纤维增强摩擦复合材料

作者：东华大学 宋华 张慧萍 晏雄

欢迎访问e展厅 展厅 2 复合材料/胶粘剂展厅 阻尼材料, 环氧树脂, 密封胶, 硅胶, 厌氧胶, ... 摘要：本文对摩擦材料中增强纤维的选用进行了综述，探控讨了钢纤维、玻璃纤维、碳纤维等在摩擦材料中应用的优缺点及对摩擦材料性能的影响以及息样优化纤维增强摩擦材料，并指出高性能纤维增强摩擦材料必然会替代石棉基摩擦复合材料。 关键词：摩擦材料 增强纤维 复合材料 摩擦 磨损 1 前言 石棉作为一种天然矿物纤维，具有质轻、价廉、分散性好、摩擦磨损性能好、增强效果好等特点，因此在摩擦材料中得到了广泛的应用。从上世纪20一80年代，石棉基摩擦材料几乎是一统天下。自从上世纪70年代，石棉及其高温分解物被确认属于致癌物质后，许多国家对石棉的使用都做出了具体的规定。瑞士及德国规定1988年生产的汽车不能使用石棉基摩擦材料。美国也有10年内禁止使用石棉的提案[1]。与此同时，石棉粉尘的严格限制必须对除尘设备进行高额投资，致使石棉摩擦材料价格上升。随着汽车科技的进步，汽车的速度越来越高，制动器更小以及盘式制动器的出现，对摩擦材料的性能提出了更高的要求，使用条件也更为苛刻。如今轿车前轮盘式制动温度可达300－500℃，而石棉在400℃左右将失去结晶水，580－700℃时结晶水将完全丧失，同时也失去弹性和强度，已基本失去增强效果问。石棉脱水后导致摩擦性能不稳定、损伤财偶及出现制动噪声，因此，石棉基摩擦材料显然不能适应汽车工业和现代社会发展需求将逐步被取代。由于我国经济发展水平较低、民众环保意识不强及汽车工业的落后，价格较低、应用范围较广的石棉基摩擦材料至今还在使用。然而随着我国国民经济的快速发展，人民生活水平的不断提高，人们对环境保护的要求也越来越高。国家有关部门规定，近年石棉基摩擦材料将要被其它纤维增强摩擦复合材料所替代。 就以上所谈到的石棉缺点，代替石棉基摩擦材料的研究工作已经刻不容缓。通过对实际应用中摩擦材料的研究，纤维增强摩擦材料中增强纤维的作用主要是使材料具有一定的强度和韧性，耐冲击、剪切、拉伸等机械作用而不至于出现裂纹、断裂、崩缺等机械损伤。因此增强纤维应满足以下性能要求：①具有足够的强度和模量以及较好的韧性；②良好的摩擦性能，在一定的温度范围内具有稳定的摩擦系数及适当的摩擦损耗；③较高的热分解温度，在～定温度范围内不发生热分解、脱水、相变等和较高的高温分解残碳率；④纤维易于分散且与基体有较好的相溶性；⑤适当的硬度，不产生严重的噪音；⑥量广、价廉、无毒性，不污染环境。 目前，国内外开展了代用增强纤维的研究。主要有钢纤维、玻璃纤维、碳纤维、有机纤维。虽然拥有如此众多的代用增强纤维，但非石棉纤维还存在着许多的不足；①增强纤维与基体的相溶性较差；②价格较石棉基摩擦材料高出很多；③增强纤维摩擦材料的制成品性能并不是很稳定，代用纤维摩擦材料虽然在某些方面已经超越石棉基摩擦材料，但就整体性能而言还存在较大的差距。本文就目前所使用的代用纤维及其摩擦材料性能，给出综合分析，希望能对我国石棉纤维替代材料的应用研究有一定参考作用。 2 增强纤维的选用 2.1 钢纤维 使用低碳钢以及采取超声波切削法生产出的钢纤维含油量低、表面活性好、价格便宜，因此在半金属基摩擦材料中得到广泛应用。钢纤维最显著的特点是导热性能好。钢纤维以其高导热性能使局部表面热量迅速扩散至内部，从而降低摩擦表面温度，避免表面温度过高，防止树脂基体团热分解而导致材料磨损加剧，延长了制品的使用寿命。但钢纤维制成的摩擦材料质量大，容易锈蚀。用这种材料制成的离合器面片锈蚀后导致粘连，影响换档分离，并导致传动振动和抖动[2]。研究表明，加入一定量的锌粉和氧化钙等可以增强材料的防锈性能，而对摩擦性能无明显影响；钢纤维和矿物纤维及有机纤维混杂使用可以进一步降低材料的密度及改善制动噪声[2]。目前，钢纤维增强摩擦材料在我国多种汽车上进行了应用，反映较好。 2.2 玻璃纤维 玻璃纤维作为代用增强纤维的研究时间较长，产品质量比较稳定，产量较大，价格也相对比较便宜。玻璃纤维属于无机硅酸盐纤维，因而热稳定性较好。其表面处理工艺也得到了广泛的研究，研制出多种偶联剂，与树脂亲和性较好，因此在增强纤维摩擦材料中得到了一定的应用。据国外报道，玻璃纤维增强的摩擦材料，其摩擦磨损性能良好[3]，但玻璃纤维增强材料对载荷、滑动速度及制动温度等固素反应较敏感。在重载房速及高温下，摩擦系数变化明显，不稳定[4]。玻璃纤维用作摩擦材料的增强纤维有一定的要求。玻璃纤维应较柔软，而含15－30 %氯化钾的玻璃纤维可使莫氏强度下降，使玻璃纤维变软，认为E玻璃纤维可以使用[1]。虽然说玻璃纤维能够运用在摩擦材料的增强材料中，但玻璃纤维有不足之处。①硬度过高，磨损比石棉增强材料大；②当温度超过800℃时易形成玻璃珠，而玻璃珠莫氏硬度更高，材料磨损量会进一步增加；③玻璃纤维增强材料的摩擦系数随温度有较大的变化，摩擦系数不稳定。 2.3 碳纤维 碳纤维具有高比强度、高比模量、耐热、耐磨、耐腐蚀及热膨胀系数较小等许多优点。碳纤维增强基体的(C/C)复合摩擦材料在航空航天工业中得到了广泛应用。碳纤维增强基体的航空刹车用复合材料具有质量轻、抗热冲击性好、摩擦系数稳定、使用寿命长等特点，是新一代的航空刹车副[9、10]。目前，国际上大多数军用和民用干线飞机采均用碳纤维增强基体的复合材料刹车副。但用作一般民用的摩擦材料还存在以下障碍；①碳/碳复合材料制作工艺复杂成本很高，原材料价格也较高，产量有限。②现有的碳纤维一般为长纤维，而应用于摩擦材料中的增强纤维一般是2－5mm的短纤维。这一点目前较难达到。③碳纤维尤其是高模量石墨纤维的表面是惰性的，与树脂的润湿性、粘附性差，所以皮制备碳纤维增强复合材料时，须对碳纤维表面进行处理，以提高碳纤维与树脂间的粘附强度。处理后碳纤维不但表面积增大，还能在表面生成活性基团(如羰基、羧基、和羟基等)，通过这些基团使碳纤维与树脂基体之间产生化学键，从而提高界面强度。 通过国外实验报告了解到碳纤维增强摩擦材料有良好的恢复性能，而且在高温及高滑动速度下碳纤维增强材料比玻璃纤维增强材料有更高的摩擦系数和较低的磨损率[5]。 2.4 有机纤维 芳纶(Kevlar)、聚丙烯纤维、聚乙烯纤维、聚酯纤维等可燃点高，高温热分解不明显，因而也可用作摩擦材料的增强纤维。有机纤维单独作为增强纤维使用时，一般都要经过表面处理，通常是把天然或合成的有机纤维放在非电解的处理液中，使纤维表面镀上薄薄一层金属[1]。经过表面处理的有机纤维，既具有金属纤维的优点，如导热性好，耐磨等；又具有非金属纤维的特点，如密度小，韧性好等。例如，较常用的芳纶(Kevlar-49)特点是强韧性好，弹性模量高，密度低，价格只相当于碳纤维的1/3，其不足之处是由它所制成的复合材料的耐压强度及弯曲疲劳握度不太好。研究表明，有机纤维可以提高材料摩擦性能的稳定性，明显降低磨损量，对于降低制动噪声也有明显作用。但有机纤维在摩擦材料中的应用还存在价格、表面处理、分散工艺等问题，有待进一步研究。 2.5 矿物纤维 矿物纤维取材广泛，且价格低廉，也逐步引起人们的注意。用价格便宜的矿物纤维取代石棉纤维将是摩擦材料研究的一个重要课题。矿物纤维也存在以下缺陷：①一般合结晶水，高温制动时易脱水，材料性能不太稳定；②质量不稳定；产品质量受产地、产时的影响较大。如果选择产量大、品位高的矿物纤维，调整摩擦材料配方后可取得较好效果。 3 纤维增强摩擦材料优化的方法 上面所述均是单一纤维增强摩擦复合材料。它们有各自不足之处。解决这些不足就需要通过树脂改性、混杂纤维的选择和配合以及多种方法的合用，获得性能更好的摩擦复合材料。 3.1 树脂改性和树脂含量的选择 在复合材料中，纤维和织物起增强作用，而树脂是基体材料。树脂基体的性能对复合材料制品的性能有直接的影响。合成树脂是摩擦材料中化学稳定性最差的组分，对材料高温下的强度和摩擦性能有直接的影响。中南工业大学刘震云等的研究结果表明[6]，在6－14%树脂含量(质量分数)范围内，材料的冲击强度能满足使用要求。树脂含量在14%以上时，材料高温热衰退严重，导致摩擦因素下降，高温磨损加剧，磨损量上升；树脂含量过高或过低时，材料将因粘结剂量过少或树脂高温分解导致粘结力下降，使增强纤维存在拔出现象，导致摩擦因素不稳定，材料磨损加剧。因此摩擦材料中基作树脂用量不宜太多，其含量为8－12%，其中以8%为佳。 有实验报道采用耐热齐聚物、腰果壳油改性酚醛树脂获得了较好的摩擦性能[1]，并且得出结论，材料的摩擦磨损性能与树脂的耐热性密切相关。在其它条件相同的情况下，随树脂耐热性的提高，材料摩擦系数的稳定性及体积磨损率均得到改善。 3.2 混杂纤维的选择及配合 采用两种或两种以上纤维进行混杂增强，不仅可以降低成本，还可以充分发挥每种纤维的优点，弥补相互的缺陷，使性能更加完善，更加优异。采用混杂纤维作为增强纤维将是摩擦材料的一个主要方向。国外试验把芳纶(Kevlar)浆粕和钢纤维、玻璃纤维混杂作为增强材料。试验结果表明，芳纶的加入可以提高摩擦性能的稳定性，但略降低摩擦系数，磨损量明显减少；而在制动噪声方面，可以明显降低以致完全除去高频(频率＞5kHZ)的噪声[2]。据有关资料，采用碳纤维30%、钢纤维15%、酚醛树脂15%及有机填料40%的摩擦材料比石棉摩擦材料耐磨性提高3倍，在300℃和350℃时摩擦系数无热衰退现象[2]。目前国内外进行了多种纤维的混杂研究，都取得了很好的效果。 3.3 纤维含百的选择 目前国内外对摩擦材料增强纤维的研究主要集中于增强纤维的选用和优化，而在纤维含量对摩擦材料综合性能的影响方面研究报道较少。而增强纤维含量对摩擦材料的摩擦、磨损性能的影响是很大的。据国内的试验报告，纤维含量增加至20%以上后，材料的摩擦系数随着温度上升而明显下降，同时磨损也明显加剧，磨损量急剧上升[8]。摩擦材料在高温时的磨损机制主要是由于粘结剂的热分解，失去胶粘作用，各组分易脱落造成磨损加剧，同时出现热衰退现象，摩擦系数明显降低。因而作者认为，这主要是由于当材料中纤维含量增加时，材料中粘结剂的含量相对降低，各组分之间的粘结力下降，随着粘结剂的热分解，而导致上述现象出现。如果保持增强纤维与树脂粘结剂的适当比例，在增加纤维含量的同时，增加树脂含量，也许会保持其高温稳定的摩擦系数和低的磨损量。但过多的增强纤维，特别是金属纤维会直接导致摩擦材料密度、硬度及导热率等指标上升，对材料的综合性能不利。纤维混杂后在摩擦材料内结织成网状，起到增强作用。因纤维与各种摩擦性能调节剂及填料之间是依靠树脂等胶粘剂粘合，所以与各组分之间的结合力明显小于纤维本身的剪切强度。在摩擦过程中增强纤维将被剥离、拉拔和剪切，因而提供一定的摩擦力矩。因纤维的比表面积较大，所以当纤维含量增加时，摩擦力矩增大，摩擦系数也因此增加。但当纤维含量超过一定限额，其与树脂基体之间的粘结力下降，纤维更加容易被剥离、拉拔，而靠纤维剪切所能提供的摩擦力矩减少。随着滑动速度的提高，高纤维含量(30－35%)的摩擦材料摩擦系数快速下降。在其它方面例如填料的选择、增强纤维的表面处理也需要注意。 4 结语 增强纤维是摩擦材料的一个重要组成部分，纤维的选用对材料的摩擦、磨损性能有着重要影响。综上所述，可以得出以下几点。 (l)石棉纤维污染环境，对人体有害，必然会退出市场； (2)钢纤维增强的摩擦材料将是轿车盘式刹车片用摩擦材料的主流； (3)混杂纤维摩擦材料将是一种趋势，它能比较好地解决单一纤维所不能解决的问题，能够提高摩擦性能稳定性，降低磨损及减弱制动噪声； (4)碳纤维增强摩擦材料将继续在航空航天、特殊场合发挥重要作用。通用级的沥青碳纤维价格便宜，虽然强度不高，但其摩擦、磨损性能良好，特别是它的自润滑性很好，用于制做摩擦材料有较好的性价比[1]。 (5)有机纤维增强摩擦材料由于其特殊的性质将得到进一步发展，它的应用将日益广泛。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (3/20/2005)