摘　要：對復合材料整體摩擦因數與其各組分摩擦因數之間關系進行了理論分析，并通過實驗進行了驗證，結果表明，在一定條件下，復合材料整體摩擦因數與其各組分摩擦因數之間存在線性關系。
關鍵詞：復合材料 摩擦因數 化學性質

　　以樹脂為粘合劑的有機復合材料是生產汽車制動摩擦片的主要材料，其摩擦因數的大小和穩定性嚴重影響車輛行駛安全性，是設計配方必須優先考慮的參數。制動摩擦片是由多種材料復合而成，其摩擦因數一般要靠配方設計者的經驗和大量實驗改進才能達到較理想數值。這不僅影響了產品開發周期，也增加了產品開發的成本。
　　摩擦片的摩擦因數與所選擇的材料有直接的關系，本實驗對該關系進行了初步的探索，以期為摩擦片配方設計提供指導。

1　實驗部分

1.1　理論基礎本實驗是基于以下3個假設：
　?、?摩擦材料與對偶之間產生的摩擦力，是摩擦材料表面上參與摩擦的所有微小單元即材料粒子共同作用的結果，是所有參與摩擦的粒子產生的摩擦力總和。
　?、?每個參與摩擦的材料粒子的摩擦力等于該粒子摩擦因數與所承受的正壓力之積。
　　③ 分布在摩擦材料表面上的粒子比例與該種材料在配方中所占比例相同，即組成摩擦材料的原料顆粒在產品中呈絕對均勻分布。
　　假設某復合材料由A、B、C 3種材料組成，則復合材料表面分布著這3種材料的顆粒。當復合材料與某一平面進行摩擦時，已知接觸面積為S，受到的壓強為P，摩擦因數為μ，則復合材料受到的摩擦力為：

　　3種材料摩擦因數分別為μ_A、μ_B、μ_C，其占接觸面的面積比分別為ω_A、ω_B、ω_C，受到壓強為P，則3種材料產生的摩擦力分別為F_A=μ_Aω_ASp、F_B=μ_Bω_BSp、F_C=μ_Cω_CSp。復合材料總摩擦力等于3種材料的合力：

　　由式(1)和式(2)可得：

　　如果某種復合材料由多種成分組成，摩擦因數分別為μ₁、μ₂、μ₃....，各成分占復合材料的體積比例分別為ω₁、ω₂、ω₃.....，那么復合材料的摩擦因數F為：

　　式中，C為修正值，受其它因素影響。由式(4)可知，復合材料摩擦因數與其各組分的摩擦因數成線性關系。
1.2　原材料及儀器LFC-101纖維、紙纖維、鋼纖維、有機纖維、還原鐵粉、石墨、樹脂、鐵粉、蛭石、重晶石、氧化鎂、摩擦粉。JF810S實驗室用混料機、JFY60壓機、JF151定速實驗機。
1.3　試樣制備實驗均在JF151試驗機上進行，摩擦盤材料為鑄鐵，實驗溫度均為100℃，加載壓力為1225N，經過磨合后，取摩擦盤旋轉5000 r所測得試塊摩擦因數的平均值。本實驗用到的材料均為纖維狀和粉末狀，無法直接測試它們的摩擦因數，必須將其壓成易于測量的試塊，試樣按照汽車摩擦片的生產工藝制備，包括稱量、混料、壓制、切割4個步驟，所有試塊均采用酚醛樹脂作為粘合劑，由于酚醛樹脂的摩擦因數難以測定，其摩擦因數不參與計算，在制備試塊時，每種單一材料試塊和整體試塊配方中均加入了8％ 酚醛樹脂，以減少其對實驗結果的影響。

2　結果與討論

2.1　實驗結果分析實驗配方見表1，配方中每種材料的密度和摩擦因數見表2。

　　由表1中每種材料的質量及表2中密度值，可求得每種材料的體積V_i=m_i／P_i，進而計算出其占整個配方的體積百分比ω_i：

　　式中： ，由于各種材料的粒子大小不一樣，V_總不等于復合材料整體試塊的體積。每種材料所占體積百分比計算結果見表3。

　　由表2、表3及式（4）可得配方1試塊的摩擦因數μ：

　　同理可求得配方2和配方3的摩擦因數分別為0.41和0.355。計算所得理論摩擦因數與實測摩擦因數對比，見表4。

　　由于摩擦因數受外界條件影響較大，特別是溫度條件，因此在剎車片實際生產中，其摩擦因數變化小于10％均在合理范圍內。由表4可知，3組配方的相對誤差均小于10％，可認為理論摩擦因數與實測摩擦因數一致。
2.2　不同纖維材料的影響纖維增強體對復合材料的
　　摩擦性能影響較大，4種不同纖維狀復合材料配方見表5，其摩擦性能見表6。其中紙纖維密度為1.28 g/cm³，摩擦因數為0.402；鋼纖維密度為3.133 g／cm³，摩擦因數為0.501；有機纖維密度為1.249 g／cm³，摩擦因數為0.693。

　　由表6可知，不同纖維復合材料摩擦性能實驗結果相差較大，可能主要受混料均勻性的影響，剛纖維和有機纖維混料較困難，所以相對誤差較大。
2.3　溫度的影響　溫度是影響摩擦因數較重要的因素，分別測試了配方4在100℃、150℃、200℃和250℃下的摩擦因數，結果見表7。由表7可知，隨著溫度升高，實驗誤差急劇變大，這主要是因為溫度升高使材料的化學性質變得活躍，一些材料的熱力學性質、粘彈性能和其它物理性質急劇改變，從而導致摩擦因數變化較大。

2.4　材料化學性質的影響　如果在制備試塊的過程中發生了化學變化，生成新的物質，配方中每種材料的比例相應發生變化，會嚴重影響實驗結果的準確性。利用摩擦粉和石墨進行了對比實驗，摩擦粉化學性質不穩定，熱膨脹性很強，石墨化學性質非常穩定，對比實驗見表8。由表8可知，含摩擦粉配方的相對誤差明顯大于含石墨配方，這說明化學性質對實驗結果有很大影響。

3　結論

　　1.復合材料的摩擦因數與組成該復合材料的每種材料的摩擦因數有關，在混料均勻、每種材料不發生化學變化的情況下，復合材料摩擦因數與其各組分摩擦因數成線性關系。
　　2.實驗受溫度、材料化學性質、混料均勻性等因素影響較大，有待于進一步研究。