硅酸鹽黏結劑制備摩擦材料的性能研究

胡嗣卓，付雪松，黃 鵬，葉長松，陳國清，周文龍

（遼寧省凝固控制與數字化制備技術重點實驗室，大連理工大學材料學院，遼寧大連116085）

目前市場上廣泛使用的樹脂基摩擦材料具有力學性能優良、噪音小且成本低等優勢，但是由于黏結劑主要是由酚醛樹脂等有機組分構成，存在摩擦系數不是很穩定、耐磨性能較差尤其是耐高溫性能不理想等缺點。樹脂基摩擦材料普遍存在的熱衰退問題［1］，使得機動車輛在剎車過程中摩擦界面產生高熱量，可能導致制動效能嚴重惡化，甚至引發剎車失靈，釀成事故。探索解決摩擦材料的熱衰退問題一直是摩擦材料研究的熱點，無機膠黏劑具有承受高溫（600～900℃）的特點，用來替代樹脂黏結劑是人們關注的技術思路。硅酸鹽黏結劑具有阻燃性能好、環保無毒、成本低廉、使用方法簡單、耐久性能好等優點［2］，有望成為摩擦材料用黏結劑材料。硅酸鹽黏結劑的基料一般是鈉水玻璃、鉀水玻璃，或者鈉水玻璃與鉀水玻璃的混合物［3］。 劉成倫等［3］以鈉水玻璃與鉀水玻璃的混合物為基料，添加一些金屬氧化物、非金屬氧化物和金屬粉末，制備出具有黏結強度大、室溫即可固化、易于施工等特點的膠黏劑。水玻璃中二氧化硅和堿金屬氧化物的物質的量比能夠影響膠黏劑的性能，當硅酸鈉中二氧化硅與氧化鈉物質的量比為2.5～3.2時，膠黏劑的綜合性能較好［4］。氟硅酸鈉作為固化劑制備的鈉水玻璃膠黏劑，表現出良好的固化特性［5］。有關硅酸鹽膠黏劑性能的研究報道很多，使得其多種性能得到很大提高。筆者在吸收已有研究成果的基礎上，設計了新型摩擦材料：使用多種硅酸鹽為黏結劑，丁腈橡膠為韌性調節劑，采用熱壓成型工藝制備摩擦材料。研究了硅酸鹽黏結劑種類及用量、橡膠含量對摩擦材料摩擦磨損性能和力學性能的影響，分析了摩擦材料的摩擦表面特征及其摩擦磨損機理，以期為硅酸鹽黏結劑制備摩擦材料的設計提供技術依據。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

主要原料：硅酸鈉水溶液（工業級），硅酸鉀水溶液（工業級），丁腈橡膠（GM50），氟硅酸銨（工業級），碳纖維（T700），重晶石（粒度＜44 μm）。

1.2 成型工藝

采用硅酸鹽作為黏結劑，選擇丁腈橡膠為韌性改良組分，選擇具有高彈性模量和高強度的碳纖維為增強纖維［6］，采用重晶石、碳化硅和石墨等為填料，制備摩擦材料。摩擦材料試樣的制備采用模壓成型工藝，即原料在高速混料機中混合3 min進行模壓成型，獲得預成型體。具體工藝參數：熱壓溫度為130℃、成型壓力為10 MPa、保壓時間為60 min。將預成型體置于130℃的干燥箱中保溫6 h。

1.3 試樣配方

實驗主要針對硅酸鹽種類及用量、橡膠含量3個參量設計配方。不同硅酸鹽黏結劑種類及用量、不同橡膠含量制備摩擦材料的配方見表1～表3。

表1 不同硅酸鹽黏結劑種類制備摩擦材料配方

表2 不同硅酸鹽黏結劑用量制備摩擦材料配方

表3 不同橡膠含量制備摩擦材料配方

1.4 分析測試方法

采用JF151型定速式摩擦磨損試驗機根據GB 5763—2008《汽車用制動器襯片》對摩擦材料試樣進行摩擦磨損性能測試（制動壓力為0.98 MPa），摩擦對偶材質為HT250灰口鑄鐵，試樣尺寸為25 mm×25 mm×6 mm。采用XJJ-5型簡支梁沖擊試驗機對摩擦材料試樣進行沖擊韌性測試，試樣尺寸為55 mm×10 mm×6 mm，擺錘能力為 1 J。采用 SUPRA 55 SAPPHIRE掃描電子顯微鏡分析摩擦材料試樣表面及斷口的形貌。

2 實驗結果與分析

2.1 硅酸鹽種類對摩擦材料性能的影響

2.1.1 對沖擊韌性的影響

實驗測試不同種類的硅酸鹽制備摩擦材料的沖擊 韌 性 分 別 為 SN-3，0.26 J/cm2；SK-3，0.18 J/cm2；SNK-3，0.40 J/cm2。 由此可知，鈉鉀比為 2∶1 的硅酸鹽水溶液制備摩擦材料（SNK-3）的沖擊韌性最高，硅酸鈉（SN-3）次之，硅酸鉀（SK-3）最差。 圖 1 為SNK-3、SN-3試樣的沖擊斷裂斷口SEM照片。由圖1看出，SNK-3的斷口呈現凹凸不平狀，表明斷裂過程吸收的能量較多，這是因為試樣內部結合力較強從而可以承受較大的沖擊；SN-3的斷口較為平整，說明材料的結合能力較弱，在沖擊力的作用下比較容易發生斷裂。

圖1 試樣 SNK-3（a）、SN-3（b）沖擊斷裂斷口 SEM照片

分析其原因，從Na+、K+與硅酸根結合的間距看，Na+與硅酸根結合更近，兩者之間間距更小，Na+可以滲透到材料內部且分布均勻，使得試樣整體黏結強度增大，沖擊韌性較好。但是，Na+親水性較強，容易從空氣中吸收水分，導致在試樣內部產生細微裂紋。而混合型硅酸鹽可以發揮兩種硅酸鹽黏結劑各自的優點，因此制得的試樣黏結強度最高，使摩擦材料基體各組分結合力更大，沖擊性能最為優異。

2.1.2 對摩擦磨損性能的影響

圖2為不同種類的硅酸鹽制備摩擦材料的摩擦系數。由圖2看出，硅酸鹽種類對摩擦材料摩擦系數的影響不大。實驗測試不同種類的硅酸鹽制備摩擦材料的摩損率分別為 SN-3，10.55%；SK-3，9.85%；SNK-3，8.02%。由此可知使用鈉鉀比為2∶1的硅酸鹽制備的摩擦材料（SNK-3）的磨損率較低?？梢?，混合型硅酸鹽制備摩擦材料的黏結強度更高，基體各組分結合力更大，從而減小了磨損率［7］。因此，以鈉鉀比為2∶1的混合硅酸鹽作為黏結劑，制備摩擦材料的綜合性能最優。

圖2 不同種類硅酸鹽制備摩擦材料的摩擦系數

2.2 硅酸鹽用量對摩擦材料性能的影響

2.2.1 對沖擊韌性的影響

表4為不同用量的硅酸鹽制備摩擦材料的沖擊韌性。由表4可知，試樣的沖擊韌性隨著硅酸鹽用量的增大先增大后減小，當硅酸鹽用量為80 g時，試樣的沖擊韌性達到最大值0.4J/cm2。圖3為試樣SNK-1、SNK-3、SNK-5沖擊斷裂斷口SEM照片。由圖3看出，SNK-1斷口表面可見很多較長的碳纖維拔出，說明硅酸鹽的黏結作用不夠，碳纖維的強化作用沒能夠充分發揮；SNK-3斷口極少可見碳纖維拔出，多數為拉斷狀態，表明硅酸鹽黏結效果較好，試樣中碳纖維大部分較好地發揮了強化效用，使得試樣獲得較高的沖擊韌性；SNK-5斷口可見一些大的孔洞，使得試樣的沖擊韌性下降。這是因為，硅酸鹽含量過多時，成型試樣的局部區域黏結劑過多，在固化過程中硅酸鹽水溶液的水分蒸發，殘余空間形成了較大的孔洞，這種孔洞嚴重降低了試樣的強度。

表4 不同用量的硅酸鹽制備摩擦材料的沖擊韌性

圖3 試樣 SNK-1（a）、SNK-3（b）、SNK-5（c）沖擊斷裂斷口SEM照片

2.2.2 對摩擦磨損性能的影響

表5為不同硅酸鹽用量制備摩擦材料的磨損率。由表5看出，隨著硅酸鹽用量增加，試樣的磨損率逐漸增大。說明硅酸鹽含量增多，材料的強度和耐磨性能下降。這是因為，局部過量的硅酸鹽損害了材料的強度和韌性。

表5 不同硅酸鹽用量制備摩擦材料的磨損率

圖4為不同硅酸鹽用量制備摩擦材料的摩擦系數。由圖4看出，不同含量的硅酸鹽制備摩擦材料的摩擦系數隨著溫度的升高呈現平緩降低的趨勢，但是其中試樣 SNK-3、SNK-4 在高溫區（200～350℃）的摩擦系數是升高的。硅酸鹽黏結劑通過熱固化使得其他物料黏結，獲得材料的強度和硬度。此外，隨著摩擦界面溫度的升高，硅酸鹽會逐漸脫水生成SiO2膠體，SiO2膠體與固化劑通過化學鍵連接，形成硅氧四面體，進一步增強了摩擦界面材料的黏結強度，有利于提升材料的摩擦系數。然而，只有硅酸鹽黏結劑的含量適當時，其提升作用才能表現出來。較少的含量不能使得其他物料很好地黏結牢固，但過量的硅酸鹽會導致殘留孔洞而降低強度，使得摩擦界面的硅酸鹽沒能很好地發揮作用?？梢灶A見，通過調整硅酸鹽的合理用量以及選擇適當的其他物料配合，可以實現材料摩擦系數在全部測試溫度范圍內的平緩穩定，有效地改善材料的抗熱衰退性能。

圖4 不同硅酸鹽用量制備摩擦材料的摩擦系數

2.3 橡膠含量對摩擦材料性能的影響

2.3.1 對沖擊韌性的影響

硅酸鹽黏結劑的使用改善了摩擦材料的抗熱衰退性能，但是同時也降低了材料的韌性。為進一步改善材料的沖擊韌性，加入丁腈橡膠作為韌性調節劑。圖7為不同橡膠用量制備摩擦材料的沖擊韌性。由表6看出，當橡膠用量小于12.5%（質量分數）時，試樣的沖擊韌性隨著橡膠含量的增大而顯著提高，最高沖擊韌性達到0.4 J/cm2；繼續增大橡膠用量時，試樣的沖擊韌性反而降低。

表6 不同橡膠用量制備摩擦材料的沖擊韌性

2.3.2 對摩擦磨損性能的影響

圖5為不同橡膠用量制備摩擦材料的摩擦系數。由圖5看出，隨著橡膠用量增多，試樣的低溫摩擦系數逐漸增大、中高溫摩擦系數逐漸降低。當橡膠用量為12.5%（質量分數）時，試樣的摩擦系數最為平穩，低溫區摩擦系數在0.35左右，隨著溫度升高摩擦系數略有增大，整體穩定在0.4左右。

利用SEM觀察摩擦系數最為穩定的試樣SNA-5在不同溫度下的摩擦表面形貌。圖6a為試樣在100℃持續摩擦60 000轉的表面形貌。由圖6a看出，在試樣表面清晰地可見多條溝犁，其中A類溝犁明顯與B類顆粒磨損有關。對B處顆粒的成分分析可知，B處為堅硬的SiC顆粒。這證明，在摩擦過程中，試樣表層的SiC顆粒脫落并在摩擦界面滾動形成溝犁并提供摩擦力。在較低溫度情況下，試樣的磨損機制主要為磨粒磨損。圖6b為試樣經過350℃摩擦的表面形貌，其與低溫（100℃）摩擦的試樣表面有明顯的區別。350℃摩擦試樣表面基本未見明顯的溝犁，表面特征是有金屬光澤和無金屬光澤的兩類部分。測得A處成分大部分為鐵，表明該處主要是摩擦對偶盤的鐵磨損脫落并黏附在試樣表面形成的“大平臺”。由于試樣具有較高的硬度，當摩擦界面溫度較高時，鑄鐵對偶盤耐磨性能下降，導致摩擦對偶盤發生較多的磨損，逐漸脫落的磨屑黏附、聚集、壓實在試樣表面，并形成了“大平臺”。B處為試樣本身表面，仍可見SiC顆粒以及周圍雜亂分布的碳纖維，與低溫摩擦表面相似，但其溝犁還是被一些磨屑黏著、填充而使得溝槽不再明顯［8］。但是，在近似平整的表面仍可見細小的溝犁，說明在較高溫度下，材料的磨損機制是黏著磨損和磨粒磨損的混合磨損。

圖5 不同橡膠用量制備摩擦材料的摩擦系數

圖6 SNA-5在100℃摩擦60 000轉（a）和在350℃摩擦（b）表面SEM照片

對于橡膠含量較少的試樣，材料仍維持較高的硬度，試樣主要由硅酸鹽黏結劑提供各組分間的結合力，隨著摩擦過程中溫度逐漸升高，硅酸鹽黏結劑發生脫水縮合反應［9］，在提高內部各組分之間的結合力的同時，也使試樣的硬度繼續增大。而試樣硬度越大，對摩擦偶盤的磨損越嚴重，所以當摩擦界面溫度升高時，更多的鐵磨屑黏著在試樣表面。此時摩擦力主要由摩擦面間的黏著磨損提供。隨著溫度升高，試樣表面黏著的磨屑不斷增多，與摩擦盤之間的黏著磨損力不斷增大，使得摩擦系數隨溫度升高逐漸增大。

當橡膠含量很高時（SNA-6），會降低材料的硬度，使得低溫時對偶盤的微凸體或者試樣本身脫落的SiC等硬質顆?？梢愿畹厍度氲侥Σ帘砻?，從而機械嚙合力得到提高，摩擦系數增大；試樣硬度的降低也使其對摩擦盤的黏著磨損減弱，因而高溫下由黏著磨損提供的摩擦力減小，摩擦系數沒有呈現顯著增大。另外，丁腈橡膠在溫度大于170℃時會發生軟化分解，損傷試樣各組分的結合力而使強度下降，也使得試樣的高溫摩擦系數降低［10］。丁腈橡膠對于硅酸鹽黏結劑制備摩擦材料體系有利于增大低溫下的摩擦系數、降低高溫下的摩擦系數。適當的丁腈橡膠含量，具有穩定硅酸鹽基摩擦材料摩擦系數的作用。

3 結論

以硅酸鹽為黏結劑、丁腈橡膠為韌性改良組分，采用熱壓成型工藝制備摩擦材料，研究了硅酸鹽種類及用量、橡膠含量對摩擦材料沖擊韌性和摩擦磨損性能的影響。結果表明：1）使用鈉鉀比為2∶1的混合硅酸鹽作為黏結劑，制得的摩擦材料基體間結合力較強，沖擊韌性可以達到0.4 J/cm2，摩擦系數在100～350℃穩定性較好；2）使用適當含量的硅酸鹽黏結劑制備的摩擦材料具有較好的強度和韌性，并且有效地改善了材料的抗熱衰退性能；3）隨著橡膠含量的增加，摩擦材料的沖擊韌性先逐漸增高后稍有減小，當橡膠質量分數為12.5%時摩擦材料的沖擊韌性達到最大值0.4 J/cm2，同時橡膠的加入會使摩擦材料的低溫摩擦系數增大、高溫摩擦系數減小。