王曉芳，姜 娟，朱文婷

(咸陽師范學(xué)院 化學(xué)與化工學(xué)院，陜西 咸陽 712000)

汽車制動摩擦材料大多數(shù)是以無機或有機纖維作為增強材料，樹脂和橡膠為粘合劑，并以各種填料作為摩擦性能調(diào)節(jié)劑的高分子多元復(fù)合材料[1]。隨著汽車功率、速度和載荷的不斷提高，工作條件日益苛刻，對摩擦材料的綜合性能要求也越來越高。傳統(tǒng)的石棉摩擦材料和半金屬摩擦材料已不適合現(xiàn)代汽車工業(yè)的要求，為此，人們研制開發(fā)了無石棉有機物(Non-asbestos organic：NAO)摩擦材料[2-3]。NAO摩擦材料由日本Akebono 公司最先研制成功，它是一種新型的高性能汽車制動摩擦材料，采用陶瓷、礦物纖維或耐高溫的有機纖維替代石棉纖維和鋼纖維，克服了石棉摩擦材料對人體的危害和傳統(tǒng)半金屬摩擦材料高密度、易生銹、易產(chǎn)生噪音、損傷對偶等缺點。目前，這種材料已成功應(yīng)用于歐美發(fā)達國家的諸多車型上，被認為是今后摩擦材料發(fā)展的主要方向[4-5]。

在制動過程中，作為制動盤的摩擦材料將吸收整個汽車動能80%的能量，致使制動盤上的溫度迅速升高，某些接觸區(qū)域的“閃溫”高達600 ℃。在此溫度下，聚合物基摩擦材料中的有機組分將發(fā)生分解，導(dǎo)致摩擦力降低，摩擦系數(shù)下降，產(chǎn)生熱衰退現(xiàn)象，并伴隨較大的磨損量，甚至導(dǎo)致剎車失靈[6-7]。為了避免此類情況的出現(xiàn)，需要摩擦性能調(diào)節(jié)劑對其性能進行改善。石墨具有層片狀晶體結(jié)構(gòu)，具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱和耐高溫性能，是一種典型的摩擦性能調(diào)節(jié)劑，廣泛應(yīng)用于半金屬摩擦材料[8-9]。作者把石墨引入NAO摩擦材料中，研究其對NAO摩擦材料摩擦磨損性能的影響，從而解決NAO摩擦材料發(fā)展中遇到的問題，改善摩擦制品性能。

1 實驗部分

1.1 原材料與儀器

粘結(jié)劑酚醛樹脂、橡膠粉：山東圣泉材料有限公司；增強纖維硅酸鋁復(fù)合纖維、礦物復(fù)合纖維和海泡石纖維：清遠市博爾纖維有限公司；填料石灰石、石墨、重晶石、石油焦、云母、蛭石和鋯英石：西安科耐摩擦材料有限公司。

6202型混料機：北京環(huán)亞天元機械技術(shù)有限公司；XLB-D400×400型側(cè)板式硫化機：青島亞華機械有限公司；S-4700掃描電子顯微鏡：日本Hitachi公司；ES320D靜水力學(xué)密度測量天平：深圳市華恒儀器有限公司；XD-MSM定速式摩擦試驗機：咸陽新益摩擦密封設(shè)備有限公司；2BC1251型擺錘沖擊試驗機：揚州正藝試驗機械有限公司。

由于石灰石在NAO摩擦材料中成本較低，對摩擦性能影響較小，主要起填充體積空間的作用，因此，以石墨和石灰石為變量即w(石墨)提高量相應(yīng)于w(石灰石)減少量，能夠體現(xiàn)出石墨的作用，設(shè)計的摩擦材料配方見表1。

表1 摩擦材料配方 w/%

1.2 試樣的制備

按照表1稱取原料，將原料一次投入混料機內(nèi)，混料時間約5 min，使其分散均勻，無白點，無纖維結(jié)團現(xiàn)象。將混合均勻的原料按規(guī)定投料量加于壓模中一次熱壓成型，其中熱壓溫度160 ℃，熱壓壓力30 MPa，保溫保壓時間60 s/mm，在第一分鐘放氣3次。

1.3 性能表征

使用靜水力學(xué)密度測量天平測定材料的體積密度；依照GB5765—86標準采用簡支梁沖擊強度試驗機進行沖擊強度試驗，其中試樣規(guī)格為55 mm×10 mm×6 mm，采用掃描電子顯微鏡觀測材料沖擊斷口形貌。

使用XD -MSM定速摩擦試驗機，按照GB 5763 —2008標準測試材料的摩擦磨損性能，試樣尺寸為25 mm×25 mm×5 mm，壓力為0.98 MPa，圓盤轉(zhuǎn)速500 r/min，分別測試100、150、200、250、300和350 ℃下圓盤旋轉(zhuǎn)5 000 r的升溫摩擦系數(shù)和磨損率，然后從300 ℃分別降溫至250、200、150和100 ℃，在每個溫度點圓盤轉(zhuǎn)動1 500 r測定摩擦材料的降溫摩擦系數(shù)。對偶材質(zhì)為HT250灰鑄鐵，珠光體組織，硬度為HB180～220。

2 結(jié)果與討論

2.1 密度

不同w(石墨)的摩擦材料樣品的密度變化圖見圖1。

w(石墨)/%圖1 w(石墨)對ρ(材料)的影響

由圖1可看出，未添加石墨的摩擦材料樣品密度最大，其值為2.36 g/cm3。隨著石墨的加入，摩擦材料的密度逐漸降低。當w(石墨)=10%時，摩擦材料密度最小，其值為2.28 g/cm3。摩擦材料密度降低的原因可歸結(jié)為相對于石灰石的密度(2.65～2.8[10])，石墨的密度較小(2.1～2.3)，在配方設(shè)計中隨w(石墨)的增多，w(石灰石)降低，因此采用相同質(zhì)量分數(shù)的石墨取代石灰石，材料的密度會降低。進一步分析表明，當w(石墨)=6%時，摩擦材料的密度較大幅度降低，原因是由于石墨粉具有層片狀結(jié)構(gòu)，當w(石墨)較多時，大量的石墨片容易搭橋，導(dǎo)致熱壓成型時致密化困難，從而在材料內(nèi)部殘留較多孔隙。綜合分析摩擦材料使用時的舒適型要求，3#試樣密度值較為合適。

2.2 沖擊強度

不同w(石墨)的摩擦材料樣品沖擊強度的變化圖見圖2。

w(石墨)/%圖2 w(石墨)對沖擊強度的影響

由圖2可看出，隨著w(石墨)的增加，摩擦材料樣品的沖擊強度出現(xiàn)先增大后減小的趨勢。當w(石墨)=4%時，摩擦材料樣品的沖擊強度達到最大值4.35 kJ/m2，其數(shù)值明顯高于GB5765—86規(guī)定的摩擦材料的沖擊強度應(yīng)大于2.94 kJ/m2的要求。沖擊強度出現(xiàn)最大值的原因可歸結(jié)為由于石墨粉的二維層片狀結(jié)構(gòu)所決定。當石墨與增強纖維形成復(fù)合增強體系時，由于各增強體之間結(jié)構(gòu)和尺寸的差異使摩擦材料的互補協(xié)同效應(yīng)增強，從而使3#試樣在沖擊斷裂時能呈現(xiàn)較高的韌性[11]。

為了進一步分析摩擦材料樣品高沖擊強度產(chǎn)生的原因，給出了3#樣品的沖擊斷口形貌圖，見圖3。

圖3 w(石墨)=4%的3#試樣斷口形貌

由圖3可看出，材料斷裂表面凹凸不平，石墨片與纖維交替拔出，表明斷裂過程吸收的能量增多，因此斷裂強度較高。對比圖2中結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當w(石墨)>4%時，隨石墨含量的增加摩擦材料的沖擊強度減小，這種現(xiàn)象出現(xiàn)的原因仍然與石墨的層片狀結(jié)構(gòu)有關(guān)。當w(石墨)較多時，材料內(nèi)部產(chǎn)生的搭橋現(xiàn)象越明顯，相應(yīng)的材料中孔隙增多，從而使材料的致密度和沖擊強度下降[12]。

2.3 摩擦磨損性能

2.3.1 升溫降溫摩擦系數(shù)

不同w(石墨)的摩擦材料樣品的摩擦系數(shù)隨溫度的變化關(guān)系圖見圖4。

t/℃圖4 w(石墨)對升溫摩擦系數(shù)曲線的影響

由圖4可看出，隨著溫度的升高，各試樣的摩擦系數(shù)均呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，在200～250 ℃分別達到最大值。進一步觀察發(fā)現(xiàn)，1#試樣的摩擦性能在200 ℃以下較好，超過200 ℃材料的摩擦系數(shù)迅速下降，表明材料發(fā)生了高溫摩擦性能衰退行為。而加有石墨粉的2#～6#試樣在250 ℃之后摩擦系數(shù)均遠高于1#試樣，說明石墨粉可以明顯改善材料的高溫摩擦性能衰退現(xiàn)象，這和石墨的高溫黏著摩擦機理有直接關(guān)系[9]。對比2#～6#試樣可知，當w(石墨)較少時，隨w(石墨)的增多材料的摩擦性能增強，當w(石墨)=4%材料的摩擦性能最好，能有效得保證高速重載情況下的剎車效率和可靠性。而當w(石墨)>4%，隨著w(石墨)的增多，材料的摩擦性能下降，高溫階段下降尤其明顯。摩擦系數(shù)的變化與石墨結(jié)構(gòu)有關(guān)系，當w(石墨)=4%時能夠部分覆蓋摩擦面，兼有粘著摩擦和磨粒摩擦機理，摩擦系數(shù)最高。而w(石墨)進一步增多時，摩擦過程中石墨片在外力作用下趨于平行于摩擦面，石墨顆粒在磨擦表面鋪展形成穩(wěn)定光滑的摩擦膜，此時以黏著摩擦為主，所以，摩擦系數(shù)也相應(yīng)降低。

2.3.2 磨損率

摩擦材料的磨損率是衡量摩擦材料耐用程度的重要技術(shù)經(jīng)濟指標，磨損率越低，剎車片使用壽命越長。為了進一步分析石墨含量對磨損率的影響，給出了不同石墨含量的摩擦材料樣品的磨損率隨溫度變化的曲線圖，見圖5。

t/℃圖5 w(石墨)對各溫度下磨損率的影響

由圖5可看出，在100～250 ℃各摩擦材料試樣均具有較小的磨損率。隨著溫度的繼續(xù)升高，磨損率數(shù)值出現(xiàn)了較大的差異，尤其是300 ℃和350 ℃高溫下這種分化更加明顯。從300 ℃和350 ℃時的磨損率可看出，不含石墨的摩擦材料樣品高溫磨損率最高，隨著w(石墨)的增多，磨損率逐漸降低，當w(石墨)=10%時磨損率達到最低值，其數(shù)值和低溫下的磨損率基本相接近，表明其耐磨性最為優(yōu)良。此外，從圖5中還可看出，w(石墨)=6%的4#試樣在350 ℃下的磨損率不足1#試樣磨損率的一半，而w(石墨)=10%的6#試樣在350 ℃下的磨損率僅為1#試樣的五分之一，說明當石墨粉可以有效降低摩擦材料的高溫磨損率，從而提高提高材料的耐磨性。如前所述，摩擦表面的片層石墨粉在制動時會平行摩擦表面分布，當w(石墨)較多時會形成穩(wěn)定的摩擦膜，而且石墨會以涂抹的方式使對偶表面也分布滿石墨層，摩擦材料與對偶材料的磨損實質(zhì)為石墨片之間的磨損，磨損程度非常輕微，磨損率很低[13]。與國家標準對比可知，在所有實驗溫度下磨損率均優(yōu)于國家標準。

3 結(jié) 論

采用熱壓固化法制備了不同w(石墨)的NAO摩擦材料，研究了w(石墨)對材料物理性能、力學(xué)性能和摩擦磨損性能的影響。結(jié)果表明，w(石墨)對摩擦材料的低溫摩擦系數(shù)影響較小，對高溫摩擦因數(shù)的影響較為明顯。當w(石墨)=4%時可以有效改善摩擦材料樣品的密度、沖擊強度、高溫摩擦因數(shù)和高溫抗磨損性能。

參 考 文 獻：

[1] 張清海.有機摩擦材料學(xué)[M].北京：中國摩擦密封材料協(xié)會,2008：15-16.

[2] 趙小樓,王鐵山,程光明.汽車摩擦材料的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].潤滑與密封,2006,10:173-176.

[3] JACKO M G,TSANG P H S,RHEE S K.Automotive friction materials evolution during the past decade[J].Wear,1984,100 (1/2/3)：503-515.

[4] BIJWE J J.Composites as friction materials：Recent developments in non-asbestos fiber reinforced friction materials-a review[J].Polymer Composites,1997,18(3)：378-396.

[5] FLETCHER L S,BARBER S,ANDERSON A E，et al.Feasibility analysis of asbestos replacement in automobile and truck brake systems [J].Mechanical Engineering-CIME,1990,112：50-58.

[6] 張明喆,劉勇兵,楊曉紅.車用摩擦材料的摩擦學(xué)研究進展[J].摩擦學(xué)學(xué)報,1999,19(4)：379-384.

[7] BIJWE J J,KUMAR M,GURUNATH P V,et al.Optimization of brass contents for best combination of tribo-performance and thermal conductivity of non-asbestos organic (NAO) friction composites [J].Wear,2008,265(5/6)：699-712.

[8] 李長虹.石墨對三氧化二鋁/銅金屬陶瓷復(fù)合材料摩擦磨損性能的影響[J].摩擦學(xué)學(xué)報,2004,24(6)：572-575.

[9] 呂亞非,馬玉寧,韓翎,等.石墨在半金屬摩擦材料中的作用及其對摩擦性能的影響[J].北京化工大學(xué)學(xué)報,2006,33(5):58-61.

[10] 申榮華,何琳.摩擦材料及其制品生產(chǎn)技術(shù)[M].北京：北京大學(xué)出版社,2010:7-19.

[11] 吳耀慶,曾鳴,余玲,等.多維復(fù)合增強汽車摩擦材料[J].復(fù)合材料學(xué)報,2010,27 (5):79-85.

[12] 袁義云,宋迎東,孫志剛.孔隙率對多孔陶瓷材料失效強度的影響[J].航空動力學(xué)報，2008,23(9)：1623-1627.

[13] LIU T,RHEE S K,LAW SON K L.A study of wear rates and transfer film of friction material[J].Wear,1980,60：132-140.