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硅酸锆在半金属和无金属摩擦材料中的作用 和摩擦机理研究 摘要 研究了硅酸锆( z r s i 0 。) 在半金属和无金属摩擦材料中的作用，对 摩擦性能的影响和摩擦机理。硅酸锆作为磨料能够明显提高摩擦材料 的升温及恢复摩擦系数，同时降低了材料的热膨胀。应用模糊综合评 价原理，得出样品z r 一5 6 和s m 一5 6 的摩擦稳定性最好。用扫描电镜 和x 一光衍射仪观察了摩擦表面。在无金属摩擦材料的摩擦表面上观 测到硫酸钡膜、碳膜、铁迹和硅酸锆疏松孔洞。当硅酸锆含量较少时， 生成硫酸钡膜和碳膜( 层i ) 。当硅酸锆含量较多时，由于硅酸锆的 硬度大于铸铁摩擦盘，使摩擦盘的铁转移到摩擦材料表面( 层i i ) 。 在硅酸锆含量为5 6 时，摩擦材料表面生成的摩擦膜( 层i 和层i i ) 最少。在半金属摩擦材料的摩擦表面上也观测到两种结构的摩擦层： 层i 和层i i ，层i 是由钢棉的塑性变形铺展而成的摩擦层，层i i 是由 铁磨屑聚集而成的摩擦层。当硅酸锆含量较少时，生成层i 。当硅酸 锆含量较多时，生成层i i 。在硅酸锆含量为5 6 时，摩擦材料表面 生成的摩擦膜( 层i 和层i i ) 最少。当层i 和层i i 都较少或不存在刚， 摩擦材料的表面组成与配方组成相近，摩擦系数稳定。本文提出了一 个模型来描述两种摩擦层的生成与破坏机理。通过控制摩擦表面组成 与配方组成相一致来控制具有稳定摩擦系数的摩擦材料是本研究提 出的一个新的学术观点。 关键词：摩擦材料，硅酸锆，摩擦层，摩擦机理 r o l e sa n dm e c h a n i s m so fz i r c o ni n s e m i m e t e l i ca n dn o n m e t a l l i cf r i c t i o n 【a t e r i a l s a b s t r a c t t h er o l e sa n df r i c t i o nm e c h a n i s m so fz i r c o n ( z r s i 0 4 ) a sa na b r a s i v e i nb o t hs e m i m e t a l l i ca n dsn o n m e t a l l i c 盘i c t i o nm a t e r i a l sa sw e l la st h e e f f e c t so fz i r c o no nf r i c f i o np e 渤r m a n c ew e r ei n v e s t i g a t e d n ef r i c t i o n c o e f f i c i e n t ( o ft w ot y p e so ff r i c t i o nm a t e f i a l sw a so b v i o u s l ye n h a n c e d b ya d d i t i o no fz i r c o n b a r “ef i l m s ，a l t e r e dl a y e r s ，i r o np a t c h e s ，z i f c o n l o o s eh 0 1 e s ，t r a n s f o 肌a t i o no fo 唱a n i cm a t e r i a l so nf r i c t i o ns u r f a c eo f n o n m e t a l l i cm a t e r i a l sw e f eo b s e n ，e db yu s i n gs e ma n dx r d i ts h o w n t h a tb a r i t ef i l m sn a m e da sl a y e ric a nl o w e rm ew e a rr a t ea n df e t r a n s f e r f e dl a y e rn a m e da sl a y e ri ic a ne n h a n c e t h et r a n s i t i o nb e t w e e n t w ol a y e r sw a sf o u n do nf r i c c i o ns u r f a c eo fz 卜5 6 ( z i r c o nc o n t e n t5 6v o l ) 0 ns e m i - m e t a l l i cm a t e r i a l ss u r f a c e s ，t w ok i n d so ff r i c t i o nl a y e r sw e r e a l s oo b s e r v e d l a y e rlf o r m e db ys t e e lw o o la n dl a y e ri if o r m e db yf e t r a n s f e r r e dl a y e rw e r ei d e n t i f i e d t h et r a n s i i i o nb e c w e e nt w ol a y e r sw a s a l s of o u n do nf r i c t i o ns u r f a c eo fs m 一5 6 ( z i r c o nc o n t e n t5 6v 0 1 ) b o t h z 卜5 6a n ds m 一5 6h a v el e s sf r i c t i o nl a y e r sb u ts h o ws t a b l ea n dg o o d f r i c t i o n p e r f o r m a n c e t h er e l a t i o n s h i p sa m o n gf o r m u l a t i o n s ，f r i c t i o n p e r f o r m a n c e a n d f r i c t i o ns u r f a c e sw e r es u m m a r i z e df o rb o t hf r i c t i o n m a t e r i a l s am o d e l t oa n a l y z eh o wt w ol a y e r sf o r m e dw a s p r o p o s e da n da n o v e lp o i n to fv i e wt od e s i g nf r i c t i o nm a t e r i a lf o r m u l a t i o n sw i t h o u t f r i c t i o n1 a y e r sb u tw i t h b e s tf r i c t i o ns t a b i l i t yw a s s u g g e s t e d k e yw o r d s ：f r i c t i o nm a t e a l s ，z i r c o n ，f n c t i o n i a y e r s ，f r i c t i o n m e c h a n i s m s 北京化工大学位论文原创性声明 v8 8 2 0 s 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。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 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：马趋 日期：2 翌盘：五! 兰 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工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 京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，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，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在卫年解密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授 权书。 作者签名：绉芝室 导师签名：晔 日期j 主竺鱼：； 日期：盟斗 北京化工大学硕+ 学位论文 1 1 摩擦材料概述 第一章绪论 摩擦材料是一种应用在动力机械上，依靠摩擦作用来执行制动和传动功能的部件 材料，它主要包括制动器衬片( 俗称刹车片) 和离合器面片( 俗称离合器片) 。刹车 片用于制动。离合器片用于传动。 任何机械设备与运动的各种车辆，都必须要有制动或传动装置。摩擦材料是这种 制动或传动装置上的关键性部件，它最主要的功能是通过摩擦来吸收或传递动力。离 合器片传递动力；制动片吸收动能。它们使机械设备与各种激动车辆能够安全可靠地 工作，所以说摩擦材料是一种应用广泛、又甚关键的材料。 摩擦材料系一种高分子基多元复合材料，它由高分子粘结剂( 树脂或橡胶) 、增强 纤维和摩擦性能调节剂三大类组分及其他配台剂构成，经一系列生产加工陌制成的制 品( 如图卜1 ) 。这种材料的特点是具有良好的摩擦系数和耐磨损性能、同时还具有一 定的耐热性和机械强度，能满足车辆或机械的传动或制动的性能要求。它们被广泛应 用在汽车、火车、农用车辆、飞机、船舰、石油钻机、矿山机械及各类工程机械设备 及i 行车、洗衣机等生活用品方面，作为动力的传递或制动减速用不可缺少的材料。 ( a ) 图卜1 各种摩擦材料( a ) 离合器片；( b ) 鼓式片( c ) 盘式片 f j 翟1 - lv a r i o i l sm “o nm 8 t 柏i s ( a ) b r a l ( ec i u k l l e s ，( b ) b r a l es h o e s ，锄d ( c ) b r a k ep a d s 1 1 1 摩擦材料发展简史 自世界上出现动力机械和机动车辆后，在其传动和制动机构中就使用摩擦片。初 期的摩擦片系用棉花、棉布、皮革等作为基材，例如将棉花纤维或其织品浸渍橡胶浆 液后进行加工成型制成刹车皮或刹车带，就是早期应用的摩擦材料品种之一。但它的 耐热性比较差，当摩擦面温度超过1 2 0 后，棉花和棉布会逐渐焦化甚至燃烧。随着 耐热性比较差，当摩擦面温度超过1 2 0 后，棉花和棉布会逐渐焦化甚至燃烧。随着 北京化工大学硕士学位论文 车辆速度和载重的增加，其制动温度也相应增高，这类摩擦材料已经不能满足使用要 求，人们开始寻求耐热性好的，新的摩擦材料类型，石棉摩擦材料由此诞生。 石棉是一种天然的矿物纤维，它具有较高的耐热性和机械强度，还具有较长的纤 维长度、较高的劈裂性和很好的分散性，其柔软性和浸渍性也很好，可以进行纺织加 工，制成石棉布或石棉带并浸渍粘结剂。石棉短纤维和其布、带制品，都可以作为摩 擦材料的基材。更由于其具有较低的价格，所以它很快就取代了棉花与棉布成为摩擦 材料中主要的基材物。1 9 0 5 年石棉刹车带开始被应用，其制品的摩擦性能和使用寿命、 耐热性和机械强度均有较大的提高。1 9 1 8 年开始，人们用石棉短纤维与沥青混合后制 成模压刹车片。2 0 世纪2 0 年代初酚醛树脂开始工业化应用，由于其耐热性明显高于橡 胶，所以很快取代了橡胶，而成为摩擦材料中主要的粘结荆材料，并且由于酚醛树脂 与其他的各种耐热型的合成树脂相比价格较低，所以从那时起，石棉、酚醛树脂型摩 擦材料被世界各国广泛使用至今。从2 0 世纪7 0 年代起，石棉就被广泛认为是致癌物质， 在1 9 8 9 年美国禁令石棉的使用【l 】。因此人们开始寻求能取代石棉的其他纤维来制造摩 擦材料，即无石棉摩擦材料或称非石棉摩擦材料。 2 0 世纪7 0 年代，以钢纤维为主要替代材料的半金属型摩擦材料，在发达国家中被 首先采用。至8 0 年代到9 0 年代，半金属摩擦材料已占据了整个汽车用盘式片领域，而 刺机械强度要求较高的鼓式刹车片和离合器面片品种，则采用多种纤维及耐热型有机 纤维的混合类型作为基材来取代石棉。 2 0 世纪9 0 年代后期以来，n a o ( n o n a s b e s t o so r g a n i c ) 型摩擦材料在欧洲的出现是 一个值得注意的趋势。n a o 型摩擦材料是无石棉摩擦材料，它与半金属摩擦材料的不同处 在于不含有钢纤维及铁粉，或只含有少量钢纤维，而是使用非金属型的无机纤维和耐热 有机纤维，一般认为n a o 型摩擦材料有助于克服半金属型摩擦材料固有的高比重、易生锈、 易产生制动噪音及导热系数过大等缺点。目前n a o 型摩擦材料在欧共体国家已得到广泛应 用，具有取代半金属型摩擦材料之势。美国杜邦公司和日本帝人公司分别推出芳纶浆粕 纤维( k e v l a rp u l p 和t w a r o np u l p ) ，认为芳纶浆粕的高拉伸强度、轻量化、长期的耐磨耗 性及稳定的摩擦性能、高耐热性能够满足摩擦材料对增强纤维的要求，而且加工性能良好， 是石棉纤维的理想代用品让，3 】。 1 1 2 摩擦材料的分类 摩擦材料按照摩擦特性，分为低摩擦系数材料及高摩擦系数材料，低摩擦系数材 料，又称为减摩材料或润滑材料，其作用是减少机械运动中的动力损耗，降低机械部 件磨损，延长使用寿命【4 1 。高摩擦系数材料，又称摩阻材料。通常所说的摩擦材料主 要是指摩阻材料。摩擦材料分类示意图如图卜2 所示。 ( 1 ) 按工作功能分：可分为传动与翩动两大类摩擦材料。如传动用的离合器片， 系通过离合器总成中离合器摩擦面片的贴合与分离将发动机产生的动力传递到驱动 北京化工大学硕十学位论文 轮上，使车辆开始行走：制动作用的刹车片( 分为盘式与鼓式刹车片) ，系通过车辆 制动机构，将刹车片紧贴在制动盘( 或鼓) 上，实行走中车辆减速或停下来。 ( 2 ) 按产品形状分：可分为刹车片( 盘式片与鼓式片) 、刹车带、闸瓦、离合器 片、异型摩擦片。 ( 3 ) 按产品材质分：可以分为石棉摩擦材料和无石棉摩擦材料( 即非石棉摩擦材 料) 两大类。 7 f ：汽车制动片中应用的摩擦材料主要分为半金属、无石棉有机( n a on o n a s b e s t o s o f ，g 硼i c ) 和陶瓷摩擦材料三种，多数摩擦材料配方由纤维、填料和粘合剂组成。填 料主要包括磨料、润滑剂、空间填料和功能填料。磨料包括硅酸锆( z r s i 0 。) 、氧化锆、 氧化铝、碳化硅等莫氏硬度在7 9 的物质：润滑剂主要有石墨、炭黑、m o s 。、s b 2 s 3 等：硫酸钡、碳酸钙、氢氧化钙等填料用来降低成本；云母和蛭石作为功能填料主要 是为了降低摩擦片的噪音；酚醛树脂、橡胶粉、腰果壳浊改性树脂等主要作为摩擦材 料基体和各填料的粘合剂 5 】。 半金属摩擦材料中含有大量的金属纤维( 如钢棉、铜丝、钢片) 或金属微粒( 铁 粉) 【6 】。n a o 摩擦材料主要含有无机或有机纤维，金属含量很少或没有金属川。陶瓷 摩擦材料以钛酸钾晶须、芳纶或铜丝作增强纤维【8 】。 异 图l - 2 摩擦材料的分类 f i g 1 - 2c l s 强c 埘o no f 衔c t i o nm a t 舐a l s 1 1 3 摩擦材料的技术要求 半金属摩擦材料 n 摩擦材料 汛台型摩擦材料 耪韵台金摩擦树荆 碳纤维摩擦材料 摩擦材料是车辆和机械的离合器总成和制动器的关键安全零件，在制动和传动过 程中，主要应满足以下技术要求【9 】： ( 1 ) 适宜而稳定的摩擦系数关系到摩擦片执行传动和制动功能的好坏，受温度、 压力、摩擦速度或表面状态及周围介质因素等影响而发生变化。 北京化工大学硕士学位论文 ( 2 ) 良好的耐磨性耐磨性是其使用寿命的反映，也是衡量摩擦材料耐用程度的 重要技术经济指标。耐磨性越好，表明它的使用寿命越长。但是摩擦材料在工作过程 中的磨损，主要是由摩擦接触表明产生的剪切力所造成的。 ( 3 ) 具有良好的机械性能和物理性能。 ( 4 ) 制动噪音低引起制动噪音的因素很多，因为刹车片只是制动总成的一个 部件，制动时刹车片与刹车鼓或盘在高速与高比压相对运动下的强烈摩擦作用，彼此 产， 二振动，从而产生不同程度的噪音。适当控制摩擦系数，使其不要过高，降低制品 的硬度，减少硬质填料用量，避免工作表面形成碳化层，使用减振垫或望膜以降低振 动频率，均有利于减少与克服噪音。 1 1 4 国外摩擦材料的现状和趋势 目前，代表世界摩擦材料先进水平的欧洲和北美国家中，其摩擦材料的配方技术 和生产检测设备的特点主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 当前先进技术的配方特征在于：无石棉、无金属、无k e v l a r 或t w a r o n 浆粕； 树脂含量少至5 6 ；采用第二粘结剂及多孔性结构的原料，热压时间为3 0 s 9 0 s ； 热处理温度高达2 4 0 2 8 0 【1 0 1 。对此类配方分析，其优点有： 无石棉符合环保要求。 无金属和多孔性材料的使用可降低制品密度，有利于减少损失制动盘( 鼓) 和 产生制动噪音的程度。 不使用k e v l a r 或t w a r o n 浆粕，可大幅度降低原料生产成本，并减少摩擦材料 热衰退的程度。 减低树脂含量，有利于减少热衰退的发生，减少制品起泡、膨胀的发生，并有 利于降低制品成本。有的低树脂含量的刹车片中树脂含量仅5 6 。 热压时间的缩短可大幅度提高热压机的生产效率，适合于自动化生产。 高达2 4 0 2 8 0 的热处理温度，更有利于高温摩擦性能的稳定。 配方设计思想的进一步扩展：从减少热衰退、降低制动噪音的角度出发，不单纯 是采用具有多孔性结构的原料组分，而且进而构思设计摩擦材料的内部结构。具体做 法是采用造粒技术，全部或部分采用颗粒料，有效控制摩擦材料密度、气孔率、可压 缩性和导热性，特别是可以设计颗粒料的内部结构，而这种造粒工艺是通过造粒式混 料机来实现的。 ( 2 ) 自动配料系统的使用 自动配料系统是仓储与计量的机电一体化系统。例如三层自动配料系统上层是仓 储，中层是配料系统，下层是混料系统。控制系统和计算机则在中层的专门控制室内， 通过计算机选定配方，输入计量书记和程序后，输送器向自动运行到各个编号料仓下 北京化工大学碗士学位论文 的称料车中加料，称完配方中规定的所有原料组分后，料车直接运行到混料机投料口 上方，自动投料。自动配料系统具有配方保密性好，便于管理，操作自动化，环境污 染小的特点，已被越来越多的摩擦材料生产企业所应用。 ( 3 ) 热压工艺的特征 北美和欧洲的热压工艺，就盘式刹车片而言，占主流的是板式模( 二步成型法) 和对顶模( 一步成型法) 。 二步法成型法即先预成型制成冷坯，然后再热压成型固化，最主要的特征是热压 恻使用板式模，模腔数为6 1 6 个，板式模优点是快速高效，模具成本低，更换方便， 但由于压制压力同时作用于产品和模具顶部框边，模具的厚度决定了产品的厚度，当 称料有误差时，会导致产品密度的不一致，影响产品质量的一致性。板式模生产的盘 式片占全世界售后市场的八成左右。压型设备方面，全自动多腔预成型机和六层热压 机作为在二步法工艺的骨干设备，已相当成熟和完善。 一步法成型工艺采用对顶模，压制时上模( 阳模) 的压制压力直接作用于产品上， 只要压力稳定，产品密度就一定，从而达到产品质量的一致性。这种工艺主要用于制 造o 脒( o r i 由a le q u i p l i l e n tm a 雌伍c t l l i 盯) 制品。 ( 4 ) 在摩擦性能测试上，主要采用惯性台架试验。 惯性台架试验机又成为惯性测功计或l ：l 惯性试验台( d y n a m o m e t e r ) ，是制动器 制动试验中最具权威性的测试设备。基本原理是利用飞轮动能等量模拟车辆动能对制 动器进行加载，近年来，随着电子技术和计算机的应用，用电模拟方式控制驱动电机 输出的力矩和转速，实现惯性制动试验的台架已经实际应用，称为电模拟测功机( 如 图1 3 ) 。 ( 5 ) 重视对产品可压缩性的研究和实验 认为刹车片的可压缩性对摩擦材料的硬度、密实度和孔隙度，显气孔率、制动的 平稳和舒适度、刹车片的固有振动频率及与此相关的制动噪音均有密切关系，从而通 过调节和控制摩擦材料的压缩特性来间接控制材料的密度，进而控制其固有频率，达 到降低制动噪音的目的。 卜电8 # 机 2 一填重蛆辑试件l4 黑作幕境，5 _ 风帆i6 一机座 图卜3 惯性台架试验机 f i g 1 - 3h l e r t i ad y i l a n l o m e t e r 1 2 摩擦材料的结构与组成 北京化工大学硕士学位论文 成。 作为刹车片的摩擦材料主要由粘合剂、增强纤维和摩擦性能调节剂三大部分构 1 2 1 粘合剂 有机粘合剂在摩擦材料中的作用是把各个组分有效的粘合在一起，使它们充分的 发挥各自的作用。粘合剂是摩擦材料中的关键组成部分，它的性能好坏直接的影响着 刹车片的性能的发挥，尤其是其使用温度的高低直接决定刹车片的使用温度的高低。 用于刹车片上的有机粘合剂主要是酚醛类树脂，另外还有环氧树脂，三聚氰胺改性树 脂等。它们的特点和作用是当处于一定加热温度下时先呈软化而后进入粘流态，产生 流动并均匀分布在材料中形成材料的基体，最后通过树脂固化作用和橡胶硫化作用， 把纤维和填料粘结在一起，形成致密的有相当强度及能满足摩擦材料使用性能要求的 摩擦片制品。 我国长期以来多用未改性的酚醛树脂作基体，虽然酚醛树脂耐温性好，工艺简单， 价格便宜。但纯树脂硬度较高，粘结力小，质脆，连续工作温度不能超过2 5 0c 以上， 且噪音大，摩擦层的分解残留物性能不稳定等一系列不足，故纯酚醛树脂的应用受到 了很大程度的限制。从七十年代开始，国内外许多生产及研究单位根据制品使用要求 的不断提高，先后从多种途径对酚醛树脂进行改性研究，如聚乙烯醇缩醛，搪醇改性 酚醛树脂，虽然改善了酚醛树脂的粘结力和脆性，使酚醛树脂具有更高的耐热性，但 改性后的树脂硬而脆，不耐磨，制成的摩擦片仍存在磨耗大的缺点，所以其改性效果 不佳。为了改善摩擦后的韧性，往往采用橡胶与酚醛共混来改性。由于制动过程中产 生的高温，橡胶往往比基体更易分解，摩擦出的热衰退性也显得更为严重，因此，单 纯的橡胶改性酚醛树脂满足不了基体的性能要求。桐油改性酚醛树脂，虽对树脂的韧 性及硬性有所改善，但耐温性却大大下降，改性后的树脂耐水性差，这样就影响了硼 酚醛树脂的应用范围。双酚a 型硼酚醛树脂是在硼酚醛改性树脂的基础上再引人双酚a 基团进行改性，以期获得耐水性好的改性树脂，虽然在改善机械强度及耐温耐水方面 取得一定效果，但亦存在着一些问题，尤其是耐热温性方面改善效果不理想。采用腰 果壳油改性酚醛树脂，国内外已有大量报道，而且当前国内外普遍认为以腰果壳油改 性树脂做刹车片，具有良好的制动性，因此，被广泛应用，生产工艺也日益成熟和完 善。在酚醛树脂中，引人了长碳链的腰果壳油分子，因而它比纯酚醛树脂柔韧性好得 多，从而制成的摩擦片的耐冲击性能也相应提高，加之硬度适中，制动噪音也低得多， 腰果壳油分子上的乙基增加了酚醛树脂的粘结力，使树脂在一定范围内提高了力学性 能，同时腰果壳油本身是酚结构，这就保持了改性树脂的耐热性】，故该基体摩擦片 的性能优于国内许多厂家生产的未改性酚醛树脂，其适用范围较广。国内摩擦材料目 北京化工大学硕士学位论文 前多使用酚醛树脂及其改性树脂，如使用腰果壳油改性、橡胶改性及其他改性酚醛树 脂作为摩擦材料的粘结剂。国外各生产厂家所用粘结剂的种类有较大差异，如美国采 用耐高温酚醛树脂，英国广泛使用腰果壳油改性酚醛树脂，俄罗斯选用合成橡胶和酚 醛树脂共混物1 1 2 】。 大部分摩擦材料制品中，橡胶作为辅助材料被加用，目的是降低制品的硬度和弹 性模量，提高韧性和冲击强度。常用的橡胶品种是t 苯橡胶和丁腈橡胶。丁苯橡胶的 价格便宜，耐磨性好，故使用最广泛。丁腈橡胶耐热性、抗拉强度均优于丁苯橡胶， 姬价格较高，一般用于性能要求比较高的摩擦材料，如盘式刹车片或重负荷载重汽车 的鼓式刹车片。天然橡胶虽然抗拉强度和伸长率均很好，但其耐热性相对较次，价格 又稍高，故很少在摩擦材料中应用。 1 2 2 增强纤维 纤维增强材料构成摩擦材料的基材，它赋予摩擦制品足够的机械强度，使其能承 受摩擦片在生产过程中的磨削和铆接加工的负荷力以及使用过程中由于制动和传动 所产生的冲击力、剪切力、压力、离合器片高速旋转的作用力，避免发生破坏和破裂。 由于摩擦材料制品在工作中长期处于高温工况下，一般有机纤维无法承受这种高 温条件，故而摩擦材料中多数是应用无机纤维，包括天然矿物纤维类，如石棉纤维、 海泡石、硅灰石等：人造矿棉和无机纤维类，如陶瓷纤维、硅酸铝纤维、岩棉、复合 矿物纤维、玻璃纤维等；金属纤维类，如钢纤维、铜纤维、铝纤维等。除了无机纤维 外，一些有机类纤维也被应用在摩擦材料中，如芳纶，是属于高性能、高价格的一种 耐热性能和强度要求高的摩擦材料制品中。其他一些有机纤维，如纤维素纤维、人造 有机纤维或合成纤维、植物纤维也多有应用，但主要作为辅助成分被少量使用。 石棉作为一种天然矿物纤维，具有质轻、价廉、分散性好、摩擦磨损性能好、增 强效果好等特点，因此在摩擦材料中得到了广泛的应用。从上世纪2 啦8 0 年代，石棉 基摩擦材料几乎是一统天下。自从上世纪7 0 年代，石棉及其高温分解物被确认属于致 癌物质后，许多国家对石棉的使用都做出了具体的规定禁止石棉被用于摩擦材料中。 目前，国内外开展了代用增强纤维的研究，主要有钢纤维、玻璃纤维、碳纤维、有机 纤维等。 1 2 3 摩擦性能调节剂 摩擦材料性能调节剂的作用是为了改进摩擦材料的某些性能或者降低成本而添 加的惰性物质，现在使用的各种填料大都可以用来解决摩擦系数的平稳和磨损的降 低。填料的主要在作用如下： 北京化工大学硕士学位论文 ( 1 ) 填料加入可以增加材料的刚度，硬度并降低成本。 ( 2 ) 可以增加摩擦系数，增加尺寸稳定性。 ( 3 ) 改善传热性能，电性能等。 ( 4 ) 改善流变性能。 ( 5 ) 提高加工性能。 ( 6 ) 改善外观，密度和体积等。 根据摩擦性能调节剂在摩擦材料中的作用，可将其分为增摩填料与减摩填料两类 增摩填料本身属于摩阻材料，为能执行制动和传动功能要求具有较高的摩擦系数，因 此增摩填料是摩擦性能调节剂的主要部分。不同的填料的增摩作用是不同的，由于摩 擦材料中的树脂成分在2 2 0 2 5 0 时，会放出低分子物并开始发生热分解，摩擦系数 开始出现热衰退，在使用的增摩填料中，有的填料在较低的摩擦工作温度范围，即室 温至2 5 0 内，能提高制品的摩擦系数，如长石粉、铁粉等；有的填料则能在较高的 摩擦工作温度区域2 5 0 直至4 0 0 ，即树脂发生热分解的温度区域，具有良好的摩擦 系数，将其称为高温摩擦性能调节剂，如氧化铝、锆英石等。 材料的莫氏硬度是一种抗刮伤能力的比较。可用一种材料去刮另一种材料的表面 来测定，实际上就是两种材料表面质点摩擦时，彼此剪切强度的比较和反映。材料的 莫氏硬度高，其剪切强度也高。故而摩擦材料应用的各种填料的莫氏硬度越高，它与 对偶摩擦时，具有的摩擦系数也越高。增摩填料的莫式硬度通常为3 9 。硬度高的增 摩效果显著。莫氏硬度高于5 5 以上的填料，属硬质填料，增摩作用明显，但要控制 其用量、粒度。减摩材料一般为低硬度物质，特别是莫氏硬度低于2 的矿物，如石墨、 二硫化铝、滑石、云母等。它们既能降低摩擦系数又能减少对偶材料的磨损，从而提 高摩擦材料的使用寿命。 一些常用填料和有关材料的莫氏硬度见表卜l 。 在增摩填料( 摩阻填料) 和减摩填料( 润滑填料) 中，增摩填料是摩擦性能调节 剂的主要部分。不同的增摩填料的增摩作用也不相同。有的填料在较低的温度下( 如 2 0 0 ) 具有较好的增摩作用，称之为常用增摩填料，它们的莫式硬度大约在3 6 之 间，有的填料则可在较高的温度下( 2 5 0 3 5 0 ) 具有较好的摩擦系数，这类填料称 为高温增摩填料，它们的莫氏硬度通常在7 以上，属于高硬度填料。 填料粒度形状能够影响摩擦材料的摩擦表面特性即影响摩擦与磨损性能。一般 说，填料颗粒粗糙且刚硬，在与对偶表面进行滑动摩擦时，嵌入对偶表面深，产生的 剪切力大，在摩擦材料中能够起到增加摩擦系数的作用。也可以说，当颗粒不规则， 且硬度比基体高，则有利于提高摩擦材料的摩擦系数。另一方面，在摩擦过程中，嵌 入对偶表面的硬颗粒填料受剪切力大，会被切除下去，特别是颗粒较大的填料，这一 效应更为明显。也就是说，在制品中使用的填料颗粒越大，则制品的磨耗也越大。 莫氏硬度为2 或1 的低硬度填料，在摩擦材料中经常被用作减磨材料，分为两种， 北京舡太学硕士学位论文 一种是各向同性的晶体，主要是软金属如铜、黄铜、铅、铝等；另一种是各向异性晶 形特征的非金属矿物，如石墨、二硫化钼、滑石、云母等，它们的特点是剪切强度低， 牦别足有各向异性的非金属矿物，它们具有片状或层状晶阵结构，如鳞片石墨。 表卜l 常用填料的莫氏硬度 t a b ki - lm o h sh a r d n e s so f 丘1 1 e r s 硬度值填料名称 滑石、石墨、蛭石、水云母 白云母、高岭土、石棉、硫化铅、石膏、硫化锑 方解石、黄铜、硫酸钙、硫酸钡、白云石、重晶石 氟石、霞石、铁、萤石、碳酸镁、菱镁矿 玻璃、氧化镁、硅灰石、铬铁矿 长石、四氧化三铁、金红石 氧化铁、锆英石、硅石( 石英) 黄玉、刚玉 碳化硅 金h 石 1 2 4 填料对摩擦材料物理和机械性能的影响 ( 1 ) 填料对制品硬度的影响 增摩填料对摩擦材料物理性能的影响之一就是使摩擦材料的硬度增大，即使其杨 氏模量增加。摩擦材料制品的硬度对其实际使用效果中的性能效果影响甚大。干法工 艺制品比湿法工艺制品硬度高的重要原因之一，就是因为选用的填料与实际上填料用 量的提高。 ( 2 ) 对抗张强度的影响 不同的填料，往往会对摩擦材料抗张强度产生不同的影响，在摩擦材料中，每一 中填料的颗粒都会被一定数量的纤维、粘结剂所分隔及均匀的包裹。若假定在这种材 料中午气泡或空间等条件下，当施加张力时，这些基体区段被拉伸，并从填料颗粒上 被拉开。因此使用多量填料的材料断裂强度较低。所以为了获得较高强度的摩擦材料， 就要选择其颗粒间空间较大能容纳更多的支撑负荷的基体材料，才能制成具有较高抗 拉强度的摩擦材料。 使用大颗粒填料比小颗粒填料在基体上产生的应力要更大和集中些。因此，若在 其他条件相同的情况下，使用平均粒径较小的填料，制成的摩擦材料有较高的硬度。 l 2 3 4 5 6 7 8 9 1 北京化工大学硕士学位论文 各种填料对产品的增强作用影响，依次为纤维 片状 球状。选用增强材料的强 度，一般选用自身强度高的填料，另外，要考虑增强纤维与树脂的粘结作用，往往采 用两种措施：通过偶联剂对填料进行表面处理，增加表面活性。增加树脂对填料 的润湿能力。 ( 3 ) 对热膨胀的影响 在摩擦材料中加入填辩之后，能够影响其热膨胀系数，其原因是，因为填料在不 同方向具有不同的热膨胀系数。填料与基体热膨胀系数的不同，导致了在室温下产生 内应力。而且由于填料颗粒取向不同，内应力也不相同。但是由于片状和纤维状填料 的取向具有很大区别，所以采用不同取向的片状或纤维状填料，其制品的热膨胀系数 也会有很大差别。模压后的基体会发生很大的热膨胀，所以热压后的制品已难收回原 模腔；而基体发生很大的热膨胀，要以内应力的形式释放出来，使产品产生变形，表 现在摩擦材料热压后的翘曲现象。 ( 4 ) 对制动噪音的影响 降低和克服制动噪音，是摩擦材料工作者必须要考虑的问题。现在随着社会经济 的发展，轿车已成为所有车辆中的主要品种，人们对汽车刹车片制动噪音的要求越来 越严格。我国有关的汽车制动试验标准中，也制定了对刹车片的制动噪音标准。制动 噪音产生的原因是相当复杂的，它不仅和摩擦篇有关，也和其对偶材料一制动盘与制 动鼓有关，以及与制动盘或鼓的总成结构和安装状态等因素有关，同时还和使用的环 境、条件、制动操作等都密不可分。主要还应从摩擦片去研究，从摩擦片的组分角度 出发，选用填料时要考虑的是： 控制硬质填料的用量和粒度，避免过高的摩擦系数和制品硬度。 适当多加一些硬度范围在3 4 的摩阻填料和低硬度减摩填料。 使用具有多孔结构或疏松结构的填料，这类填料常用的有人造石墨、煅烧焦 炭、膨胀蛭石、海绵铁粉、硅藻土、铁木粉等。它们的中空结构使其具有良好的吸附 性，能减少制动操作时摩擦副共振的形成，吸收振动摩擦所产生的噪音。 1 3 汽车制动摩擦材料 汽车制动摩擦材料是摩擦式( 接触式) 制动器和离合器用以制动和传动的关键材 料。汽车制动片和离合器片都是借助两个相对运动的偶件，在极其短暂的时间内消除 相对运动。如在汽车制动器中利用摩擦片的摩擦性能，将转动的动能转化为热能，摩 擦片表面与制动盘( 或鼓) 之间的摩擦热，一部分通过制动部件的热传导、空气的对 流及其他形式逸散出去；而另一部分则是被发生在表面的化学物理磨损所吸收。因此， 要求摩擦材料具有较高的耐热性能和摩擦稳定性等f l 引。 2 0 世纪2 0 8 0 年代，石棉有机摩擦材料几乎是一统天下。从1 9 7 2 年国际肿瘤医学 北京化工大学硕士学位论文 会确认石棉及高温挥发物属于致癌物后，国际上掀起一股禁止使用石棉摩擦材料的浪 潮，美国职工安全与保护研究所( n i o s h ) 把石棉列为j o 种主要工业原料中十个强致 癌原料之一。此外。现代汽车速度的提高，使制动品表面温度达3 0 0 5 0 0 。石棉摩 擦材料导热性和耐热性差，在4 0 0 左右将失去结晶水，5 5 0 时结晶水完全丧失，已 基本失去增强效果。石棉脱水后会造成摩擦性不稳定、工作层材料变质、磨损加剧， 出现明显的“热衰退”现象【1 4 l 。很明显，石棉有机摩擦材料已不适应汽车工业和现 代社会发展需求，将逐步被新材料所取代。 致然石棉摩擦材料对人体健康和环境污染有害，但到目前为止还很难找到一种能 够完全替代石棉的增强纤维，加之非石棉纤维还存在着混合性不好、易断、结团、分 散性差、价格偏高i 制品性能稳定性差等问题。因此在一定时期内，特别是对发展中 国家来讲，石棉摩擦材料仍将继续使用。 3 ，i 半金属摩擦材料 在摩擦材料的组成中，金属粉末或金属纤维达到4 0 以上的称为半金属摩擦材 料。半金属摩擦材料具有摩擦系数大而稳定，良好的耐高温、耐热、抗衰退性能，导 热性能。在半金属摩擦材料的发展初期，使用的是少石棉半金属摩阻材料，其优点是 由于金属含量的提高，致使摩擦系数显著提高而且稳定。目前，半金属摩擦材料的替 代纤维也已由最初的钢纤维发展到复合的金属纤维，分剐有铜纤维与铜纤维、钢纤维 与碳纤维、钢纤维与玻璃纤维以及铜纤维与碳纤维等。这种材料的优点是耐磨性和耐 热衰退性好，在3 5 0 左右仍不发生明显的热衰退，在4 0 0 以下摩擦系数非常稳定， 制动噪声低。但它的生产成本稍高，材料密度稍大。它的主要成分：铁、铜及其合金 的纤维和粉末占4 0 7 0 ，粘结剂( 酚醛系列树脂) 占5 1 5 ，石墨粉等减摩 剂占1 0 2 0 ，其它为增摩剂。其中作为增强部分的钢纤维是最早使用的非石棉纤 维，是半金属摩擦材料的主要组成部分，以钢纤维为主体的半金属制动片的开发应用 也最为成熟。与石棉摩擦材料想比，钢纤维摩擦材料具有平稳的摩擦系数，3 0 0 5 0 0 摩擦系数较少衰退、高温磨损小，可压缩性低，但当它的含量过高时，会引发锈蚀， 引起摩擦性能变劣，同时会损伤对偶件以及提高造价等问题。朱铁宏i l5 l 等进行过大量 的实验，发现钢纤维的长度、粗细、取向以及表面形貌等都对其摩擦磨损性能有很大 的影响。如纤维太长易结团，太短则强度不够；若纤维直径大，摩擦系数增加，但不 耐磨，且噪声大：纤维直径小于o 0 3 哪时，又难以解决混料和粉尘问题。通常纤维 宜径为o 0 3 0 0 5 m m 时的性能较好。至于钢纤维的取向排列，以n 为4 5 。的摩擦系 数最高，而n 为o o 的磨损率最低。 到7 0 年代末，使用中发现半金属摩擦材料存在如下缺点： 钢纤维容易生锈，锈蚀后或者出现粘着对偶或者损伤对偶，使摩擦片强度降 北京化工大学硕士学位论文 低，磨损加剧，摩擦系数稳定性变差； 由于半金属摩擦材料热传导率高，当摩擦温度高于3 0 0 时，一方面易于使摩 擦材料与钢基板间粘结树脂分解，加之温度差引起热应力甚至出现剥落现象。另一方 面大量的摩擦热迅速传递到活塞的液压施力机构，导致密封圈软化和制动渡发生气化 而造成制动失灵； 半金属摩擦材料虽然消除了石棉摩擦材料容易产生的高频噪音，却易产生低速 下的低频噪音半金属摩擦材料的组成是决定其摩擦学特性的主要因素。有学者将模 糊忧化技术应用于半金属摩擦材料配方的优化设计和综合评价中【j “。在组成半金属 摩擦材料的组分中，粘结剂、增强纤维和填料是主要成分因为酚醛树脂耐热性、成 型加工性和成本方面都比较优越。半金属摩擦材料使用的增强纤维主要是钢纤维和铜 纤维，也有使用 1 0 3 ，s i o 。等陶瓷纤维和碳纤维。虽然钢纤维有一定的缺点，但在认真 设计下仍可满足现阶段的使用要求【1 7 】。 1 3 2 非石棉摩擦材料及混杂摩擦材料 近2 0 年的研究绝大部分集中在非石棉有机摩擦材料方面在代替石棉的纤维中， 除了钢纤维外，目前比较多见的有：玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维以及这些纤维相混 合的混杂纤维【1 8 l 。 1 3 2 1 玻璃纤维增强非石棉摩缀材料 玻璃纤维的特点是硬度高、热稳定性较好、与树脂亲和性好、价格低廉玻璃纤 维发展历史较长，其表面处理工艺和粘结剂的研究已比较成熟。因此，玻璃纤维是早 期无石棉摩擦材料中使用较多的纤维，以玻璃纤维为增强材料的无石棉摩擦材料已在 汽车工业的一定范围内得到应用。玻璃纤维增强的有机摩擦材料的摩擦学特性主要取 决于纤维的机械物理性能和摩擦条件。v i s h w a n a t h 等的研究表明，其摩擦系数和磨损 率受法向载荷滑动速度的影响较小。熔融的聚合物聚集于玻璃纤维的端部并变黑的现 象，表明了粘结剂在摩擦过程发生熔融和聚集，从而对摩擦材料的摩擦学特性产生影 响。表面粗糙度、载荷和滑动速度是影响其摩擦磨损特性的主要因素。环氧树脂、聚 醛树脂、p e e k 和p b t 为基体的玻璃纤维摩擦材料都表现出很高的磨损率，有的甚至超 过未增强材料的磨损率。一般认为，造成高磨损率的原因是由于玻璃纤维的热传导率 很差，从而使摩擦表面和次表层的温度很高且具有极高的温度梯度，聚合物在此高温 下软化和分解使纤维和基体的粘结程度减弱。除此之外，玻璃纤维硬度过高而塑性极 差也是造成高磨损率的原因之一，同时也会对偶件产生擦伤和磨损。有人认为玻璃纤 维摩擦材料摩擦磨损特性对载荷、滑动速度及制动温度等因素反应敏感，在重载高温 北京化工大学硕士学位论文 下，摩擦系数波动较大，稳定性较差【1 9 】。玻璃纤维摩擦表面形成的由无机填料、玻璃 纤维捌料、铁或碳组成的转化膜是引起热衰退的重要原因。这层转化膜极不稳定，一 般在低温下滑动l 2 m i n 就会被破坏从而造成摩擦系数的不稳定。降低玻璃纤维的硬 度和采用适当的改性树脂可以改善玻璃纤维摩擦材料磨损率大及热稳定性差等缺点。 学的玻璃纤维作为增强材料的摩擦材料很难满足高速制动下的高温摩擦学性能要 求【删。 132 2 碳纤维摩擦材料 碳纤维有机摩擦材料的突出优点是其高温摩擦稳定性好、耐磨，因此作为摩擦材 料常用在飞机刹车和赛车制动器上。碳纤维有机摩擦材料的研究已有许多，但结论却 并不一致。g i l t r o n j p 认为，碳纤维的类型( 高模量和超高模量) 对摩擦材料的摩 擦磨损特性有较大的影响，而纤维的排列方向和摩擦过程中界面第三体对摩擦系数和 磨损率影响甚小。 1 3 2 3 芳纶纤维增强摩擦材料 芳纶纤维是一种芳族酰胺有机人造纤维，其一般特征是具有相当高的强度、中等 的模量、很小的密度、耐磨、耐热、高温下尺寸稳定好。其主要特征是在非复合形式 下具有高韧性，没有碳纤维与玻璃纤维所呈现的脆性，因此非常适合于作高温高摩擦 下工作的摩擦材料，也最有希望取代石棉成为下一代摩擦材料的增强材料。用于摩擦 材料的k e v l a r 纤维主要有6 1 3 m 的短纤维和2 5 咖的浆粕形式的纤维。l o k e n 针对 k e v l a r 纤维在搅拌中容易结团难以分散的问题进行了研究，结果表明，搅拌混合有一 最佳时间，搅拌时间过长反而会引起结团而造成纤维在混合物中的不均匀分散。对不 同长度、形态及排列方向的模压k e v l a r 摩擦材料，试验研究表明，k e v l a r 增强的摩擦 材料具有较高的摩擦系数，而其耐磨性好于石棉摩擦材料，特别是高温下具有和半金 属摩擦材料相近的耐磨性。 摩擦材料中k e v l a r 的含量会对其摩擦学特性产生较大的影响。t a k a h i s a k a t o 【2 2 】 等人的研究认为，摩擦材料的硬度和导热率随k e v l a r 含量的增加而线性减少，当 k e v l a r 的含量超过l o 时，摩擦系数降低5 0 9 6 ，磨损率降低一个数量级，但k e v l a r 含量 继续增加，摩擦系数基本保持不变，而磨损率随k e v l a r 含量增加而继续下降，当摩擦 材料中k e v l a r 含量达到4 0 时，其磨损率仅是不含k e v l a r 材料的百分之一，这表明， k e v l a r 的加入极大地提高了摩擦材料的耐磨性，但其摩擦系数也随之下降。尽管芳纶 纤维增强的摩擦材料具有极明显的耐磨性优势，并且在实车试验中也到了令人满意的 结果，但由此引起的摩擦系数的降低却是汽车摩擦材料所不希望的。 北京化工大学硕士学位论文 1 3 3 4 金赢陶瓷摩擦材料 金属陶瓷摩擦材料具有吸能效率高、导热性好、摩擦系数高、耐高温、耐磨等特 点，特别是在高温高比压条件下的摩擦系数稳定，即使工作温度商达3 0 0 仍然能保 持较大的传扭能力，因此广泛应用于飞机、坦克、拖拉机、工程机械、高速列车以及 田蕾汽车的离合器或制动系统【2 3 1 。金属陶瓷基体主要为铜基和铁基金属基体。为了改 善降擦材料的性能和降低成本，通常可以在c u 基基体中引入适量的f e 粉，但加入铁粉 后般需提高烧结温度以保证铁粉的烧结。车剑飞等f 2 4 】报道，在无