淺談鼓式剎車片用增強纖維納凱夫的特性及其增強機理

杜孟子

（黃山菲英汽車零部件有限公司，安徽 合肥 230000）

長期以來，石棉一直是摩擦材料制品的主要成分，直到美國環保署將其列入可致癌物質后，摩擦材料制品的生產企業及相關學者才開始尋找石棉的代替品。由我國南京某纖維廠開發的納凱夫纖維，形貌和綜合性能都與石棉纖維十分相近，已經投入生產，可以成為石棉材料的代替品，用其制作鼓式剎車片。

1 鼓式剎車片用增強纖維納凱夫的特性分析

1.1 增強纖維納凱夫概述

增強纖維納凱夫（NACF），英文全稱為NONASBESTOS COMPOSITE FIBER，是由南京高遠工貿有限公司旗下纖維廠開發出來的增強纖維產品，具有與石棉相似的綜合性能，是特種人造無機纖維和多種功能性材料的復合產物，具有代替石棉材料的能力。在汽車剎車片制作領域，我國從上世紀50年代開始尋找合適的增強纖維材料，在以往生產過程中使用的材料包括保溫絕熱用的巖棉和礦渣棉等。但由于巖棉和礦渣棉的自身化學成分不夠穩定，采用這種材料生產的制品沖擊強度較差，一般只有 1．5～2．5J/cm2，而且在工藝混合時會出現嚴重的結團現象，無法對其進行工業化應用。增強纖維納凱夫的研發解決了這一問題，將其作為鼓式剎車片的原材料，可以滿足鼓式剎車片的性能要求。

1.2 增強纖維納凱夫的主要特性

增強纖維納凱夫的基本特性主要表現在以下方面。

（1）由于其主體纖維的圓材料是精選石灰巖、輝綠巖、粉煤灰和石油焦炭等，配方是專門為鼓式剎車片用增強纖維設計的，不僅化學成分穩定，而且具有良好的耐熱性能。在生產工藝參數方面，通過對溫度參數、體系酸堿度和纖維噴射速度等進行嚴格控制，同時在出纖環節噴漬了進口硅烷類試劑，使納凱夫纖維比表面積較大，具有良好的親和性。

（2）增強纖維納凱夫在其合成過程中，加入了許多中功能性材料，比如其中一種材料為離子型隔離劑，它的主要功能是對纖維束間的內聚力進行弱化，使其趨近伸直狀態，這樣在受到外力時不會發生卷曲，具有較好的受力分散性。

（3）納凱夫纖維的主體纖維臨界形態比嚴格參照6-10石棉進行設計，其68-3纖維和18纖維形貌與6-10石棉形貌十分相似，通過對臨界形態比進行調整，納凱夫纖維系列產品可以適應不同的配方需求。

（4）增強纖維納凱夫的綜合性價比也與6-10石棉相當，在某種石棉配方中，6-10石棉的用量為48份，其均價為2500元/噸，在相同性能的增強纖維納凱夫配方中，68-3納凱夫的用量為35份，其均價為3800元/噸，配方中其他材料均不變，則每噸壓型料的石棉纖維成本為1200元，每噸壓型料的納凱夫纖維成本為1400元。

（5）從化學組成成分來看，納凱夫68系列的二氧化硅含量為40%～46%，氧化鋁含量為14%～21%，氧化鈣和氧化鋁含量為25%～27%，三氧化鐵含量為4%～6%，水的含量為0，碳含量為6%～8%，氧化鈉和氧化鉀含量為4%～5%，不含有致癌物質。

（6）從增強纖維納凱夫的物理性質來看，其外觀為灰白色或灰黃色的纖維狀材料，平均長度為2．0mm，平均直徑為 0．05mm，手感軟。其容重為 0．18～0．21g/cm3，濕含量在1．0%以內，800℃/h下的燒失量小于等于15%，熔點為1200～1300℃，使用溫度大于等于750℃。

2 鼓式剎車片用增強纖維納凱夫的增強機理研究

2.1 增強機理

從上述納凱夫纖維基本特性的分析中可以看出，增強纖維納凱夫材料具有良好的吸附性和分散性。最重要的是親和性較好，能夠與摩擦材料配方的其他物質具有較強的親和性，包括各種摩擦性能調節劑、數值和其他纖維材料等。因此納凱夫纖維具有良好的增強基礎，使其能夠獲得與6-10石棉相似的增強機理。發揮納凱夫纖維的親和性優勢，同時利用納凱夫纖維與集體樹脂界面之間良好的粘結性，可以利用L/d=σf/2τ對其在集體樹脂中的受力情況進行分析。該式中的L是纖維長度，單位為μm，d為纖維直徑，單位為μm，L/d即臨界形態比。σf是作用在纖維端部的正應力，單位為kg·f/cm2，τ是纖維和基體截面的剪應力，單位為kg·f/cm2。

從該式中可以看出臨界形體比L/d與σf是成正比關系的，同時與τ成反比，因此，臨界形態比L/d越大，纖維所承受正壓力就越大。而剪應力越大，在傳遞相同正壓力時，臨界形態比就越小。根據這一原理，只要納凱夫纖維與基體樹脂截面的粘結性良好，即使在纖維較短的情況下，也能夠起到良好的增強作用。

相關研究表明，6-10石棉的臨界形態比L/d的值為20左右，在傳遞正應力等于10000kg·f/cm2的條件下，允許的剪應力為500kg·f/cm2，那么石棉長度只要超過0．002mm，就能達到很好的增強效果。從上述68-3納凱夫纖維的物理性質來看，其平均長度和直徑分別為2．0mm和0．05mm，通過計算可以得出，其臨界形態比L/d的值為40。因此，將納凱夫作為增強纖維代替石棉完全可行。

可以通過以下幾個配方進行證明，在摩擦材料配方1中，樹脂的粘結性為優，樹脂質量成分含量為17%，68-3納凱夫質量成分含量為35%，摩擦性能調節劑的質量成分含量為40%，金屬輔纖的質量成分含量為8%。在配方2中，樹脂的粘結性為良，質量成分含量為17%，68-3納凱夫質量成分含量為35%，摩擦性能調節劑的質量成分含量為40%，金屬輔纖的質量成分含量為8%。在配方3中，樹脂的粘結性為優，質量成分含量為17%，68-3納凱夫質量成分含量為35%，摩擦性能調節劑的質量成分含量為40%，金屬輔纖的質量成分含量為8%。在配方4中，樹脂的粘結性為優，質量成分含量為17%，FKF4025質量成分含量為35%，摩擦性能調節劑的質量成分含量為40%，金屬輔纖的質量成分含量為8%。通過對其壓制品進行沖擊強度測試，配方 1 的沖擊強度值為 0．30～0．33J/cm2，和配方 2 的沖擊強度值為 0．25～0．30J/cm2，配方 3 和配方 4 的沖擊強度值為 0．30～0．33J/cm2。試驗結果表明，摩擦材料制成品的沖擊強度都能夠滿足要求，納凱夫纖維制品與石棉纖維制品的綜合性質相當。

2.2 應用效果

盤式剎車片由于帶有鋼背板，所以不需要考慮材料沖擊強度的問題，在應用納凱夫纖維的過程中，以68型納凱夫作為主體纖維，以18型納凱夫作為半金屬配方輔助纖維，其生產工藝已經較為成熟，從經濟性方面考慮，使用納凱夫纖維比使用昂貴有機纖維材料具有明顯的價格優勢。但鼓式剎車片與盤式剎車片不同，需要對納凱夫材料在鼓式剎車片中的具體應用進行分析。具體配方為：（1）粘結劑-1的質量成分含量為16%，粘結劑-2的質量成分含量為3%。（2）68型納凱夫的質量成分含量為35%，輔助纖維的質量成分含量為6%。（3）有機填料的質量成分含量為6%，無機填料的質量成分含量為20%。（4）增摩劑的質量成分含量為4%，減摩劑的質量成分含量為8%，脫模劑的質量成分含量為0．5%。（5）色料的質量成分含量為0．5%。

經DM-S試驗機檢測，制成品的沖擊強度為0．30～0．33J/cm2。從裝車路試情況來看，試驗車型為CA151重型汽車，前輪9400N，后輪15000N，經過9500km行駛后，剎車片磨損度為1．0mm。從司機駕駛體驗反饋情況來看，制動平穩，剎車靈敏，且無剎車噪音。經過拆檢檢測，剎車片表面光滑，摩擦膜完好。因此，應用增強纖維納凱夫制作的鼓式剎車片可以滿足剎車片應用需求，使用性能較好。

3 結語

綜上所述，增強纖維納凱夫的特性決定其可以成為石棉的代替品，成為摩擦材料制品的主纖維材料。通過對其增強特性和實際應用效果進行分析，可以得出結論，以增強纖維納凱夫為主纖維材料的制品具有石棉制品相當的綜合性能，能夠滿足鼓式剎車片的應用需求。