壓縮比與應用環境對紙基摩擦材料機械性能的影響

周文靈 姚 燁 林洺岑 張春輝

（華南理工大學輕工科學與工程學院，廣東廣州，510640）

紙基摩擦材料是通過造紙成形、浸漬樹脂、熱壓固化而制成的一種在油介質中工作的新型摩擦材料[1-2]，其具有多孔性、良好的壓縮回彈性、靜/動摩擦因數比接近、摩擦噪聲小等一系列優點，被廣泛應用于各類車輛和工程機械的濕式離合器和制動器中[3-5]。

紙基摩擦材料通過熱壓成型技術和后加工貼片技術來控制材料的壓縮比。熱壓成型技術是在一定的溫度和壓力下，賦予材料一定的厚度和形狀，使材料中的樹脂在合適的空間軟化、流動，并均勻地分散在增強纖維、填料和摩擦性能調節劑中，進一步縮聚反應后樹脂變成具有網絡狀交聯結構的固化物，從而使材料具有一定的強度；加工貼片技術是將摩擦材料粘附在芯片上的同時，控制材料的厚度與孔隙率[6-8]。

紙基摩擦材料作為一種在傳動油介質中工作的多孔材料，壓縮比的變化引起的厚度、孔隙結構和樹脂分布的改變，會對材料的界面結合、硬度、剪切強度、壓縮回彈等機械性能產生很大的影響[9]。因此，本研究通過控制不同熱壓條件，制備了4種不同壓縮比的紙基摩擦材料，探究壓縮比對孔隙結構、硬度、摩擦特性、動態熱機械性能、剪切強度的影響，以及在不同介質（空氣、油）、不同溫度下壓縮比對壓縮回彈性能的影響，以期在紙基摩擦材料的研究中，為熱壓工藝和貼片工藝提供實驗依據。

1 實 驗

1.1 原料及試樣制備

纖維：棉纖維、3 mm 短切碳纖維、芳綸漿粕；填料：圓柱形硅藻土、石墨、球型氧化鋁、二氧化硅以及摩擦粉等；樹脂：腰果殼油改性酚醛樹脂。

按照表1 配方稱取原料，采用疏解器和均質機將纖維、填料和水按一定比例混合疏解成分散均勻的摩擦材料漿液，真空抽濾成型，自然晾干后浸漬于樹脂/乙醇溶液，然后在170 ℃下預固化9 min，得到紙基摩擦材料浸膠紙。使用平板熱壓機在170 ℃下設置壓力12 MPa、時間5 min，對實驗紙進行熱壓，測得實驗紙的最大壓縮率為63%。據此熱壓結果，在相同的壓力和時間下熱壓出壓縮比為0、20%、40%、60%的4種紙基摩擦材料。

表1 紙基摩擦材料的成分Table 1 Components of paper-based friction materials %

1.2 性能測試

1.2.1 孔隙率

參考GB/T 13826—2008《濕式（非金屬）摩擦材料》，將樣品裁切成4 cm×4 cm 試樣，用厚度儀測量試樣厚度，計算出試樣體積記為V。在80 ℃恒溫干燥箱中干燥2 h，用分析天平測其質量記為m1；將其浸沒在90 ℃的傳動油介質中6 h 后，將油溫降至室溫，繼續保持12 h，使試樣在傳動油介質中吸附飽和的同時消除溫度對樣品體積和氣孔結構造成的差異；取出試樣，用紙小心擦去試樣表面附著的油后，測其質量記為m2。

試樣孔隙率通過式（1）計算。

式中，P孔隙率表示樣品孔隙率，%；m1、m2分別表示樣品初始質量和浸漬傳動油后質量，g；ρ油表示傳動油密度，g/cm3；V表示樣品體積，cm3。

1.2.2 孔隙結構

將樣品裁切成2 cm×2 cm 試樣，采用CEP-1100-A型孔徑測試儀對試樣平均孔徑和孔徑分布進行測試。

1.2.3 硬度

參考GB/T 5766—2007《摩擦材料洛氏硬度試驗方法》，試樣硬度采用HRR 標尺，在HR-150DT 電動洛氏硬度計上測試試樣硬度，壓頭材質為鋼球，直徑12.7 mm，主試驗力490.3 N，總試驗力588.4 N。

1.2.4 摩擦特性

采用SFT-2M 型削盤式摩擦磨損試驗機測定試樣摩擦特性，實驗選擇旋轉往復摩擦，在2 MPa、200 r/min 條件下，在傳動油介質中進行5 min 的濕式摩擦測試。

1.2.5 動態熱機械性能

采用NETZSCH Q800-2062 型動態熱機械分析儀測定試樣動態熱機械性能，實驗選擇拉伸承載形式，其中試樣尺寸10 mm×20 mm，溫度范圍50～300 ℃，升溫速率10 ℃/min，振幅15 μm，頻率5 Hz。

1.2.6 剪切強度

采用INSTRON 5565 型拉伸壓縮材料試驗機對樣品剪切強度進行測試：將樣品裁切成15 mm×15 mm和45 mm×15 mm的試樣；將204膠涂抹在已清洗干凈的鋼帶表面上，將待測試樣夾在兩片鋼帶之間，在180 ℃、0.5 MPa 壓力條件下熱壓固定1 h，剪切試樣搭接方式見圖1。

圖1 剪切試樣搭接示意圖Fig.1 Schematic diagram of the lap of shear sample

粘合完成后，將試樣兩端固定在拉伸試驗機上，兩個夾頭之間的距離為75 mm，向上以0.5 mm/min 的速度拉伸至試樣發生剪切斷裂。剪切強度的結果以試樣斷裂時的最大載荷與斷裂面積比表示[10]。

1.2.7 壓縮性能

參照美國材料與試驗協會標準ASTM F36—99《測定墊片材料壓縮率及回彈率的試驗方法標準》，采用INSTRON 5565 型拉伸壓縮材料試驗機測定試樣壓縮性能，進行循環壓縮試驗。測試樣品由5張尺寸為6 cm×6 cm 的試樣與6 片相同大小的鋼片依次堆疊而成，堆疊方式見圖2。

圖2 壓縮試樣搭接示意圖Fig.2 Lap diagram of compressed sample

設置4種溫度：25、50、75、100 ℃，測試預載荷為360 N，保持5 s后以100 N/s的速度加載至28.8 kN，然后以相同的速度卸載至預載荷，分別在傳動油介質和空氣介質進行10 次循環壓縮測試。以第10 次測得的壓縮率和回彈率作為樣品的穩定壓縮率和穩定回彈率，以10次測試循環的形變總量計算永久變形率。

壓縮率、回彈率和永久變形率通過式（2）～式（4）計算。

式中，h0表示單次循環開始預載荷下試樣厚度，mm；h1表示壓縮至最大載荷時試樣厚度，mm；h2表示單次循環結束后卸載至預載荷下試樣厚度，mm。

2 結果與討論

2.1 壓縮比對孔隙結構的影響

適當的孔隙率、平均孔徑和孔徑分布有利于材料對傳動油的吸收和排出，有利于其適應濕式工作環境[11-12]。圖3 為不同壓縮比的紙基摩擦材料孔徑分布。如圖3所示，因為細小纖維和填料的存在，不同壓縮比下的紙基摩擦材料孔徑基本均<8.00 μm，主要集中在2.00 μm 以內，且隨壓縮比的增大，試樣孔徑集中在1.00 μm 以內，>1.00 μm 的孔徑逐漸減少。表2 為不同壓縮比的紙基摩擦材料的厚度、孔隙率和平均孔徑。由表2 可知，在熱壓過程中，當壓縮比在0～20%時，隨著壓縮比增大，試樣厚度減小、孔隙率減小6.3%、平均孔徑減小0.02 μm、<1.00 μm 的孔徑占比減小1.3%，變化幅度較小。因此，在0～20%的壓縮比范圍內，增大壓縮比并不足以改變材料內部疏松的孔隙結構。當壓縮比增大至40%時，材料內部空間被進一步壓縮，擠壓周邊孔隙結構，致使孔隙率減小至55.3%、平均孔徑減小至1.91 μm、<2.00 μm 的孔徑占比為65.8%，孔隙率與孔徑相對適中、孔徑分布均勻。當壓縮比達60%時，孔徑分布更為均勻，但孔隙率銳減至34.2%、平均孔徑減小至1.59 μm，部分較大的孔隙在此時被壓潰，“凝膠態”的樹脂向周圍流動，填充部分孔隙，致使閉孔增加、通孔孔徑減小，孔隙率和平均孔徑明顯減小，樣品過于致密，不利于其對傳動油的吸收和排出[8]。

圖3 壓縮比對紙基摩擦材料孔徑分布的影響Fig.3 Effect of compression ratio on pore size distribution of paper-based friction materials

表2 紙基摩擦材料厚度、孔隙率與平均孔徑Table 2 Thickness, porosity， and average pore size of paperbased friction materials

2.2 壓縮比對硬度的影響

紙基摩擦材料的硬度過大時，在接合時容易產生噪聲；硬度過小時，材料模量小、微凸體數量大，磨損增加[13]。適當的硬度值可賦予材料優良的摩擦磨損性能。圖4為不同壓縮比紙基摩擦材料在熱壓時的硬度值。由圖4 可以看出，壓縮比從0 增大至60%，硬度由56 HRR 增大至128 HRR。隨著壓縮比增大，材料的孔隙率與平均孔徑減小，密度增大，材料更加致密，纖維、樹脂和二氧化硅、氧化鋁等硬度較大的填料起支撐作用，故表現為材料硬度增大。

圖4 壓縮比對紙基摩擦材料硬度的影響Fig.4 Effect of compression ratio on hardness of paperbased friction material

2.3 壓縮比對摩擦特性的影響

圖5 為熱壓時不同壓縮比紙基摩擦材料的平均動摩擦因數。由圖5 可知，當壓縮比為0、20%、40%和60%時，對應的平均動摩擦因數分別為0.138、0.124、0.117 和0.114。在熱壓過程中，壓縮比增大時，材料內部空間被壓縮，部分樹脂流動使得材料從內部到表面均變得更為致密，在傳動油的作用下更易形成潤滑膜而降低摩擦因數。此外，在摩擦實驗過程中，材料越容易被拉伸、剝落，產生的扭矩和摩擦因數就越大[14]。因此，在熱壓過程中，未被壓縮的材料表面粗糙、結構疏松，平均動摩擦因數較大。

圖5 壓縮比對紙基摩擦材料平均動摩擦因數的影響Fig.5 Effect of compression ratio on average kinetic friction coefficient of paper-based friction materials

2.4 壓縮比對動態熱機械性能的影響

動態熱機械分析（簡稱DMA）是在程序控制溫度下，測量物質在振蕩負荷下的動態模量或阻尼隨溫度、頻率變化的一種技術[15]。紙基摩擦材料作為一種典型的黏彈性材料，DMA 是研究其黏彈性的重要手段。圖6為熱壓時不同壓縮比的紙基摩擦材料的儲能模量、損失模量和損耗因子的變化曲線。從圖6(a)可以看出，4 種紙基摩擦材料的儲能模量隨溫度的上升先減小后增大、隨壓縮比的增大而增大，說明紙基摩擦材料的剛度和形變恢復能力隨壓縮比的增加而增加，進而反映出纖維與樹脂界面結合強度隨壓縮比的增大而增大，這與硬度測試變化規律相對應。從圖6(b)可以看出，損失模量曲線的變化趨勢與儲能模量相反，損失模量曲線則反映材料中黏性成分內部分子遷移耗散機械能的能力。損耗因子是儲能模量與損失模量之比[16]。由圖6(c)可以看出，熱壓時，當壓縮比從0 升至20%時，損耗因子曲線峰值便明顯減小，而與壓縮比為40%和60%的樣品差別不大。說明熱壓時給予一定的壓縮比，材料剛性便可明顯提高，界面結合增強，熱穩定性明顯增大。

圖6 壓縮比對紙基摩擦材料熱機械性能的影響Fig.6 Effect of compression ratio on thermo-mechanical properties of paper-based friction materials

2.5 壓縮比對剪切強度的影響

圖7 為熱壓時不同壓縮比紙基摩擦材料的剪切強度曲線圖。由圖7 可以看出，材料的剪切強度隨著壓縮比的增加呈現逐漸增大的趨勢，當壓縮比由20%增加至40%時，剪切強度從2.6 MPa 增大至3.5 MPa，顯著提高。剪切強度的大小取決于材料孔隙結構和界面結合強度，隨著拉伸載荷的增加，界面發生脫黏，纖維在剪切過程中被直接拉斷或從樹脂基體中拉出，發生剪切破壞[14]。由表2 可知，隨著壓縮比的增加，材料的厚度減小，孔隙率與孔徑相應減小，材料內部更多的樹脂與纖維網絡抵抗剪切力[17]；纖維與纖維之間以及纖維與樹脂之間的接觸距離更短，能夠促進熱壓過程中“凝膠態”的樹脂進一步流動，并增強與纖維之間的結合，最終表現為材料具有較高的剪切強度。

圖7 壓縮比對紙基摩擦材料剪切強度的影響Fig.7 Effect of compression ratio on shear strength of paperbased friction material

2.6 溫度和壓縮比在不同介質中對摩擦片壓縮回彈性能的影響

2.6.1 空氣介質

當摩擦片與對偶片嚙合或分離時，摩擦材料產生壓縮變形或回彈，材料良好的尺寸穩定性和回彈性不僅可以緩解摩擦副接合時的沖擊，還能保持摩擦系統的穩定[9]。圖8 分析了空氣介質中測試溫度與熱壓時的壓縮比對紙基摩擦材料穩定壓縮率、穩定回彈率和永久變形率的影響趨勢。由圖8 可知，在相同溫度下，隨著壓縮比的增大，穩定壓縮率和穩定回彈率均升高，永久變形率減小；當壓縮比從20%增加到40%時，4 種測試溫度下的樣品平均穩定壓縮率和平均穩定回彈率分別增大9.8 個百分點和10.1 個百分點，平均永久變形率下降25.2個百分點，相比于壓縮比從0 到20%，材料的壓縮回彈性能顯著提高；壓縮比>40%時，隨著壓縮比繼續增大，穩定回彈率和永久變形率變化較小。在壓縮測試過程中，材料的孔隙結構被壓縮，隨壓縮載荷持續增加，纖維組分和樹脂基體被壓縮甚至壓潰，壓縮比較大、厚度較小的樣品表現為隨樣品壓縮比的增加，穩定壓縮率逐漸增大。當熱壓時的壓縮比達到40%時，更多的纖維組分用于抵抗壓縮力，材料的孔隙結構大部分在此時被壓潰，“凝膠態”的樹脂進一步與纖維結合，此時材料回彈性更依賴纖維與樹脂本身的彈性，表現為穩定回彈率明顯增大，永久變形率明顯減小[18]。

圖8 空氣中溫度和壓縮比對紙基摩擦材料壓縮回彈性能的影響Fig.8 Effect of temperature and compression ratio on compressive resilience of paper-based friction materials in air

熱壓時壓縮比不同的4 種紙基摩擦材料的壓縮回彈性能在相同溫度范圍內的變化趨勢基本相同，即隨溫度升高，穩定壓縮率增大，穩定回彈率減小，永久變形率增大，這是因為材料的壓縮回彈性能是由纖維和樹脂基體共同作用決定的。纖維是剛體，酚醛樹脂是黏彈性體，二者之間存在巨大的熱膨脹系數差異[19]。隨著溫度的上升，纖維與樹脂基體之間應力的界面相轉移產生應力集中，使材料在壓縮過程中產生一定的缺陷和微裂紋，樹脂與纖維界面可能會發生脫黏和填料脫落現象，減小和降低了孔壁剛度和塌陷強度，進一步降低了材料抗壓強度，最終表現為壓縮回彈性能的下降[20-21]。當材料未經熱壓處理或壓縮比較小時，材料內部保留了較多大孔，結構疏松，纖維與樹脂間的結合強度較低。隨著纖維與樹脂基體間熱應力的出現，疏松的內部結構更容易在壓縮過程中被壓潰，因此，隨溫度的上升，壓縮比較小的樣品壓縮回彈性能迅速變差。

2.6.2 傳動油介質

在紙基摩擦材料工作過程中，傳動油在孔隙中流動，能夠在散發大量熱量的同時使材料穩定的傳遞扭矩[22-23]。圖9 為傳動油介質中溫度和壓縮比對紙基摩擦材料壓縮回彈性能的影響。由圖9可知，在傳動油介質中，材料的壓縮回彈性能變化趨勢與空氣介質中基本一致：壓縮比的增加使材料穩定壓縮率增大、穩定回彈率增大和永久變形率減小，溫度的升高導致材料穩定壓縮率增大、穩定回彈率減小和永久變形率增大；同時在熱壓過程中壓縮比較小時，溫度對回彈性能和永久變形率影響更為顯著。

圖9 傳動油中溫度和壓縮比對紙基摩擦材料壓縮回彈性能的影響Fig.9 Effect of temperature and compression ratio on compressive resilience of paper-based friction materials in transmission oil

但在傳動油介質中，當紙基摩擦材料熱壓時的壓縮比為40%時，穩定回彈率在25、50、75、100 ℃下分別為99.0%、97.6%、96.3%、92.6%，相比于空氣介質，分別提高了1.0、1.1、1.4、1.5 個百分點，而紙基摩擦材料的穩定壓縮率和永久變形率下降至近50%。其他3 種壓縮比的紙基摩擦材料變化規律與壓縮比為40%時基本一致，這表明紙基摩擦材料的壓縮回彈穩定性在傳動油介質中得到了顯著提高。其原因主要包括2方面：一是傳動油具有潤滑作用，且隨著溫度的升高，油自身黏度增加，材料在壓縮過程受力更加均勻平穩；二是紙基摩擦材料是一種多孔性復合材料，施加壓縮載荷之前或卸載載荷時，材料吸收大量的傳動油進入孔隙中，隨著壓縮載荷的增加，傳動油從材料內部被壓出的同時帶走了大部分的熱量，降低了溫度對材料的影響，最終表現出更好的壓縮回彈穩定性[22-23]。由此可得，傳動油介質在一定程度上提高了紙基摩擦材料的壓縮回彈性能，有利于其在濕式環境中工作。

3 結 論

本研究通過控制不同熱壓條件，制備了壓縮比為0、20%、40%和60%的4 種紙基摩擦材料，對其孔隙結構、硬度、摩擦特性、動態熱機械性能、剪切強度以及在不同介質（空氣、油）、不同溫度下的壓縮回彈性能進行了分析。

3.1 增加熱壓時的壓縮比對紙基摩擦材料的孔隙結構有直接的影響。隨壓縮比增加，材料厚度、孔徑和孔隙率均有減小。壓縮比40%時，紙基摩擦材料孔隙率（55%）和平均孔徑（1.91 μm）相對適中，且孔徑分布均勻。

3.2 紙基摩擦材料的壓縮比從0增加至60%，材料平均動摩擦因數由0.138 減小至0.114，硬度由56 HRR增加至128 HRR，剪切強度由2.6 MPa 增大至3.5 MPa，材料儲能模量和損失模量增加，熱穩定性顯著提高，材料界面結合性能有所增加。

3.3 材料在空氣介質和傳動油介質中的壓縮回彈性能變化規律基本相同：溫度的升高導致材料穩定壓縮率增大、穩定回彈率降低和永久變形率增大。但材料在傳動油介質中變化幅度較小，壓縮回彈性能更穩定，當壓縮比達40%后，其壓縮回彈性能趨于穩定。紙基摩擦材料在傳動油介質中具有更好的壓縮回彈性能。

3.4 當紙基摩擦材料的壓縮比控制在40%左右時，其孔隙結構及機械性能最佳。