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西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)玻璃纖維增強(qiáng)酚醛基摩擦材料摩擦磨損性能研究李志軍，韋瑋，程光旭，呂偉（西安交通大學(xué)， 710049，西安）棉摩擦材料，其各項(xiàng)性能均達(dá)到汽車制動(dòng)器襯片GB5763 86的規(guī)定，可作為目前常用石棉摩擦材料的更新?lián)Q代產(chǎn)品。通過詳細(xì)研究玻璃纖維（簡(jiǎn)稱玻纖）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、長(zhǎng)度及表面狀態(tài)對(duì)材料摩擦磨損性能的影響，得出玻纖的佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15 ～25 ，佳長(zhǎng)度為4～8 mm .研究結(jié)果還表明，采用熱處理、等離子體處理和偶聯(lián)劑處理后的玻纖，可以大大降低磨損量和改善材料的摩擦磨損性能。
長(zhǎng)期以來，石棉型摩擦材料以其摩擦因數(shù)高、磨損量小、成本低、密度小以及不宜損傷對(duì)偶材料等優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用。隨著現(xiàn)代汽車向高速化、重載化方向的發(fā)展，鼓式制動(dòng)器已被輕小的盤式制動(dòng)器所代替，因此對(duì)摩擦材料也提出了更高的要求。據(jù)報(bào)導(dǎo)，在高速行駛條件下制動(dòng)時(shí)，盤式制動(dòng)器襯片的發(fā)2，表面溫度可達(dá)400℃以上，石棉型摩擦材料因?yàn)楦邷孛撍バ堋?br />
料與工程系，副教授。
同時(shí)，由于石棉及其高溫分解物具有強(qiáng)烈的致癌作用，所以許多已開始禁止使用石棉摩擦材料。我國(guó)目前絕大部分汽車采用的還是石棉摩擦材料，只有少數(shù)高級(jí)轎車生產(chǎn)廠家采用進(jìn)口的無石棉摩擦材料，但價(jià)格昂貴，因而迫切需要研制出新型國(guó)產(chǎn)無石棉摩擦材料。
目前，國(guó)內(nèi)無石棉摩擦材料的研究非常活躍，所采用的增強(qiáng)纖維有鋼纖維、碳纖維、有機(jī)纖維、瀝青碳纖維以及混雜纖維等[ 2～5].也有不用纖維增強(qiáng)的摩擦材料，如粉末冶金材料[ 6 ，7]，但它們都存在著成本過高和工藝復(fù)雜等問題。本文采用改性玻璃纖維制備摩擦材料，主要是因?yàn)椴ＡЮw維與石棉性質(zhì)接近，對(duì)人體無害和成本較低。玻璃纖維作為增強(qiáng)材料的大問題在于磨損量大[ 8]，因此本文著重對(duì)玻璃纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、長(zhǎng)度及表面狀態(tài)對(duì)材料摩擦磨損性能的影響進(jìn)行了細(xì)致的研究，對(duì)玻璃纖維增強(qiáng)樹脂基摩擦材料的組成、配方和界面狀態(tài)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，目的是穩(wěn)定摩擦因數(shù)，降低磨損量。
1實(shí)驗(yàn)1 .1原材料在實(shí)驗(yàn)中，以經(jīng)過表面處理的玻璃纖維為增強(qiáng)材料，自制丁氰改性酚醛樹脂為基體，配以其他填料和摩擦性能調(diào)節(jié)劑，研制出了新型摩擦材料。通過前期正交實(shí)驗(yàn)，分析得出了優(yōu)化配方，所用原材料及其配比 .
原料質(zhì)量分?jǐn)?shù)/ 生產(chǎn)單位酚醛樹脂西安樹脂廠丁氰橡膠蘭化公司玻璃纖維陜西玻纖廠填料摩擦性能調(diào)節(jié)劑其他各類助劑1 .2制備工藝玻璃纖維表面處理工藝是將玻璃纖維在300℃下灼燒10 min ，然后放入JS 450A型射頻濺射裝置內(nèi)進(jìn)行等離子體處理，后放入1 ～2 有機(jī)硅烷偶聯(lián)劑溶液中浸潤(rùn)30 min ，烘干后即可得到表面處理好的玻璃纖維。
摩擦材料制備工藝是將表1中的各組分按照比例加入捏合機(jī)中混合均勻，然后將物料裝入模具中，在溫度為（170±5）℃、壓力為20 MPa的條件下壓制成形，壓制時(shí)間為1～2 min/mm .后在（180±5 ）℃的條件下，熱處理6～8 h ，即得到摩擦材料樣品。
1 .3性能檢測(cè)摩擦、磨損性能實(shí)驗(yàn)根據(jù)GB5763 86在D MS定速式實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。試樣尺寸為25 mm×25 mm×6 mm ，對(duì)偶盤材料為HT200珠光體組織，其硬度為HB170～ ，轉(zhuǎn)速為400 r/min ，試樣數(shù)量為2個(gè)，沿同一直徑方向?qū)ΨQ布置，壓緊力為0.98 2結(jié)果與討論2 .1玻璃纖維表面狀態(tài)的影響玻纖由于自身脆性大、硬度高，用其制成的復(fù)合材料往往磨損量也大。為了減少磨損量，提高摩擦因數(shù)的穩(wěn)定性，本文采用了特殊表面處理工藝對(duì)玻璃纖維進(jìn)行了改性，以提高它的韌性和表面的浸潤(rùn)能力，并分別采用表面處理及未處理玻纖制成制件，其摩擦磨損性能的對(duì)比曲線如圖1所示。其中，玻璃纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)w分別為15 和25 μ為摩擦因數(shù)V為磨損量。
由圖1可以看出，經(jīng)過表面處理后，由玻璃纖維制成的摩擦材料，其摩擦磨損性能均有大幅度改善，如摩擦因數(shù)增加、穩(wěn)定性增強(qiáng)及磨損量下降等。這主要是因?yàn)槔w維增強(qiáng)摩擦材料是一種多組分的復(fù)合材料，玻纖同其他組分一樣，是依靠樹脂粘接在一起而成為一個(gè)整體的。由于玻璃纖維與其他組分間的結(jié)合強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其自身的強(qiáng)度，所以摩擦材料的整體性能在很大程度上，直接決定于玻璃纖維與其他組分間的界面狀況。經(jīng)過表面熱處理的玻璃纖維，其表面殘留的石蠟型紡織浸潤(rùn)劑得到了清除，有利于玻璃纖維表面與其他組分結(jié)合同時(shí)，用等離子體處理使玻璃纖維表面得到了刻蝕粗化，產(chǎn)生了新的表面，比表面積增加，從而改善了玻璃纖維的表面浸潤(rùn)性。有機(jī)硅烷偶聯(lián)劑一方面與玻璃纖維表面反應(yīng)生成醚鍵，另一方面則與樹脂基團(tuán)結(jié)合，依靠自身的不同基團(tuán)將玻纖與基體樹脂很好地連接起來。同時(shí)，其中的氨基也對(duì)酚醛樹脂的固化起到了促進(jìn)作用，并提高了界面的結(jié)合性能。由于摩擦材料的摩擦磨損性能主要取決于各組分間的界面組成情況，因此當(dāng)摩擦材料在負(fù)載工作時(shí)，玻璃纖維將更不易被剝離、拉拔，從而使摩擦力矩增加、摩擦因數(shù)增大、磨損量減小。研究表明，采用上述處理的玻璃纖維，能使材料的磨損量大大降低。
2 .2玻璃纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響在纖維增強(qiáng)樹脂基的摩擦材料中，增強(qiáng)纖維的主要作用是使材料具有一定的強(qiáng)度、韌性和良好的摩擦磨損性能，同時(shí)具有優(yōu)良的抗沖擊、剪切和彎曲等機(jī)械作用的性能，而不至于出現(xiàn)裂紋、斷裂和崩缺等機(jī)械損傷。因此，增強(qiáng)纖維的種類與質(zhì)量分?jǐn)?shù)，對(duì)摩擦材料的摩擦磨損性能、沖擊性能有很大影響。圖2是在其他條件相同的情況下，玻纖（表面處理過）的w分別為6 、15 、25 、35 時(shí)的摩擦材料樣品的摩擦因數(shù)、磨損量與溫度的關(guān)系曲線。
從圖2可見，隨著w的增加（在35 以內(nèi)），摩擦因數(shù)在總體上呈先增后減趨勢(shì)，而磨損量則是先減后增，即當(dāng)w為15 和25 時(shí)，摩擦因數(shù)較高，磨損量較低且穩(wěn)定性能也好。如前所述，摩擦材料的整體性能在很大程度上，直接決定于玻璃纖維與其他組分間的界面狀況。摩擦學(xué)研究表明，在兩對(duì)偶件的接觸表面上，各組分對(duì)摩擦因數(shù)都有貢獻(xiàn)，其中以玻璃纖維在摩擦過程中被拉伸、剪切和剝落而產(chǎn)生對(duì)材料摩擦磨損性能的影響的摩擦力矩為大。當(dāng)w較小時(shí)，材料還得不到充分增強(qiáng)，玻璃纖維產(chǎn)生的摩擦力矩較小，各類填料容易剝落，因而摩擦因數(shù)較小，磨損量較大當(dāng)w增加時(shí)，材料的整體結(jié)構(gòu)逐漸得到增強(qiáng)，摩擦力矩隨之增加，摩擦因數(shù)也增加，由于各類填料不需要經(jīng)受過大的摩擦力矩，這使材料的磨損量降低當(dāng)w過大時(shí)，基體樹脂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)就會(huì)相對(duì)不足，玻璃纖維容易被拉出、剝落，因此摩擦力矩降低、摩擦因數(shù)減小，導(dǎo)致磨損量急劇增加。由上述數(shù)據(jù)可知，所研制摩擦材料的摩擦磨損性能參數(shù)均符合GB5763 86的規(guī)定，但與石棉摩擦材料相比，其磨損量仍有所增加，這主要是由于玻璃纖維的硬度較高、脆性大、比表面積遠(yuǎn)小于石棉纖維，以及與基體樹脂的結(jié)合強(qiáng)度不如石棉等原因造成的。
2 .3玻璃纖維長(zhǎng)度的影響在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中，增強(qiáng)纖維的長(zhǎng)度及其分布狀況，對(duì)材料的力學(xué)性能和加工性能都起到了舉足輕重的作用。同理，在纖維增強(qiáng)樹脂基摩擦材料中，玻璃纖維的長(zhǎng)度L對(duì)材料的摩擦、磨損、沖擊及其加工性能也有很大影響。文中分別選取L為1備摩擦材料，其摩擦因數(shù)及磨損量與溫度的關(guān)系曲線如圖3所示。
對(duì)材料摩擦磨損性能的影響的增加，摩擦因數(shù)先增加后減小，而磨損量則呈先減小后增加的趨勢(shì)。對(duì)于每件試樣，其摩擦因數(shù)隨著溫度的上升而略有波動(dòng)，磨損量則隨著溫度的上升而增加。其主要原因是，摩擦材料的摩擦磨損性能在很大程度上取決于玻璃纖維及其他組分間的界面組成情況。當(dāng)玻璃纖維的長(zhǎng)度過短時(shí)，幾乎相當(dāng)于長(zhǎng)棒狀填料，而起不到增強(qiáng)作用。
由于長(zhǎng)度較短時(shí)其比表面積和吸油量增大，造成基體樹脂相對(duì)不足，界面粘接性能很差，因此由玻璃纖維被剝落拉拔所產(chǎn)生的摩擦力矩和摩擦因數(shù)的減小，引起磨損量增大且不穩(wěn)定。隨著玻璃纖維長(zhǎng)度的增加，玻璃纖維的增強(qiáng)作用逐漸得到發(fā)揮，比表面積與樹脂的比例適中，使界面結(jié)合狀況得到改善。但是，當(dāng)玻璃纖維過長(zhǎng)時(shí)，由于其混合性能變差，難以與其他物料混合均勻，特別是玻璃纖維太長(zhǎng)時(shí)，其受壓后的回彈性很嚴(yán)重，使加工性能變差，也會(huì)造成材質(zhì)疏松，使界面結(jié)合強(qiáng)度變低，導(dǎo)致摩擦材料性能不穩(wěn)定、摩擦因數(shù)減小、磨損量大大增加。研究表明，玻璃纖維的長(zhǎng)度以4～8 mm為宜。
3結(jié)論（1）采用經(jīng)過表面高溫灼燒、等離子體和偶聯(lián)劑處理后的玻璃纖維，可以大大降低摩擦材料的磨損量，提高摩擦因數(shù)的穩(wěn)定性。由其制得的摩擦材料，摩擦磨損性能均符合GB5763 86的規(guī)定。
（2）在摩擦材料中， w黃毅，顧宜，劉新華。耐熱性汽車制動(dòng)材料的研究瞿雄偉，王曉平。汽車制動(dòng)無石棉摩擦材料[ J] .塑劉震云，黃伯云，蘇堤，等。汽車摩擦材料增強(qiáng)纖維研謝仁華，丁宗禹，申海平，等。幾種改性酚醛樹脂對(duì)石油瀝青碳纖維摩擦復(fù)合材料性能的影響[ J] .石油煉制與關(guān)慶豐，李光玉，李曉宇，等。碳纖維對(duì)增強(qiáng)的摩阻材料的摩擦磨損性能的影響[ J] .吉林工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)， 1997，[ 6]袁國(guó)洲，張兆森。鐵銅基干式摩擦材料研制[ J] .非金[ 7]銀貴晨。新型無石棉材料的研制[ J] .絕緣材料通訊，[ 8]曾天卷，陶畢華，朱瑞宏。玻璃纖維在摩擦材料領(lǐng)域的
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