陳 輝 吳其勝

（1常州大學材料科學與工程學院，江蘇 常州2131 64;2鹽城工學院材料工程學院，江蘇 鹽城224051）

1 前言

近年來，我國的公路、鐵路交通發(fā)展迅速，大大促進了我國汽車、火車工業(yè)的發(fā)展，從而對于 摩擦材料的性能要求、需求量也增長很快，預計2010年，我國汽車保有量將 達到4500萬輛，僅汽車一年需要的摩擦材料就達到45萬噸[1]， 用量十分巨大。由于石棉纖維影響人體的健康，各國相繼開展了新型無石棉剎車片的研制。半金屬摩擦材料是我國目前應用廣泛的摩擦材料。半金屬摩擦材料采用鋼纖維作為增強材料，銅等價格昂貴的金屬粉末作為摩擦性能調節(jié)劑。金屬材料容易生銹，銹蝕后易粘著或損傷對偶，同時摩擦材料銹蝕后強度降低，磨損加劇。金屬材料密度高，增大了制動系統(tǒng)的重量。而且，當鋼纖維含量超過10wt.%時，制動時易引起尖叫、產生振顫等問題[2]。隨著汽車發(fā)展的高速化及重載化，相應的對制動摩擦材料的要求越來越苛刻。摩擦材料的吸收能基本上與車速平方成正比[3]，制動器結構由鼓式改為盤式后，減少了重量，但盤式制動襯片的表面積卻只有鼓式的1/4~1/6，單位面積吸收能量則增加4~6倍，摩擦副表面瞬時溫度可高達1000℃，金屬材料在如此高溫下，會迅速氧化甚至熔融，從而影響摩擦材料性能的穩(wěn)定。

隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，車輛的高速、重載化要求摩擦材料制動片能夠滿足以下條件：

（1）要有一定的穩(wěn)定的摩擦系數，表現為：a.隨溫度、壓力、速度變化甚?。籦.不能有明顯的“過恢復現象”；c.受水分、溫度影響較??；d.實際應用中變化小。

（2）具有良好的耐磨性，不劃傷制動對偶。

（3）摩擦襯片在使用中不允許與盤相粘附。

（4）要有足夠的抗剪切能力。

（5）要有盡可能小的壓縮率和膨脹率。

（6）熱傳導率應控制在一定范圍。

（7）小的制動噪音。

可見，傳統(tǒng)的摩擦材料已不能滿足人們的需要，新型耐高溫制動摩擦材料的研制十分迫切。

2 新型增強材料

2.1 硅氧鋁陶瓷纖維

硅氧鋁陶瓷纖維(以下簡稱陶瓷纖維)是一種灰色棉絮狀增強纖維材料，具有穩(wěn)定、均勻的物理化學性能。莫氏硬度為5~6，抗拉強度為1400~1600MPa，該陶瓷纖維可以 長時間在1000℃下使用，能夠抵抗高速制動過程摩擦熱產生的影響。陶瓷纖維的密度約為2.6g/cm3，比鋼纖維的密度(7.8g/cm3)小的多，陶瓷纖維具有較高的比強度，能夠在保證摩擦材料在較高溫度下具有穩(wěn)定的摩擦系數、足夠的強度，同時降低摩擦材料的重量，從而降低能耗，節(jié)約能源。陶瓷纖維的缺點也是明顯的，主要表現在成本太高、混合時易損壞、纖維長短不勻等方面[4]。

2.2 碳纖維

碳纖維是由不完全石墨結晶沿著纖維軸向排列的一種多晶的新型無機非金屬材料[5]?；瘜W組成中碳元素含量達95%以上。其制備方法有有機先驅體纖維法和氣相生長法等。其中有機先驅體纖維法碳纖維是由有機纖維經高溫固相反應轉變而成；氣相生長法制得的碳纖維稱為氣相生長碳纖維(VGCF)。碳纖維具有低密度、高強度、高模量、耐高溫、抗化學腐蝕、低電阻、高導熱、低熱膨脹、耐化學腐蝕等特性，比強度和比模量優(yōu)于其他無機纖維。但是碳纖維性脆、抗沖擊性能和高溫抗氧化性能較差[6-8]。

2.3 晶須增強材料

隨著汽車行業(yè)的高速發(fā)展，人們也在尋求以往摩擦材料中增強材料的替代品，晶須以它完美的晶體結構和優(yōu)越的機械性能和熱力學性能，逐漸吸引著人們的眼球，但過去的晶須價格比較昂貴，成為研究的障礙。如今，隨著新晶須的開發(fā)，一些比較便宜的新型晶須問世，比如六鈦酸鉀晶須(K2O·6TiO2)、硫酸鈣晶須（CaSO4）、硼酸鎂（Mg2B2O5）等。

晶須又名晶體纖維，是很細的單晶體，直徑通常只有幾微米左右。粗的晶須呈針狀，細的晶須呈柔軟的汗毛狀。晶須是缺陷少的單晶體纖維，所以機械強度高，它的抗拉強度可以接近純晶體的理論強度。晶須強度與粗細密切相關，隨著晶須變粗，強度下降。晶須可用作母相材料的補強，也可用作其他材料的增強，用于金屬合金、玻璃、陶瓷、復合材料等的增強，是很有發(fā)展前途的新型材料。現將有關晶須材料作簡要介紹,并著重講述了六鈦酸鉀晶須(K2O·6TiO2)的微觀結構和其各項性能及未來發(fā)展前景。

2.3.1 硫酸鈣晶須

硫酸鈣晶須材料松散密度0.15～0.30g/cm3，長徑比60～600，分散性好，水溶解度低，無毒，高韌性、高絕緣性、耐磨性、耐酸堿、抗腐蝕拉伸強度和彈性模量高，耐溫1 000℃以上，紅外線反射性良好、易于表面處理、易與聚合物復合、無毒等諸多優(yōu)良的物理化學性能。這種材料可以用作陶瓷摩擦材料的增強材料，能夠增強摩擦材料的摩擦系數穩(wěn)定。Zhencai Zhu[9]等人研究了硫酸鈣對復合材料的摩擦性能，研究表明硫酸鈣晶須能夠大大改善摩擦材料的摩擦性能。

硫酸鈣晶須在20世紀70年代由日、美、德等國著手研究，20世紀80年代開始逐步應用。我國也緊隨其后，并在21世紀初進行了工業(yè)化生產。總之，硫酸鈣晶須由于其性能優(yōu)良，價格低廉而具有極好的性能價格比，是一種應用領域較廣、市場前景極為廣闊的新型材料。也是目前國際上備受關注、極有發(fā)展前途的無機鹽晶須材料。

2.3.2 硅材料晶須

上海匯精亞納米新材料有限公司同國內先進的材料研究機構合作，經過多方努力，終于研發(fā)出一種具有玻璃纖維相似功能特點、價格較為低廉的新型功能材料——晶須硅(價格只有短玻纖的1/3左右)。晶須硅形體結構及表觀為纖維狀白色粉末，具有化學穩(wěn)定性好、強度高、分散性好、絕緣性好、耐熱溫度高、燒失量低等特點。通過大量實驗研究及數家塑膠改性企業(yè)使用表明：晶須硅性能特點同玻璃纖維極其相似，其不僅可以提高制品的抗拉強度、剛性、硬度、耐磨性和機械加工性能，又可降低收縮變形率和提高制品的熱變形溫度和阻燃絕緣性能，只是韌性比玻璃纖維略顯差了些[10]。

2.3.3 鈦酸鉀晶須

圖1 六鈦酸鉀晶須微觀形貌掃描電子顯微鏡照片

一般用K2O·n TiO2表示鈦酸鉀晶須的組成，n=1，2，4，6，8，它們在結構和性能上差異顯著。其中以n=4，6即聚四和聚六鈦酸鉀的實用價值最大。鈦酸鉀晶須的微觀形貌如圖1所示。在摩擦材料中，通常使用六鈦酸鉀晶須。六鈦酸鉀晶須屬于單斜晶系，C2/m空間點群。K+離子居于TiO6八面體通過共棱和共面連接而成連鎖的隧道中間，與環(huán)境隔開，具有獨特性能。六鈦酸鉀導熱系數小(~0.06W/M·K)，且具有負溫度系數(溫度越高，導熱系數越低)，化學性能穩(wěn)定，耐強酸，強堿且無毒害，力學性能極高，遠高于玻纖、碳纖維。抗張強度為7GPa，彈性模量為280GPa，很好的耐熱隔熱性，熔點高于1350℃，優(yōu)良的耐磨性，性價比高，價格僅是高檔纖維SiC、Si3N4、碳纖維的1/10～1/100，比表面積極大，每克晶須的表面積是玻纖的16倍，個數是玻纖的1.8萬倍。六鈦酸鉀晶須性能如表1所示：

表1 鈦酸鉀晶須性能

六鈦酸鉀晶須是一種性能十分優(yōu)異的復合材料增強纖維,還具有很高的電絕緣性、耐熱(在空氣中1200℃)、隔熱性能和優(yōu)異的紅外波長區(qū)域發(fā)射性能。膨脹系數與塑料相當,復合增強塑料相容性好,表現出良好的耐磨性和潤滑性。在工程塑料、摩擦材料、隔熱、絕緣材料等領域得到了廣泛的應用[11]。其中六鈦酸鉀晶須制動材料的特點是：

①六鈦酸鉀晶須具有陶瓷晶須的共性。

②六鈦酸鉀晶須硬度低（六鈦酸鉀晶須的莫氏硬度4），較軟，對對偶材料磨損小。

③六鈦酸鉀晶須抗老化性能好，具有良好的隔熱耐熱性。

④六鈦酸鉀晶須可以連續(xù)不斷地形成位移膜，因而具有良好的抗磨損性能。

⑤六鈦酸鉀晶須與熱塑性樹脂復合，樹脂粘度增加緩慢，成型后晶須的長度幾乎不變，因而制品表面平滑，可以采用模壓工藝成型。

⑥六鈦酸鉀晶須制成的制動材 料，克服了落灰現象。此外，由六鈦酸鉀晶須加工成的制品具有較低的熱傳導特性，因而六鈦酸鉀晶須與熱塑性樹脂復合的制品，具有較好的耐熱性和耐磨性。由于六鈦酸鉀晶須具有上述的性能與特點，因而擴大其在摩擦材料領域的應用具備了一定的優(yōu)勢，而且促使摩擦材料制品的性能更具特色，稱得上更新換代的產品。

S.J.Kim[12]等以酚醛樹脂為基體，芳綸漿粕和鈦酸鉀晶須為增強材料制備了摩擦材料，結果表明芳綸漿粕與鈦酸鉀晶須具有一定協同效應，二者均能夠保護摩擦表面上的摩擦層，從而穩(wěn)定摩擦系數，降低磨損率，提高摩擦表面耐溫性能。

由于六鈦酸鉀晶須增強復合材料本身具有優(yōu)異的耐磨損性及滑動性,只要與適用的滑動附加劑配合,就可以設計出具有良好滑動性及耐磨損的復合材料。經過磨損試驗證明,鈦酸鉀晶須增強材料制品即使在磨損試驗后其表面光潔度也沒有大的變化,而玻璃纖維增強材料制品在磨損試驗后表面變得非常粗糙。所以鈦酸鉀晶須填充增強的材料制品 耐磨損性、滑動性優(yōu)異[13]。

鈦酸鉀晶須是世界上最新一代高性能復合增強材料,是一種細小纖維狀的亞納米材料。目前,鈦酸鉀晶須在國外已經得到了廣泛實際應用,與國外研究相比,我國鈦酸鉀晶須的研究和應用已經取得了較大的進展,但是距晶須材料的大規(guī)模工業(yè)化應用還有很大的距離。鈦酸鉀晶須生產與應用具有廣闊的發(fā)展前景,研究方向應重點解決以下兩個個方面：

（1）高性能化表面處理：界面問題一直是復合材料中最被關注的問題之一。需要針對晶須及樹脂成分、表面極性、浸潤性等進行正確的處理。在處理晶須時,還要考慮到聚合物的一些特性,如分子量大小、分子量分布分子鏈的集合狀態(tài)、結晶度、聚合物體的性質及共極性的大小,然后再選擇合適的方法?；瘜W鍵理論認為,只有增強材料與基體材料之間必須形成化學鍵才能使粘結界面產生良好的粘結強度,形成作用強的界面,復合材料的性能才優(yōu)良。Wang Haiyuan[14]等人通過用十八烷基三氯硅烷對六鈦酸鉀晶須改性后，改性后的六鈦酸鉀具有更好的摩擦磨損性能，從而大大改善了聚醚醚酮復合材料的摩擦性能。

（2）低損傷加工工藝：鈦酸鉀晶須由于細小,在表面處理和成型加工過程中極易折斷。而晶須只有保持一定的長徑比才能使其增強復合材料體現出理想的性能。因此如何使晶須少受或免受損傷是一非常重要的問題。這方面的研究除涉及復合材料加工工藝、設備等方面外,晶須的表面處理也是關鍵所在[15]。

Zhencai Zhu[16]等人通過分別混入六鈦酸鉀晶須、硼酸鎂晶須、硫酸鈣晶須來研究摩擦材料的性能增強效果及對摩擦系數穩(wěn)定性進行研究，所獲得的性能可以從圖2中明顯看出，摻入六鈦酸鉀晶須、硫酸鎂晶須的的摩擦材料的摩擦系數的標準差明顯低于混入硼酸鎂晶須和沒有混入增強材料的原材料的摩擦系數的標準差，所以六鈦酸鉀晶須、硫酸鈣晶須能顯著增強摩擦材料摩擦系數的穩(wěn)定性。

圖2 復合材料的摩擦系數的標準差

綜上所述，我們還可以將六鈦酸鉀晶須(K2O·6TiO2)和硫酸鈣晶須（CaSO4）混合增強摩擦材料的各種性能，六鈦酸鉀晶須用來改善制動摩擦材料的抗磨損性能，硫酸鈣晶須可以增加摩擦材料的摩擦系數和摩擦系數的穩(wěn)定性能。

3 小結

在摩擦材料的配方設計方面，絕大多數研究人員一直靠經驗對原材料選擇，即以經驗和大量實驗數據為依據的嘗試方法進行，效率低下。據有關報道，有成千上萬種原材料可作為摩擦材料的組分，但常用的約40種。本文通過對近幾年摩擦材料的發(fā)展闡述看，隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，同時伴隨著世界能源危機與人類環(huán)境保護意識的增強，對汽車制動部件提出更高的要求，促進了包括摩擦材料在內的汽車零配件快速發(fā)展，對于摩擦材料而言，要求有足夠而穩(wěn)定的摩擦系數，動靜摩擦系數之差小和高溫機械強度。通過本文的闡述，總結如下：

（1）摩擦材料配方設計還不完善尚處在起步階段，原材料選擇比較單一；

（2）現今使用的摩擦材料還并不完美，需要不斷優(yōu)化對原材料的選擇和優(yōu)化它們的配方設計，積極探索新的制備和表征方法，開發(fā)出具有多功能的新型摩擦材料，從而充分滿足人們的需求；

（3）通過本文，不難看出，將兩者混雜增強，進行互補能同時增強摩擦材料的摩擦系數、摩擦系數的穩(wěn)定性和抗磨損性能。

（4）六鈦酸鉀晶須是世界上最新一代高性能復合增強材料，在研究過程中應當注意鈦酸鉀晶須的表面處理、底損傷加工等許多關鍵問題，采取正確的處理方法，否則就達不到所需要的性能。

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