鐘林新 付時(shí)雨 周雪松 詹懷宇

(華南理工大學(xué)制漿造紙工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東廣州,510640)

紙基摩擦材料的磨損機(jī)理分析

鐘林新 付時(shí)雨 周雪松 詹懷宇

(華南理工大學(xué)制漿造紙工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東廣州,510640)

通過(guò)對(duì)紙基摩擦材料的磨損表面及其熱衰退性能進(jìn)行分析,初步探討了紙基摩擦材料的磨損機(jī)理。研究表明,在剪切力及壓力的反復(fù)作用下,摩擦材料表面的纖維發(fā)生嚴(yán)重的磨損,并產(chǎn)生磨屑;其中,植物纖維的磨損更為嚴(yán)重。磨損表面產(chǎn)生嚴(yán)重的界面分離,甚至發(fā)生纖維的脫落。磨損時(shí)所產(chǎn)生的纖維磨屑及填料磨粒鑲嵌于植物纖維中或陷于材料的孔隙中,不會(huì)對(duì)材料的磨損性能造成明顯影響。熱分析表明,磨損使得熱性能較差的植物纖維發(fā)生顯著的熱衰退,材料的熱性能下降。這些結(jié)果表明,紙基摩擦材料的磨損機(jī)理主要為黏著磨損和疲勞磨損。

紙基摩擦材料;磨損;熱衰退

紙基摩擦材料具有成本低、動(dòng)摩擦因數(shù)穩(wěn)定、動(dòng)/靜摩擦因數(shù)比接近、貼合性能平穩(wěn)、磨損率低、使用壽命長(zhǎng)、噪音小并具有保護(hù)對(duì)偶材料等優(yōu)點(diǎn),逐漸發(fā)展成為一種重要的摩擦材料,并被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、摩托車(chē)等各類(lèi)車(chē)輛的自動(dòng)變速器中,甚至逐漸發(fā)展到拖拉機(jī)、建筑礦山機(jī)械、鍛壓機(jī)械等工程機(jī)械的自動(dòng)變速器和制動(dòng)器中[1-2]。近年來(lái),紙基摩擦材料因其諸多優(yōu)點(diǎn)而得到越來(lái)越多的關(guān)注,逐漸開(kāi)展了對(duì)其摩擦性能的研究[1,3-4],但對(duì)其磨損機(jī)理卻缺乏研究。

磨損是兩個(gè)相互接觸的固體表面在滑動(dòng)、滾動(dòng)或沖擊運(yùn)動(dòng)中的表面損傷或脫落。在大多數(shù)情況下,磨損是表面微凸體相互作用而引起的。從微觀角度來(lái)看,材料表面都是粗糙不平的,由大量的微凸體組成。當(dāng)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí),接觸的微凸體先發(fā)生變形,表面或表面附近的固體材料性能將發(fā)生變化,但幾乎不引起材料損失;隨后,微凸體從表面剝離,轉(zhuǎn)移到對(duì)偶表面或者以磨屑的形式掙脫表面[5-6]。傳統(tǒng)的摩擦理論認(rèn)為,常見(jiàn)的磨損形式主要有 6種,即黏著磨損、磨屑磨損、疲勞磨損、沖擊磨損、化學(xué)磨損、電弧感應(yīng)磨損,它們的共同特征是從摩擦表面剝離固體材料[7-8]。

一般認(rèn)為,紙基摩擦材料的磨損機(jī)理與其他材料的類(lèi)似,即主要由黏著磨損、磨粒磨損及疲勞磨損組成。但由于在結(jié)構(gòu)方面的差異,如紙基摩擦材料的多孔性,使紙基摩擦材料的磨損具有不同于傳統(tǒng)金屬基及聚合物基的特點(diǎn)。研究并闡明紙基摩擦材料的磨損機(jī)理將為提高摩擦材料抗磨損性能提供理論依據(jù)及思路。本實(shí)驗(yàn)著重對(duì)紙基摩擦材料的磨損表面和熱衰退現(xiàn)象進(jìn)行分析,并探討紙基摩擦材料的磨損機(jī)理。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原料

劍麻纖維 (SF)、丁腈橡膠改性酚醛樹(shù)脂及芳綸纖維 (AF)分別由東方劍麻集團(tuán)有限公司、浙江海鹽樹(shù)脂有限公司及杜邦有限責(zé)任公司提供。

1.2 紙基摩擦材料的制備

將 SF、AF及摩擦性能調(diào)節(jié)劑 (長(zhǎng)石粉和硫酸鋇)在水中混合均勻,然后在紙頁(yè)成形器上制備原紙坯,并在 90℃干燥。紙坯浸入酚醛樹(shù)脂的乙醇溶液 (其中酚醛樹(shù)脂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 8%～16%),通過(guò)調(diào)節(jié)酚醛樹(shù)脂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)來(lái)將紙基摩擦材料中酚醛樹(shù)脂的含量控制在 (25±2)%,10 min后取出,在60℃時(shí)去除溶劑。之后,浸漬樣品在熱壓機(jī)上熱壓成型 (溫度為 180℃,時(shí)間為 5 min,壓力為 5 MPa)。熱壓后的樣品在 160℃烘箱中進(jìn)行后續(xù)熱處理 1 h,得到紙基摩擦材料。

1.3 磨損樣品制備

將所制備的紙基摩擦材料在濕式紙基摩擦材料試驗(yàn)機(jī) (QM1000-II,西安順通機(jī)電研究所)上進(jìn)行磨損試驗(yàn) (GB/T13826-92)。將樣品裁成外徑 125 mm、內(nèi)徑為 100 mm的圓片,粘結(jié)在試件盤(pán)上,并開(kāi)出油槽。將粘結(jié)好的試件在實(shí)驗(yàn)油中浸泡 12 h后在試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行磨合。磨合時(shí)的轉(zhuǎn)速為 1000 r/min,比壓0.5 MPa,油溫 95℃,試樣磨合時(shí)間 30 min。磨合結(jié)束后進(jìn)行磨損,條件為轉(zhuǎn)速 2000 r/min,接合壓力0.1MPa,潤(rùn)滑油流量 5 mL/(min·cm2),起始油溫為80℃,制動(dòng)離合 1000次試驗(yàn)機(jī)主要性能指標(biāo):最高轉(zhuǎn)速 4000 r/min,最大加載壓力 2.0 MPa;對(duì)偶盤(pán)為 45#鋼;潤(rùn)滑油為 N32#機(jī)油。

1.4 SEM分析

將上述磨損樣品表面經(jīng)過(guò)噴金后用掃描電子顯微鏡 (SE M)(日立 S3700)觀察,并進(jìn)行表面分析。

1.5 熱衰退分析

樣品的熱衰退測(cè)試在熱重分析儀 (PE Instrument)上進(jìn)行。分析前,樣品在 80℃下干燥至恒重;然后進(jìn)行熱重測(cè)試,升溫速率為 20℃/min,溫度范圍為 80～700℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 紙基摩擦材料表面分析

2.1.1 材料磨損前的表面形貌分析

由圖1可知,紙基摩擦材料是由纖維相互交織而成的多孔結(jié)構(gòu)材料。植物纖維 (圖1(a)實(shí)線箭頭所示)和合成芳綸纖維 (圖1(a)虛線箭頭)均勻地分布在紙基中,形成均勻而多孔的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這種孔隙結(jié)構(gòu)有利于潤(rùn)滑油的進(jìn)入和流出,進(jìn)而起到潤(rùn)滑和冷卻摩擦材料及對(duì)偶盤(pán)的作用。樹(shù)脂的黏結(jié)作用使得材料具有很強(qiáng)的拉伸強(qiáng)度和層間結(jié)合強(qiáng)度,進(jìn)而在加工、使用時(shí)能夠承受較強(qiáng)的外界載荷而不受破壞,特別是在剪切力和壓力的反復(fù)作用下能長(zhǎng)時(shí)間保持材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。填料的存在能夠有效地調(diào)節(jié)材料的摩擦因數(shù)并降低材料的磨損。

2.1.2 紙基摩擦材料磨損表面分析

(1)纖維的磨損

由圖2可知,磨損后紙基摩擦材料表面發(fā)生了明顯的變化。纖維表面被磨平,纖維邊緣產(chǎn)生磨屑。植物纖維磨損延伸至細(xì)胞壁,并產(chǎn)生軸向撕裂 (如圖2(b)圓圈所示),芳綸纖維亦發(fā)生明顯磨損 (如圖2(c)),原來(lái)光滑的圓柱形纖維表面被磨平。但相比植物纖維而言,芳綸纖維的磨損程度較低,這是由芳綸纖維具有較高的耐磨性能所致[9]。與大多數(shù)合成纖維和礦物填料或者礦物纖維相比,植物纖維的耐磨性和耐熱性能較低,因而在使用時(shí)容易磨損。纖維的磨損來(lái)源于黏著磨損,摩擦材料表面微凸體與接觸界面間由于粘結(jié)、剪切、斷裂、機(jī)械切削等作用而從主體上轉(zhuǎn)移或脫落下來(lái),成為磨屑,導(dǎo)致纖維磨損[10-11]。

圖1 紙基摩擦材料磨損前表面的 SEM

圖2 紙基摩擦材料磨損表面 SEM

(2)界面分離

紙基摩擦材料由纖維、樹(shù)脂及填料所組成。纖維通過(guò)樹(shù)脂的粘結(jié)作用形成穩(wěn)定的三維網(wǎng)絡(luò)多孔結(jié)構(gòu),樹(shù)脂的存在賦予材料必要的力學(xué)性能以使材料在長(zhǎng)時(shí)間剪切力和壓力作用下保持各組分的穩(wěn)定存在。圖1已表明,纖維表面及纖維之間的樹(shù)脂使得纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定,能夠承受更大的外加載荷。樹(shù)脂的這種增強(qiáng)作用是通過(guò)纖維與樹(shù)脂之間的界面來(lái)實(shí)現(xiàn)的,纖維-樹(shù)脂之間的界面結(jié)合強(qiáng)度會(huì)對(duì)材料的力學(xué)及摩擦磨損性能產(chǎn)生重要影響。由圖2(a)可知,磨損表面除了纖維的磨損外,另一個(gè)顯著特征是大量裂紋的存在。如圖3(a)所示,白色箭頭代表摩擦?xí)r剪切力的作用方向,纖維與樹(shù)脂、纖維與纖維之間弱的界面強(qiáng)度在剪切力的反復(fù)作用下產(chǎn)生了嚴(yán)重的界面分離,甚至發(fā)生纖維的脫落 (如圖3(b)所示)。這種界面分離與纖維的脫落破壞了材料結(jié)構(gòu),進(jìn)而會(huì)加劇材料的磨損。

圖3 磨損表面的界面分離與纖維脫落

纖維與樹(shù)脂之間發(fā)生的界面分離是摩擦材料在摩擦過(guò)程發(fā)生的普遍現(xiàn)象。EI-Tayeb[12]的研究表明,玻璃纖維與樹(shù)脂之間由于界面結(jié)合性能差發(fā)生界面分離,導(dǎo)致復(fù)合材料磨損嚴(yán)重。Chand and Neogi[13-16]發(fā)現(xiàn),玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在摩擦?xí)r會(huì)因纖維和樹(shù)脂之間的弱的界面結(jié)合而產(chǎn)生嚴(yán)重的黏著磨損;作者同時(shí)提出,通過(guò)界面改性以增強(qiáng)纖維與樹(shù)脂之間的界面結(jié)合可以有效地減少界面分離,進(jìn)而使得材料的磨損下降。Li[17]的研究發(fā)現(xiàn),碳纖維復(fù)合材料在摩擦?xí)r亦發(fā)生界面分離。

(3)磨屑與磨粒

無(wú)論是干摩擦還是濕摩擦 (如潤(rùn)滑摩擦)都會(huì)產(chǎn)生黏著磨損,其起源于界面的微凸體接觸,滑動(dòng)使這些接觸點(diǎn)產(chǎn)生強(qiáng)烈的剪切作用,導(dǎo)致微凸體從接觸點(diǎn)一側(cè)剝離,黏著到另一側(cè)的微凸體上。當(dāng)滑動(dòng)繼續(xù)時(shí),轉(zhuǎn)移的碎片從其黏著的表面上脫落,從而產(chǎn)生磨屑或磨粒[10-11]。在摩擦過(guò)程中產(chǎn)生大量磨屑是摩擦發(fā)生時(shí)的一個(gè)普遍特征[10,18]。紙基摩擦材料在摩擦?xí)r亦會(huì)產(chǎn)生磨屑,這些磨屑是在剪切力作用下發(fā)生黏著磨損時(shí)產(chǎn)生的,如圖2(b)所示。一方面,部分磨屑未脫離纖維主體,使得纖維表面呈毛刷狀 (圖2(b)方框所示)。另一方面,部分纖維細(xì)小磨屑會(huì)從纖維主體上脫落下來(lái),成為游離的磨屑 (圖4)。這些游離的磨屑一部分分散于材料的磨損表面,其他的游離磨屑則被帶入到材料的孔隙中。

與傳統(tǒng)的金屬基及橡膠基摩擦材料一樣,紙基摩擦材料中含有大量的填料,這些填料對(duì)于調(diào)節(jié)動(dòng)、靜摩擦因數(shù)和降低磨損具有重要作用。對(duì)于紙基摩擦材料來(lái)說(shuō),填料主要分布在纖維的表面和材料的孔隙中,并被樹(shù)脂固定在材料中。圖5是材料磨損表面填料的形貌及其分布。顯然,在剪切力作用下,磨損表面的填料逐漸脫落;而纖維與樹(shù)脂的磨損及界面分離所導(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定則會(huì)加重填料的脫落。對(duì)于傳統(tǒng)的摩擦材料,經(jīng)典的摩擦理論認(rèn)為,硬而粗糙的表面或硬顆粒在摩擦材料表面上滑動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的塑性變形或斷裂將引起摩擦材料的表面損傷,從而產(chǎn)生磨粒磨損。這種磨粒磨損主要是通過(guò)材料表面表現(xiàn)為犁削、堆積和切削等形式的塑性變形來(lái)完成的[9,19-21]。無(wú)論是較軟材料產(chǎn)生的黏彈性磨屑 (如樹(shù)脂和合成纖維),還是較硬材料所產(chǎn)生的剛性磨粒 (如填料),均會(huì)加劇摩擦材料的磨損[21]。

但是,對(duì)于紙基摩擦材料而言,由于軟組分植物纖維的存在和材料的多孔性使得紙基摩擦材料相對(duì)比較柔軟,摩擦?xí)r產(chǎn)生的部分磨屑及磨粒在摩擦面上發(fā)生的滾動(dòng)或滑動(dòng)摩擦是短暫的,因?yàn)檫@些磨屑或磨粒會(huì)嵌入植物纖維中 (圖5(a)),或很快被帶入材料的孔隙中 (包括植物纖維的細(xì)胞腔),有效減少了其對(duì)材料的犁削、堆積和切削等作用,因而很難在紙基摩擦材料的磨損表面觀察到在傳統(tǒng)摩擦材料中常見(jiàn)的磨粒磨損現(xiàn)象。因此,對(duì)于紙基摩擦材料來(lái)說(shuō),磨屑或磨粒磨損得到明顯抑制,不是構(gòu)成材料磨損的機(jī)理之一。相反,因纖維與樹(shù)脂發(fā)生界面分離,導(dǎo)致脫落纖維在摩擦表面發(fā)生滑動(dòng)或滾動(dòng)而產(chǎn)生的磨損或許更值得注意,因?yàn)檩^高的長(zhǎng)徑比使其難以嵌入材料或進(jìn)入孔隙,從而產(chǎn)生一定磨損。

紙基摩擦材料的另一種重要磨損機(jī)理為疲勞磨損。重復(fù)性的加載、卸載循環(huán)會(huì)產(chǎn)生表層變形和表面裂紋,超過(guò)一定循環(huán)次數(shù)之后,最終產(chǎn)生碎片。因而,疲勞磨損是通過(guò)裂紋、界面分離和磨屑或磨粒體現(xiàn)的[22-23]。對(duì)紙基摩擦材料而言,在反復(fù)的剪切、壓力加載——卸載及熱積累效應(yīng)作用下同樣容易產(chǎn)生疲勞磨損,產(chǎn)生磨屑或磨粒及裂紋 (纖維上及界面上)。但是,由于導(dǎo)致這些現(xiàn)象的機(jī)理還包括黏著磨損,因而很難確切指出磨損表面的上述現(xiàn)象是由黏著磨損造成的還是由疲勞磨損造成的。

2.2 材料熱衰退分析

微觀摩擦學(xué)研究表明,摩擦材料表面存在大量的微凸體,摩擦材料與對(duì)偶盤(pán)接合時(shí),微凸體先與對(duì)偶盤(pán)接觸,有限的微凸體接觸往往導(dǎo)致局部溫度很高,如果熱量來(lái)不及被帶走,會(huì)使耐熱性差的組分發(fā)生熱分解或碳化,引起材料的熱衰退,從而導(dǎo)致摩擦材料更容易發(fā)生黏著磨損和疲勞磨損。

已有的研究表明,紙基摩擦材料在摩擦過(guò)程中逐漸發(fā)生熱衰退,耐熱性下降,材料逐漸失去彈性而變脆[24]。植物纖維主要由碳水化合物組成,在熱的作用下很容易發(fā)生熱分解,如表1所示。劍麻纖維在264℃之前質(zhì)量變化很少,即降解很少。碳水化合物隨溫度升高熱分解逐漸加劇,并在 358℃附近產(chǎn)生最大降解峰。此階段的降解一直持續(xù)至 390℃左右,劍麻纖維的質(zhì)量下降了 56%,為植物纖維的主要熱降解階段。而芳綸纖維的熱性能明顯高于植物纖維,其起始降解溫度高于 500℃,降解主要集中于 531～598℃,并在 578℃出現(xiàn)最大降解峰。而改性酚醛樹(shù)脂的熱性能介于植物纖維和芳綸纖維之間。樹(shù)脂的起始分解溫度為 310℃,但在其降解過(guò)程中的質(zhì)量損失比較平緩,沒(méi)有出現(xiàn)明顯的階段性的降解區(qū)域,說(shuō)明其具有較好的耐熱性能,可以減少材料在使用過(guò)程中由于熱降解產(chǎn)生的突然惡化與失效。

表1 紙基摩擦材料組分中纖維及樹(shù)脂的熱降解性能

紙基摩擦材料磨損前后的熱性能如圖6所示。圖6(a)、圖6(b)分別代表兩個(gè)磨損前后的樣品,圖中的實(shí)線均為磨損后的樣品,而虛線為磨損前樣品。由圖6可知,紙基摩擦材料的熱降解主要分為 3個(gè)階段,分別為 264～380℃、380～539℃及 539～600℃。由表1可知,此 3個(gè)階段分別對(duì)應(yīng)于植物纖維、酚醛樹(shù)脂和芳綸纖維的明顯熱降解溫度區(qū)域。由于酚醛樹(shù)脂的熱性能比較穩(wěn)定,熱降解速率相對(duì)于植物纖維和芳綸纖維更平穩(wěn),因而在其降解溫度范圍內(nèi)(圖6熱降解第二階段)并未出現(xiàn)明顯的最大降解速率峰。在摩擦材料熱降解的第一和第三階段均出現(xiàn)了植物纖維和芳綸纖維的最大降解速率峰,說(shuō)明各組分具有特征性的最大降解峰,這種特征不隨組分的多少而變化。

樣品經(jīng)過(guò)磨損后最顯著的變化是在植物纖維最大降解速率峰所對(duì)應(yīng)溫度 (以下稱(chēng)最大降解溫度)的降低。樣品A最高降解溫度由磨損前的 357℃降至磨損后的 346℃,樣品 B最高降解溫度由磨損前的355℃降至磨損后的 327℃。芳綸纖維所對(duì)應(yīng)的最高降解溫度則沒(méi)有明顯變化。由此可見(jiàn),紙基摩擦材料中植物纖維在磨損過(guò)程中發(fā)生了明顯的熱衰退;樹(shù)脂與芳綸纖維也會(huì)發(fā)生熱衰退,但因具有較高熱性能而受影響相對(duì)較小。

作為變速器的核心元件,紙基摩擦材料無(wú)論是在測(cè)試時(shí)還是在實(shí)際使用時(shí),均需經(jīng)受長(zhǎng)時(shí)間的摩擦和頻繁的接合,這會(huì)引起材料的熱衰退,加劇摩擦材料的黏著磨損與疲勞磨損,使得組分磨損及界面分離更嚴(yán)重,更容易產(chǎn)生磨粒及磨屑。

值得注意的是,材料的孔隙結(jié)構(gòu)在摩擦過(guò)程中所受到的破壞也會(huì)導(dǎo)致摩擦材料的散熱性能下降。因?yàn)榧埢Σ敛牧鲜且环N黏彈性材料,反復(fù)的壓力加載與卸載作用會(huì)使紙基摩擦材料的結(jié)構(gòu)逐漸變得密實(shí)而失去彈性,孔隙率下降,并最終導(dǎo)致潤(rùn)滑油的潤(rùn)滑和降溫作用明顯下降[25]。這種效應(yīng)會(huì)加劇材料熱衰退。

圖6 磨損前后紙基摩擦材料的熱性能

由以上分析可知,紙基摩擦材料在剪切力、壓力反復(fù)作用下發(fā)生黏著磨損和疲勞磨損,導(dǎo)致組分的磨損、界面分離、磨屑及磨粒形成,并發(fā)生熱衰退。因而紙基摩擦材料的磨損機(jī)理主要為黏著磨損和疲勞磨損,而磨屑或磨粒磨損不是紙基材料產(chǎn)生磨損的主要因素。

3 結(jié) 論

紙基摩擦材料磨損后,其表面發(fā)生纖維磨損、界面分離,并形成磨屑、磨粒。紙基摩擦材料的磨損機(jī)理主要為黏著磨損和疲勞磨損,這兩種機(jī)理通過(guò)組分磨損、界面破壞和磨屑及磨粒形成表現(xiàn)出來(lái)。磨粒磨損不是構(gòu)成該材料的有效磨損機(jī)理。熱性能分析結(jié)果表明,摩擦材料在摩擦過(guò)程中發(fā)生明顯的熱降解,從而導(dǎo)致紙基摩擦材料發(fā)生熱衰退。

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W ear M echan ism s of Paper-based Friction M aterial:Analysis ofW orn Surface and ThermalDecay

ZHONGLin-xin FU Shi-yu＊ZHOU Xue-song ZHAN Huai-yu
(State Key Lab of Pulp and Paper Engineering,South China University of Technology,Guangzhou,Guangdong Province,510640)

Compared with metal-and rubber-based friction materials paper-based friction material is a novel friction material which is widely used in oil- immersed clutches in automatic trans missionsof automibilesor even engineeringmachines.In thispaper,we investigated thewear mechanisms of the paper-based friction material by analyzing itsworn surface and thermal decay.Results showed that the fibres(especially the plant fibres)were abraded seriouslywhen friction materialwas subjected to repeated shear and compression.Fibres debonded from resin due to weak interfacial strength.The fractions of fibres and abrasive fillerwere entrapped in the soft fibres and micro pores,which would not promote the abrasion.In addition,the friction material also occurred thermal decay,mainly due to the degradation of the plant fibres.These observations indicated that the main wearmechanisms are adhesion wear and fatigue wear.

paper-based friction material;wear;thermal decay

TH117.3

A

0254-508X(2011)06-0026-06

鐘林新先生,在讀博士研究生;主要從事紙基復(fù)合材料及生物質(zhì)高值化利用研究。

(＊E-mail:shyfu@scut.edu.cn)

2011-01-27(修改稿)

本課題得到國(guó)家重大基礎(chǔ)研究計(jì)劃 (973計(jì)劃)重點(diǎn)項(xiàng)目 (No.2010BC732206)和國(guó)家自然科學(xué)基金 (No.30771689)的支持。

(責(zé)任編輯:常 青)