牡蠣殼粉對竹纖維增強(qiáng)樹脂基摩擦材料摩擦學(xué)性能的影響

林少芳，鄭開魁，江威

（1.福州職業(yè)技術(shù)學(xué)院交通工程系，福建福州350108；2.福州大學(xué)機(jī)械工程及自動化學(xué)院，福建福州350108）

牡蠣殼粉對竹纖維增強(qiáng)樹脂基摩擦材料摩擦學(xué)性能的影響

林少芳1，鄭開魁2，江威2

（1.福州職業(yè)技術(shù)學(xué)院交通工程系，福建福州350108；2.福州大學(xué)機(jī)械工程及自動化學(xué)院，福建福州350108）

為了研究牡蠣殼粉填料對竹纖維增強(qiáng)樹脂基摩擦材料性能的影響，本試驗(yàn)以牡蠣殼粉等為填料，改性酚醛樹脂為基體，改性竹纖維、鎂鹽晶須和無水硫酸鈣晶須為增強(qiáng)相，制備新型摩擦材料，從而探討不同粒徑和含量的牡蠣殼粉對材料的力學(xué)性能和摩擦學(xué)性能的影響.結(jié)果表明，牡蠣殼粉有助于形成大面積連續(xù)的摩擦膜，界面結(jié)合程度良好.摩擦材料具有良好的硬度和沖擊強(qiáng)度、穩(wěn)定的摩擦系數(shù)、優(yōu)良的抗熱衰退性和耐磨性，而且40目20%牡蠣殼粉（不含重晶石粉）摩擦材料的綜合性能最佳.

牡蠣殼粉；摩阻材料；摩擦學(xué)性能

近年來我國制動摩擦行業(yè)提出產(chǎn)品高性能化要求，即用戶安全效益最大、制動摩擦材料質(zhì)量性能更好、壽命使用更長和操作維護(hù)方便性更好.在市場和企業(yè)輻射帶動、反復(fù)博弈的作用下，當(dāng)前制動摩擦行業(yè)的水平越來越先進(jìn)、技術(shù)越來越成熟，摩擦系數(shù)衰退小、磨損率低、抗沖擊強(qiáng)度高等這些制動摩擦材料的基本性能已不能滿足現(xiàn)代制動摩擦材料的要求，因此研發(fā)“綠色”新型摩擦材料已經(jīng)是整個社會的必然共識.汽車制動摩擦材料在滿足制動基本前提條件下，開始提出制動振動小、無噪聲、落灰少等環(huán)保化人性化的要求.

國內(nèi)已經(jīng)有多家高校與企業(yè)合作共同開展天然纖維復(fù)合材料及其產(chǎn)品研究開發(fā)工作，全面攻關(guān)研究了天然纖維復(fù)合材料工業(yè)化應(yīng)用，取得了令人矚目的研究成果[1-3].竹纖維是一種新型再生纖維素纖維，具有高的比強(qiáng)度和良好的耐磨性，原料來源廣泛、價格低廉、透氣性好、質(zhì)量小、可生物降解，是一種高性價比的環(huán)境友好型增強(qiáng)材料.

牡蠣殼含有約95%的碳酸鈣和約5%的蛋白質(zhì)，是一種天然生物復(fù)合材料.作為一種價格低廉的無機(jī)填料，碳酸鈣的使用能使產(chǎn)品的性價比得到有效提高[4].牡蠣殼粉中的碳酸鈣晶粒為亞微米級至納米級，呈現(xiàn)有序排列.雖然牡蠣殼粉含有的蛋白質(zhì)含量很少，但它能使碳酸鈣更牢固的粘結(jié)在一起，提高貝殼的機(jī)械性能，表現(xiàn)為高強(qiáng)度和高韌性[5].這點(diǎn)和人工合成的碳酸鈣完全不同.李鳳學(xué)等[6]以蛤蜊殼粉、鋯英石、重晶石、鈦酸鉀片晶為填料，設(shè)計(jì)了含蛤蜊殼粉的陶瓷型有機(jī)摩擦材料配方，分析了蛤蜊殼粉對摩擦材料中摩擦磨損性能的影響.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，蛤蜊殼粉在摩擦材料中表現(xiàn)出良好的摩擦學(xué)性能.因此根據(jù)福建地區(qū)沿海自然資源的特點(diǎn)，可以考慮牡蠣殼粉在汽車摩擦材料中進(jìn)行應(yīng)用.

本文的粘結(jié)劑為腰果殼油改性酚醛樹脂，改性竹纖維、無水硫酸鈣晶須和鎂鹽晶須為增強(qiáng)材料，牡蠣殼粉等為填料，采用熱壓成型方法研制出新型環(huán)保制動摩擦材料，通過對制動摩擦材料的力學(xué)性能和摩擦學(xué)性能進(jìn)行研究，探討牡蠣殼粉的添加對制動摩擦材料摩擦學(xué)性能的影響.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料及制備

為了避免摩擦材料在加工或制動摩擦過程中出現(xiàn)破損等現(xiàn)象，從而引起制動失效，因此摩擦材料的設(shè)計(jì)時必須考慮其機(jī)械性能足夠好.牡蠣殼粉含量和粒徑對竹纖維增強(qiáng)摩擦材料硬度和沖擊強(qiáng)度的影響的試驗(yàn)用40目和70目篩子篩出不同粒徑的牡蠣殼粉，然后將40目和80目的牡蠣殼粉分別按0%、5%、10%、15%和20%的配比進(jìn)行配料，壓制出牡蠣殼粉含量不同的試樣進(jìn)行試驗(yàn).

不同牡蠣殼粉和重晶石粉含量對竹纖維增強(qiáng)摩擦材料性能的影響的試驗(yàn)是通過X-DM型調(diào)壓變速摩擦試驗(yàn)機(jī)測試試樣的摩擦磨損性能，研究不同牡蠣殼粉和重晶石粉含量對竹纖維增強(qiáng)摩擦材料性能的影響.配方如表1.

表1 竹纖維增強(qiáng)摩擦材料配方Tab.1 The formula of bamboo fiber reinforced friction material

為了提高竹纖維在摩擦材料中的使用性能，本試驗(yàn)對天然竹纖維進(jìn)行堿處理改性，提高樹脂基體和竹纖維之間界面的相容性和黏附性[7-10].對竹纖維的堿處理使用的儀器設(shè)備有：水浴鍋、JF980S型熱處理箱.試驗(yàn)采用熱壓成型工藝，主要是把增強(qiáng)纖維與作為基體的樹脂等材料進(jìn)行機(jī)械混合，通過模壓制樣.此方法可使制備的材料增強(qiáng)相分散較均勻，是目前汽車制動片運(yùn)用最廣泛的工藝.實(shí)驗(yàn)工藝流程如圖1所示.

圖1 摩擦材料制備工藝流程Fig.1 Flow chart of friction material preparation

在壓模成型過程中，為了保證壓制品的質(zhì)量，壓制前，應(yīng)將上下模預(yù)熱到160～170℃左右，再將混合均勻的纖維粉狀料在Y32-63T型液壓機(jī)中進(jìn)行模壓成型，成型壓力為10 MPa，保壓時間為9 min，其中增壓階段和保壓階段各排氣5次和2次，由下缸頂出模具得到成型試樣.最后將壓制試樣放入JF980S熱處理箱進(jìn)行160℃保溫12 h.

1.2 摩阻材料力學(xué)性能和摩擦學(xué)性能測試方法

摩阻材料的硬度測試采用XHRD-150型電動塑料洛氏硬度計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)，在每個試樣上分別選5個不同的點(diǎn)進(jìn)行硬度測試，最后取平均值.沖擊強(qiáng)度用XJJ-5型的簡支梁式擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)測試.試驗(yàn)時，調(diào)節(jié)支點(diǎn)間距離為40 mm±0.2 mm.每種試樣將測3根，摩阻材料的沖擊強(qiáng)度為3次試驗(yàn)的平均值.試樣尺寸為：長度25 mm±0.5 mm，厚度6 mm±0.2 mm，寬度25 mm±0.5 mm.

摩擦材料的摩擦磨損性能實(shí)驗(yàn)使用的設(shè)備是X-DM型調(diào)壓變速摩擦試驗(yàn)機(jī)，為咸陽新益摩擦密封設(shè)備有限公司生產(chǎn)的.根據(jù)GB5763-1998標(biāo)準(zhǔn)對摩擦材料試樣的摩擦系數(shù)和磨損性能進(jìn)行檢測.

試驗(yàn)過程為：

1）試片初磨：制取試驗(yàn)用的標(biāo)準(zhǔn)小樣（25 mm×25 mm×5～75 mm），在100℃、3 000轉(zhuǎn)進(jìn)行初磨，直到試片與摩擦盤接觸面達(dá)到95%以上，進(jìn)行正式試驗(yàn)；

2）正式試驗(yàn)：分別在100℃、150℃、200℃、250℃、300℃、350℃這5個溫度下進(jìn)行摩擦學(xué)性能實(shí)驗(yàn)，記錄試驗(yàn)期間的摩阻材料的摩擦系數(shù)及磨損率（電腦自動記錄），并測量不同溫度條件下試驗(yàn)后的試片質(zhì)量和厚度.測試得摩擦系數(shù)及磨損率.降溫試驗(yàn)采取一次性降溫.

1.3 摩擦磨損表面形貌觀察

試樣的磨損表面形貌采用荷蘭henom-World公司生產(chǎn)的臺式掃描電子顯微鏡進(jìn)行觀察.

2 結(jié)果與討論

2.1 牡蠣殼粉含量和粒徑對竹纖維增強(qiáng)摩擦材料硬度和沖擊強(qiáng)度的影響

從圖2可以看出，40目和80目牡蠣殼粉試樣的硬度曲線升降趨勢基本相同，都隨著牡蠣殼粉含量的增加先減低后增大，而且，只含牡蠣殼粉的試樣的硬度和只含重晶石的硬度接近.當(dāng)牡蠣殼粉含量小于10%時，可能由于試樣中組份間的粘結(jié)作用明顯減弱，因此硬度下降；當(dāng)牡蠣殼粉含量大于10%時，牡蠣殼粉和樹脂形成較好的界面結(jié)合層，硬度增大.

當(dāng)牡蠣殼粉含量相同時，40目試樣的硬度大于80目試樣的硬度.原因可能是粒徑越小，越容易形成凝聚態(tài)，導(dǎo)致樹脂和牡蠣殼粉無法混合均勻，因此40目試樣的硬度大于80目試樣的硬度.

從圖3可以看出，40目和80目牡蠣殼粉試樣的沖擊強(qiáng)度曲線升降趨勢基本相同，都隨著牡蠣殼粉含量的增加先減低后增大，當(dāng)牡蠣殼粉含量在5%～10%之間時，兩條曲線均較平穩(wěn)，牡蠣殼粉含量大于10%時，沖擊強(qiáng)度有所上升，可能是由于此時試樣中的組分之間粘結(jié)性較好，形成良好的界面結(jié)合層，因此試樣沖擊強(qiáng)度增大.

當(dāng)牡蠣殼粉含量相同時，40目試樣的沖擊強(qiáng)度明顯大于80目試樣的沖擊強(qiáng)度.原因可能是40目的牡蠣殼粉能夠比較完整地被樹脂包裹住，分散均勻，因此沖擊強(qiáng)度較高.

圖2 不同含量和粒徑的牡蠣殼粉對摩擦材料硬度的影響Fig.2 Effect of oyster shell powder with different content and particle size

圖3不同含量和粒徑的牡蠣殼粉對摩擦材料沖擊強(qiáng)度的影響Fig.3 Effect of oyster shell powder with different content and particle size

2.2 牡蠣殼粉和重晶石粉含量對竹纖維增強(qiáng)摩擦材料性能的影響

圖4 為40目牡蠣殼粉的竹纖維增強(qiáng)摩擦材料在100℃、150℃、200℃、250℃、300℃、350℃溫度下的升溫摩擦因數(shù)曲線.圖5是40目牡蠣殼粉的竹纖維增強(qiáng)摩擦材料在100℃、150℃、200℃、250℃、300℃、350℃溫度下的降溫摩擦因數(shù)曲線.

從圖4可以看出，不含重晶石粉、只含牡蠣殼粉（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%）的試樣的摩擦因數(shù)穩(wěn)定性最好，摩擦因數(shù)最高為0.39，摩擦因數(shù)曲線波動最小；只含重晶石粉的試樣摩擦因數(shù)穩(wěn)定性最差，曲線波動最大；含重晶石粉和牡蠣殼粉的試樣的摩擦因數(shù)均不大，摩擦因數(shù)最高為0.33；原因可能是牡蠣殼粉和重晶石粉不能很好的結(jié)合，使機(jī)體松散，顆粒沒有和制動盤形成一定摩擦效果，所以含牡蠣殼粉和重晶石粉的摩擦試樣的摩擦因數(shù)小.

從圖5中可以看出，試樣的摩擦因數(shù)隨著溫度的降低而減小，這說明溫度對試樣摩擦表面結(jié)構(gòu)有一定影響；不含重晶石粉、只含牡蠣殼粉（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%）的試樣的摩擦因數(shù)基本上最大，在250℃時摩擦因數(shù)達(dá)到0.53，但在恢復(fù)試驗(yàn)中摩擦因數(shù)有不同程度的波動，原因可能是摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)采用水冷，對摩擦因數(shù)具有一定的影響.

圖4 不同牡蠣殼粉和重晶石粉含量的摩擦材料在升溫條件下的摩擦因數(shù)曲線Fig.4 The friction coefficient curve with different oyster shell powder and barite powder content in heating condition

圖5不同牡蠣殼粉和重晶石粉含量的摩擦材料在降溫條件下的摩擦因數(shù)曲線Fig.5 The friction coefficient curve with different oyster shell powder and barite powder content in cooling condition

圖6 是40目牡蠣殼粉的竹纖維增強(qiáng)摩擦材料在100℃、150℃、200℃、250℃、300℃、350℃溫度下的磨損率曲線.從圖中可以看出，總體上不同牡蠣殼粉和重晶石含量的試樣磨損率隨著溫度的升高而增大.原因可能是基體結(jié)構(gòu)受溫度影響較大，溫度越大，竹纖維的碳化情況越嚴(yán)重.牡蠣殼粉含量大，摩擦材料表面粗糙度就大，形成粘結(jié)磨損和切削磨損可能性大.

圖6 不同牡蠣殼粉和重晶石粉含量的摩擦材料磨損率曲線Fig.6 The friction material wear rate curve of oyster shell powder and barite powder content

2.3 不同牡蠣殼粉和重晶石粉含量的摩擦材料的磨損形貌分析

牡蠣殼粉是有機(jī)物，作為制動摩擦材料中的填料，由于高溫情況下不可避免的熱分解和碳化現(xiàn)象等作用肯定會影響不同溫度下摩擦材料的摩擦性能.采用荷蘭FEI公司生產(chǎn)Magellan XHR SEM分別對20%重晶石粉+0%牡蠣殼粉、15%重晶石粉+5%牡蠣殼粉、10%重晶石粉+10%牡蠣殼粉、5%重晶石粉+15%牡蠣殼粉和0%重晶石粉+20%牡蠣殼粉的磨損試驗(yàn)后試樣進(jìn)行摩擦表面形貌觀察，結(jié)果分別如圖7和圖8所示.

從圖7可以看出，不含牡蠣殼粉的試樣摩擦表面基本沒形成摩擦膜，表面有一些不規(guī)則的小剝落坑和剝痕，為明顯的黏著磨損特征.可能是摩擦實(shí)驗(yàn)過程中，試樣表面和制動盤發(fā)生了粘合，一些摩擦材料被撕裂下來，從而形成了剝落坑形狀.

圖7 未加牡蠣殼粉制動摩擦材料磨損試驗(yàn)后表面形貌Fig.7 The surface morphology of the friction material of the friction powder without oyster shell

從圖8可知，隨著牡蠣殼粉的加入，摩擦表面出現(xiàn)摩擦膜，說明牡蠣殼粉可以促進(jìn)摩擦層的形成.但是從圖8a）～c）可以發(fā)現(xiàn)，摩擦表面均存在一些剝痕和點(diǎn)狀凹坑，呈現(xiàn)疲勞磨損.其原因可能是牡蠣殼粉和重晶石粉之間粘合性較差，基體松散，雖然形成了摩擦膜，但是摩擦膜不連續(xù)，穩(wěn)定性差，在磨損試驗(yàn)中出現(xiàn)疲勞磨損，局部剝落，導(dǎo)致試樣的摩擦因數(shù)反而小于20%重晶石粉+0%牡蠣殼粉的摩擦試樣的摩擦因數(shù).

圖8 不同牡蠣殼粉含量的制動摩擦材料磨損試驗(yàn)后表面形貌Fig.8 Surface morphology of brake friction materials with different oyster shell powder content

而從圖8d）可以發(fā)現(xiàn)，摩擦表面出現(xiàn)大量連續(xù)的摩擦膜，表面的摩擦層光滑平整，說明適當(dāng)?shù)哪迪牃し蹖δΣ聊さ男纬捎泻芎玫拇龠M(jìn)作用.因此0%重晶石粉+20%牡蠣殼粉的摩擦試樣的摩擦因數(shù)最大.試樣摩擦表面有平行于摩擦方向的磨痕，呈現(xiàn)磨粒磨損特征.

3 結(jié)束語

1）40目牡蠣殼粉的制動摩擦材料的硬度和沖擊強(qiáng)度均明顯高于80目牡蠣殼粉的制動摩擦材料的硬度.

2）對不同含量牡蠣殼粉的摩擦制動材料進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)表明，在升溫條件下，不含重晶石粉、只含牡蠣殼粉的試樣的摩擦因數(shù)穩(wěn)定性最好，摩擦因數(shù)最高，摩擦因數(shù)曲線波動最小；只含重晶石粉的試樣摩擦因數(shù)穩(wěn)定性最差，曲線波動最大；在降溫條件下，試樣的摩擦因數(shù)基本上隨著溫度的降低而減小；不含重晶石粉、只含牡蠣殼粉的試樣的摩擦因數(shù)基本上最大，在250℃時摩擦因數(shù)達(dá)到0.53；試樣磨損率隨著溫度的升高基本上呈現(xiàn)上升趨勢.

3）適當(dāng)?shù)哪迪牃し蹖δΣ聊さ男纬捎写龠M(jìn)作用.牡蠣殼粉和重晶石粉之間粘合性較差，基體松散，雖然形成了摩擦膜，但是摩擦膜不連續(xù)，穩(wěn)定性差，在磨損試驗(yàn)中出現(xiàn)疲勞磨損，局部剝落，導(dǎo)致試樣的摩擦因數(shù)較小.

[1]徐貴海，任子龍，賈瑞婷，等.苧麻、黃麻織物增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料力學(xué)性能的研究[J]．纖維復(fù)合材料，2015，32（3）：13-17.

[2]Kalia S，Vashistha S．Surface Modification of sisal fi-bers（Agave Sisalana）using bacterial cellulase and methyl methacrylate[J]．Joumal of Polymers and the Environment，2012，20（1）：142-151．

[3]楊波，奚柏君，沈蘭萍，等．竹原纖維堿處理的最佳工藝條件[J]．西安工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，28（2）：164-168．

[4]趙娟，楊耐德，周亮.牡蠣殼資源開發(fā)利用綜述[J]．安徽農(nóng)學(xué)通報(bào)，2015（12）：79-80.

[5]江李旺，安連，彭紹洪，等.牡蠣殼廢物制備聚合物填料的研究[J]．廣東化工，2016，43（6）：48-49.

[6]李鳳學(xué)，付哲臻.蛤蜊殼粉在有機(jī)陶瓷型摩擦材料中的應(yīng)用研究[J].北京化工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，40（1）：79-83.

[7]李明，劉萌.堿處理改性竹纖維增韌固井水泥石研究[J].功能材料，2014，13（45）：13087-13097.

[8]李新功，鄭霞，吳義強(qiáng)，等.界面調(diào)控對竹纖維/聚乳酸復(fù)合材料性能的影響[J].功能材料，2013，44（2）：253-257.

[9]Wang Juan，Li Min，Wang Shaokai，et al.Surface properties and the wetting behavior of sisal fibers[J].Acta Materiae Compositae Sinica，2012，29（4）：69-74.

[10]Dhakal H N，Zhang Z Y，Bennett N.Influence of fibre treatment and glass fibre hybridisation on thermal degradation and surface energy characteristics of hemp/unsaturated polyester composites[J].Composites Part B：Engineering，2012，43（7）：2757-2761.

[責(zé)任編輯 田豐 夏紅梅]

Tribological performance of resin-based composites reinforced by bamboo fiber and filled with oyster shell powder

LIN Shaofang1,ZHENG Kaikui2,JIANG Wei2
（1.Department of Traffic Engineering,Fuzhou Polytechnic College,Fujian Fuzhou 350108,China;2.School of Mechanical Engineering and Automation,Fuzhou University,Fujian Fuzhou 350108,China）

In order to study the performance of resin-based composites reinforced by bamboo fiber and filled with oyster shell powder,oyster shell powder was added as fillers,modified phenolic resin as matrix,the modified bamboo fiber,magnesium whisker and anhydrous calcium sulfate whisker as reinforced phase.A new type of friction was made.And the mechanical properties and tribological properties of the composites were studied,which were added by oyster shell powder of different size and content.The results show that oyster shell powder promoted the formation of friction filmlargly,the interface was bonded well.The friction material had good hardness and impact strength,stable friction coefficient,excellent heat fade and wear resistance.In addition,when oyster shell powder(excluding barite)content was 20%and the size was 40 mesh,the comprehensive performance was the best.

oyster shell powder;friction materials;tribological properties

TH117.3

A

1007-2373（2017）04-0058-06

10.14081/j.cnki.hgdxb.2017.04.010

2017-03-20

福建省中青年教師教育科研項(xiàng)目（JA15803）

林少芳（1976-），女，講師，419800288@qq.com