课件分析教案

caatr27Vol5No102010文章编号:10003851(2010050079复合增强汽车摩擦吴耀庆,曾鸣*,2,余,范力 中国地质大学教育部纳米矿物材料及应用工程,2中国地质大学地质过程与矿产资源国家,摘要:以玻璃纤维、铜纤维、矿物纤维、芳纶纤维、纳米钛酸钾晶须和片状蛭石等复合增强非石棉有机汽车摩擦材料,构成具有微米和纳米尺度、一维(纤维)和二维(片状)形态、无机和有机材质的复合增强体系。基于材料的力学和摩擦磨损性能,通过回归模型分析对复合体系配方进行了优化。通过材料的内部结构和摩擦面的形貌观察,分析了复合增强体系提高材料力学和摩擦磨损性能的内在机制。结果表明,通过优化配方,各增强相之间表现出良好的混合和协同效应,优化复合增强汽车摩擦材料的冲击强度为054J/cm2、总磨损率为135!107cm3N∀m)、摩擦系数的变异系数为5.86%:增强;耐磨损;复合材料;非石棉有机;摩擦号:T 文献标志码:PerformancesofmultireinforcedautomotivefrictionWUYaoqing1,ZENGMing*1,2,YULing,FAN (1.EngineeringResearchCenterofNanoGeomaterialsofMinistryofEducation,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,China;2.StateKeyLaboratoryofGeologicalProcessandMineralResources,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,:Theglassfiber,copperfiber,mineralfiber,Kevlar,potassiumtitanatewhiskerandvermiculitewereusedtopreparethemultireinforcednonasbestosorganic(NAO)automotivefrictionmaterials.Themultireinforcedmaterialshavethevariouscharactersofmicroandnanosizedstructures,oneandtwodimensions,inorganicandorganicnatures.Themechanicalandfrictionpropertiesoftheautomotivefrictionmaterialwereinvestigatedtooptimizetheexperimentalcondition.Thereinforcingmechanismwasdiscussedbasedontheenvironmentscanningelectronmicroscopyobservation.TheresearchresultsshowthatthemultireinforcedNAOautomotivefrictionmaterialundertheoptimizedconditionpossesseshigherimpactstrength(0.54J/cm2),betterwear(totalwear:1.35!107cm3/(N∀m))andfrictionstability(coefficientofvariation:5.86%),resultingfromthemixandsynergisticeffectofvariousreinforcedmaterials.:reinforcement;wear;composites;nonasbestosorganic;friction随着汽车工业和交通的发展,对保障行驶安全的重要部件###制动摩擦材料的要求逐步提逐渐被半金属和非石棉有机(NAO)摩擦材料取代。但半金属摩擦材料存在易生锈、制动噪音和损伤对偶等缺陷而不能广泛应用。因此,NAO摩擦材料足综合性能的要求,NAO收稿日期200909;收修改稿日期20092

多种原材料组成[1,按功能分为粘接剂、增强材占有重要地位,不但决定摩擦材料的力学强度和摩擦磨损性能[2,还是汽车摩擦材料发展的主要推动力量,如钢纤维和铜纤维等金属纤维的应用导致半金属摩擦材料的诞生,而陶瓷及矿物纤维的应用则进一步提高了NAO摩擦材料的性能。在NAO摩擦材料的研究工作中,基金项 高校基本业务费专项资助项目(CUGL090223);教育部留学回国人员科研启动基金;省教育厅重点研究项( 4);地质过程与矿产资源国 开放基金项目(GPMR2009通讯作 鸣,博士,留法博士后 导师,目前主要从事高分子复合材料、聚合物摩擦材料研Ealzengng38@63强材料得到应用[3,如碳纤维、玻璃纤维、硅酸铝纤维、陶瓷纤维等无机纤维;钢纤维、铜纤维等金属纤维;芳纶、聚丙烯腈等人工合成有机纤维;蛭些优异的性能,为NAO摩擦材料的应用研究提供了众多选择[5,所以一般摩擦材料都是混杂2种以上的纤维、或单一尺度的纤维与片状材料6等,以满足摩擦材料综合性能要求。研究发现,纤维复合的协同作用比单一纤维更能够有效降低材料的磨损率[7,且亚微米、纳米尺度的增强材料可以更好地提高复合材料的力学性能[89。目前,

型的NAO摩擦材实验1.1从各类增强材料中优选玻璃纤维(Glassfiber、铜纤维Copperfiber、矿物纤维(Mineralfiber)、芳纶纤维(Kevlar)、纳米钛酸钾晶须(PTV)和片状蛭石Vermiculite6种材料进行组合试验使复合材料在尺寸、形态和材质3个方面均构成的增强结构。所用增强材料尺寸及性质见表1表 增强材料性Table1Propertiesofreinforcing2种增强材料,而对采用多尺度、多形态的增强材料复合体系的研究尚较

Maer

Leng Dae

S Charac本文作者尝试以玻璃纤维、铜纤维、矿物纤 料,构成具有微米和纳米尺度、一维(纤维)和二维片状)璃纤维为主体形成增强骨架;矿物纤维起应力传递作用以实现从长纤维到纳米增强相的过渡连接;铜纤维除增强作用外兼具导热作用,防止摩擦面热量;纳米钛酸钾晶须具有高比表面积和表面能[10、红外反射率高的特点[11,可降低摩擦面温度;蛭石具有特殊的片状结构,片层间热渗透系数低,有利于减少材料热影响层的深度并降低热磨损[6;芳纶纤维以其较好的柔性将各种增强材料吸附包覆形成结构。通过各种增强组元间的优化组合和优势互补,以达到最佳的混合和协同效应。采用回归建模和内部结构分析,探索增强学及摩擦磨损性能的影响机制,并以此指导新

Glassber 46 Fber InorgancCopperber 35 00300 Fber MealMneralber Fber Inorganc 070 505 Fber OrgancPTV 05030040070NanoberInorgancVercul # Flak Inorgan1.2鉴于各增强组元间的相互作用,采用在多因素6个因素,7个水平,677次试验的均匀设计表U7(76)[12,进行7次和冲击强度、摩擦磨损试试验。各试样增强组分含量见表2。试样中其它组分成分(vol%)为:粘接剂(20%)为酚醛树脂和丁腈橡胶;填料20~40%)包括硫酸钡、碳酸钙和长石粉等;摩擦性能调节剂(20%)包括氧化267水平均匀试验配方Table2Sixfactorandsevenleveluniformdesign(Volumefraction/ X X((b((Mn((PT(cul 06569 2220352434454000632350242568029

X X X 7 2 4 2 7 7 39试样加工按照商业汽车摩擦材料的工艺进行,包括:混料、预成型、热压和热处理等过程。混拌,5n;材料混合均匀后,投入预成型模具,在室温下以0Ma加压预成型后,放入热度10∃力20Ma下加压成型,0n,在保压的前2in内卸压排气3~510∃8h,得到试样。1 性能测采用咸阳新益摩擦密封材料设备公司生产的XDMSM型自动控制定速试验机进行定速试验,试样尺寸为25mm25mm6mm,摩擦盘材质为珠光体灰铸铁,硬度为HB220,500r/min,1MPa。按GB5763-98100、150、、、∃的摩擦系数和磨损率,得到升温过程中各温度段材料的摩擦系数。依照GB5765-86标准采用简支梁冲击强度试验机进行冲击强度试验,试样规格为75mm!15mm!30mm。采用QUANTA200型环境扫描电子显微镜(ESEM)进行材料剖面和摩擦面的显微图像观察和。结果与讨回归分析及增强配方的优各试样冲击强度见图1所示。增强材料总含量最高的试样7冲击强度最高,达到了071Jcm224的强度较高,纶纤维等长纤维含量较高的试样6的冲击强度也较高。而增强材料总含量、长纤维含量均较低的试样 增强试样冲击强度F Ipacsrenghresuls ulrenorcedauoo

纤维含量最低的试样1的冲击强度最低,仅有/试验结果分析求得冲击强度P所对应的回归方程:^=2.253+0.183X1+0.084X2+0.095X3+0.127X4+0.032X5+0.032X1X (经检验回归方程和回归系数均显著回归模型拟合效果较好。由回归方程的回归系数可知,玻璃X4X3X2纳米钛酸钾晶须X5的增强作用明显低于玻璃纤维,片状蛭石此分析在增强材料中,材料的增强作用与其尺等特点与长纤维形成尺度上的互补以协同增强而片状材料与长纤维材料之间则具有维度上的互补效各试样摩擦系数和磨损率的列于表3中。定义总磨损率(W)W=%W (式中:WWi分别表示试样的总磨损率和各测试摩擦系数的稳定性用变异系数(Cv)来[13SCv=! (式中:Cv为变异系数; 为摩擦系数的均值;S为标准差。S的计算方法为S (式中:i为各个温度下的摩擦系数;n为试验温度的个数,本处为6。由表3可见,试样4的变异系数Cv)最小,其在不同温度下的摩擦系数稳定性最好,但磨损率W较大。试17的摩擦系数稳定性比试样4略差,但磨损率却明显降低。说明增强材料的不同组合对摩擦系数的稳定性和磨损率的影响具有表 增强试样摩擦磨损性Table3ExperimentresultsoffrictionandwearpropertiesofmultireinforcedautomotivefrictionmaterialSaFrcacWearWi/(7c3N1CoecenToalwearW00502002503003500050200250300350varaonC/(07c3∀1 00000000000050 0000000000006 0000000000008 0000000000005 0000000000007 000000000000700000000000060利用SPSS软件采用逐步回归的方法分别求得总磨损率(W)和摩擦系数的变异系数(Cv)所对应的W=1.271+0.073X1-0.021X2+0.041X-0.028X4-0.021X3X4-0.014X5X (Cv=7.849-0.176X2+0.582X4-0.492X-0.011X6-0.420X3X4+0.471X1X (经检验,所得回归方程及回归系数显著,回归模型拟合效果较好。由方程(5)的回归系数可知,X1会在一定程度上导致磨损率的增加,而导热性和延展性良好的铜纤维X2和X4则能在一定程度上降低材料的磨损率。值得注意的是,矿物纤维X3

0.30∋X2∋2.40;2.00∋X3∋14.00;0.30∋X4210;100∋X5∋700;100∋X6∋700的优化工具箱进行带约束条件的多目标优化,从符合条件的优化结果中挑选出相对经济可行量vol分别为:玻璃纤维3%)、铜纤维1%)、矿物纤维(14%)、芳纶纤维(1%)、钛酸钾晶须(6%)和蛭石(6。按所得优化配方并采用与均匀848实际测试性能结果和回归模型表4优化增强试样8性Table4PropertiesofmultireinforcedfrictionmaterialsampleNo.8#芳纶纤维X4协同作用时,具有较好的抗磨损 用,这是因为韧性的芳纶纤维能在摩擦面上形成转移膜并减小磨粒尺寸[1,弥补矿物纤维脆性高易产生磨粒磨损的缺点,从而实现力学性质上的互补,提高了抗磨损能力。而钛酸钾晶须X5与片状蛭石X6也具有一定的协同效应,能够有效降低材回归方程6的回归系数表明X2、钛酸钾晶X5和片状蛭石X6等能在一定程度上起到稳定摩擦系数的作用,矿物纤维X3和芳纶纤维X4组合时,也能在一定程度上稳定材料的摩擦系数。但总体看来,增强材料对摩擦系数的变异系数影响较复杂,其具体机制有待进一步研究。利用所求得的回归方程(1)、(5)、(6)进行配方异系数和总磨损率。设定优化目标:P&045Jcm2;Cv∋6.00%;W∋1.50107cm3N∀m。增强材料含量vol的约束条件:1.00∋X1∋7

Proper Tesresul PredcedIpacsrenghP/(J∀ 0 0CoecenovaraonC/ 5 5ToalwearW/(0c∀N1 可以看出,优化试样8各方面实测指标与模型预测值比较接近,说明回归模型及多目标优化方法8054Jcm2,7071J/cm2),高于其它试样0.36~0.46Jcm2摩擦系数的变异系数为586%,摩擦系数稳定性仅次于试样4;磨损率也属较低水平。因此,优化配方试样8兼顾了冲击强度、摩擦系数稳定性和磨损率等面性能的均衡,具有较好的应用价值。图2所示为增强试样的剖面形貌。从2a可见试样1中纤维材料含量较低,片状蛭石呈团簇分布,片层间存在明显的解理导致力学性能缺陷,故试样12(b)可见,在试样4中,随着纤维比例的提高,多层次的纤维和片状材料相互交叉,产生尺度和维度上的互补以协同增强力学性能得以提高。从图2c)可见,4相比,7具有更加丰富的剖面

层次结构,材料组织也更致密,说明试样7中更高的增强材料总含量和微米级长纤维含量,使增强材料间的互补和协同作用增强,导致其冲击强度比试样4高出约50%。图2(d)为优化增强试样8的形貌。与试样7相比,试样8中纤维总含量图 增强试样内部组织结构ESEMFg2 crographsoracuredsuraces ulrenorcedauooverconaeralsa较低,但多种增强组分间具有较好的配合作用,剖为主体,短纤维和片状材料填充长纤维之间的空隙,从而形成网状结构,该结构被认为具有较好的增强作用[15,能防止纤维区和贫纤维区的出现并分散外力,而高比表面积和柔韧的芳纶纤维与无机增强相在力学性质上的互补,使试样具备较高的冲击强度。2e2f分别825和1200倍率下的ESEM形貌。可见优化后的增强试样在宏观和微观结构上都具备多尺度和度的复合特点,增强相之间在尺度、维度和力学性质上产生互补和协同效应,材料结构较均匀、致密,试样的磨擦磨损形貌如图3所示。由图3(a)可见,试样1的摩擦面光滑致密,磨屑较少,纤维状材料和片状蛭石深嵌于基体中,基本没有纤维脱

落造成的孔洞,磨损类型主要为粘着磨损。这是因为试样1中玻璃纤维含量较低而钛酸钾晶须、芳纶纤维和片状蛭石含量较高,这些材料提高了试样表面强度,赋予试样1较好的抗磨损性能。由图3(b可见,试样4的摩擦面较粗糙,表面上明显可见较多的纤维,其中部分已被磨断,少量纤维高出基体,呈现脱落趋势,摩擦面上有较多材料脱落形成的缺陷,并被磨屑堆积,磨粒磨损较严重。这是因为试样4中玻璃纤维含量有所提高相比之下片状蛭石与芳纶纤维等含量不足,导致基体承载能力差,玻璃纤维在摩擦力作用下较易从基体中脱出,在基体上造成孔洞并产生磨屑,导致较高的磨粒磨损。图3c所示7的摩擦面比较致密,仅有少量纤维脱落的孔洞,大部分纤维与基体材料结合良好,平行于摩擦面分布。由此可见,试样7中较高的玻璃纤维含量并未导致磨损的进一步增加,这图 增强试样摩擦磨损形貌的ESEMFg3E crographsowornsuraces ulrenorcedauooverconaeralsa较高,使试样基体强度提高,这在一定程度上对玻璃纤维起到保护作用,防止其被磨断或从基体脱出,使材料具有较低的磨损率。图3(d)所示为优化试样8的磨损形貌,摩擦面总体比较光滑,表面凹陷处仅可见少量的磨屑堆积,摩擦面上大部分的增强材料深埋于基体中,磨损类型以粘着为主,伴随少量的磨粒磨损。可见在优化试样中,采用适当含量的玻璃纤维并配合一定量的抗磨损性能良好的矿物纤维、芳纶纤维、钛酸钾晶须和片状蛭石后,能够在保证材料冲击强度的同时获得较好的抗磨损性能和稳定的摩擦系数,从而实现优异的综合性能。结扩散吸收,材料力学和摩擦磨损性能得以提高。体系具有微米和纳米尺度,一维(纤维)和二维片状)形态,无机和有机材质等特点,经过优参考文献[]BjweJCoposesasrconaeralsRecendevelopensnnonasbesosberrenorcedrconaerals###Arevew[J]PolyCopos,997,8(3)378BallAOnheporanceoworkhardenngnhedesgnowearressanaerals[J]Wear,983,9(2)20207BjweJ,KuarMOpzaonoseelwoolconensnnonasbesosorganc(NAO)rconcoosesorbescobnaonoheralconducvyandrboperorance[J]Wear,2007,263(7/2)243248ChanD,SachowakGWRevewoauoovebrakerconaerals[J]ProceedngsoheInsuonoMechancalEngneers,ParDJournaloAuoobleEngneerng,2004,28(9)953

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