玄武巖纖維與玻璃纖維對汽車摩擦材料性能影響*

黃四平，于占江，王曉芳，岳建設，趙 維，王 珊

(咸陽師范學院化學與化工學院，陜西咸陽 712000)

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玄武巖纖維與玻璃纖維對汽車摩擦材料性能影響*

黃四平，于占江，王曉芳，岳建設，趙 維，王 珊

(咸陽師范學院化學與化工學院，陜西咸陽 712000)

增強纖維種類和含量是影響汽車摩擦材料性能的重要因素，在同源配方中分別采用玄武巖纖維和玻璃纖維，測試了摩擦材料的摩擦系數、沖擊強度、洛氏硬度性能。結果表明，質量分數為8%的玄武巖纖維摩擦材料比質量分數為8%的玻璃纖維摩擦材料的洛氏硬度可以提高33.8%，沖擊強度提高7.45%，且摩擦性能相對穩定，磨損率低，是制備高性能摩擦材料替代玻璃纖維的優選原料。

汽車摩擦材料，玻璃纖維，玄武巖纖維，摩擦性能

增強纖維作為汽車摩擦材料重要組成部分，科研人員在增強纖維的種類方面做了大量研究，傳統采用石棉纖維作為增強材料到現代采用玻璃纖維、碳纖維、有機纖維及其改性纖維、混雜纖維等作為增強材料[1]，取得了巨大的進步。如在玻璃纖維及其改性對摩擦材料性能影響方面，胡曉蘭等利用K2O·6TiO2(六鈦酸鉀)晶須對BOZ(苯并噁嗪樹脂)及玻璃纖維/苯并噁嗪復合材料進行改性，改性后的摩擦系數、比磨損率大大降低，磨粒磨損情況也明顯減輕，摩擦粘著情況更佳[2]；白燕等分別采用納米級的三氧化二鋁(Al2O3)、二氧化鈦(TiO2)、二氧化硅(SiO2)顆粒和碳納米管(CNTs)等通過填充的方式改性環氧樹脂(EP)/玻璃纖維(GF)復合材料，結果質量分數為1.0%的CNTs能夠使EP/GF復合材料的摩擦因數和磨損率顯著降低，加入納米Al2O3、納米TiO2和納米SiO2顆粒可大幅提高復合材料的耐磨損性能[3]；Suresha B等采用碳纖維和玻璃纖維混雜來提高摩擦性能和干滑動磨損[4]。在碳纖維及其改性方面，Namessan NO等以不同改性方法合成了性能較為優異的碳纖維基摩擦材料[5]；馬小龍等用濃硝酸和硅烷偶聯劑KH550通過改變酚醛樹脂/碳纖維復合摩擦材料的表面粗糙度、化學活性，增強碳纖維與酚醛樹脂基體之間界面結合來增強其拉伸強度、降低其磨損率[6]。在有機纖維及其改性方面，科研工作者也開展了廣泛研究，如楊博等采用真空浸漬法制備了具有優良摩擦磨損性能的單向超高分子量和三維編織超高分子量聚乙烯纖維/有機玻璃復合摩擦材料[7]；高誠輝等在其專利中，采用硼砂改性竹纖維用于汽車制動摩擦材料，其摩擦系數優良、穩定性高[8]。在混雜纖維對摩擦材料性能影響方面，混雜纖維不同，性能各異。閆建偉等以不同含量的坡縷石纖維和鋼纖維混合以增加摩擦材料的沖擊強度[9]；楊富軍等以腰果殼、三聚氰胺改性酚醛樹脂、陶瓷纖維、鈦酸晶須和碳纖維等混合制備了混雜纖維摩擦材料，在纖維含量為25%時能提高并穩定摩擦材料的摩擦系數，有效降低磨損率[10]。

這些研究主要還在科研試驗，沒有真正用在企業的摩擦材料的生產過程，而在汽車摩擦材料生產企業中，玻璃纖維仍然被大量使用，企業為了給市場提供性能更優異的汽車摩擦材料，急需要價格可接受的配方和工藝。

本研究在同源配方中，分別采用玻璃纖維和玄武巖纖維兩種無機增強材料，通過測定其摩擦系數、沖擊強度、洛氏硬度等性能來對比二者的優越性，以期實現企業化生產。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

表1 原材料規格及產地Table 1 Requirement and origin of raw material

1.2 實驗儀器

XLB-D400×400型帶模具側板式平板硫化機(西安裕華橡膠機械廠制造)；ZBC1251型擺錘沖擊試驗機(深圳三思縱橫科技股份有限公司)；BY101型混料機(鄭州軍龍制動裝備有限公司)；XDZ-B型摩擦材料制樣機(咸陽新益摩擦密封設備有限公司)；XHRD-150型電動塑料洛氏硬度計(萊州華銀實驗儀器有限公司)；XD-MSM型定速式摩擦試驗機(咸陽新益摩擦密封設備有限公司)；6202型高速粉碎機(西安裕華橡膠機械廠)。

1.3 配方設計

表2 配方設計Table 2 Formula design

1.4 實驗工藝流程

圖1 實驗工藝流程Fig.1 The flow process of the experiment

注：(1)配料時將玻璃纖維和玄武巖纖維與其它料分開放；(2)混料時先將其他料加入混料機，混2min，再將玻璃纖維和玄武巖纖維分別加入，再混30s結束。

1.5 工藝參數

(1)預成型(冷壓)工藝參數

表3 冷壓工藝參數Table 3 The process parameters of cold press

(2)熱壓工藝參數

表4 熱壓工藝參數Table 4 The process parameters of heat press

(3)熱處理工藝

表5 熱處理工藝Table 5 The process and its parameters of heat treatment

1.6 性能測試

按照熱壓工藝對試驗所用的物料進行壓制成型熱處理得到所需的成品，對成品進行硬度、摩擦磨損性能、沖擊強度的測試，操作規范與流程按照以上實驗設備測試原理中的步驟[11-12]。

2 結果與討論

2.1 洛氏硬度測試結果

圖2 兩種配方平均洛氏硬度值Fig.2 The average rockwell hardness of two formulation

從圖2可知，含有質量分數為8%玻璃纖維的摩擦試樣，其平均洛氏硬度為29.5HRM，而改變為質量分數為8%玄武巖纖維的試樣，其平均洛氏硬度為39.4HRM，比玻璃纖維摩擦樣品的洛氏硬度提高了33.8%。也就是，采用玄武巖纖維可以有效提高摩擦材料的硬度。

2.2 沖擊強度測試結果

表6 沖擊強度實驗數據Table 6 The test data of the impact strength

2.3 摩擦磨損測試結果

圖3 兩種配方摩擦材料的摩擦系數隨溫度變化Fig.3 The tend of friction cofficient of two kinds friction materials with temperature

測試過程，試樣長寬尺寸為25mm×25mm，厚度為5mm～7mm，摩擦盤轉速為500r/min，壓緊力均為0.98MPa，圓盤材質符合JC/T 1065-2007定速式摩擦試驗機的標準規定[14]。整個摩擦磨損實驗過程一切正常，摩擦材料無起泡，無裂紋。圖3是加熱過程和降溫過程中摩擦片摩擦系數隨溫度的變化趨勢圖，可以看出，含玻璃纖維(配方1)摩擦材料的摩擦系數μ隨溫度升高而增大，在150℃時就達到了最大值0.42，隨后隨溫度升高而迅速降低，在300℃達到最低值為0.30，隨溫度降低，摩擦系數又增大，在200℃又達到最大0.37，隨后降低又增大；含有玄武巖纖維(配方2)摩擦材料的摩擦系數μ隨溫度升高而也增大，在200℃達到最大0.41，隨后降低，在300℃達到最低0.32，當溫度降低時，其摩擦系數隨溫度降低又升高，在250℃達到最大值0.39，隨后一直降低。機械和車輛要求摩擦材料的摩擦系數應該合適而穩定，理想的摩擦系數應有理想的冷摩擦系數和可以控制的溫度衰退[15]。從圖中可以看出，二者的冷摩擦系數都比較合適，含有玄武巖的摩擦材料摩擦系數相對穩定，而含有玻璃纖維的摩擦材料摩擦系數在各個穩定段跳躍的幅度較大。

從圖4中可以看出，兩種配方試樣的磨損率變化趨勢基本一致，隨溫度的變化總體穩定，溫度升高磨損率先緩慢增大隨后降低，在200℃以上，磨損率增大加快，在250℃磨損率達到最大，但是含有玄武巖纖維的摩擦材料磨損率較低，這一方面與摩擦材料使用的酚醛樹脂熱分解有關，另一方面與不同纖維有關，玻璃纖維性脆，比表面積小，較難分散，且玻纖的表面光滑并附有油脂，不能很好地與樹脂和填料結合，有時會發生纖維與粉狀料分離的現象，混料攪拌時易被鉸刀打斷，易結團造成組分分布不均勻，使其增強效果較差、摩擦系數波動較大和磨損率較大。而玄武巖的分散性極好，并且它的表面用硅烷偶聯劑進行了改性，極易在短時間內吸附其他物料并且混合均勻，使其高強度性質充分發揮，所以帶有玄武巖纖維的摩擦片硬度較高，磨損率較低。

圖4 兩種配方摩擦材料的平均磨損率Fig.4 The tend of average wear rate of two kinds friction materials with temperature

3 結論

通過對比，含有8%玄武巖纖維的摩擦材料與含有8%玻璃纖維的摩擦材料性能相比較：

(1)含玄武巖纖維的摩擦材料與含玻璃纖維的摩擦材料相比，洛氏硬度可以提高33.8%，沖擊強度提高7.45%，有利于提高汽車的耐久性和安全性能。

(2)含玄武巖纖維的摩擦材料與含玻璃纖維的摩擦材料相比，都有較好的摩擦系數，但含玄武巖纖維的摩擦材料有更穩定的摩擦系數和相對較低的磨損率，這使得汽車摩擦材料有理想的舒適性和低噪音性。這使得在汽車摩擦材料制造中，玄武巖纖維代替玻璃纖維成為制造高端摩擦材料一個較好的選擇。

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[3] 白艷，任寶利.納米填充環氧樹脂/玻璃纖維復合材料的摩擦磨損性能研究[J].中國塑料，2013，27(05)：69-72.

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Effects of Basalt Fiber and Glass Fiber on Properties of Motor Vehicle Friction Materials

HUANG Si-ping，YU Zhan-jiang，WANG Xiao-fang，YUE Jian-she，ZHAO Wei，WANG Shan

(Xianyang Normal University，School of Chemistry and Engineering，Xianyang 712000，Shaanxi，China)

The type and content of reinforcing fiber is an indispensable factor to motor vehicle frictonal material. It is used of the glass fiber or basalt fiber as the reinforcing fiber in the homologous formulation. The performance of friction coefficient，impact strength，rockwell hardness were tested in the paper. The results showed that the friction property of basalt fiber in friction material was better than that of glass fiber.

motor vehicle friction materials，glass fiber，basalt fiber，property

陜西省科技廳項目(NO：2014JM2-5062)

黃四平，副教授，主要從事有機化工和材料學研究；E-mail：huangsiping1971@163.com；Tel：15029306491

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