作者簡(jiǎn)介:陸安安,在讀碩士研究生;研究方向:高性能濕式紙基摩擦材料。
關(guān)鍵詞:紙基摩擦材料;二次浸膠;機(jī)械性能;摩擦磨損中圖分類號(hào):TS762 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A DOI:10.11980/j.issn.0254-508X.2025.04.006
Influence of New Dipping and Hot Pressing Process on the Properties of Paper-based Friction Materials
LU Anan1ZHOU Wenling1LIAO Xiangyu2 LIN Mingcen1ZHANG Chunhui1* (1.SchoolofLightdustryandEngineeing,SouthChinaUniversityofTechnologyGuangzhouGuangdongProvince,640; 2.Zhejiang KEMA Friction Materials Co.,Ltd.,Songyang,Zhejiang Province,323400) (*E-mail:chunhui@scut.edu.cn)
Abstract:Tosolvetheprobleofresiamageinotpressngpross,tisstudyexploredanewdippingandotpressingproess,and compareditwithtesingledipingprocessandthedualdippingprocess,andanalysedtheefectsoftenewprocessonthestructure,me chanicalpropertiesndfrictionandearpropertisofpaperbasedfrctiomaterials.esultssoedthatteewprocessouldefe tivelyavoidetructioofthsinineapebasdfromateraldurgteotpresigprocssWneitialgungout was 7 . 5 % and the total gluing amount was 30 % ,the resin and pore size in the paper-based friction material were uniformly distributed.In comparisontoepbasdctiomatealdebyngledippingprocess,forapebasdfritmaterialsP-,dsad 97.6 HRR,the shear strength was increased by 78. 1 % to 4 . 0 6 M P a ,the thermo-mechanical properties were stable,and the variance of the average coefficient of dynamic friction at 2.96,4.50,and 5.60 MPa were decreased by 75. 1 % , 7 1 . 4 % ,and 72. 7 % ,respectively,and the wear rate was reduced to ,while the friction performance remained stable at
and 5 . 6 0 M P a : Key words:paper-based friction material;dual dipping process;mechanical properties; friction and wear
紙基摩擦材料作為一種在油介質(zhì)中工作的新型摩擦材料,通常由造紙成形浸漬樹脂,熱壓固化制備而成[2]。相較于發(fā)展成熟的造紙工藝,浸膠與熱壓工藝更難于調(diào)控,二者如何實(shí)現(xiàn)樹脂在紙基摩擦材料中的均勻分布是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)[3]
浸膠工藝實(shí)際包含了浸漬樹脂和揮發(fā)溶劑2個(gè)過程,主要目的是使樹脂以溶液為介質(zhì)進(jìn)入到原紙中,并均勻分布在增強(qiáng)纖維和填料之間。整個(gè)浸漬過程是完成后續(xù)工藝(干燥、預(yù)固化、熱壓)的基礎(chǔ),也是保證最終的紙基摩擦材料性能(機(jī)械性能和摩擦磨損性能)的前提。目前,關(guān)于紙基摩擦材料浸膠工藝的研究,主要集中在開放式常壓一次浸膠和真空浸膠上。二次或多次浸膠多應(yīng)用于簾子線、各式層壓板和其他纖維復(fù)合材料的制備4。二次或多次浸膠是在開放式常壓一次浸膠上發(fā)展起來(lái)的,能夠保證膠液充分浸漬和均勻浸漬,從而達(dá)到甚至超過真空浸膠的質(zhì)量效果4。目前,二次浸膠及其浸漬比例對(duì)紙基摩擦材料性能的影響研究在國(guó)內(nèi)還屬于空白。熱壓工藝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(dòng),并均勻地分散在增強(qiáng)纖維和填料中,進(jìn)一步縮聚反應(yīng)后樹脂變成具有網(wǎng)絡(luò)狀交聯(lián)結(jié)構(gòu)的固化物,并將材料中的各組分互鎖為整體,賦予紙基摩擦材料整體強(qiáng)度的同時(shí),改善材料的摩擦磨損性能5。如何完成樹脂固化、材料厚度控制,以及降低熱壓工藝對(duì)材料的損傷是研究人員容易忽略的問題。
在紙基摩擦材料制備過程中,經(jīng)過預(yù)固化處理的浸膠紙中的樹脂容易在熱壓過程中產(chǎn)生裂紋,甚至被壓潰;而在樹脂未固化前直接進(jìn)行熱壓處理,易導(dǎo)致樹脂大量軟化流動(dòng)到材料表面,分布不均。若通過調(diào)整浸膠和熱壓工藝,在最大程度上保留樹脂的完整度,并優(yōu)化其在材料中的分布,則可大幅提升紙基摩擦材料的機(jī)械性能和摩擦磨損性能]。
本研究采用二次浸膠與熱壓相結(jié)合的新工藝,先真空浸漬較低質(zhì)量分?jǐn)?shù)的樹脂膠液,在不做預(yù)固化處理下直接進(jìn)行熱壓以調(diào)控材料厚度,然后進(jìn)行二次浸膠以補(bǔ)充足夠的上膠量。同時(shí),采用浸膠-再浸膠-熱壓的工藝制備二次浸膠樣品作為對(duì)照組,探究新工藝對(duì)紙基摩擦材料結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能、動(dòng)態(tài)熱機(jī)械性能和摩擦磨損性能的影響,以解決樹脂在熱壓過程中的機(jī)械損傷問題。
1實(shí)驗(yàn)
1.1實(shí)驗(yàn)原料、試劑及儀器
碳纖維(大阪燃?xì)饣瘜W(xué)有限公司)、芳綸漿粕(日本帝人株式會(huì)社)、自制PBO漿粕;圓柱形硅藻土(東莞森大環(huán)保環(huán)境有限公司)、石墨(廣東省地質(zhì)礦產(chǎn)公司)、自制摩擦性能調(diào)節(jié)劑;實(shí)驗(yàn)室自制熱固樹脂。
CM1850-01型冷凍切片器,德國(guó)Leica;T25高速分散機(jī),德國(guó)IKA公司;NO.2530標(biāo)準(zhǔn)纖維疏解器,日本KRK公司;圓形抄片器,自制;PLC程序控制壓片機(jī),東莞市協(xié)朋精密儀器有限公司;DHG-9245AD型高溫烘箱,上海東麓儀器設(shè)備有限公司;CFP-1100-A孔徑儀,美國(guó)PMI公司;MHRS-150型觸摸屏數(shù)顯洛氏硬度計(jì);上海奧龍星迪檢測(cè)設(shè)備有限公司;5565型拉伸壓縮材料試驗(yàn)機(jī),美國(guó)INSTRON公司;EVO18型掃描電子顯微鏡(SEM),德國(guó)ZEISS公司;Q800-2062型動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析儀,德國(guó)NETZSCH公司;UMT型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī),德國(guó)Bruker公司。
1.2紙基摩擦材料制備
1.2.1單次浸膠紙基摩擦材料的制備
按照表1配方稱取原料,采用纖維疏解器和高速分散機(jī)將增強(qiáng)纖維、填料和水按一定比例混合,疏解成分散均勻的漿液,采用真空抽濾成型,自然晾干后得到紙基摩擦材料原紙。配制質(zhì)量分?jǐn)?shù) 7 . 5 % 的樹脂溶液,將原紙浸漬于上述溶液 1 5 m i n ,然后在 下預(yù)固化 1 0 m i n 。預(yù)固化完成后使用壓片機(jī)(壓力
、時(shí)間 3 m i n )在
下固化 3 0 m i n ,得到單次浸膠工藝的紙基摩擦材料,記為BMR-F。
1.2.2 新型浸膠與熱壓工藝紙基摩擦材料的制備
按照1.2.1方法制備紙基摩擦材料原紙,配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0 . 5 % 、 1 . 1 % 、 1 . 7 % 、 2 . 3 % 、 2 . 9 % 和 3 . 5 % 的樹脂溶液,浸漬上述原紙 1 5 m i n ,使上膠量呈現(xiàn)一定梯度。在 恒溫干燥箱揮發(fā)溶劑 4 5 m i n 后,得到不同上膠量的6種初次浸膠紙,制備流程如圖1所示。
將初次浸膠得到的6種浸膠紙置于 壓片機(jī)中熱壓(壓力 1 2 M P a 、時(shí)間 3 m i n )。熱壓完成后再次浸漬不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的樹脂溶液,控制所有樣品的總上膠量在 3 0 . 0 % 左右。溶劑干燥后在
恒溫干燥箱中固化 4 5 m i n ,得到初次上膠量不同,總上膠量相同的6種紙基摩擦材料,分別編號(hào)為P-1、P-2、P-3、P-4、P-5和P-6,制備流程如圖2所示。
1.2.3二次浸膠工藝紙基摩擦材料的制備
圖3為二次浸膠紙基摩擦材料制備流程圖。如圖3所示,取初次上膠量 7 . 5 % 的初次浸膠紙,壓榨后浸漬質(zhì)量分?jǐn)?shù) 8 . 5 % 的樹脂溶液 1 5 m i n ,溶劑干燥后得到總上膠量為 3 0 . 0 % 左右的二次浸膠紙。然后在 恒溫干燥箱中預(yù)固化 1 0 m i n ,之后在
的熱壓機(jī)中熱壓(壓力 1 2 M P a 、時(shí)間 3 m i n )。最后,將二次浸膠紙置于 $2 4 0 \ { ^ \circ } \mathrm { C }$ 恒溫干燥箱中干燥 3 0 m i n 得到二次浸膠紙基摩擦材料,編號(hào)為T。
1.3 性能測(cè)試
1.3.1紙基摩擦材料及其樹脂質(zhì)量分布測(cè)試
將紙基摩擦材料裁切成 小片,干燥后測(cè)定質(zhì)量記為 M ,測(cè)量厚度記為d。使用冷凍切片器從上述樣品中切出厚度為 0 . 1 d 的上、下表層,如圖4所示。干燥后測(cè)定上表層、中間層和下表層的質(zhì)量,分別記為
!
和
。
上表層、中間層和下表層中的樹脂質(zhì)量計(jì)算分別見式(1)\~式(3)。
式中, 分別表示上表層、中間層和下表層中樹脂的質(zhì)量, m g : a 表示樣品上膠量, % 。
1.3.2 SEM分析
使用SEM表征樣品的微觀形貌,測(cè)試電壓為 ,測(cè)試前需將樣品進(jìn)行噴金處理。
1. 3.3 表面硬度測(cè)試
參考GB/T3398.2—2008《塑料硬度測(cè)試第2部分:洛氏硬度》,試樣硬度選擇HRR標(biāo)尺,在洛氏硬度計(jì)上測(cè)試試樣硬度,壓頭材質(zhì)為鋼球,直徑1 2 . 7 m m ,初負(fù)荷 9 8 . 0 7 N ,主負(fù)荷 5 8 8 . 4 N 。每個(gè)樣品測(cè)試8個(gè)點(diǎn),取其算術(shù)平均值作該樣品硬度值。
1.3.4 孔隙結(jié)構(gòu)
將紙基摩擦材料裁切成 2 c m×2 c m 試樣,采用孔徑儀對(duì)其平均孔徑和孔徑分布進(jìn)行測(cè)試。
1.3.5 剪切強(qiáng)度測(cè)試
采用拉伸壓縮材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)紙基摩擦材料剪切強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試:使用裁紙機(jī)將材料裁切成 1 5 m m× 1 5 m m 以及 (長(zhǎng)度 × 寬度)的試樣;將剎車片膠涂抹在已清洗干凈的鋼帶表面上,將待測(cè)試樣夾在2片鋼帶之間,在
和 0 . 5 M P a 條件下熱壓固定
,剪切試樣搭接方式如圖5所示。黏合完成后,將試樣兩端固定在試驗(yàn)機(jī)上,2個(gè)夾頭之間的距離固定為 7 5 m m ,向上以
的速度拉伸,直至試樣發(fā)生剪切斷裂。剪切強(qiáng)度的結(jié)果以試樣斷裂時(shí)的最大載荷與斷裂面積比來(lái)表示[1]。每個(gè)樣品測(cè)試3次,結(jié)果取平均值。剪切強(qiáng)度計(jì)算見式(4)。
式中, T 表示剪切強(qiáng)度, ; F 表示試樣斷裂時(shí)最大載荷,N; A 表示試樣斷裂面積,
。
1.3.6 動(dòng)態(tài)熱機(jī)械性能測(cè)試
使用動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析儀對(duì)紙基摩擦材料進(jìn)行動(dòng)態(tài)熱機(jī)械性能測(cè)試,測(cè)試形式選擇拉伸承載,其中試樣尺寸 1 0 m m×2 0 m m (長(zhǎng)度 × 寬度),溫度范圍 5 0 ~ ,升溫速率
,振幅
,頻率 5 H z 。
1.3.7 孔隙率
參考GB/T13826—2008《濕式(非金屬類)摩擦材料》,將紙基摩擦材料裁切成 試樣,測(cè)量試樣厚度,計(jì)算試樣體積,記為 V 。在
恒溫干燥箱中干燥
,用分析天平測(cè)其質(zhì)量記為
(g);將其浸沒在
的傳動(dòng)油介質(zhì)中
后,將油溫降至室溫,繼續(xù)保持 1 2 h ,使試樣在傳動(dòng)油介質(zhì)中吸附飽和的同時(shí),消除溫度對(duì)材料體積和氣孔結(jié)構(gòu)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(cè)其質(zhì)量記為
(g)。試樣孔隙率
( ( % )通過式(5)計(jì)算。
1.3.8 摩擦特性測(cè)試
使用UMT摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的clutch模塊,在 傳動(dòng)油環(huán)境下對(duì)紙基摩擦材料進(jìn)行摩擦磨損性能測(cè)試,以模擬材料在SAE#2條件下的試驗(yàn)結(jié)果。測(cè)試樣品由內(nèi)徑
、外徑 2 8 . 8 5 m m 、厚度
0 . 5 m m 的圓環(huán)試樣和厚度 的
鋼制成的對(duì)偶摩擦盤加工貼合而成,如圖6所示。
在進(jìn)行摩擦磨損實(shí)驗(yàn)前,需進(jìn)行預(yù)磨處理。首先在 的比壓、 1 0 0 0 r / m i n 的轉(zhuǎn)速和 $1 2 0 \ { ^ { \circ } \mathrm { C } }$ 的油溫條件下進(jìn)行預(yù)磨合,直至試樣摩擦面和摩擦盤之間的磨合面積達(dá)到整個(gè)試樣面積的 8 0 % 。
動(dòng)、靜摩擦因數(shù)測(cè)定:每種試樣在 油溫環(huán)境中,分別測(cè)定在2.96、4.50和 5 . 6 0 M P a 的加載壓力下,轉(zhuǎn)速為0.04、 0 . 0 8 、0.12、0.16、0.20、0.30、0.50、0.55、0.70、0.95、1.20、 1 . 6 5 m / s 的動(dòng)、靜摩擦因數(shù)。
磨損率測(cè)定:每種試樣在 油溫環(huán)境中,在
的比壓和 1 0 0 0 r / m i n 的轉(zhuǎn)速條件下進(jìn)行200次制動(dòng)離合實(shí)驗(yàn)。記錄下樣品的磨損深度,根據(jù)有效半徑
計(jì)算磨損體積,進(jìn)而得出磨損率。磨損率計(jì)算見式(6)。
式中, K 表示磨損率, ;
表示磨損體積,
;
表示法向載荷, N ; R 表示有效半徑, m 。
2 結(jié)果與討論
2.1新型浸膠與熱壓工藝對(duì)紙基摩擦材料結(jié)構(gòu)的影響
2.1.1對(duì)紙基摩擦材料的上膠量、厚度和密度的影響
表2為不同浸膠與熱壓工藝下紙基摩擦材料的上膠量、厚度和密度。由表2可知,經(jīng)過熱壓后,P-3\~P-6和BMR-F的厚度均控制在實(shí)驗(yàn)預(yù)期范圍內(nèi),即 ( 0 . 5 5 ± 0.02和 ;而P-1、P-2此時(shí)的厚度分別為0.70和
,遠(yuǎn)大于預(yù)期。主要原因是材料中含有大量的纖維組分,使得原紙具有一定的壓縮回彈性。P-3\~P-6和BMR-F在初次浸膠后的上膠量均 ≥ 7 . 5 % ,在熱壓過程中部分樹脂發(fā)生固化反應(yīng),大分子交聯(lián)后形成網(wǎng)絡(luò)狀固化物,產(chǎn)生一定的黏結(jié)力,能夠保證材料的尺寸穩(wěn)定性。而P-1和P-2的初次上膠量過低,卸力后材料發(fā)生回彈導(dǎo)致厚度增加。T因?yàn)樵诔醮谓z后只經(jīng)過冷壓處理,無(wú)法準(zhǔn)確控制材料厚度。
與初次浸膠并熱壓后相比,P-1\~P-6在經(jīng)過二次浸膠并固化后,厚度均增加了 0 . 1 0 m m 左右。這主要是由于在二次浸膠時(shí),部分未固化的樹脂再次溶解在溶劑中,材料內(nèi)部黏結(jié)力下降,發(fā)生一定的回彈所致2。T則是在二次浸膠后經(jīng)過了熱壓處理,厚度為0 . 6 5 m m ;BMR-F經(jīng)過第一次熱壓后即進(jìn)行固化處理,厚度為 0 . 6 5 m m 。P-3\~P-6、T和BMR-F成品厚度基本一致,密度均在 之間,孔隙率均在5 4 . 0 %~5 5 . 0 % 之間(表3)。但P-1因?yàn)楹穸容^大,導(dǎo)致密度在所有紙基摩擦材料中最小,孔隙率最大。
2.1. 2 對(duì)樹脂在紙基摩擦材料中的分布與結(jié)合的影響
為了更直觀地了解熱壓與固化工藝對(duì)紙基摩擦材料中樹脂的影響,對(duì)未添加填料的浸膠紙進(jìn)行不同條件的熱壓與固化處理,并用SEM觀察材料表面,如圖7所示。圖7(a)為浸膠紙固化前的表面,凹凸不平,存在較多大孔徑通孔和隨機(jī)分布的小孔。這些孔隙能夠及時(shí)帶走熱量而提高材料的耐熱性。雖然未經(jīng)熱壓與固化處理,但表面已有些許裂紋,猜測(cè)這是因?yàn)榻z紙中溶劑揮發(fā)完全后,形成的樹脂膜未固化且不連續(xù),浸膠紙機(jī)械強(qiáng)度低,在溶劑揮發(fā)或樣品轉(zhuǎn)移過程中產(chǎn)生裂紋。圖7(b)為浸膠紙?jiān)诟邷夭患訅籂顟B(tài)下固化后的表面。由圖7(b)可知,由于沒有熱壓,材料表面同圖7(a)一樣非常粗糙,但因?yàn)槲词艿綑C(jī)械損傷,材料表面并未出現(xiàn)任何裂紋或樹脂碎塊,樹脂完整度較高。圖7(c)是浸膠紙固化后再熱壓的表面。由圖7(c)可以看到,材料表面和孔隙中散落著大量因壓縮載荷破壞產(chǎn)生的樹脂碎塊,同時(shí),部分未與漿粕形成機(jī)械纏繞作用或未被樹脂良好包裹的碳纖維也發(fā)生脫落現(xiàn)象。這些不可逆的機(jī)械損傷必然對(duì)紙基摩擦材料的機(jī)械性能和摩擦磨損性能造成不良影響
圖7(d)為浸膠紙為未固化直接熱壓的SEM圖。由圖7(d)可知,浸膠紙表面沒有裂紋或樹脂碎片,非常干凈平整,樹脂幾乎包裹住了所有纖維,并覆蓋住了幾乎所有通孔,只存在一些無(wú)規(guī)則分布的小孔,且孔隙深度較淺。在熱壓過程中,材料受到法向載荷的作用,在垂直方向上被壓縮,各組分之間的間隙減小,結(jié)構(gòu)變得致密。同時(shí),凝膠態(tài)的樹脂在 下的流動(dòng)度為 1 2 1 m m ,根據(jù)Loos和Springer提出的“波浪式”密實(shí)模式(sequentialcompaction模型)和Dave與Gutowski等提出的“漸進(jìn)式”密實(shí)模式(squeezesponge模型)等關(guān)于樹脂流動(dòng)度和纖維密實(shí)模擬,在熱壓過程中壓力的作用下,樹脂的流動(dòng)性進(jìn)一步增強(qiáng),纖維之間的樹脂率先被擠壓到附近的孔隙中,最后更多的樹脂被擠壓至材料表面[13。這種方式雖然未對(duì)樹脂造成損傷,但由于大量樹脂聚集在表面,必然會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部各組分之間的樹脂減少,最終表現(xiàn)為材料表面致密性太高而內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松,不利于紙基摩擦材料在實(shí)際工況中對(duì)傳動(dòng)油的吸收和排出,并使材料層間結(jié)合強(qiáng)度下降。因此,亟需改進(jìn)熱壓固化工藝,以調(diào)控紙基摩擦材料的結(jié)構(gòu)與性能]
圖8為不同浸膠與熱壓工藝下紙基摩擦材料SEM圖。由圖8可知,圖8(a)和圖8(b)所示的BMR-F和T的表面,同圖7(c一樣,在經(jīng)過預(yù)固化處理并熱壓后,表面存在大量的樹脂碎塊,且BMR-F表面的樹脂呈明顯的水平連續(xù)狀分布。這進(jìn)一步表明熱壓工藝確實(shí)對(duì)部分固化的樹脂造成了明顯的機(jī)械損傷,同時(shí)未完全固化的樹脂則流動(dòng)到了材料表面。T在二次浸膠后,能在一定程度上減少閉孔的形成,使樹脂與孔隙的分布較BMR-F更均勻,但依舊無(wú)法避免熱壓過程產(chǎn)生的損傷。
相反,對(duì)于P-1\~P-6,其表面幾乎沒有樹脂碎片,表明新工藝在很大程度上保留了樹脂的完整度,這可大幅度提高材料的抗壓性能和層間剪切強(qiáng)度。由圖8(c和圖8(d)可知,因?yàn)镻-1和P-2的厚度和孔隙率較大、密度較小,其結(jié)構(gòu)較為疏松。而圖8(e)和圖8(f)表明P-3和P-4表面孔隙分布均勻,結(jié)構(gòu)較為致密。圖8(g)和圖8(h)表明P-5和P-6的表面幾乎完全被樹脂覆蓋,這是由于二者的初次上膠量過高,在熱壓過程中過多的樹脂流動(dòng)到材料表面所致。
為定量描述樹脂分布情況,圖9顯示了不同工藝下紙基摩擦材料上、下表層和中間層的質(zhì)量及各層中樹脂質(zhì)量的分布情況。所有紙基摩擦材料的總質(zhì)量均為 ( 5 0 . 0±2 . 0 ) m g ,假設(shè)材料中所有組分在垂直方向上均勻分布,則體積占比為 1 0 . 0 % 的材料上、下表層質(zhì)量應(yīng)為 ( 5 . 0±0 . 2 ) m g ,體積占比為 8 0 . 0 % 中間層的質(zhì)量應(yīng)為 ( 4 0 . 0±1 . 6 ) m g 。但由圖9(a)可知,除BMR-F和T的上、下表層和中間層的質(zhì)量接近5.0和 外,P系列紙基摩擦材料隨初次上膠量的增加,上、下表層的質(zhì)量增加,中間層的質(zhì)量減小,分別逐漸遠(yuǎn)離5.0和
。這是因?yàn)锽MR-F和T中大部分的樹脂在熱壓之前已經(jīng)固化完全,熱壓過程中樹脂流動(dòng)性低,基本維持了材料固化之前的分布情況,且在垂直方向上分布較為均勻。當(dāng)初次上膠量從 2 . 5 % 增至1 5 . 0 % 時(shí),上、下表層的質(zhì)量分別從5.2和 5 . 3 m g 增至7.4和 7 . 7 m g ,中間層的質(zhì)量從 3 9 . 5 m g 減至 3 4 . 9 m g 。
從BMR-F和T的質(zhì)量分布情況可以看出,紙基摩擦材料中的纖維和填料在上、下表層和中間層的分配相對(duì)均勻,材料表面覆蓋的樹脂確實(shí)是在熱壓過程中由材料中間層擠壓至上、下表層。由式(1)\~式(3計(jì)算得到的材料中樹脂在上、下表層和中間層的質(zhì)量分布情況,如圖9(b)所示。BMR-F和T中的樹脂在上、下表層和中間層的質(zhì)量分別在1.5和 1 2 . 0 m g 左右,分布較均勻。P系列紙基摩擦材料的初次上膠量從 2 . 5 % 增加至 1 5 . 0 % ,上、下表層樹脂質(zhì)量分別從1.7和 1 . 8 m g 增加約 1 3 0 % 至3.9和 4 . 2 m g ,中間層的樹脂質(zhì)量從1 1 . 5 m g 減少 4 0 % 至 6 . 9 m g 。中間層樹脂含量的大幅度減少可能會(huì)嚴(yán)重影響到材料內(nèi)部的層間結(jié)合強(qiáng)度。另外,由圖9(b)中數(shù)據(jù)可知,材料的上、下表層質(zhì)量相近,上、下表層中的樹脂質(zhì)量也相近,但下表層均略高于上表層,原因可能是原紙?jiān)诔爝^程中形成的兩面差造成的[14]
2.1.3 對(duì)紙基摩擦材料孔隙率、平均孔徑和孔徑分布的影響
表3和圖10為不同浸膠與熱壓工藝紙基摩擦材料的孔隙率、平均孔徑和孔徑分布。由表3和圖10可知,細(xì)小纖維和填料使得所有材料的孔徑均小于1 2 . 0 μ m ,且大部分集中在 4 . 0 μ m 以內(nèi)。與單次浸膠的BMR-F相比,T在初次浸膠后經(jīng)過壓輥壓榨,在排出材料內(nèi)部殘留空氣的同時(shí),壓縮了部分大孔隙,因此經(jīng)過二次浸膠的T在 以內(nèi)的小孔隙和超過1 0 . 0 μ m 的超大孔隙的占比均略有減少,T的平均孔徑為 1 . 8 7 μ m ,較BMR-F減小 0 . 0 2 μ m 。
P-1和P-2的孔徑峰值在 0 . 2~2 . 0 μ m ,較BMR-F和T分布更廣且峰值更低,平均孔徑均達(dá) 2 . 1 μ m 以上。這主要是由于P-1和P-2厚度較大,孔隙率更高
表3不同工藝下紙基摩擦材料的孔隙率和平均孔徑
所致。P-3的孔徑分布呈現(xiàn)出隨孔徑增大,占比穩(wěn)定減小的規(guī)律,且最大孔徑不超過 9 . 0 μ m ,平均孔徑為 1 . 8 4 μ m ,孔隙結(jié)構(gòu)相對(duì)適中、孔徑分布均勻。隨著初次上膠量繼續(xù)增多,P-4\~P-6的小孔徑孔隙占比逐漸減少,大孔徑孔隙占比逐漸增多。這可能是由于隨著初次上膠量的增加,在熱壓時(shí)更多的膠液流動(dòng)到材料表面,造成第二次浸膠時(shí),沒有足夠的膠液進(jìn)入到材料內(nèi)部,致使材料內(nèi)部殘留大量孔隙所造成的膠液分布不均導(dǎo)致]。尤其是P-6,孔徑范圍在 4 . 0~8 . 0 μ m 的大孔隙占比達(dá)到 5 4 . 3 % ,可見其內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常疏松。
2.2新型浸膠與熱壓工藝對(duì)紙基摩擦材料硬度和剪切強(qiáng)度的影響
圖11為不同浸膠與熱壓工藝下紙基摩擦材料的硬度和剪切強(qiáng)度。由圖11可知,經(jīng)過二次浸膠的T硬度稍大于BMR-F,為 。這是由于T經(jīng)過二次浸膠后,膠液在材料中分布更為均勻,平均孔徑更小,結(jié)構(gòu)更加致密所致。對(duì)于P系列紙基摩擦材料,隨著初次上膠量增加,硬度逐漸增加。P-1和P-2由于厚度gt;BMR-F,結(jié)構(gòu)相對(duì)疏松,故硬度較小,分別為92.2和94.1HRR。在厚度基本相同的情況下,P-3\~P-6在熱壓過程中很好地保留了樹脂的完整度,硬度均高于BMR-F和T。隨著初始上膠量的增加,更多樹脂流動(dòng)到材料表面,形成一層致密的樹脂膜,增加了材料表面的受力點(diǎn),使得材料能夠承載更大的負(fù)荷,表現(xiàn)出更大的硬度值。其中P-3的硬度值為97.6HRR,相對(duì)適中。但紙基摩擦材料P-4\~P-6的硬度值均超過了100HRR,其中P-6的硬度值甚至達(dá)到了107.1HRR,此時(shí)過大的硬度容易對(duì)對(duì)偶鋼片產(chǎn)生損壞[7]
由圖11可知,T的層間剪切強(qiáng)度為 2 . 4 3 M P a ,略高于BMR-F的 2 . 2 8 M P a 。對(duì)于采用新型浸膠與熱壓工藝的P系列紙基摩擦材料,剪切強(qiáng)度隨初次上膠量的增加先提高后降低。其中,P-1和P-2剪切強(qiáng)度略低于BMR-F和T,分別為1.96和 2 . 1 1 M P a ;P-5和P-6的剪切強(qiáng)度與BMR-F和T相近,分別為2.49和 ;但P-3和P-4的剪切強(qiáng)度相對(duì)于BMR-F的提升幅度分別為 7 8 . 1 % 、 5 2 . 2 % ,達(dá)到了4.06和3 . 4 7 M P a ,遠(yuǎn)高于其他材料,表明合適的浸膠與熱壓工藝能夠顯著提高紙基摩擦材料的層間結(jié)合強(qiáng)度。
SEM圖。由圖12可知,發(fā)生剪切破壞時(shí)沒有發(fā)生纖維斷裂,主要是纖維之間的分離、樹脂的斷裂及纖維與樹脂之間的剝離,同時(shí)伴有填料的脫落,表明剪切作用因纖維與樹脂間弱的界面結(jié)合強(qiáng)度不能有效地在纖維上傳遞[8]。與BMR-F相比,經(jīng)過二次浸膠的T,其中的樹脂在材料中的分布有所改善,但依舊散落有大量樹脂碎片和拔出的纖維。這些碎片一方面來(lái)自熱壓過程中的機(jī)械損傷,另一方面則來(lái)源于剪切破壞。在圖12(c)和圖12(d)中,紙基摩擦材料剪切面除樹脂碎片和大量被拔出的粗纖維和細(xì)小纖維外,還存在分層現(xiàn)象,這是P-1和P-2厚度大、結(jié)構(gòu)疏松導(dǎo)致的。P-5和P-6的剪切面呈現(xiàn)出與P-1和P-2類似的現(xiàn)象,但這是過多的樹脂聚集在材料表面,材料內(nèi)部缺少黏結(jié)力造成的。相比之下,圖12(e)和圖12(f)所示P-3和P-4的斷裂面要干凈均勻很多,內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密,界面附著力更強(qiáng),可以更有效地傳遞載荷,產(chǎn)生更高的抗剪切強(qiáng)度[8]。
2.3新型浸膠與熱壓工藝對(duì)紙基摩擦材料動(dòng)態(tài)熱機(jī)械性能的影響
動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析(DMA)是在程序控制溫度下,測(cè)量物質(zhì)在振蕩負(fù)荷下的動(dòng)態(tài)模量或阻尼隨溫度、頻率變化的一種技術(shù)。材料中的纖維與樹脂是高聚物,DMA是研究其黏彈性的重要手段20]。圖13給出了不同浸膠與熱壓工藝下紙基摩擦材料的DMA曲線。由圖13可知,在所有紙基摩擦材料中,P-3\~P-6的初始儲(chǔ)能模量最高,均在 3 0 0 0~3 2 0 0 M P a 之間,進(jìn)一步反映出其在最大程度上保留了樹脂與纖維的結(jié)合程度以及樹脂本身的完整度。與P-3、P-4相比,P-5和P-6儲(chǔ)能模量的下降趨勢(shì)更快,這是由于二者的樹脂分布不均導(dǎo)致層間結(jié)合較差。此外,P-1和P-2密度較小,結(jié)構(gòu)疏松,儲(chǔ)能模量較低,在 2 6 0 0 M P a 附近,表明二者的層間結(jié)合較差。雖然T中的樹脂分布在經(jīng)過二次浸膠后得到了一定程度的改善,儲(chǔ)能模量稍高于BMR-F,但由于二者在熱壓過程中均受到不可逆的機(jī)械損傷,導(dǎo)致二者的儲(chǔ)能模量均低于P系列紙基摩擦材料。
由圖13(b)和圖13(c)可知,P-3\~P-6和BMR-F的損耗因子峰較小,均在0.05附近,但從對(duì)應(yīng)的峰值溫度來(lái)看,P-3\~P-6可達(dá) ,比BMR-F高出了
。其中P-3、P-4的樹脂分布均勻且完整,層間結(jié)合良好,所以在持續(xù)高溫和高頻載荷下的力學(xué)消耗較小,能夠保持良好的機(jī)械性能。而P-5和P-6具有較低的損耗因子峰的原因可能是二者具有足夠高的表面強(qiáng)度[20]。相反,P-1和P-2結(jié)構(gòu)疏松、T和BMR-F有基體損傷,均更容易耗散能量,表現(xiàn)出更高的損耗因子或較低的峰值溫度。
2.4新型浸膠與熱壓工藝對(duì)紙基摩擦材料摩擦磨損性能的影響
圖14和表4是不同浸膠與熱壓工藝下紙基摩擦材料在不同比壓下的速差摩擦實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由圖14及表4可知,在相同比壓下,轉(zhuǎn)速較低時(shí),隨轉(zhuǎn)速增加,油
表4不同比壓下的平均動(dòng)摩擦因數(shù)及其方差
膜因離心力的作用逐漸變薄,動(dòng)摩擦因數(shù)升高。當(dāng)轉(zhuǎn)速 gt;0 . 2 m / s 后,隨轉(zhuǎn)速增加,產(chǎn)生更多的摩擦熱;整個(gè)過程為制動(dòng)動(dòng)能與熱能的轉(zhuǎn)化過程,隨制動(dòng)速度增加,產(chǎn)生的熱量增多,油膜的黏度變小,且由傳動(dòng)油主導(dǎo)的帶排轉(zhuǎn)矩減小,動(dòng)摩擦因數(shù)下降[18]。在相同轉(zhuǎn)速下,隨比壓增加,材料被壓縮,傳動(dòng)油被擠壓至材料表面,導(dǎo)致油膜厚度變大,動(dòng)摩擦因數(shù)下降2。且比壓增大,高壓下的剪切及擠壓力會(huì)導(dǎo)致摩擦副表面在摩擦過程中形成的摩擦膜破裂,摩擦膜持續(xù)處于形成、破壞、再形成的過程導(dǎo)致摩擦系數(shù)降低[22]
T在2.96、4.50和 5 . 6 0 M P a 下的平均動(dòng)摩擦因數(shù)分別為0.133、0.128和0.122,對(duì)應(yīng)的方差分別為 、
、
,與BMR-F相比,動(dòng)摩擦因數(shù)曲線更為平穩(wěn),表明二次浸膠在改善樹脂分布后,能夠起到調(diào)節(jié)摩擦穩(wěn)定性的作用。對(duì)于P系列紙基摩擦材料,可以很明顯看到P-1和P-2在3個(gè)比壓下的動(dòng)摩擦因數(shù)曲線波動(dòng)不平,隨比壓從 2 . 9 6 M P a 增大至 5 . 6 0 M P a ,平均動(dòng)摩擦因數(shù)分別下降0.015和0.014,在所有紙基摩擦材料中下降幅度最大,摩擦穩(wěn)定性最差。這是因?yàn)镻-1和P-2表面相對(duì)粗糙、微凸體數(shù)量多,同時(shí)層間結(jié)合強(qiáng)度低、結(jié)構(gòu)疏松,壓縮回彈性能差,在增大比壓后結(jié)構(gòu)被壓潰[]。
相反,P-5和P-6的表面被大量樹脂覆蓋,光滑平整,相比BMR-F,在 2 . 9 6 M P a 下的平均動(dòng)摩擦因數(shù)分別下降了0.004和0.005。但由于P-5和P-6內(nèi)部樹脂含量低,層間結(jié)合差,比壓達(dá)到 4 . 5 0 M P a 時(shí),平均動(dòng)摩擦因數(shù)與BMR-F相近,當(dāng)比壓進(jìn)一步增加至 5 . 6 0 M P a 后,在高轉(zhuǎn)速下,動(dòng)摩擦因數(shù)迅速下降。相對(duì)而言,P-3和P-4的動(dòng)摩擦曲線更加平穩(wěn),在 下的平均動(dòng)摩擦因數(shù)分別為0.122和0.121,
P-3的平均動(dòng)摩擦因數(shù)方差則只有 ,在所有紙基摩擦材料中最小。同時(shí),P-3在2.96、4.50、 5 . 6 0 M P a 下的平均動(dòng)摩擦因數(shù)方差均在
以內(nèi),相對(duì)于BMR-F分別有 7 5 . 0 % 、 7 1 . 4 % 和 7 2 . 7 % 的降低。
圖15為不同工藝下紙基摩擦材料的靜摩擦因數(shù)測(cè)試結(jié)果。由圖15可知,P-3因?yàn)榫哂蟹€(wěn)定的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和機(jī)械強(qiáng)度而隨比壓的增大,靜摩擦因數(shù)下降趨勢(shì)最小。此外,P-3在2.96、4.50和 5 . 6 0 M P a 的靜摩擦因數(shù)分別為0.161、0.159、0.157,均大于對(duì)應(yīng)比壓下的平均動(dòng)摩擦因數(shù)0.133、0.129、0.122,其余材料也有相同的結(jié)果。
圖16和圖17為不同工藝下紙基摩擦材料磨損測(cè)試結(jié)果。從圖16可以看出,BMR-F和T磨損表面有大量拋光纖維(圓圈1)、拋光樹脂(圓圈2)、斷裂纖維(圓圈3)、拉出纖維(圓圈4)和磨損碎屑(圓圈5),這是由于BMR-F和T中各組分之間的結(jié)合在熱壓過程受到的不可逆的損傷所導(dǎo)致。在改善樹脂分布后,T的耐磨性相較BMR-F有所提高,但磨損率依舊較大,達(dá)到了 。上述現(xiàn)象在P-1和P-2的磨損表面呈現(xiàn)的更加明顯,甚至有大量空腔的出現(xiàn),磨損率更是分別達(dá)到了
和
,在所有紙基摩擦材料中最大。原因是P-1和P-2的結(jié)構(gòu)疏松,層間結(jié)合差,在反復(fù)制動(dòng)下機(jī)械強(qiáng)度迅速下降的同時(shí),壓縮載荷引發(fā)的永久變形也較大,因此以厚度損失計(jì)算得到的磨損率較高。且P-1和P-2的孔隙率較大,在對(duì)偶鋼片的反復(fù)磨削下,孔隙附近易產(chǎn)生裂紋,進(jìn)而加速樹脂、金屬顆粒與纖維的界面分離,導(dǎo)致樹脂、金屬顆粒脫落,在表面形成磨粒,磨削摩擦表面,使磨損程度進(jìn)一步加劇[23-24]。
相反,P-3的摩擦表面沒有明顯的破損,基體的完整度較高,具有最低的磨損率( 。相比P-3,P-4的磨損率有所增加,但依舊低于其他材料。P-5和P-6的磨損率與BMR-F和T相近,分別為
和
,從磨損表面看,隨著P-5和P-6表面樹脂含量的明顯增加,具有良好耐磨性的纖維和填料被包覆在基體內(nèi)部,無(wú)法得到充分發(fā)揮,大部分基體表面被拋光磨平,同時(shí)P-6表面出現(xiàn)了明顯的犁痕,最終表現(xiàn)出較大的磨損[10]
3結(jié)論
本研究采用新型浸膠與熱壓工藝制備了6種初次上膠量不同、總上膠量相同的紙基摩擦材料,與單次浸膠工藝和二次浸膠工藝進(jìn)行對(duì)照,考察了新工藝對(duì)紙基摩擦材料結(jié)構(gòu)、硬度、剪切強(qiáng)度、動(dòng)態(tài)熱機(jī)械性能和摩擦磨損性能的影響。
3.1經(jīng)過固化后再熱壓,會(huì)對(duì)材料中的樹脂造成不可逆的機(jī)械損傷。與單次浸膠相比,二次浸膠能在一定程度上改善樹脂在紙基摩擦材料中的分布,改善孔徑分布,提高層間結(jié)合強(qiáng)度,進(jìn)而提高機(jī)械性能和摩擦磨損性能。
3.2初次浸膠后進(jìn)行熱壓來(lái)調(diào)控材料厚度,之后再進(jìn)行二次浸膠,可以有效避免熱壓過程對(duì)材料中樹脂的破壞,能較好地保留樹脂本身的完整度及其與其他組分的結(jié)合。當(dāng)初次上膠量過低( ? 5 . 0 % )時(shí),無(wú)法準(zhǔn)確控制材料厚度;當(dāng)初次上膠量過高( ≥ 1 2 . 5 % )時(shí),使得材料表面覆蓋過多樹脂,影響整體性能。當(dāng)初始上膠量為 7 . 5 % 時(shí),樹脂和孔徑分布相對(duì)均勻,結(jié)構(gòu)致密。在新型浸膠與熱壓工藝下,當(dāng)有足夠的初始上膠量來(lái)調(diào)控材料厚度時(shí),初始上膠量越低,材料的機(jī)械性能和摩擦磨損性能越好。紙基摩擦材料P-3硬度值為97.6HRR,剪切強(qiáng)度為 4 . 0 6 M P a ,動(dòng)態(tài)熱機(jī)械性能穩(wěn)定,在2.96、4.50和 5 . 6 0 M P a 下的平均動(dòng)摩擦因數(shù)分別為0.133、0.129、0.122,磨損率為 2
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