林少芳，鄭開(kāi)魁

(1. 福州職業(yè)技術(shù)學(xué)院交通工程系， 福建 福州 350108; 2. 福州大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院, 福建 福州 350108)

0 引言

據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局相關(guān)報(bào)道，截至2019年12月31日，全國(guó)汽車(chē)保有量已經(jīng)達(dá)到2.6億輛，與2018年底相比，增加2 122萬(wàn)輛，增長(zhǎng)率高達(dá)8.83%[1].汽車(chē)使用的剎車(chē)片大約行駛5萬(wàn)公里左右就要進(jìn)行更換[2]，也就是說(shuō)，雖然2020年，新冠肺炎疫情加劇了汽車(chē)消費(fèi)下滑幅度，但是對(duì)于汽車(chē)剎車(chē)片這個(gè)后市場(chǎng)而言，整個(gè)市場(chǎng)仍然具有很大的需求，預(yù)計(jì)為200億元左右.研究表明[3]，剎車(chē)片的摩擦材料是影響汽車(chē)制動(dòng)效能和制動(dòng)效能恒定性的關(guān)鍵因素，要求它必須具有良好的摩擦系數(shù)和耐磨損性能，同時(shí)有一定的耐熱性和機(jī)械強(qiáng)度.

市場(chǎng)和企業(yè)輻射帶動(dòng)、反復(fù)博弈的作用下，雖然當(dāng)前制動(dòng)摩擦行業(yè)的水平越來(lái)越先進(jìn)、技術(shù)越來(lái)越成熟，但仍不能滿足現(xiàn)代制動(dòng)摩擦材料對(duì)環(huán)境保護(hù)的新要求.據(jù)統(tǒng)計(jì)，在汽車(chē)磨損污染排放中，剎車(chē)片磨損占比則超過(guò)80%[4].因此，研發(fā)“綠色”新型摩擦材料已成為整個(gè)社會(huì)的必然共識(shí).

在前期的試驗(yàn)中，我們發(fā)現(xiàn)改性竹纖維作為摩擦材料的增強(qiáng)纖維時(shí)具有低溫摩擦磨損性能；硅酸鋁陶瓷纖維在抗高溫?zé)崴ネ诵阅芎突謴?fù)性能方面的具有明顯的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)還可以提高整體材料的摩擦系數(shù)；硫酸鈣晶須的摩擦系數(shù)較高且較穩(wěn)定，磨損率低；鎂鹽晶須的高溫摩擦系數(shù)較高，且其穩(wěn)定性和熱衰退性較好；天然生物復(fù)合材料牡蠣殼粉可作為成本低、綠色環(huán)保的填料.試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，摩擦材料中的混雜纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)必須控制在一定的范圍內(nèi)，這樣在摩擦過(guò)程中可以產(chǎn)生更好的協(xié)同互補(bǔ)作用.

1 混雜纖維制動(dòng)摩擦材料配方設(shè)計(jì)

1.1 配方設(shè)計(jì)思路為了體現(xiàn)配方的最佳比例關(guān)系，試驗(yàn)采用美國(guó)數(shù)學(xué)家基弗提出的黃金分割優(yōu)化法，即0.618法[5]，通過(guò)最少的試驗(yàn)次數(shù)，找到“最佳點(diǎn)”，確定每個(gè)試驗(yàn)因素對(duì)應(yīng)的3個(gè)試驗(yàn)水平，如表1所示.

表1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素與水平%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

雖然正交設(shè)計(jì)法在初步篩選時(shí)收斂速度緩慢等缺點(diǎn)，但是由于它具有布點(diǎn)均衡、試驗(yàn)次數(shù)較少，易于分析出各因素的主效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，因此在科研中普遍使用.

為了找出每個(gè)因素的最優(yōu)水平，試驗(yàn)采用作為數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法的正交設(shè)計(jì)法，通過(guò)正交設(shè)計(jì)，對(duì)具有代表性的幾套試驗(yàn)方案進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)數(shù)據(jù)分析，分析了因素的主次、因素和指標(biāo)的關(guān)系這兩方面問(wèn)題，最后得到最優(yōu)因素組合方案.

極差分析法和方差分析法是正交試驗(yàn)結(jié)果分析的兩種方法，由于極差分析法存在分析誤差較大等缺陷，本次正交實(shí)驗(yàn)采用方差分析法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，選擇10種原料組成配方：改性竹纖維、硅酸鋁陶瓷纖維、硫酸鈣晶須、鎂鹽晶須、銅粉、輪胎粉、改性酚醛樹(shù)脂、牡蠣殼粉、氧化鋁、石墨.因?yàn)榉尤?shù)脂在使用中會(huì)釋放出甲醛和苯酚物資,這將對(duì)人體產(chǎn)生不可忽視的危害.目前制動(dòng)摩擦產(chǎn)品的研發(fā)朝著無(wú)苯樹(shù)脂或酚醛樹(shù)脂用量減少的方向進(jìn)行，因此，主要考慮改性竹纖維、硅酸鋁陶瓷纖維這和改性酚醛樹(shù)脂3種物質(zhì)的含量，其他原材料的配方比例保持不變.利用黃金分割法分別進(jìn)行3個(gè)水平的正交試驗(yàn).使用正交表L9(34)設(shè)計(jì)，如表1和表2所示.

表2 9種樹(shù)脂基摩擦材料各組分含量 %(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

1.2 模糊綜合評(píng)價(jià)法判斷摩擦材料摩擦性能優(yōu)劣的兩個(gè)重要因素是：一是摩擦系數(shù)穩(wěn)定，二是耐磨性能良好.模糊綜合評(píng)判從多個(gè)指標(biāo)對(duì)被評(píng)價(jià)事物隸屬等級(jí)狀況進(jìn)行綜合性評(píng)判，可以做到定性和定量因素相結(jié)合，提高評(píng)價(jià)準(zhǔn)確度.本文中采用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)混雜纖維摩擦材料的摩擦性能進(jìn)行定量的表征.依據(jù)模糊數(shù)學(xué)理論，定量評(píng)價(jià)摩擦材料摩擦性能優(yōu)劣.用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)摩擦穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)時(shí)，為了使每個(gè)試驗(yàn)配方只有一個(gè)評(píng)價(jià)值，我們對(duì)不同溫度下的模糊綜合評(píng)測(cè)結(jié)果Δμi*計(jì)算平均值Δμi**，用平均值Δμi**對(duì)試樣摩擦系數(shù)的穩(wěn)定性優(yōu)劣進(jìn)行判斷,為了比較不同溫度下的摩擦材料的磨損性能優(yōu)劣，采用磨損率V*來(lái)定量表征每個(gè)試樣的磨損率.

2 混雜纖維摩擦材料配方設(shè)計(jì)結(jié)果

按照表2所示進(jìn)行9種混雜纖維摩擦材料的制備，通過(guò)X-DM型調(diào)壓變速摩擦試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行摩阻材料的摩擦磨損性能實(shí)驗(yàn).

表3 9種混雜纖維摩擦材料摩擦系數(shù)穩(wěn)定性模糊評(píng)價(jià)過(guò)程數(shù)據(jù)

(1)

從表3可以看出，配方A2的Δμi**最大，為0.56，因此在9種配方中，它的摩擦穩(wěn)定性能最好.說(shuō)明配方A2中的改性竹纖維、硅酸鋁纖維、改性酚醛樹(shù)脂和硫酸鈣晶須等配比可以產(chǎn)生較好的混雜效應(yīng)，在摩擦過(guò)程中起到協(xié)同互補(bǔ)作用.

從表4可以看出，試樣A2和A5的磨損率相對(duì)較小，說(shuō)明這兩個(gè)試樣的耐磨性能相對(duì)較好.

為了對(duì)混雜纖維摩擦材料配方的摩擦性能即摩擦系數(shù)和磨損率進(jìn)行綜合性評(píng)價(jià)，試驗(yàn)采用綜合性能模糊評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行表征.具體見(jiàn)表5.

表4 混雜纖維摩擦材料的磨損率模糊評(píng)價(jià)磨損率cm3/Nm×10-7

其中，Vi為某溫度下的磨損率；Si為國(guó)標(biāo)GB5763-2008標(biāo)注的每個(gè)溫度下允許的最大磨損率.

(2)

(3)

表5 混雜纖維摩擦材料的綜合性能模糊評(píng)價(jià)

表5可以看出，混雜纖維摩擦材料配方A2的模糊評(píng)價(jià)指標(biāo)最大，為0.33，表明配方A2的模糊綜合性能較好，而配方A9的模糊評(píng)價(jià)指標(biāo)最小，為0.00，說(shuō)明配方A9的綜合性能較低.

2.2 正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果從表6可以看出，改性酚醛樹(shù)脂和改性竹纖維對(duì)混雜纖維摩擦材料的影響都較明顯，擁有較好摩擦系數(shù)的配方方案為A1B2C2，即：改性竹纖維含1.7%，硅酸鋁陶瓷纖維含3.9%，改性酚醛樹(shù)脂21.2%.

2.3 混雜纖維摩擦材料優(yōu)化配方試驗(yàn)通過(guò)以上的正交實(shí)驗(yàn)，混雜纖維摩擦材料的最終優(yōu)化配方見(jiàn)表7.為了進(jìn)一步驗(yàn)證本試驗(yàn)優(yōu)化配方制成的摩擦材料的可行性，通過(guò)與上海大眾車(chē)系常用的剎車(chē)片的摩擦性能進(jìn)行比較.結(jié)果見(jiàn)表8.同時(shí)，從而更好的分析理解混雜纖維制動(dòng)摩擦材料配方優(yōu)化情況，本試驗(yàn)采用荷蘭Henom-World公司生產(chǎn)的臺(tái)式掃描電子顯微鏡，對(duì)兩種摩擦材料試樣進(jìn)行磨損形貌分析，SEM結(jié)果分別如圖1和圖2.

從表8可以得出，該摩擦材料的優(yōu)化配方的摩擦學(xué)性能優(yōu)良，穩(wěn)定性好；溫度從150 ℃到300 ℃之間，優(yōu)化配方的磨損率較低，每個(gè)溫度的摩擦系數(shù)均在0.40～0.44之間波動(dòng).通過(guò)查閱相關(guān)資料，上海大眾車(chē)系常用剎車(chē)片的最高摩擦系數(shù)為0.42，平均摩擦系數(shù)為0.345，本試樣配方的各項(xiàng)摩擦性能接近上海大眾車(chē)系常用剎車(chē)片，性能完全滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求.

表6 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表 %(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

從圖1和圖2顯示，兩種摩擦片經(jīng)過(guò)磨損后，摩擦材料表面都光滑平整，表面均形成了部分連續(xù)的摩擦膜，起到保護(hù)摩擦表面的作用.圖1摩擦表面有平行于摩擦方向的磨痕，呈現(xiàn)磨粒磨損特征.圖2在摩擦膜表面有一些細(xì)長(zhǎng)的磨痕，摩擦膜周?chē)霈F(xiàn)片狀剝落和點(diǎn)狀凹坑, 說(shuō)明磨損形式主要以磨粒磨損和黏著磨損為主.

本試樣配方制成的摩擦材料的摩擦系數(shù)基本位于0.35～0.45之間，為FF級(jí)別,具有廣闊的應(yīng)用前景.

表7 混雜纖維摩擦材料優(yōu)化實(shí)驗(yàn)配方

圖1 本試驗(yàn)自制剎車(chē)片在磨損試驗(yàn)后的摩擦表面SEM照片

圖2 市場(chǎng)上某款剎車(chē)片在磨損試驗(yàn)后的摩擦表面SEM照片

表8 摩擦性能試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)語(yǔ)

1)改性竹纖維、硅酸鋁陶瓷纖維和改性酚醛樹(shù)脂對(duì)制品的摩擦磨損性能有一定影響，其中改性酚醛樹(shù)脂和改性竹纖維的影響都較顯著.

2)正交試驗(yàn)最終優(yōu)化配方為：改性竹纖維1.7%，硅酸鋁陶瓷纖維3.9%，改性酚醛樹(shù)脂21.2%，硫酸鈣晶須7.1%，鎂鹽晶須13.3%，銅粉10.2%，輪胎粉5.1%，牡蠣殼粉20.4%，氧化鋁10.2%，石墨3.1%.

3)混雜纖維摩擦材料優(yōu)化配方的摩擦性能測(cè)試的試驗(yàn)表明，優(yōu)化配方的磨損率都比較小，摩擦系數(shù)良好；在150～300 ℃溫度之間的摩擦系數(shù)穩(wěn)定，均在0.40～0.44間波動(dòng)，磨損率較低，相關(guān)性能滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求.