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新型复合材料汽车刹车片的研制及模态分析 摘要 目前国内摩擦材料行业的整体水平与美、日等发达国家相比存在较大的差距，仍以生 产钢纤维增强的半金属摩擦材料为主。本文基于国内摩擦材料行业的现状和工厂生产可行 性的考虑，选用价格低廉的复合矿物纤维( f k f 纤维) 为主体增强纤维，同时添加少量玻 璃纤维等其它纤维混杂辅助增强，通过配方设计、工艺设计、性能测试实验和生产成本核 算，研制出无石棉、无钢纤维、低成本且符合国标要求的新型复合材料汽车刹车片。测定 了新型摩擦材料的材料参数。对半金属刹车片和新型复合材料汽车刹车片进行了模态对比 分析。 聚合物基摩擦材料及生产工艺研究部分，对聚合物基摩擦材料的三大组分( 基体树脂、 增强体和填料) 及生产工艺的研究进行了详细介绍。 新型复合材料汽车刹车片研制部分，首先在考虑生产成本和原材料性能的基础上选 材；然后通过新型摩擦材料的配方设计、工艺设计及性能测试实验( 摩擦系数、磨损率、 冲击强度、硬度) ，筛选出较满意的配方，得到了摩擦材料三组分的最佳配比：最后进行 配方成本核算，综合评价各项性能，得到新型摩擦材料的最优配方和优选工艺条件。 盘式刹车片模态分析部分，测定了新型摩擦材料的弹性模量、泊松比和密度；分别对 半金属刹车片和新型复合材料汽车刹车片进行自由模态和约束模态的对比分析，得到了固 有频率等模态参数。从模态分析结果可以看出，新型摩擦材料具有高的比模量，提高了刹 车片的固有频率，材料性能明显优于半金属摩擦材料。 关键词：盘式刹车片，复合材料，配方设计，工艺设计，模态分析 北京工商大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o m p a r e dw i t ht h ed e v e l o p e dc o u n t r i e ss u c ha sa m e r i c aa n dj a p a n , t h ed o m e s t i cf r i c t i o n m a t e r i a li n d u s t r yh a sl a g g e db e h i n da n ds t i l lm a i n l yp r o d u c e ds t e e l - f i b e r - r e i n f o r c e dp h e n o l i c f r i c t i o nm a t e r i a l ，w h i c hi sa l s oc a l l e dh a l f - m e t a lf r i c t i o nm a t e r i a l c o n s i d e r i n gt h es t a t u sq u oo f t h ed o m e s t i cf r i c t i o nm a t e r i a li n d u s t r ya n dp r o d u c t i o nf e a s i b i l i t y , t h ef k ff i b e r , w h i c hi si nl o w p r i c e ，i sc h o s e na st h em a j o rr e i n f o r c i n gf i b e ra n daf e wo t h e rf i b e r ss u c ha sf i b e r g l a s sa r c s e l e c t e da sm i n o rr e i n f o r c i n gf i b e r s t h r o u g ht h ed e s i g no ft h ed i r e c t i o n sa n dt e c h n o l o g yp r o c e s s ， t h ec a p a b i l i t yt e s t i n ge x p e r i m e n t s ，a n dt h ec o s te s t i m a t i o n , an e w - s t y l ec o m p o s i t eb r a k ei s d e v e l o p e d , w h i c hd o e sn o tc o n t a i na s b e s t o sa n ds t e e lf i b e r , a n di si nl o wc o s t ，a n dm e e tt h e n a t i o n a ls t a n d a r d s 1 1 1 ee l a s t i cm o d u l u s p o i s s o nr a t i oa n dd e n s i t yo ft h en e w s t y l ef r i c t i o n m a t e r i a la r eg o tt h r o u g he x p e r i m e n t s t h em o d a la n a l y s i so fb o t ht h eh a l f - m e t a lb r a k ea n dt h e n e w s t y l ec o m p o s i t eb r a k ei sf m i s h e da n dt h ec o n s e q u e n c e so ft h em o d a la n a l y s i sa r ed i s c u s s e d c o n t r a s t i v e l y i nt h ep a r to ft h er e v i e wo fp o l y m e rb a s e df r i c t i o nm a t e r i a la n di t sp r o d u c t i o nt e c h n i c s ，t h e t h r e ec o m p o n e n t s ( r e s i n ，r e i n f o r c i n gf i b e ra n ds t u f f i n g ) a n dp r o d u c t i o nt e c h n i c so fp o l y m e r b a s e df r i c t i o nm a t e r i a la r ee x p a t i a t e d i nt h ep a r to ft h ed e v e l o p m e n to ft h en e w s t y l ec o m p o s i t ea u t o m o t i v eb r a k e ，t h er a w m a t e r i a li ss e l e c t e df i r s t l yc o n s i d e r i n gt h ep r o d u c t i o nc o s ta n dc a p a b i l i t yo ft h er a wm a t e r i a l t h e nt h em o r es a t i s f y i n gd i r e c t i o n sa r eo b t a i n e db yt h ed e s i g no ft h ed i r e c t i o n sa n dt e c h n o l o g y p r o c e s s ，t h ec a p a b i l i t yt e s t i n ge x p e r i m e n t s ( f r i c t i o nc o e f f i c i e n t ，s p e c i f i cw e a r a b i l i t y , i m p a c t s t r e n g t h ，a n dr i g i d i t y ) ，a n dt h ep r o p e rp r o p o r t i o na m o n gt h et h r e ec o m p o n e n t so ff r i c t i o n m a t e r i a li sa l s og o t l a s t l y , t h ec o s te s t i m a t i o no ft h ed i r e c t i o n si sm a d e e v a l u a t i n ga l lt h ei t e m s s y n t h e t i c a l l y , t h eo p t i m u md i r e c t i o no ft h en e w - s t y l ef r i c t i o nm a t e r i a l i s g a i n e da n dt h e t e c h n o l o g yp r o c e s sc o n d i t i o ni sa l s oo b t a i n e d i nt h ep a r to ft h em o d a la n a l y s i so ft h ed i s cb r a k e ，t h ee l a s t i cm o d u l u s ，p o i s s o nr a t i oa n d d e n s i t yo ft h en e w s t y l ef r i c t i o nm a t e r i a la r eg o tt h r o u g he x p e r i m e n t s a n dt h em o d a lc o n t r a s t i v e a n a l y s e sb e t w e e nt h eh a l f - m e t a lb r a k ea n dt h en e w s t y l ec o m p o s i t eb r a k ei n t h ef r e ea n d r e s t r i c t e dc o n d i t i o n sa r ef i n i s h e da n dt h em o d a lp a r a m e t e r ss u c ha si n h e r e n tf r e q u e n c ya r e e l i c i t e d i tc a nb ec o n c l u d e dt h a tt h es p e c i f i cm o d u l u so ft h en e w s t y l ef r i c t i o nm a t e r i a li sh i g h e r , t h ei n h e r e n tf r e q u e n c yo ft h ed i s cb r a k ei si n c r e a s e d ，a n dt h em a t e r i a lc a p a b i l i t yi sb e t t e rt h a nt h e h a l f - m e t a lf r i c t i o nm a t e r i a l k e y w o r d s ：d is kb r a k e ，o o m p o sit e dir c o tio n sd e sig n t e c h n oio g yp r o c e s s d e s i g n m o d a la n a l y s is h 北京工商大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作所 取得的研究成果。除了文中已经注明引用的内容外，论文中不包含其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本声明的法律后果完全由本人承担。 学位论文作者签名：i 丛盘日期：) 卯7 年莎月“日 北京工商大学学位论文授权使用声明 本人完全了解北京工商大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京工商大学。学校有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其它复 制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 学位论文电子版同意提交后，可于口当年口一年口二年后在学校图 书馆网站上发布，供校内师生浏览。 学位论文作者签名：丝曼导师签名：日期：刎年岁月日 北京工商大学硕士学位论文 弟一草刖昌 1 1 国内外汽车制动摩擦材料的研究概况 汽车制动器是保障行车安全的一个关键部件，它通过摩擦将汽车的动能转化为热 能，从而达到制动的目的。目前，聚合物基摩擦材料被广泛应用于汽车制动器中，它 是由基体树脂、增强体和填料三大类组分复合热压而成的l ”。 汽车制动摩擦材料自产生以来，其发展过程经历了三个阶段：天然材料阶段、合 成材料阶段、多种材料复合使用阶段。最早的汽车制动摩擦材料是选用木材与皮革。 这些材料具有合理的摩擦系数，但当车辆的速度日益提高时，无法抵御刹车产生的高 温。1 9 世纪，英国人m r h f r o o d 开始研究以沥青、毛发及棉花混合而成的带子来取 代已有的制动摩擦材料。结果显示，刹车性能虽然有所改进，但是仍无法满足高温要 求。1 9 0 8 年，石棉编成的石棉布开始应用于制动摩擦材料中。随着制动摩擦材料使 用要求的日益提高，其他组分被陆续加入配方中，同时石棉短纤维替代了石棉布。2 0 世纪3 0 年代，石棉摩擦材料研制成功。由于石棉摩擦材料具有较稳定的摩擦磨损性 能、良好的工艺性和价格低等优点，在其后五六十年间一直主导着汽车制动摩擦材料 领域。 石棉具有质轻、价廉、分散性好、摩擦磨损性能好、增强效果好等优点，被认为 是最佳摩擦材料用增强纤维。但在2 0 世纪7 0 年代，人们研究发现加工和制动尘埃中 的细小石棉纤维被吸入肺内后，会引起一种叫做石棉肺的疾病，甚至会导致肺癌，石 棉被证实属致癌物质。同时，随着汽车工业的发展，人们发现石棉摩擦材料的高温摩 擦性能不好，石棉在4 0 0 左右时将失去结晶水，5 5 0 时结晶水将完全丧失，同时 失去弹性和强度，此时石棉纤维已基本失去增强作用，摩擦性能变得不稳定，损伤对 偶和产生制动噪音。目前许多国家已颁布相关法令，禁止在汽车制动摩擦材料中使用 石棉，并相继展开了石棉代用纤维和无石棉摩擦材料的研究。从近年来国内外所发表 的专利来看，无石棉摩擦材料的专利占汽车制动摩擦材料专利总数的9 0 以上。 随着车辆向高速、高效、节能、轻量化方向发展，特别是自2 0 世纪7 0 年代起， 由于对环保及安全的突出要求，摩擦材料呈现出多元化的发展趋势，相继开发出了多 种类型的新型汽车制动摩擦材料。 国外无石棉摩擦材料研究较多且最成功的是钢纤维和玻璃纤维增强的摩擦材料。 以美、英、日、德为首的发达国家，仍在大力改进已开发的无石棉摩擦材料，以进一 步寻求全面提高其综合使用性能的有效途径。 我国汽车制动摩擦材料的研究比国外起步晚，在工业基础、技术水平、工艺设备 以及产品的品种、数量和性能等方面与国外发达国家相比还有一定差距。在“八五” 和“九五”期问，国内摩擦材料行业在国际国内形势紧迫的影响下，也加快了开发研 新型复合材料汽车刹车片的研制及模态分析 究的步伐，如杭州、上海等摩擦材料生产厂家先后引进国外配方和设备，积极开展新 型无石棉摩擦材料的研究，特别是成功研制了半金属摩擦材料，这是国内唯一被研制 推广应用的无石棉摩擦材料1 2 - 5 1 ，大大加快了进口车的国产化进程。但国内摩擦材料 行业的生产自动化、智能化程度还很低，过多地依赖人工控制，突出存在产品质量不 稳定和废品率高等问题。目前国内汽车制动摩擦材料主要是生产和使用钢纤维增强的 半金属摩擦材料。半金属摩擦材料存在密度相对较大，易引起制动尖叫和振颤，易锈 蚀，锈蚀后发生粘连影响汽车换档分离，并加剧磨损和损伤对偶等缺点。 1 2 课题来源 本课题是北京市教委科技发展项目汽车刹车片用新型复合材料的减振降噪机理 研究( 编号：k m 2 0 0 5 1 0 0 1 1 0 0 5 ) 。该项目的研究目的是研制无石棉、无钢纤维、低 成本且符合各项性能指标的新型复合材料汽车刹车片，并结合理论分析和试验研究， 探讨汽车刹车片产生振动与噪声的机理及其有效的控制途径。本论文进行了新型复合 材料汽车刹车片的研制，半金属刹车片和新型复合材料汽车刹车片的模态对比分析， 为课题的进一步研究奠定了基础。 1 3 选题意义和目的 在当今时代，汽车已毫无例外地成为人类陆地客、货运输无可替代的现代化工具 之一，在可以预见的未来相当长的时期内，汽车工业仍将是我国国民经济重要的支柱 产业，在社会生活中发挥着举足轻重的作用。近几年我国的汽车市场越来越火爆，汽 车销售量以每年高于1 0 0 的速度递增，汽车制动摩擦材料行业以1 8 的增长率发展， 汽车刹车片的产量以3 3 的速度增长。汽车工业的高速发展带动汽车制动摩擦材料的 市场需求，轻、中型汽车在行驶1 0 0 0 0 1 2 0 0 0 公里后期刹车片被磨蚀约5 0 时即需 要全套更换。 我国的环保法规正逐渐与国际接轨，我国规定从2 0 0 3 年1 0 月1 日起汽车制动摩 擦材料中应不含有石棉，这对我国摩擦材料行业提出了新的挑战和迫切任务。我国汽 车制动摩擦材料行业尽管已从过去依靠进口发展到引进国外先进技术和自行设计、研 制、生产无石棉摩擦材料，过去主要使用石棉摩擦材料的状况也大为改观，但与国外 相比仍存在较大的差距，存在的问题主要有：技术含量低，技术力量薄弱，生产工艺 落后，设备陈旧，生产效率低：低水平重复建设，导致生产能力超前，供求关系失衡； 价格失调，市场混乱；检测手段不全，生产不稳定，产品质量得不到保证，经济效益 差；产品结构单一，新产品开发能力弱等。 目前国内汽车制动摩擦材料主要是生产和使用钢纤维增强的半金属摩擦材料，存 在密度相对较大，易引起制动尖叫和振颤，易锈蚀，锈蚀后发生粘连影响汽车换档分 离，并加剧磨损和损伤对偶等缺点。现今汽车噪声已成为现代城市生活不可忽视的一 2 北京工商大学硕士学位论文 大公害。汽车制动时产生的尖叫和振颤声是汽车噪声中的主要部分。强烈的噪声可对 人们的生理和心理造成极大的危害，如致使人的听力下降，甚至耳聋；噪声作用于人 的中枢神经系统，将使大脑皮层兴奋，抑制失调，产生头痛脑胀、昏晕、耳鸣、失眠、 心慌等，同时也对人体的消化系统、血液循环系统和内分泌系统产生不同程度的影响。 随着交通运输业的日益迅猛发展，特别是在环保意识日益强烈的2 l 世纪，降低汽车 制动噪声已成为亟待解决的重要问题。 基于国内现状和工厂生产可行性的考虑，本课题提出选用价格低廉的复合矿物纤 维( f k f 纤维) 为主体增强纤维，同时添加少量玻璃纤维等其它纤维混杂辅助增强， 通过配方设计、工艺设计、性能测试实验和生产成本核算，研制一种无石棉、无钢纤 维、低成本且符合各项性能指标的新型复合材料汽车刹车片。同时结合理论分析和试 验研究，探讨汽车刹车片产生振动与噪声的机理及其有效的控制途径。新型复合材料 汽车刹车片的研制成功将对我国汽车制动摩擦材料行业的发展起到一定的推动作用， 同时将拥有巨大的市场和良好的发展前景，具有可观的经济效益。 1 4 论文的主要工作 本论文是北京市教委科技发展项目汽车刹车片用新型复合材料的减振降噪机理 研究( 编号：k m 2 0 0 5 1 0 0 1 1 0 0 5 ) 的部分研究内容，论文内容主要分为三大部分： 1 ) 聚合物基摩擦材料及生产工艺研究 该部分对聚合物基摩擦材料的三大组分( 基体树脂、增强体、填料) 和生产工艺 研究进行了详细介绍。 2 ) 新型复合材料汽车刹车片的研制 该部分详细介绍了新型复合材料汽车刹车片的整个研制过程。首先在考虑生产成 本和原材料性能的基础上选材。然后通过新型制动摩擦材料的配方设计、工艺设计、 性能测试实验( 摩擦磨损性能、冲击强度、硬度) 和成本核算，综合评价各项性能， 得到新型制动摩擦材料的最优配方，研制出了无石棉、无钢纤维、低成本且符合各项 性能指标的新型复合材料汽车刹车片。 3 ) 盘式刹车片的模态分析 该部分通过材料参数测定实验测出了新型制动摩擦材料的弹性模量、泊松比和密 度。对盘式刹车片的固有频率进行了近似理论分析。以夏利t j 7 1 0 0 型汽车前轮滑动 浮钳盘式制动器为例，分别对新型复合材料汽车刹车片和半金属刹车片进行有限元自 由模态和约束模态对比分析，并结合理论分析结果进行了讨论。 3 新型复合材料汽车刹车片的研制及模态分析 第二章聚合物基摩擦材料及生产工艺研究 聚合物基摩擦材料是由基体树脂、增强体和填料三大类组分复合热压而成的。本 章分别对聚合物基摩擦材料的组分材料( 基体树脂、增强体、填料) 和生产工艺的研 究进行了详细介绍。 2 1 基体树脂 基体树脂不仅使摩擦材料的各组份有机地粘结在一起，赋予材料一定的结构强 度，而且对材料的摩擦磨损性能、特别是对高温摩擦磨损性能有很大的影响。酚醛树 脂具有良好的抗压强度、耐溶剂性、不易燃等性能，摩擦材料多用其作基体粘结剂。 但普通酚醛树脂因其分子结构上的缺陷，具有硬度高、质脆、粘结力小、耐热性差、 工作温度超过2 5 0 热分解严重等一系列不足，已不能满足现代摩擦材料的应用需 要。改性是提高酚醛树脂粘结力、耐热性、耐分解以及增加韧性的有效途径，对摩擦 材料综合性能的提高有重要作用。高性能改性酚醛树脂的研究是当前摩擦材料领域的 研究热点之一。 酚醛树脂的改性方式一般有两种：封锁酚羟基。酚醛树脂分子链上的酚羟基具 有亲水性，影响了制品的耐碱性、耐溶剂性、耐热氧化性和力学性能等。通常将酚羟 基醚化、酯化、重金属螫合，以提高酚醛树脂的性能；也可采用无机多元酸酯化，或 将其与卤氧化磷反应，以增强酚醛树脂的性能。引入其他组份。引入可与酚醛树脂 发生化学反应或与之相容性好的其他组份，分隔或包围酚羟基，达到改善酚醛树脂性 能的目的；也可引入其他高分子组份，以获得两种高分子材料的优点。 2 1 1 有机物改性 2 1 1 1 聚乙烯醇缩醛改性酚醛树脂 通过酚醛树脂中羟甲基或酚环上的活泼氢与聚乙烯醇缩醛分子中的羟甲基发生 化学反应，形成接枝共聚物达到改性目的。适用改性的聚乙烯醇缩醛有聚乙烯醇缩丁 醛、聚乙烯醇缩甲醛、聚乙烯醇缩甲乙醛等。聚乙烯醇缩醛改性提高了树脂的粘结力、 韧性和力学性能，并具有良好的成形工艺性，但耐热性能却有所降低。聚乙烯醇缩醛 改性酚醛树脂只在早期的摩擦材料中使用过。 2 1 1 2 二甲苯改性酚醛树脂 将二甲苯、甲醛在酸性催化剂作用下的反应产物，与苯酚、甲醛反应，可制得二 甲苯改性酚醛树脂。因在树脂分子结构中引入了疏水性结构二甲苯，起到了分隔酚羟 基的作用，从而改善了树脂的耐水性、耐碱性和耐热性能等。二甲苯改性酚醛树脂的 热分解温度在3 5 0 以上，4 0 0 以前的热失重率小于1 0 ，具有较高的耐热性，用 于摩擦材料中，能提高摩擦系数的稳定性。 4 北京工商大学硕士学位论文 2 1 1 3 环氧改性酚醛树脂 通过酚醛树脂酚核上的酚羟基和羟甲基与环氧树脂中的环氧基及羟基进行化学 反应，最后交联成复杂的体型结构来达到改性目的。通常用于酚醛树脂改性的是e 型环氧树脂。环氧改性酚醛树脂具有环氧树脂优异的粘结性，改善了酚醛树脂的脆性 和粘结性差的缺点；同时具有酚醛树脂优良的耐热性，改善了环氧树脂耐热性差的缺 点，力学性能也得到明显的提高。环氧改性酚醛树脂曾被试用于石棉摩擦材料中，提 高了摩擦材料的强度，适用于车速不是很高的轻型车。 2 1 1 4 腰果壳油改性酚醛树脂 腰果壳油是从热带植物腰果的壳或核中提取的一种混合物，由约占9 0 的棂如醇 和约占1 0 的强心醇组成。腰果壳油既有酚类化合物的特征，又有脂肪族化合物的柔 性，用其改性酚醛树脂，树脂的耐热性和韧性均有明显改善。腰果壳油改性酚醛树脂 用于摩擦材料，其制品摩擦性能优良，摩擦过程中表面形成的碳化膜柔软且有韧性不 易脱落，使摩擦材料表面的组成和发热状态均匀，保证了稳定的摩擦性能，在欧美和 日本等国家和地区现已普遍应用，国内也有批量生产。但因我国腰果壳油资源非常有 限，在一定程度上限制了这种改性酚醛树脂的应用。曾念三【q 的研究结果表明，腰果 壳油改性酚醛树脂的耐热性得到明显的提高，热分解温度超过4 0 0 ，用于摩擦材料 中，能有效抑制高温热衰退的发生，对制品的冲击强度和制动噪音也有明显的改善。 2 1 1 5 芳烷基醚改性酚醛树脂 以a , a 二甲氧基对二甲苯与苯酚、甲醛为原料制得的芳烷基醚改性酚醛树脂具 有耐碱、吸湿性小、力学性能较高、耐热性和耐氧化性好等特点。用其制备的玻璃纤 维复合材料性能优异：在2 5 0 热老化1 0 0 0 h 后，材料弯曲强度仍保留8 0 以上；在 2 7 5 下曝露7 5 0 1 0 0 0 h 或3 0 0 曝露3 0 0 h 后，其弯曲强度仍保留5 0 以上。国内曾 将芳烷基醚改性酚醛树脂用于摩擦材料中，亦取得了较好的试验效果。 2 1 1 6 有机硅改性酚醛树脂 可采用有机硅单体，如c h ，s i ( o r ) 3 、( c h ，) ：s i ( o r ) ：、( c ：h ，) s i ( o r ) 3 和 ( c ：h ，) ，s i ( o r ) ，等与酚醛树脂的酚羟基或羟甲基进行接枝或交联反应来改善酚醛树 脂的性能。采用不同的有机硅单体或混合单体改性，可得到不同性能的改性酚醛树脂， 具有广泛的选择性。有机硅改性酚醛树脂具有类似无机硅酸盐的研一。键，其键能比 c c 键大得多，因此能耐较高的温度。周重光等m 研究发现，有机硅改性酚醛树脂 在氮气中8 2 0 的烧蚀成碳率可超过7 0 ，热稳定性明显提高。陆怡平等【8 】用有机硅 改性和超细彳，d ，增韧，改性后的酚醛树脂可用于高品质的无石棉摩擦材料中，能提 高摩擦材料的耐热性和摩擦系数的稳定性。 5 新型复合材料汽车刹车片的研制及模态分析 2 1 1 7 桐油改性酚醛树脂 桐油是我国的特产，产区以西南各省为主。桐油的主要成分是桐( 油) 酸的甘油 酯，并含有少量的油酸和亚油酸的甘油酯。在酸催化下，苯酚、甲醛和桐油进行加成 缩合聚合反应可制得桐油改性酚醛树脂。邵美秀等【9 】认为桐油与苯酚之间的反应是桐 油分子链中的共轭双键与酚羟基邻、对位氢之问的反应，他们制得的桐油改性酚醛树 脂的耐热性、韧性和粘结性都得到明显的提高，改性酚醛树脂的力学性能也很好。李 群掣1 0 l 的研究表明，用桐油改性酚醛树脂作基体制备的摩擦材料的主要性能指标均超 过国家规定的标准，热稳定性在3 5 0 以前基本不变，同时增加了韧性，改善了酚醛 树脂的硬脆性等缺点。 2 1 1 8 亚麻油改性酚醛树脂 亚麻油来源非富，性能稳定，价格低廉。亚麻油是十八碳三烯酸甘油酯，分子中 有三个非共轭双键。在酸催化下，亚麻油的非共轭三烯可对苯酚核发生烷基化，得到 亚麻油改性酚醛树脂。亚麻油改性可提高酚醛树脂的韧性和耐热性。袁新华等l “j 的研 究结果表明，亚麻油改性酚醛树脂在3 2 0 6 0 0 问失重5 3 1 1 ，普通酚醛树脂失重 7 3 5 1 ；普通酚醛树脂热分解峰为4 0 0 4 2 5 和5 4 0 6 0 0 ，而亚麻油改性酚醛树脂 热分解峰为4 4 0 4 7 0 。c 和6 0 0 - 6 6 0 。c 。用亚麻油改性酚醛树脂作基体的摩擦材料的摩 擦磨损性能和力学性能测试表明，改性酚醛树脂的粘结性和韧性均得到提高，摩擦材 料摩擦系数大且稳定，磨损率低，冲击强度大，硬度适中，亚麻油改性酚醛树脂可用 作高性能摩擦材料的基体。 2 1 1 9 苯并嘿嗪化合物 苯并嗯嗪化合物为低分子质量、低粘度的环状单体，是一种新型开环聚合酚醛树 脂单体。苯并嗯嗪化合物能通过开环聚合反应生成类似于酚醛树脂的结构，固化时无 低分子挥发份放出，孔隙率和收缩率低，能减少内应力和微裂纹。生成的酚醛树脂结 构中酚羟基含量少，可提高酚醛树脂的耐热性和韧性。在a i c i ，等离子型催化剂作用 下，以苯并嗯嗪中间体为基体制备的摩擦材料，具有良好的工艺性、稳定的高温摩擦 系数和较高的韧性。有研究表明1 1 2 1 ，将苯并嗯嗪开环聚合酚醛树脂用于摩擦材料，可 改善材料的高温摩擦性能和热恢复性能。 2 1 1 1 0 橡胶改性酚醛树脂 橡胶改性属共混改性，但也存在一定程度的接枝或嵌段共聚反应。橡胶改性酚醛 树脂提高了树脂的冲击韧性和耐热性。适用改性的橡胶主要有丁腈橡胶、丁苯橡胶、 丁二烯橡胶、氯丁橡胶等，其中以丁腈橡胶、丁苯橡胶最为常见。丁腈橡胶具有较好 的耐高温性，能提高酚醛树脂的耐热性能。同时，丁腈橡胶与酚醛树脂有优良的相容 性，能充分分散于酚醛树脂之中，形成均匀分散两相体系，提高酚醛树脂的冲击柔韧 性。李新明【1 3 l 等人通过丁腈橡胶与酚醛树脂共聚反应，发现当丁腈橡胶用量仅为2 6 北京工商大学硕士学位论文 时，就可以使酚醛树脂的冲击强度提高1 0 0 ，当进一步增加丁腈橡胶用量时，冲击 强度进一步增加。银贵晨1 1 4 l 采用丁腈橡胶改性酚醛树脂，亦大大提高了酚醛树脂的冲 击强度。 2 1 2 无机物改性 2 1 2 1 钼改性酚醛树脂 将金属镅的氧化物、氯化物以及它的酸类，同苯酚、甲醛反应，可制得钼改性酚 醛树脂。过渡金属元素钼以化学键0 一m o 一0 的形式键合于酚醛树脂的主链中， 0 一m o 一0 键的键能远大于普通酚醛树脂的c c 键，提高了酚醛树脂的热分解温 度，改善了耐热性能。有研究表明，在反应釜中按一定的比例加入苯酚、甲醛、钼改 性剂，酸性条件下，加热搅拌2 4 h ，0 0 8 m p a 下真空脱水，可得到粘度适中的钼改 性酚醛树脂，所得的钼改性酚醛树脂的热分解温度达到5 3 4 8 1 2 ，用其作基体制备的 摩擦材料具有高温摩擦系数稳定、热恢复性能好等优点。 2 1 2 2 硼改性酚醛树脂 硼改性酚醛树脂是利用硼酸与苯酚反应，生成硼酸酚酯混合物，再与甲醛反应制 得的；也可在氢氧化钠催化剂作用下，双酚a 和甲醛先进行加成与缩合反应，再添 加硼酸、硼砂进一步反应，制得热固性双酚a 硼酚醛树脂。硼改性是在酚醛树脂分 子结构中引入了以结合键曰一d 形式存在的硼元素，其键能远大于c c 键，提高了 酚醛树脂的耐热性。同时口一d 键的引入增大了支化度，高温烧蚀时本体粘度大，降 解时碳化率高，生成坚硬高熔点的碳化硼，碳化硼呈蜂窝状有利于热的扩散，所以不 仅提高了酚醛树脂的瞬时耐高温性能，还具有很好的热稳定性。何筑华【1 5 】研究发现， 从热差分析结果看，硼改性酚醛树脂的耐热性明显优于普通酚醛树脂。普通酚醛树脂 的初始分解温度在2 0 0 左右，大量分解温度在2 8 0 左右，而硼改性酚醛树脂的初 始分解温度在3 3 0 左右，大量分解温度则在5 4 0 。c 左右。用硼改性酚醛树脂作基体 制备的摩擦材料，具有稳定的摩擦系数和较低的磨损率。 2 1 3 纳米改性 纳米材料改性是近年来开发出的具有广泛应用前景的改性酚醛树脂新品种，对酚 醛树脂的强度、硬度、韧性、耐温、耐磨和耐腐蚀等性能均有不同程度的改善。纳米 改性酚醛树脂的制备方法主要有两种：共混分散法。将纳米级的s i o ，、t i o ，、a l ，0 3 或z n o 等粉体直接加入酚醛树脂中。插层复合法。在树脂合成过程中加入层状硅 酸盐粘土( 其片层和层间为纳米尺寸) 。即先将聚合物单体分散插进层状硅酸盐片层 中，然后原位聚合，利用聚合时放出的大量热量，克服硅酸盐片层间的库仑力，剥离 成纳米级的结构单元，并使其均匀分散在聚合物基体中，从而实现高分子与粘土在纳 米尺度上的复合，如蒙脱土改性酚醛树脂。蒙脱土是一种纳米厚度的硅酸盐片层构成 7 新型复合材料汽车刹车片的研制及模态分析 的粘土，蒙脱土改性树脂用于摩擦材料中，可显著提高材料的耐高温性能和抗冲击性 能，满足高速重载汽车和列车刹车材料的要求【1 6 1 。林荣会等【1 7 1 成功制备了纳米铜改 性酚醛树脂，试验结果表明，纳米铜改性酚醛树脂的耐热性有较大的提高，与普通酚 醛树脂相比，其初始分解温度和半分解温度可分别提高3 1 和4 6 。用纳米铜改性 酚醛树脂作基体制备的摩擦材料的韧性和摩擦性能有明显改善，与普通酚醛树脂作基 体制备的摩擦材料相比，冲击强度提高“，热衰退率和磨损率分别降低约5 0 和 6 7 。 2 1 4 复合改性 单一改性方法通常只对酚醛树脂某一方面的性能改善有显著作用，如桐油改性可 有效改善酚醛树脂的柔韧性，硼酸改性可显著提高酚醛树脂的耐热性。采用两种或两 种以上物质对酚醛树脂进行复合改性可全面改善酚醛树脂的各项性能。曾泽斌1 1 8 1 研究 发现三聚氰胺腰果壳油复合改性可同时提高酚醛树脂的韧性和耐热性。李屹等i ”1 研 究表明，硼酸桐油复合改性酚醛树脂的各项性能指标合理，热分解温度明显提高， 同时改善了酚醛树脂的耐热性、耐水性、韧性和粘结性。车剑飞等【加针对硼改性酚醛 树脂的缺点又进行了纳米粒子填充改性，结果表明纳米粒子填充改性能显著提高硼酚 醛树脂的耐热性，起始分解温度提高约1 5 0 ，随着纳米粒子填充量的增加，酚醛树 脂耐热性逐步上升，尤其是初始分解温度提高较多。当纳米粒子的质量分数为5 时， 用纳米死d ，、纳米s i o ，、纳米爿f ，仗改性的硼改性酚醛树脂的冲击强度分别是普通酚 醛树脂冲击强度的2 3 1 、2 0 2 、1 8 2 。张垣等【“j 研究发现腰果壳油一双马来酰亚胺 复合改性酚醛树脂具有优异性能。用其制备的摩擦材料的热分解温度超过了4 0 0 1 2 ， 有效抑制了热衰退现象的发生，改善了材料的摩擦性能。 2 2 增强体 增强体是摩擦材料的重要组分，是主要承载单元，起骨架作用，使材料具有一定 的强度和韧性，可经受冲击、剪切、拉伸等机械作用而不出现裂纹、断裂、崩缺等机 械损伤。增强纤维应满足如下性能要求：足够的强度和模量以及较好的韧性；在一定 的温度范围内稳定的摩擦系数及适当的摩擦损耗；较高的热分解温度，在一定温度范 围内不发生热分解、脱水、相变等以及较高的高温分解残碳率；分散性好，与基体较 好的相容性；适当的硬度，不产生严重的噪音；量广、价廉、无毒性、不污染环境。 目前已开发出的石棉代用纤维有钢纤维、玻璃纤维、碳纤维、k e v l a r 纤维等。石棉与 几种代用纤维的性能比较见表2 1 。 8 北京工商大学硕士学位论文 表2 - 1 石棉与几种代用纤维的性能比较 纤维种类锄4 芎等芎等断警率差誓霍 石棉纤维”0 6 - 0 8 1 5 1 7 02 3优 钢纤维7 8 61 7 7 2 0 0 1 8中 b 玻璃纤维2 - 5 0 4 68 65 2 良 k e v l 纤维 1 “2 6 75 88 0 中 沥青基碳纤维 2 2 0 83 5 03 0 0 0 差 2 2 1 金属纤维【2 2 】 金属纤维包括钢纤维、铜纤维和铝纤维等。使用超声波切削低碳钢法生产出的钢 纤维含油量低、表面活性好、价格便宜，被广泛用于摩擦材料中。美国b e n d i x 公司 最早发明钢纤维增强摩擦材料并成功用于盘式制动器中。这种摩擦材料具有稳定的摩 擦性能，耐磨性好，有较高的制动效率和较好的散热性。钢纤维的导热性能好，能使 摩擦材料表面的热量迅速扩散至内部，降低摩擦表面温度，避免因表面温度过高，使 树脂基体发生热分解导致材料磨损加剧，延长了摩擦材料的使用寿命。钢纤维的不足 之处：密度相对较大；易锈蚀，锈蚀后发生粘连影响汽车的换档分离，并加剧磨损和 损伤对偶；当钢纤维含量超过一定限度( 1 0 ) 时，易引起制动尖叫和振颤。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，对摩擦性能无明显影 响；选用钢纤维、矿物纤维及有机纤维混杂增强可降低制品密度，改善制动噪音。目 前，许多国内刹车片厂家都生产钢纤维增强摩擦材料，并已成功用于红旗、夏利、桑 塔纳等多种车型。 2 2 2 玻璃纤维 玻璃纤维属于无机硅酸盐纤维，主要成分为二氧化硅、三氧化二硼以及钠、钾、 钙、铝等的氧化物。玻璃纤维价格较便宜，具有强度高、耐腐蚀、热稳定性好( 可长 时间稳定工作在5 5 0 以下) 等优点。g o p a l 等i 咎驯的研究表明，玻璃纤维增强摩擦 材料对载荷、滑动速度及制动温度等因素反应较敏感。在重载、高速及高温下，摩擦 系数变化明显、不稳定，制动噪音和涉水性能不良。玻璃纤维的硬度过高( h b 5 0 以 上) ，磨损比石棉型摩擦材料大一倍以上，易损伤对偶，8 0 0 以上时易形成玻璃珠( 莫 氏硬度更高) 。选用硬度较低的玻璃纤维及改性树脂可以改善上述缺陷。黄怿等【矧的 研究表明，采用模量较低的改性树脂及加入橡胶粉等可使材料有较好的贴合性和优异 的摩擦磨损性能。目前用于摩擦材料中的玻璃纤维一般是中碱或无碱玻璃纤维即c 玻璃纤维或e - 玻璃纤维。玻璃纤维增强摩擦材料的性能，关键在于纤维之间以及与 基体的界面状态，若浸润处理不好，不但直接影响玻璃纤维与基体的粘结，使纤维起 不到增强作用，还会直接影响摩擦磨损性能，使高温磨损特性变坏。玻璃纤维的表面 处理工艺也得到了广泛的研究，已研制出多种偶联剂和表面处理剂，如k h 5 5 0 偶联 9 新型复合材料汽车刹车片的研制及模态分析 剂，改变其与基体树脂间的物理结合为物理化学结合，改善了与树脂的亲和性。 2 2 3 芳纶纤维 芳纶纤维具有高强度、高模量、耐热、耐腐蚀、密度小等优点，可以提高摩擦性 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，如美国d u p o n t 公 司出品的k e v l a r 纤维、日本帝人公司出品的a r a m i d 纤维。摩擦材料所使用的芳纶纤 维有短切纤维和芳纶浆粕，用得最多的是芳纶浆粕。芳纶浆粕是将芳纶短纤维研磨使 其高度微原纤化，表面呈膨松的毛羽状，具有良好的吸附性，能被树脂和填料很好地 浸润和结合。日本t a k a h i s ak a t o 掣2 6 】对a r a m i d 纤维增强摩擦材料的研究表明，加入 a r a m i d 纤维后磨损量为原来的十分之一，其主要机理是纤维在摩擦面形成转移膜， 起润滑作用，降低对偶的不平整度及减小磨粒尺寸。芳纶纤维增强摩擦材料表现出比 半金属基摩擦材料低的侵蚀性，比石棉型摩擦材料低的磨损率，具有舒适的刹车性能、 良好的摩擦磨损性能和制动噪音性能。k e v l a r 纤维被公认为是石棉最佳代用纤维，其 开松处理很关键，若开松处理好，能增加强度，提高耐磨性和耐热性。开松时应注意 如下几点：适宜的开松设备和转速。一般来说，开松设备的飞刀越锋利，飞刀速度 越快，开松效果就越好。开松时间。开松时间不能太长，否则就可能使已开松的纤 维重新聚集在一起形成小块状或球状。k c v l a r 纤维的水分含量。含水量高时，需加 长开松时间；含水量低时，需在开松过程中喷洒适量的雾状水。开松过程中加入带 正电荷的填料，有助于开松。目前芳纶纤维价格偏高( k e v l a r 纤维吨价￥3 5 0 0 0 0 ) ， 在表面处理、分散工艺等方面需进一步研究，仅用于高档刹车片中。 2 2 4 碳纤维 碳纤维的综合性能优异，具有比强度高、比模量高、质轻、耐疲劳、耐磨损、耐 热、耐腐蚀及热膨胀系数较适宜等优点。g o p a l 等【2 7 j 的研究表明，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，比玻璃纤维增强摩擦材料有更高 的摩擦系数和低的磨损率。通用级沥青碳纤维价格相对便宜，摩擦磨损性能良好，特 别是自润滑性能好，用于摩擦材料中有较好的性价比1 2 引。碳纤维增强碳基体的( c c ) 摩擦材料已在航空航天工业中得到了广泛应用。碳碳摩擦材料具有重量轻、耐高温、 摩擦系数稳定、寿命长、噪声小等优点，是一种非常理想的摩擦材料，但制作工艺复 杂，成本高，还未能用作一般民用摩擦材料【矧。碳纤维的预处理方法对改善界面的粘 结性有一定效果，如：液相氧化法、涂层法、沉积法、接枝法。 2 2 5 其它纤维 矿物纤维资源丰富，价格便宜。矿物纤维的不足之处：高温易脱水，使材料性能 不稳定；质量受产地、产时的影响较大。通常选用产量大、品位高的矿物纤维。纤维 素纤维能帮助各组分均匀分布在混合料中，能在成品未成型之前，加强组分之间的结 1 0 北京工商大学硕士学位论文 合力，如美国i n t e r f i b e r 公司出品的e t f 纤维。陶瓷纤维具有优异的高温特性及高强 度高模量性质，如硅酸铝纤维。 虽然目前己开发出的石棉代用纤维种类很多，却没有一种能够完全在成本上、性 能上取代石棉，因此国外近年来的研究从积极开发高性能单一纤维逐渐转向了采用纤 维混合。由性能和价格互补的两种或两种以上纤维混杂增强不仅可以降低成本，而且 能充分发挥不同纤维的优点，相互弥补缺点，使性能更加全面和优异。混杂纤维增强 已成为摩擦材料增强体的发展方向。通常可取矿物纤维、玻璃纤维、钢纤维等容易造 成对偶磨损的硬质纤维与有机纤维、碳纤维等不易造成对偶磨损的软质纤维进行混杂 增强。国外已进行了碳纤维钢纤维、玻璃纤维有机纤维、钢纤维芳纶纤维等的 混杂研究，取得了很好的效果。有研究表明，采用碳纤维3 0 和钢纤维1 5 混杂增 强、酚醛树脂1 5 及填料4 0 制成的摩擦材料比石棉摩擦材料耐磨性提高3 倍，在 3 0 0 4 c 时摩擦系数无热衰退现象。美国e g o p a l 等【3 0 l 对芳纶浆粕、钢纤维和玻璃纤维 的混杂增强研究表明，芳纶的加入可提高摩擦性能的稳定性，磨损量和制动噪音明显 减小，可完全去除高频( 5 k h z ) 噪声，但略降低摩擦系数。 2 3 填料 填料大体上可分为增摩类填料、减摩类填料和有机类填料三大类。填料的作用主 要有：改善制品的摩擦磨损性能；改善制品外观质量、刚度、硬度、制动噪声及密度； 提高制品的加工性能与制造工艺性能；控制制品热膨胀系数、收缩率，增加产品尺寸 的稳定性；改善制品的导热性；降低生产成本。 2 3 1 增摩类填料 大部分的无机填料和部分金属为增摩填料，它们的莫氏硬度通常在3 以上，起到 提高摩擦系数的作用。使用量较大的增摩填料的硬度为3 巧之间，如重晶石、碳酸钙 等。它们可以使摩擦材料制品具有较好的摩