費 杰， 王洪坤， 黃劍鋒， 王文靜， 楊 朝

(陜西科技大學 材料科學與工程學院， 陜西 西安 710021)

0 引言

紙基摩擦材料是一種具有多孔性的濕式摩擦材料，主要應用于汽車自動變速器、差速器、扭矩管理器和同步器等濕式離合制動裝置中[1,2].它具有摩擦系數(shù)高、傳扭能力強、制動平穩(wěn)、使用壽命長以及結構可設計等突出優(yōu)點.

常用的紙基摩擦材料增強纖維主要有碳纖維、礦物纖維和陶瓷纖維等.碳纖維具有摩擦系數(shù)穩(wěn)定、機械強度高、耐磨性優(yōu)異、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，作為增強體已經(jīng)廣泛應用于各類復合材料中，是紙基摩擦材料的理想增強纖維.1997年，Dowell[3]發(fā)明了一種碳纖維增強濕式摩擦材料，摩擦特性良好.20世紀九十年代初，我國開始出現(xiàn)有關紙基摩擦材料的研究報道[4]，然而涉及碳纖維作為紙基摩擦材料增強纖維的研究報道較少.直到2004年，付業(yè)偉等[5]發(fā)明了一種毫米級碳纖維增強紙基摩擦材料，該材料的起始分解溫度和失重速率等耐熱性能指標優(yōu)良，摩擦系數(shù)穩(wěn)定，耐磨性能優(yōu)異.此后，費杰等[6]研究了不同增強纖維對紙質摩擦材料性能的影響，實驗證明，碳纖維增強紙基摩擦材料性能遠優(yōu)于纖維素纖維、芳綸纖維增強紙基摩擦材料.隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，國內(nèi)學者對碳纖維增強紙基摩擦材料的研究十分關注，本文將闡述近十幾年來碳纖維增強紙基摩擦材料的研究進展，并對其未來研究方向進行展望.

1 碳纖維增強紙基摩擦材料的組分研究

H.GAO等[7]制備的紙基摩擦材料主要是由纖維素纖維、硬顆粒填料和樹脂組成；Yoshitsugu Kimura等[8]制備的紙基摩擦材料主要是由合成纖維(如纖維素、聚芳酰胺)、固體潤滑劑和其他微粒(如石墨、二硫化鉬、腰果粉、丙烯酸橡膠)，通過熱固性樹脂浸漬后熱壓而成.而碳纖維增強紙基摩擦材料的主要成分為碳纖維、粘結劑、填料以及摩擦性能調節(jié)劑.在這些原材料的選擇方面，國內(nèi)外研究工作者一直進行研究探索，以期獲得更為合適的材料組分.

1.1 粘結劑樹脂

粘結劑的作用是將紙基摩擦材料各組分粘結在一起，為整個摩擦材料提供一定的機械性能與摩擦性能，是材料中載荷的傳遞媒介.酚醛樹脂一直是紙基摩擦材料的主要粘結劑，但由于純酚醛樹脂具有耐熱性差、脆性大、硬度高等缺點，目前研究人員主要采用改性酚醛樹脂.常用的改性酚醛樹脂包括腰果殼油改性酚醛樹脂、硼改性酚醛樹脂以及丁腈改性酚醛樹脂等.另外，由于可以提高摩擦材料的彈性和動摩擦系數(shù)，硅酮樹脂也是紙基摩擦材料使用較多的粘結劑，與酚醛樹脂混用可以改善硅酮樹脂導致摩擦材料分層和剪切強度過低的問題，制備的摩擦材料通常具有較高的摩擦穩(wěn)定性和耐熱性.胡健等[9]研究了丁腈改性酚醛樹脂含量對濕式紙基摩擦材料的摩擦學性能和微觀特征的影響.結果表明，材料的孔隙率隨樹脂含量的增加而降低，當樹脂含量為25%時，材料綜合性能較高，摩擦因數(shù)的壓力穩(wěn)定性和轉速穩(wěn)定性較好，材料的摩擦力矩曲線較為平穩(wěn)，并且材料磨損后的微觀特征也較好.本文作者等[10]制備出4種不同腰果殼油改性酚醛樹脂含量的碳纖維增強紙基摩擦材料，并對其摩擦磨損性能進行了研究，結果表明，在碳纖維增強紙基摩擦材料中，當改性酚醛樹脂含量在35～40%時，樣品具有高摩擦系數(shù)，良好的摩擦穩(wěn)定性，良好的耐熱性和合理的強度.由此可見，國內(nèi)外對碳纖維增強紙基摩擦材料粘結劑的研究主要集中在對酚醛樹脂的改性上，致使紙基摩擦材料粘結劑樹脂品種過于單一.為了改善摩擦材料的柔韌性和耐熱性，傅業(yè)偉等[11]制備出了一種橡膠-樹脂共混型碳纖維增強紙基摩擦材料，其具有紙基摩擦材料摩擦穩(wěn)定、耐高溫和耐磨損的基本特征，通過融入橡膠組分的高摩擦系數(shù)特征大大增加了這種橡膠-樹脂共混紙基摩擦材料的動摩擦系數(shù)，并改善了它的彈性.

1.2 摩擦性能調節(jié)劑研究

摩擦性能調節(jié)劑對紙基摩擦材料的摩擦磨損性能起著重要的調節(jié)作用.本文作者等[12]對不同石墨含量的碳纖維增強紙基摩擦材料進行了摩擦磨損性能的研究，發(fā)現(xiàn)隨著石墨含量的增加，摩擦材料的摩擦穩(wěn)定性增加；摩擦系數(shù)減小，磨損率降低；不含石墨含量的紙基摩擦材料的磨損面存在尺寸較大的磨粒且出現(xiàn)裂紋；隨著石墨增加，摩擦面出現(xiàn)了潤滑性能良好的潤滑膜，一定程度上降低了材料的磨損率.張翔等[13]研究了4種不同石墨粒度的碳纖維增強紙基摩擦材料的動摩擦系數(shù)、靜摩擦系數(shù)、磨損率及表面形貌.結果表明：隨著石墨粒度的降低，制動所需時間增加，摩擦力矩曲線中間部分比較平直；動、靜摩擦系數(shù)降低，磨損率減小.同時，摩擦系數(shù)隨著制動轉速和壓力的增大而減小.隨著石墨粒度的減小，摩擦表面形成了潤滑性能優(yōu)異的固體潤滑膜，有利于降低材料的磨損率.本文作者等[14]研究了Al2O3含量對碳纖維增強紙基摩擦材料摩擦學性能的影響，發(fā)現(xiàn)Al2O3含量對材料的氣孔率影響較小，隨著Al2O3含量的增大，摩擦材料制動穩(wěn)定性增加，摩擦系數(shù)增大，磨損率升高.

1.3 碳纖維表面改性研究

碳纖維增強復合材料的綜合性能不僅與基體相、增強相有關，更與兩相的界面結合狀態(tài)有密切聯(lián)系.良好的結合界面能有效傳遞載荷，充分發(fā)揮碳纖維高模量、高強度的特性，提升碳纖維增強復合材料的力學性能.近年來通過對碳纖維表面進行改性處理，改善碳纖維與樹脂基體之間的界面結合狀態(tài)，充分發(fā)揮碳纖維優(yōu)異的力學性能，一直是研究的重點.目前常用的表面處理方法，主要是在碳纖維表面進行一系列物理化學反應，增加其極性基團的含量和微觀形貌的復雜性，從而改善碳纖維與樹脂基體的界面結合狀態(tài)，實現(xiàn)提高復合材料整體力學性能的最終目的.

王赫等[15]綜述了液相氧化法、陽極氧化法、氣相氧化法、表面涂層改性法、等離子體氧化法等碳纖維表面處理技術原理及進展，并詳細論述了氣液雙效法復合表面處理技術，認為復合處理技術將會成為今后碳纖維表面處理技術的主要研究方向.Li等[16]將碳纖維表面進行空氣氧化處理和稀土溶液浸泡處理后，進行摩擦磨損實驗.實驗結果表明，用稀土溶液處理過后可以大大減少碳纖維增強聚酰亞胺復合材料的磨損率.碳纖維/聚酰亞胺復合物用稀土溶液處理過后有強烈的界面粘附作用和光滑的摩擦面，碳纖維和聚酰亞胺復合材料界面間增加了大量有機官能團，從而降低系數(shù)了磨損率和摩擦因數(shù).由此可以看出，進行碳纖維表面改性處理可以有效改善碳纖維的摩擦磨損性能，這將是碳纖維增強紙基摩擦材料的一個重要研究方向.

2 碳纖維增強紙基摩擦材料的性能研究

2.1 理化性能

紙基摩擦材料的孔隙率、壓縮回彈性以及剪切強度等對其整體性能有重要的影響，國內(nèi)外學者對紙基摩擦材料的物理/力學性能進行了廣泛的研究.

費杰，楊瑞麗等[17,18]研究了孔隙率對碳纖維增強紙基摩擦材料摩擦磨損性能的影響.試驗結果表明，短切碳纖維能在酚醛樹脂中均勻分散，相互鏈接，形成了大小不一的貫穿性氣孔；隨著氣孔率的增大，摩擦力矩曲線趨于平穩(wěn)，靜摩擦系數(shù)減小，動摩擦系數(shù)增大，磨損率升高.

鄧海金等[19]研究了氣孔率對混雜纖維增強紙基摩擦材料壓縮回彈性和摩擦磨損性能的影響.結果表明：在相同載荷下，隨著氣孔率增大，材料的壓縮率增大而回彈率減小，隨著載荷增加，高氣孔率材料的回彈率先顯著增大，而后趨于平穩(wěn)；在相同轉速和壓力下，氣孔率越大，材料的摩擦系數(shù)越大，隨著壓力增大，氣孔率高的材料摩擦系數(shù)逐漸減小，且不同氣孔率材料的摩擦系數(shù)慢慢趨于一致；在連續(xù)循環(huán)制動時，高氣孔率材料的摩擦系數(shù)逐漸減小并趨于穩(wěn)定.這是由于在較高壓力下，高氣孔率材料的孔隙會引起塌陷，使其氣孔率減小，從而影響材料的壓縮回彈性和摩擦學性能.

2.2 摩擦磨損性能與機理研究

碳纖維增強紙基摩擦材料的摩擦磨損性能受材料組成、工況條件、潤滑狀態(tài)和溫度等諸多因素影響，研究不同狀態(tài)下的摩擦材料摩擦磨損性能顯得尤為重要.

付業(yè)偉等[20]研究了碳纖維含量與摩擦材料耐熱性能和摩擦磨損性能的相關性，發(fā)現(xiàn)隨著碳纖維含量的增加，摩擦材料的動摩擦系數(shù)呈增加趨勢，靜摩擦系數(shù)和體積磨損率呈減小趨勢；當碳纖維含量≥10%時，相應的紙基摩擦材料的摩擦穩(wěn)定性優(yōu)異.

楊化龍等[21]設計了4種油槽形式的碳纖維增強紙基摩擦材料摩擦片，并進行了摩擦磨損性能研究.試驗結果表明，油槽對碳纖維增強紙基摩擦材料的耐熱性和制動性能有較大影響，不同油槽摩擦片的摩擦力矩曲線出現(xiàn)差異，增加表面接觸面積可以有效提高摩擦材料制動負載能力，并且油槽在一定程度上提高了紙基摩擦片的動摩擦系數(shù)及穩(wěn)定性，使得動、靜摩擦系數(shù)更接近，從而表現(xiàn)出良好的摩擦性能，其中雙圓弧槽紙基摩擦材料摩擦系數(shù)和制動穩(wěn)定性最好.

費杰等[22]研究發(fā)現(xiàn)，當工況條件(制動壓力、潤滑油流量、轉速、油溫)達到一定水平后，碳纖維增強紙基摩擦材料的動摩擦系數(shù)開始降低，制動穩(wěn)定性變差，工況條件影響程度順序為：制動壓力>潤滑油流量>轉速>油溫.任遠春[23]等則研究了固化壓力對碳纖維增強紙基摩擦材料摩擦磨損性能的研究，指出孔隙率隨固化壓力增加而下降；動摩擦系數(shù)隨制動壓力的增加呈下降趨勢；靜/動摩擦系數(shù)比隨制動壓力的增加分布趨勢較為復雜，較低的固化條件下，靜/動摩擦系數(shù)比略有上升，而較高的固化壓力使得靜/動摩擦系數(shù)比有下降趨勢；摩擦力矩曲線隨固化壓力升高有輕微翹起.

付業(yè)偉等[24]研究了溫度對碳纖維增強紙基摩擦材料摩擦性能的影響.結果表明，在較低溫度時，摩擦力矩曲線中間部分趨于平直，呈現(xiàn)兩頭略低、中間略高的形態(tài)，摩擦力矩曲線對稱性好.隨著摩擦片對偶盤溫度升高，摩擦力矩曲線對稱性變差，摩擦力矩曲線尾部翹起現(xiàn)象加重，且曲線尾部翹起趨勢在高制動壓力下更為顯著.

費杰等[25,26]制備出一種碳纖維增強紙基摩擦材料，研究了長時間連續(xù)制動條件下碳纖維增強紙基摩擦材料的摩擦磨損性能變化規(guī)律及樣品的摩擦磨損行為.結果表明：隨著制動次數(shù)的增加，摩擦系數(shù)減小，摩擦力矩曲線波動現(xiàn)象嚴重，由于摩擦表面形成了潤滑性能良好的摩擦膜，所以磨損率大幅度降低；摩擦表面粗糙度大幅度減小，材料磨損過程經(jīng)歷了從“跑合磨損”到“穩(wěn)定磨損”的轉變；材料在磨損過程中凸起逐漸被磨平，孔隙逐漸被填充，表現(xiàn)出疲勞磨損的特征；磨損后樣品表層的熱重曲線在320 ℃～450 ℃之間出現(xiàn)了新的劇烈失重峰，表現(xiàn)為熱磨損.

3 結束語

碳纖維增強紙基摩擦材料具有高溫摩擦系數(shù)穩(wěn)定，承載能量大、磨損小并且對對偶材料損傷小等一系列優(yōu)點，是應用于重載工況條件下最理想的摩擦材料.國內(nèi)外學者對碳纖維增強紙基摩擦材料的研究有了一定的進展，但不夠系統(tǒng)和深入.今后的研究應該側重于以下4個方面.

(1)研究新型碳纖維表面處理技術，并揭示其對碳纖維增強紙基摩擦材料的影響規(guī)律.

(2)研究碳纖維、粘結劑樹脂和摩擦性能調節(jié)劑與摩擦材料性能之間的關系，揭示組分及其交互作用對性能的影響規(guī)律，建立摩擦磨損性能的綜合評價體系，用來評價材料性能.

(3)研究材料內(nèi)在性質和外界工況條件對碳纖維增強紙基摩擦材料濕式接合過程摩擦力矩曲線的影響規(guī)律.基于碳纖維增強紙基摩擦材料的性質和濕式接合過程的特點，確立合適的幾何模型，采用數(shù)值模擬方法建立濕式接合過程中的模型，并與試驗結果對比驗證模型的科學有效性.

(4)研究不同磨損階段材料摩擦磨損性能的變化規(guī)律，結合有關試驗現(xiàn)象和微觀形貌，考察樣品形貌的變化規(guī)律，揭示碳纖維增強紙基摩擦材料的摩擦磨損機理，并采用元胞自動機法建立摩擦磨損模型.

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