨架,使材料具有好的韌性和足夠的強度,能經受住剪切、拉伸和沖擊等機械作用；摩擦性能調節劑可以調節摩擦材料的摩擦性能,改進摩擦材料的熱性能、物理性能與機械強度,降低摩擦材料的成本。通過對增強纖維和摩擦性能調節劑的研究進展進行對比,提出了關于紙基摩擦材料坯體組分的發展方向。

1 增強纖維的研究現狀

早期使用的增強纖維主要是植物纖維或石棉纖維。20世紀70年代以前,汽車多為鼓式制動,采用石棉摩擦材料,雖然石棉價格低廉、較好地解決了載荷適用性問題,但其高溫易磨損、且石棉纖維吸入肺內,人體無法代謝,易引發肺癌,使其應用受到了限制。20世紀70年代中期至80年代中期,汽車制動器向盤式制動和無石棉化發展,歐、美等發達國家和地區生產摩擦材料時已禁止使用石棉纖維。目前紙基摩擦材料研究和工程應用中所涉及的增強纖維主要包括天然植物纖維、無機纖維、碳纖維和有機合成纖維。

1.1 天然植物纖維

天然植物纖維有輕質低廉、斷裂強度和拉伸強度高、耐磨損、密度小、界面作用力增強(表面的羥基可與基體上的酚羥基形成較強的氫鍵)、環保、可降解等優異特性。馮競偉等人[1]以劍麻漿作為增強體,制備了環保型紙基摩擦材料,劍麻漿占腰果酚改性酚醛樹脂(PCF)含量的4%時,樹脂能夠較好地包覆在劍麻漿及其他組分的表面,與未添加劍麻漿摩擦材料相比,沖擊強度提高11.9%,彎曲強度提高7.1%、玻璃化轉變溫度提高10℃,同時低溫摩擦性能得到改善；添加2%和1%的劍麻漿時可減少犁溝(硬質突起的表面滑過另一個表面時產生了犁溝,犁溝增大了摩擦材料和對偶件的磨損)的產生, 但高溫熱衰退明顯,恢復性、抗磨性略有下降。Namessan等人[2]采用經絲光化處理的紅麻纖維作為增強纖維,摩擦材料的洛氏硬度為(101±1.379)HR,沖擊強度為(20.86±0.704)kJ/cm2,采用絲光化處理紅麻纖維提高了摩擦材料的硬度,增加了磨損率。Bajpai 等人[3]采用蕁麻纖維、grewiaoptiva纖維和劍麻纖維作為增強纖維,在轉速1000～3000 r/min和比壓0.5～1.5 MPa的條件下,3種摩擦材料的動摩擦因數分別為0.3～0.5、0.2～0.8、0.3～0.6,磨損率分別為2.0×10-6～7.0×10-6cm3/J、 2.9×10-6～5.8×10-6cm3/J、0.4×10-6～9.2×10-6cm3/J。

植物纖維普遍耐熱性較差,在260℃左右以上就開始熱裂解,耐磨性能也較差,而且由于表面有大量的羥基,具有較強的親水性,與疏水性的樹脂界面結合強度較差,在摩擦過程中容易產生界面分離和纖維的脫落,所以只能應用在一些速度和載荷較低的載具上或與其他纖維混合使用。

1.2 無機纖維

紙基摩擦材料所用無機纖維包括天然礦物纖維和人造無機纖維。天然礦物纖維(主要成分為各種氧化物)是從纖維狀結構的礦物巖石中獲得的纖維(如石棉纖維、硅灰石纖維、海泡石纖維等),其價格低廉、來源廣泛、耐熱性較好。郝華偉等人[4]分別用海泡石纖維、硅灰石纖維作為增強纖維,探究了兩種纖維單獨作為增強纖維制得摩擦材料的性能,研究發現,海泡石、硅灰石韌性比石棉差,使用中材料有時會出現熱龜裂(摩擦面上,因摩擦引起的加熱冷卻反復循環所致的不規則的龜殼狀裂紋,降低了摩擦材料的使用壽命)。

常用人造無機纖維有陶瓷纖維、鈦酸鉀晶須、玻璃纖維等。陶瓷纖維是一種纖維狀輕質耐火材料,具有質量輕、耐高溫、熱穩定性好、導熱率低、比熱小及耐機械震動等優點,普通陶瓷纖維又稱硅酸鋁纖維,因其主要成分之一是氧化鋁。Unno[5]采用含量1%～3%、長度大于400 μm、包含4%～10%含量氧化鋁成分長度50～200 μm的生物可溶性陶瓷纖維作為增強纖維,可溶性陶瓷纖維是以SiO2、MgO、CaO為主要成分的堿土硅酸鹽纖維,有良好的除銹性能,可以對對偶件起到一定的除銹作用,而且具有生物可溶性,有利于改善人類的生活環境,也能夠使人們免受非降解纖維的危害,由于MgO、CaO等成分的引入,耐熱性與陶瓷纖維相比較差,在其中加入氧化鋁成分可以提高耐熱性。兩種以上平均長度差值大于50 μm的生物可溶性陶瓷纖維結合使用,可以提高分散性和剪切強度。Zhang等人[6]制作了0～20%不同玻璃纖維含量的紙基摩擦材料,玻璃纖維具有高強度、高模量、高抗熱性等優良性能,玻璃纖維含量小于10%時,剪切強度隨玻璃纖維含量增加而增加,其含量大于10%時,剪切強度隨玻璃纖維含量增加而減??；在轉速1000～3000 r/min和比壓0.5～1.5 MPa的條件下,玻璃纖維含量為10%時,磨損率低至1.3×10-8cm3/J左右；動摩擦因數最穩定,為1.2～1.4。

除了在一定溫度下會分解粉化的具有結晶水結構的無機纖維外,一般的無機纖維能夠在高溫下保持結構的穩定,但無機纖維對對偶和自身的磨損較高,且韌性較差,與樹脂結合性差,界面強度低,使用中材料有時會出現熱龜裂,影響摩擦材料的使用壽命。

1.3 碳纖維

碳纖維成分的95%是碳,是由有機纖維經碳化及石墨化處理而得到的具有亂層石墨結構的微晶材料。碳纖維具有密度小(不到鋼的1/4)、摩擦因數穩定、耐高溫(沒有氧氣的情況下可以耐3000℃的高溫)、穩定性好、自潤滑性能優良、機械強度高、耐磨性能好的特點,是紙基摩擦材料的理想增強纖維。

馬小龍等人[7]使用濃硝酸和HK-550硅烷偶聯劑(氨丙基三乙氧基硅烷)對碳纖維進行表面改性,有效地提高了復合材料的界面結合強度,所制備的復合材料拉伸強度大、摩擦因數較大、磨損率較小。Fei J.等人[8]采用了長度100、400、600和800 μm的碳纖維,添加長度100 μm纖維的試樣磨損率最低,僅為1.40×10-5mm3/J；在比壓為0.5 MPa和轉速為2000 r/min的條件下,碳纖維長度從100 μm增加到600 μm,摩擦因數從0.121增加到0.134,碳纖維長度為800 μm時,摩擦因數為0.127；隨著碳纖維長度增加,磨損率和對偶盤的磨損率也變大,碳纖維長度100 μm時,磨損率低至1.40×10-5mm3/J,對偶盤的磨損率低至1.02×10-5mm3/J。Fei J.等人[9]采用了40%、45%、50%和55% 4種含量的微米級碳纖維(直徑20 μm、長度100 μm),4種摩擦材料的孔隙率分別為41.9%、39.0%、34.5%和31.2%,隨著碳纖維含量的增加,抗拉強度從21.63 MPa減少到16.33 MPa,磨損率從0.89×10-5mm3/J升高到2.87×10-5mm3/J,對偶盤的磨損率從7.25×10-5mm3/J降到0.62×10-5mm3/J,在有潤滑油潤滑的條件下,55%碳纖維含量的紙基摩擦材料有最好的摩擦性能穩定性和抗振動性能。

碳纖維是一種較為理想的增強纖維,但碳纖維與樹脂結合強度低,通常需要對碳纖維進行表面處理,而且作為單一的增強纖維使用時成本太高,現在主要還是應用在飛機、高速列車等對摩擦磨損性能有高要求的載具上。

1.4 有機合成纖維

芳綸纖維全稱為聚對苯二甲酰對苯二胺,能夠提高填料的留著率,有較好的熱穩定性(能耐400℃以上的溫度),拉伸強度僅次于玻璃纖維、石墨纖維和PBI纖維。芳綸漿粕是芳綸纖維差別化產品,芳綸漿粕表面的氨基含量是芳綸纖維的10倍,與酰胺類樹脂有更好的親和性,可與樹脂形成氫鍵從而增強界面結合強度,而且比碳纖維及玻璃纖維的分散混合性能更好。Kim S. J.等人[10]用長度2 mm的芳綸漿粕作為增強纖維,研究了芳綸漿粕含量對摩擦材料摩擦性能和物理性能的影響。無論哪種樹脂類型,相同量芳綸漿粕的摩擦材料表現出相似的物理性質。與不含芳綸漿粕的摩擦材料相比,含芳綸漿粕的摩擦材料穩定性更好,但當芳綸漿粕含量從10%增加20%時,摩擦因數略有增加,摩擦穩定性變化不大。

酚醛纖維是一種具有高度交聯結構的有機纖維,由醛和酚合成酚醛樹脂然后紡絲、固化制得的,可耐瞬時2500℃的高溫,長期使用溫度150～180℃,具有良好的耐磨性、自潤滑性,與酚醛樹脂有優良的浸潤性,酚醛纖維與酚醛樹脂形成化學交聯,再加上物理吸附和機械力的交互作用,因此結合性強。張海娥等人[11]添加不同含量的酚醛樹脂纖維替代部分碳纖維。隨著酚醛纖維含量的增加,材料層間剪切強度逐漸提高,而壓縮率變化較小,回彈率先增大后減小,材料耐熱性降低,磨損率逐漸降低,同時摩擦因數保持穩定。

有機纖維在常溫下強度良好,但是耐熱性不如無機纖維和碳纖維,有的有機纖維受熱會發黏和軟化,影響摩擦材料的性能和使用壽命。

1.5 混合纖維

使用單一纖維難免有性能和成本的缺陷和不足,而使用混合纖維可以發揮各種纖維的優勢,獲得較好的綜合性能來彌補單一纖維的缺陷和不足。胡健等人[12]采用劍麻纖維和芳綸纖維為增強纖維。陸趙情等人[13]采用碳纖維、芳綸短切纖維、芳綸漿粕、竹纖維和海泡石絨為增強纖維。

近年來許多研究者采用了雙層工藝混合纖維,用界面結合力強和彈性好的纖維作為支撐層的增強纖維,摩擦磨損性能好的作為摩擦層的纖維。Lam R.C.等人[14]使用非線性彈性纖維和棉纖維作為支撐層的增強纖維,使用芳綸纖維、酚醛纖維和碳纖維作為摩擦層的增強纖維,所制得的摩擦材料具有很高的摩擦因數,較強的抗振動性和極高的耐熱性,同時還具有更高的強度、耐磨性和抗噪聲能力。林榮會等人[15]采用棉短絨漿作為支撐層的增強纖維,將碳纖維和丙烯腈漿粕作為摩擦層的增強纖維。Kim Y.C.等人[16]用棉短絨和芳綸纖維作為支撐層,用棉短絨、芳綸纖維和碳纖維作為摩擦層,兩層都添加了棉短絨增加了兩層間的氫鍵結合,但摩擦層的棉短絨含量不能超過10%,否則會降低耐熱性能。

增強纖維采用混合纖維,可以彌補單一纖維的缺陷,發揮復合材料性能的優勢；雙層工藝可以充分發揮不同纖維的性能,有效降低磨損率,提高彈性、吸油性、抗振動性能、耐熱性能和摩擦因數穩定性。

2 摩擦性能調節劑的研究現狀

摩擦性能調節劑按其作用可分為減摩劑和增摩劑。減摩劑一般莫氏硬度低于2,增摩劑一般為高硬度物質,莫氏硬度通常為3～9。

2.1 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、活性炭、滑石粉、云母、金屬硫化物等,減摩劑主要作用是通過黏著摩擦機理穩定摩擦因數、減少噪聲、熱衰減和磨損。

石墨是層狀的碳單質,耐熱性、導熱性、潤滑性、化學穩定性和抗熱振性較好,是優良的固體潤滑劑, 其摩擦因數為0.001,不同粒度的石墨制得的摩擦材料摩擦因數不同,耐熱性能也不同,21 μm粒度的石墨有最好的耐熱性能和物理性能。Kolluri D.R.等人[17]選用了21、41、71、137 μm 4種粒度不同但結晶度和熱傳導系數相同的天然石墨作為減摩劑,對石墨粒度和材料熱性能的影響進行了研究。Toshiya T.等人[18]用0.5%～2.0%的硫化鋅和2.0%～5.0%的石墨作為減摩劑,與二硫化鎢425℃和二硫化鉬300～400℃的氧化溫度相比,硫化鋅在600℃以上才會分解成鋅和硫,可以防止金屬捕捉發生的同時保持足夠的耐磨性,添加0.5%～2.0%的硫化鋅可以在不降低摩擦因數的條件下,獲得較好的耐磨性能和足夠的制動力。

Lee J. M.[19]以活性炭為摩擦性能調節劑,活性炭的多孔結構使得它比石墨有更大的表面積,能加強與樹脂的界面結合,提高摩擦材料的耐磨性能,而且能使冷卻油在單個顆?？紫独锪鲃?使得產品在高溫時能夠更好地抵抗熱降解。

金屬硫化物會在摩擦材料使用過程中發生氧化反應,放出二氧化硫氣體造成環境污染,此類減摩劑的應用應逐漸減少。

2.2 增摩劑

在碳纖維增強紙基摩擦材料中,摩擦因數低將降低制動效率,因此必須使用一定量的增摩劑以提高摩擦因數。常用的增摩劑是一些硬質固體顆粒(如氧化鋯、氧化鋁、碳化硅、二氧化硅、氮化硼、蛭石等),增摩劑提高了摩擦因數,但同時增加了對偶件的磨損。

氧化鋯具有耐高溫、強度高、硬度高(僅次于金剛石)、耐磨性好等特點,但影響摩擦因數穩定性。Suzuki T.等人[20]采用氧化鋯作為增摩劑,研究表明,摩擦因數穩定性跟氧化鋯晶格常數有關；制得的摩擦材料即使在高負載下也能抑制摩擦因數的變化,摩擦因數也更穩定。

Bijwe J.等人[21]分別采用2%納米級、微米級的氧化鋁、碳化硅和二氧化硅作為增摩劑,納米級增摩劑的耐磨性能為未添加的2倍,納米二氧化硅的摩擦材料有最高的耐磨性,其次是納米碳化硅和納米氧化鋁的；而最佳綜合摩擦性能的是添加納米碳化硅的,其次是添加納米氧化鋁和納米二氧化硅的。張翔等人[22]在摩擦材料中添加了蛭石,因為蛭石是一種輕質、耐高溫、片狀多孔結構的材料,可以提高摩擦材料的摩擦性能、耐高溫性能和減震性能,隨著蛭石含量的增加,動摩擦因數先減小而后有所增大,而靜摩擦因數先增大再減小,磨損率增加；動摩擦因數隨著制動壓力和轉速的增加而減小；循環制動過程中,蛭石含量為6%時試樣具有較好的制動穩定性,靜摩擦因數為0.205,動摩擦因數為0.85～0.115,磨損率為2.0×10-5mm3/J。

2.3 不同類型摩擦性能調節劑的混合

許多研究者經常同時加入多種摩擦性能調節劑以獲得較好的綜合性能。Matsumoto T.等人[23]采用了腰果油粉、樹脂顆粒、橡膠顆粒作為混合調節劑。腰果油粉是從腰果殼油制備,可提高有機纖維和顆粒之間的界面黏合,同時減少了磨損。Ono T.等人[24]用1%～15%的γ-氧化鋁和0.3%～6%聚四氟乙烯粉作為摩擦性能調節劑制作摩擦材料,γ-氧化鋁有較大的比表面積且有耐高溫、活性高、吸附能力強、極好分散、耐磨性能好等優點,屬于活性氧化鋁,可以作為摩擦材料增摩劑使用；聚四氟乙烯粉屬于氟系聚合物,比表面積大于10 m2/g,摩擦因數0.06～0.07,潤滑性好,制得的摩擦材料有效控制了在高負荷、高速、高溫條件下制動效能的降低,使摩擦因數更加穩定。薛從強等人[25]采用不同含量的煤矸石粉,并添加銅粉和石墨,高溫階段煤矸石粉可以改善熱衰退性,穩定摩擦因數,有良好的耐熱性和熱穩定性,隨著煤矸石粉含量的增加,洛氏硬度、摩擦因數增大,而沖擊強度略有下降；煤矸石粉可以促進摩擦層的形成,含量為 20% 的試樣具有最優的摩擦和耐熱性能。Dadkar N.等人[26]采用了二氧化硅、氧化鋁、氧化鐵、氧化鈣和粉煤灰作為摩擦性能調節劑,利用粉煤灰不僅可以控制粉煤灰產生的污染也能減少成本,避免造成資源浪費,而且有較好的耐熱性能,可與樹脂建立良好的黏結界面,研究發現采用65%含量以上粉煤灰的試樣摩擦因數是0.34～0.35,少于60%的試樣摩擦因數為0.45～0.465,60%粉煤灰的試樣有更好的耐磨性、機械性能和摩擦因數穩定性。Chung K.等人[27]采用了廢輪胎和六鈦酸鉀晶須作為摩擦性能調節劑,利用廢輪胎可以減少污染,節省資源,提高摩擦材料的耐磨性；六鈦酸鉀晶須能在摩擦過程中轉移熱量,防止摩擦材料升溫過快,提高摩擦因數的穩定性,減少磨損,延長了摩擦材料的使用壽命,制得試樣的摩擦因數為0.72,磨損率為1.03×10-7cm3/J。Zhang J. Z.等人[28]采用了重晶石、銻硫化物、氮化硼、鋁粉和碳化鉭作為摩擦材料調節劑,重晶石主要成分是硫酸鋇,能提高磨損率；銻硫化物具有較低的熔點,在高溫分解后會產生銻的氧化物,在還原劑的存在下可以還原成金屬銻,防止材料在高溫下氧化燃燒,保持摩擦材料的摩擦穩定性,降低摩擦高溫下的分解率,延長材料的使用壽命,并能作為高溫條件下的無機膠黏劑和減摩劑；氮化硼具有低的熱膨脹系數和高的化學穩定性；片狀鋁粉軟而輕,有穩定的摩擦因數,能降低摩擦材料的磨損,在摩擦過程中,鋁粉末的熔化過程中吸收了大量的熱量,起著熱分散的作用,可以延長制動系統的使用壽命；碳化鉭可以減少制動片的擴散磨損,制得的摩擦材料具有良好的耐高溫性能、使用壽命長、耐磨性好、摩擦因數穩定等特性。Kumar M.等人[29]分別選用納米級的銅粉(50～200 nm)和微米級的銅粉(400～600 μm)作為磨擦材料調節劑,銅粉在制動時有提高導熱率、提供主要的接觸點和改善滑動性能的優點,而且在金屬填料中,銅粉有最高的熱導率。研究表明,制得的摩擦材料在減速和減壓時,摩擦因數為0.3～0.4,密度、硬度、熱導率、熱擴散系數等性能均隨著納米銅粉的增加而增加,納米銅粉末的最優添加量為2%。Singh T.等人[30]采用石墨、硫酸鋇、重晶石、納米黏土和多壁碳納米管作為磨擦材料調節劑,其中納米黏土能與石墨和芳綸纖維結合,在摩擦表面形成一個良好的轉移膜,能夠最大限度地減少磨損,但降低了摩擦因數；多壁碳納米管具有輕度磨粒的性質,提高了摩擦因數,但加大了磨損,納米黏土的試樣能夠提供最好的耐磨性能,碳納米管的試樣能提供較高的摩擦因數和穩定性,綜合考慮納米黏土的試樣具有最好的摩擦性能。

多種摩擦性能調節劑的混合能夠產生新的性能和優勢；納米材料具有更高的比表面積,可以促進應力的轉移；復合物中需要納米級摩擦性能調節劑的量遠低于相應傳統微米級的；納米摩擦性能調節劑具有質輕、良好延展性和可加工性的優點,并且能夠改善硬質微米摩擦性能調節劑的耐磨性能。

3 總結與展望

現階段,載具正向著高速、高載荷發展,紙基摩擦材料仍存在成本和環境問題。研究者們對紙基摩擦材料坯體的組分進行了大量相關研究,對增強纖維的研究主要集中在混合纖維的組成配比、高性能纖維和環保纖維的應用上；對摩擦性能調節劑的研究主要集中在多種摩擦性能調節劑的混合配比上,采用納米、高性能和環保材料上。紙基摩擦材料要在高速、高載荷載具上廣泛應用,需要進一步提高摩擦材料的耐熱性能和摩擦磨損性能,綜合考慮對環境的影響,淘汰污染材料,采用環境友好、摩擦性能穩定、磨損率低的材料和優化各組分的結合方式將成為紙基摩擦材料坯體組分的主要研究方向。

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(責任編輯：馬 忻)

Research Status of Main Components of Paper-based Friction Material Green Body

LI Kun-peng*ZHAO Chuan-shan WU Chao-jun JIANG Yi-fei HAN Wen-jia

(KeyLabofPulpandPaperScienceandTechnologyofMinistryofEducation,QiluUniversityofTechnology,Ji′nan,ShandongProvince, 250353)(*E-mail: lkp19891101@163.com)

Paper-based friction material has excellent performances such as properties of porosity, oil absorption, easy compression and resilience, etc. The composition of its green body plays an important role in its performance. The paper aims to introduce advances of research on two major components of green body—reinforced fiber (natural plant fiber, inorganic fiber, carbon fiber, organic synthetic fiber, hybrid fibers) and friction modifier (friction reducing agent, friction increasing agent, mix of various friction regulating agents), the integrated performances of each components were summarized from reviewing existed researches, and then they were compared respectively. A main developing direction of green bodies’ components was that the environmental friendly, material with high temperature resistant, stable friction coefficient, and low wear rate should be used as much as possible and the components combination should be optimized.

paper-based friction material； reinforced fiber； friction modifier

2016- 07-19(修改稿)

李坤鵬先生,在讀碩士研究生; 主要研究方向:特種紙、紙基摩擦材料。

TS72

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2017.02.011