黃俊欽，林有希

(福州大學 機械工程及自動化學院，福州350108)

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制動頻率對CaSO4晶須增強樹脂基復合摩擦材料性能的影響

黃俊欽，林有希

(福州大學 機械工程及自動化學院，福州350108)

采用熱模壓成型工藝制備CaSO4晶須增強樹脂基復合摩擦材料(試樣A),并選用一種市售材料(試樣B)作對比，研究制動頻率對兩種材料摩擦學性能的影響，利用SEM及EDAX觀測磨損表面形貌與表面膜成分變化，并分析其磨損影響機理。結果表明：隨著制動頻率的變化，由于CaSO4晶須的增韌補強作用，試樣A的摩擦因數(shù)始終維持在較高水平0.48左右，制動平穩(wěn)可靠，對偶件損傷程度輕，磨損機理以磨粒磨損為主；而試樣B的摩擦因數(shù)則是先降低后升高，且對制動速率的變化敏感，磨損機理以黏著磨損和氧化磨損為主。兩種材料摩擦表面溫度及磨損率均隨著制動頻率的變化而升高，但在制動頻率小于35次時，兩種材料均表現(xiàn)出良好的耐磨性。

CaSO4晶須；樹脂基摩擦材料；制動頻率；摩擦磨損

在山區(qū)長下坡高速公路路段，高速行駛的汽車(尤其是重載汽車)除了具有較大的動能外，還具有勢能，汽車為了保持安全的行駛速度需要在短時間內進行重復制動，通過剎車片與剎車盤(鼓)的摩擦將汽車所具有的動能及勢能轉化為熱能來迫使汽車減速或保持車速恒定。在這個過程中大量的熱量被制動摩擦副吸收，導致制動材料表面溫度急劇上升，而在高溫狀態(tài)下，樹脂基制動摩擦材料容易出現(xiàn)熱衰退現(xiàn)象[1-3]，從而影響其摩擦磨損性能，造成制動效能降低，對汽車的安全行駛構成嚴重威脅。因此，研究針對該路況條件下汽車制動材料的摩擦學行為表現(xiàn)具有重要的現(xiàn)實意義。目前國內外學者針對該路況的研究主要集中在建立數(shù)學模型[4,5]以及計算機模擬仿真[6,7]等方面，而從慣性模擬實驗平臺對制動材料在頻繁制動條件下的摩擦學性能及其磨損機理的研究還不夠深入。

CaSO4晶須增強樹脂基復合摩擦材料作為一種具有廣闊發(fā)展前景的新型汽車制動材料，在CaSO4晶須優(yōu)異的理化性能以及獨特的增韌補強作用下[8]，表現(xiàn)出摩擦性能穩(wěn)定、抗熱衰退性強、密度低、性價比高以及環(huán)保無污染等優(yōu)異性能[9,10]，但該材料用作汽車制動材料且在特殊工況下的摩擦學性能表現(xiàn)有待進一步研究。鑒于此，本文作者在課題組前期研究的基礎上，制備出一種CaSO4晶須增強樹脂基復合摩擦材料，且為更好地反映該材料在特殊工況下的摩擦學性能，而選用一種市售材料作對比，基于長下坡重復制動工況系統(tǒng)地研究兩種材料在不同制動頻率條件下摩擦磨損性能的變化規(guī)律，并分析其磨損機理。

1　實驗材料與方法

1.1原材料

以日本住友生產的工業(yè)型腰果殼油改性酚醛樹脂為基體，添加量為10%～12%(質量分數(shù)，下同)，其固化溫度為150℃，游離酚≤5%；添加15%～20%的CaSO4晶須作為增強體，為洛陽亮東非金屬材料有限公司提供，其外觀為白色蓬松狀粉末，顯微鏡下為短切纖維狀或針狀單晶體，相對密度為2.96g/cm3，純度≥98%；填料為7.5%左右的Q/HG3396型Al2O3顆粒以及8%的長石粉，長石粉是一種性能穩(wěn)定、價格低廉的鋁硅酸鹽類礦物質；而摩擦性能調節(jié)劑為6%左右的銅粉以及2%左右的石墨。所選的市售制動材料為山東省某知名廠家生產的剎車片，通過EDAX能譜儀對其表面成分進行分析(見表1)可推斷該材料可能是以鋼纖維為主要增強纖維，以金屬氧化物和碳化物為填料的樹脂基復合摩擦材料。

表1　市售材料表面成分分析結果(質量分數(shù)/%)

1.2制備工藝

首先采用JF801S型犁耙式混料機，將預先干燥好的酚醛樹脂、CaSO4晶須以及各種填料組分按最優(yōu)配方比例稱量后均勻混合6min左右；然后在Y32-63T四柱上壓式液壓機上進行熱模壓成型，固化溫度為150～160℃，保壓壓力為10～15MPa，保壓時間為12～15min，在制品保壓前每隔10s排1次氣，并連續(xù)重復5～6次；接著將熱壓成型出的制品放置干燥箱內進行熱處理，0.5h內升溫至160℃，保溫12h后隨爐冷卻得到性能趨于穩(wěn)定的CaSO4晶須增強樹脂基復合摩擦材料；最后經過機加工得到摩擦試驗機所需尺寸規(guī)格的試樣。

1.3摩擦磨損性能測試

在XYC-A型CHASE摩擦試驗機上進行摩擦磨損實驗，通過氣動伺服系統(tǒng)對試樣加載制動壓力。對偶件為鑄鐵材料，與試樣組成的摩擦副及相關規(guī)格尺寸見圖1。在測試實驗前，應對試驗鼓摩擦表面進行打磨拋光處理，而試樣需要依據(jù)SAE-J661標準實驗程序在CHASE設備進行磨合，磨合時間根據(jù)試樣與試驗鼓的有效接觸面積(≥95%)來確定，實驗條件為干摩擦。實驗過程中試樣的摩擦因數(shù)以及摩擦表面溫度由試驗機自動采集記錄。

圖1　摩擦副示意圖(mm)Fig.1　The schematic diagram of friction pair(mm)

參照公路工程技術標準JTG/B01-2003，在制動壓力323N、制動速率70km/h、主軸轉速602r/min、初始制動溫度30℃、加載時間5s、卸載時間15s的實驗條件下研究不同制動頻率對兩種材料摩擦學性能的影響。采用XHRD-150型洛氏硬度計按照GB/T5766-2007標準在試樣摩擦表面選取3個點測量其平均硬度值；用精確至0.001mg的FA2004電子天平測量各試樣實驗前后的質量，來計算質量磨損；分別采用Nova NanoSEM 230型場發(fā)射掃描電子顯微鏡及EDAX能譜儀觀測試樣磨損表面形貌及表面化學成分變化。為了方便實驗數(shù)據(jù)記錄和分析，將CaSO4晶須增強樹脂基復合摩擦材料試樣編號為A，而市售材料試樣編號為B。

2　結果與分析

2.1制動頻率對試樣摩擦因數(shù)的影響

圖2所示為試樣在不同制動頻率條件下平均摩擦因數(shù)的變化情況。由圖2可以看出：隨著制動頻率的增大，試樣A的摩擦因數(shù)始終維持在較高水平(0.48左右)，而并未出現(xiàn)在高頻率制動以及高溫狀態(tài)下因樹脂分解而導致的摩擦性能衰退現(xiàn)象，說明試樣A制動材料可以在特殊工況下實現(xiàn)短時間內的可靠有效制動，這主要是因為CaSO4晶須具有強度高、韌性好以及耐高溫等優(yōu)異性能[11]，在高溫狀態(tài)下，CaSO4晶須不發(fā)生分解和軟化，且與樹脂等成分均勻混合后易在內部形成纖維網(wǎng)[12]，從而有效抑制聚合物分子鏈的熱運動，提高材料的抗熱衰退性；而試樣B的摩擦因數(shù)則隨著制動頻率的增大出現(xiàn)了先降低后升高的變化規(guī)律，在制動頻率為35次時，摩擦因數(shù)降至最小值0.321，這可能是因為試樣B的磨損表面形貌在制動次數(shù)為35次發(fā)生了明顯的變化所致。

圖2　制動頻率對試樣平均摩擦因數(shù)的影響Fig.2　The influence of braking frequency on the average friction coefficient

圖3所示為兩種材料在不同制動速率條件下隨著制動頻率的增大摩擦因數(shù)的變化情況。由圖3可以看出：隨著制動頻率的變化，試樣A的摩擦因數(shù)始終維持在0.41左右波動，而在不同制動速率下，試樣A的摩擦因數(shù)并沒有發(fā)生明顯變化，表現(xiàn)出了對制動速率變化的不敏感性；而試樣B的摩擦因數(shù)在制動速率為60km/h和80km/h時沒有明顯區(qū)別，均是隨著制動頻率的變化先增大而后趨于穩(wěn)定，但在制動速率為100km/h時，摩擦因數(shù)大小及其波動性均明顯增大。

圖3　不同制動速率下試樣摩擦因數(shù)的變化(a)試樣A；(b)試樣BFig.3　The variation of friction coefficient under different velocity(a)sample A;(b)sample B

在整個實驗過程，不同制動速率下，隨著制動頻率的增大，試樣A和試樣B的摩擦因數(shù)均出現(xiàn)了不同程度的波動，這主要是由于在循環(huán)制動過程中，摩擦副接觸表面始終承受著短時周期性沖擊應力的作用，處于循環(huán)加載和卸載的受力狀態(tài)，摩擦表面將因此發(fā)生物質轉移、塑性流動變形、裂紋的萌生與擴展、表面摩擦膜的難于形成等現(xiàn)象[13]，從而導致接觸表面變得復雜，摩擦因數(shù)波動性較大。

為了定量表征兩種材料在循環(huán)制動過程中動摩擦因數(shù)的變化情況，采用摩擦因數(shù)的穩(wěn)定系數(shù)α和波動系數(shù)γ來對其進行評價[14，15]。

(1)

(2)

式(1)，(2)中，α和γ值越接近1，說明摩擦材料的制動平穩(wěn)性越好，產生顫動和噪音的可能性越小。

表2給出兩種材料在不同制動頻率條件下摩擦因數(shù)的穩(wěn)定系數(shù)以及波動系數(shù)。從表中數(shù)據(jù)可以看出，在整個實驗過程，試樣A摩擦因數(shù)的穩(wěn)定系數(shù)以及波動系數(shù)總平均值均大于試樣B即αA>αB；γA>γB。由此說明：相比于試樣B，試樣A在循環(huán)制動過程中表現(xiàn)出了更加優(yōu)異的制動平穩(wěn)性，而且產生制動顫動和噪音的可能性更小，這恰好滿足了現(xiàn)代高速發(fā)展的汽車行業(yè)所提出的汽車行駛舒適性，制動平穩(wěn)性以及綠色環(huán)保的性能要求[16]。

表3　不同制動頻率下試樣摩擦因數(shù)的穩(wěn)定系數(shù)及波動系數(shù)

2.2制動頻率對試樣摩擦表面溫度的影響

圖4所示為兩種材料在不同制動頻率條件下摩擦表面平均溫度的變化情況。由圖4可以看出：隨著制動頻率的逐漸增大，試樣A和試樣B摩擦表面的平均溫度變化均呈現(xiàn)出線性的上升規(guī)律，而且由于試樣B材料組分中含有較多具有高熱傳導率的金屬成分，使得試樣B摩擦表面溫度始終相對低于試樣A摩擦表面溫度。由于重復制動是一個加載和卸載交替進行的過程，在加載制動過程中，摩擦表面不斷積聚由摩擦做功而產生的熱量，溫度上升，而在卸載過程中，摩擦表面又與周圍物體以及空間環(huán)境進行熱交換，摩擦表面的熱量不斷被擴散出去，溫度下降，因此在整個實驗過程，摩擦表面的溫度始終處于動態(tài)平衡的狀態(tài)，溫度上升幅度較小，均未超過基體樹脂的熱分解溫度(250℃)，因此兩種材料均未發(fā)生明顯的熱衰退現(xiàn)象。

圖4　制動頻率對試樣摩擦表面平均溫度的影響Fig.4　The influence of braking frequency on the average temperature of friction surface

2.3制動頻率對試樣磨損率的影響

圖5給出兩種材料在不同制動頻率條件下質量磨損率的變化情況。由圖5可以看出：當制動頻率≤35次時，兩種材料的磨損率大約在1.25mg/次左右，均表現(xiàn)了良好的耐磨性；但隨著制動頻率的進一步增大，試樣A的磨損率急劇上升至2.79mg/次，上升幅度高達86%，同樣，試樣B的磨損率也上升至1.82mg/次，上升幅度也達到了54.2%，這主要是由于此時摩擦表面溫度較高，材料強度下降，部分樹脂開始發(fā)生熱分解，黏結性降低，在循環(huán)制動交變載荷的作用下，摩擦表面無法形成連續(xù)致密的摩擦膜，因此磨損率較大。當制動頻率增大到80次時，試樣A和試樣B的磨損率進一步增大，但兩者的上升幅度與制動頻率為50次的相比均有明顯降低，這主要是由于在高溫狀態(tài)下，基體樹脂進一步發(fā)生熱分解，產生的氣體與液體將在摩擦表面形成“氣-液-固”多相界面層，同時由于摩擦副相互作用增強會在摩擦表面形成轉移膜，因此摩擦接觸表面的潤滑狀態(tài)發(fā)生改變，從而緩解了磨損率的急劇上升。

圖5　制動頻率對試樣質量磨損率的影響Fig.5　The influence of braking frequency on the mass wear rate

由于試樣A的摩擦因數(shù)較高，而且摩擦表面硬度小于試樣B的摩擦表面硬度(見表4)。因此在整個實驗過程，試樣A的磨損率比試樣B的高。但摩擦表面硬度越高，在摩擦制動過程中對對偶件所造成的損傷也將更嚴重，而且由于試樣B含有較多的金屬纖維成分，容易生銹的金屬纖維易與對偶件發(fā)生黏著，破壞摩擦表面轉移膜，從而造成制動不平穩(wěn)[17]以及對對偶件的過量磨損，這也恰好說明了試驗鼓與試樣B摩擦后表面劃痕更多且在制動過程中易發(fā)出嘯叫的現(xiàn)象。因此，從性價比以及對對偶件的損傷程度考慮，試樣A仍是一種具有潛力的制動材料。

表4　兩種材料的洛氏硬度

2.4磨損表面分析

圖6給出兩種材料在不同制動頻率條件下磨損表面的SEM圖片。由圖6可以看出：當制動頻率為20次時，由于摩擦表面溫度相對較低，摩擦副接觸表面微凸體間的相互作用強烈，在交變應力以及界面剪切阻力的作用下，微凸體被逐漸磨平或發(fā)生斷裂和破碎，所形成的磨屑會填補表面凹坑或在摩擦表面被碾壓形成摩擦膜，而沒有被排出摩擦表面，因此試樣A和試樣B的磨損率均較低，而脫落的Al2O3以及金屬氧化物等硬質顆粒則容易在制動過程中被壓入摩擦表面而產生犁削作用并在表面留下清晰的溝犁痕跡。隨著制動頻率的增大，摩擦表面溫度不斷上升，樹脂黏結性降低，表面塑性變形程度加劇，材料強度下降，因此表面硬質顆粒犁削作用所產生的溝犁痕跡更加明顯，而且因基體材料對表面摩擦膜的支撐能力減弱，摩擦膜逐漸剝落并被排出表面，導致試樣A的磨損率急劇上升，但由于CaSO4晶須的增韌補強作用，使材料各組分間的交互作用增強，摩擦接觸表面較為平整，因此試樣A摩擦因數(shù)仍保持在較高水平；而試樣B由于摩擦溫度的升高，黏著效應增強，使摩擦表面出現(xiàn)了剝落坑，摩擦表面變得粗糙，摩擦副實際接觸面積減少，因此在該階段試樣B的摩擦因數(shù)以及磨損率均增大。

圖6　不同制動頻率下試樣磨損表面的SEM照片　1-試樣A；2-試樣B(a)20次；(b)50次；(c)80次Fig.6　SEM micrographs of samples under different braking frequency　1-sample A; 2-sample B(a)20 times;(b)50 times;(b)80 times

當制動頻率增大到80次時，試樣A摩擦表面出現(xiàn)了大塊的摩擦膜以及較細的溝犁痕跡，這主要是因為在高溫狀態(tài)下，由于樹脂黏結性的進一步下降，部分材料發(fā)生脫落，形成大量磨屑，而磨屑同樣會被碾壓形成摩擦膜，但摩擦膜與基體間的結合強度較弱而容易脫落，因此磨損又進一步上升，而磨屑中的Al2O3硬質顆粒在熱應力以及摩擦剪切阻力的反復作用下逐漸細化，因此溝犁痕跡變??；而試樣B磨損表面的SEM照片顏色明顯變暗，這是摩擦表面樹脂在高溫狀態(tài)下發(fā)生分解的結果。

圖7給出了在制動頻率為80次的條件下兩種材料摩擦表面摩擦膜的能譜分析結果，由圖7可以看出：試樣A的摩擦膜中出現(xiàn)了大量的Fe元素，而試樣A原材料組分中并沒有Fe元素的存在，說明在摩擦過程中，試樣A與對偶材料之間有較強的黏著效應，導致材料發(fā)生轉移并在摩擦表面形成了轉移膜，而摩擦膜在起到潤滑作用的同時也能有效減少摩擦副的直接接觸面積，從而緩解了磨損率的急劇上升。而相比于表1試樣B原材料表面成分的分析結果可以發(fā)現(xiàn)，試樣B在摩擦過程也與對偶材料發(fā)生了材料轉移，F(xiàn)e元素含量由原來的56.9%增加至62.53%，而且摩擦膜中氧元素的含量相對于C元素含量出現(xiàn)了明顯增多，這主要是因為試樣B材料組分所含的大量金屬元素在高頻制動條件下由于摩擦表面溫度不斷上升而發(fā)生了氧化反應，并在表面形成氧化膜，而在氧化膜以及轉移膜的潤滑作用下，使試樣B在該階段的摩擦因數(shù)及磨損率均沒有發(fā)生明顯的變化。

圖7　制動頻率為80次時試樣摩擦表面摩擦膜的能譜分析(a)試樣A；(b)試樣BFig.7　Energy spectrum images of surface friction film after braking 80 times(a)sample A;(b)sample B

3　結論

(1)在不同制動頻率條件下，由于CaSO4晶須表現(xiàn)出了顯著的增韌補強作用，試樣A的摩擦因數(shù)始終維持在較高水平0.48左右，并具有比試樣B更高的穩(wěn)定系數(shù)和波動系數(shù)，制動平穩(wěn)可靠，無制動噪音和震顫產生，而且對制動速率的變化不敏感；而試樣B的摩擦因數(shù)則是先降低后升高，而且在制動速率為100km/h時，摩擦因數(shù)大小及其波動性明顯增大。

(2)在整個實驗過程，試樣A和試樣B摩擦表面的平均溫度以及質量磨損率均隨著制動頻率的增大而增大，但在制動頻率小于35次時，兩種材料的質量磨損率僅為1.25mg/次左右，均表現(xiàn)出良好的耐磨性。

(3)隨著制動頻率的增大以及摩擦表面溫度的逐漸升高，試樣A與對偶件間的黏著效應明顯，發(fā)生了材料轉移。在整個實驗過程，由于CaSO4晶須起承載支撐的雙重作用，試樣A磨損表面相對比較平整，磨損機理以磨粒磨損為主；而試樣B的金屬成分發(fā)生了氧化反應，摩擦表面出現(xiàn)了剝落坑和微裂紋，磨損機理以黏著磨損和氧化磨損為主。

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Effect of Braking Frequency on Properties of CaSO4Whiskers Reinforced Resin-based Composite Friction Materials

HUANG Jun-qin,LIN You-xi

(School of Mechanical Engineering and Automation,Fuzhou University,Fuzhou 350108,China)

CaSO4whisker reinforced resin-based composite friction materials (sample A) were prepared by thermo-compression process, and a commercial brake material (sample B) was selected as a reference. The influence of braking frequency on the tribological performance of samples was investigated by CHASE tester. The SEM and EDAX were used to observe the wear surface morphology and the composition of the surface of films respectively, and the influence mechanism of braking frequency on wear mechanism of samples was analyzed. The results show that CaSO4whisker has played a significant toughening and strengthening effects on sample A, the average friction coefficient of sample A always maintains at a high level of around 0.48 and exhibits stable and reliable braking performance with the change of braking frequency. Moreover, the damage degree of dual disc is lighter, and the main wear mechanism is abrasive wear. While the friction coefficient of sample B decreases firstly and then increases, and shows sensitive to the change of braking velocity, as well as its main wear mechanism is adhesive wear and oxidation wear. The friction surface temperature and mass wear rate of samples are increased with increasing of braking frequency, but both materials show good wear resistance when the braking frequency less than 35 times.

CaSO4whisker;resin-based friction material;braking frequency;friction and wear

10.11868/j.issn.1001-4381.2016.02.015

U465;TB332

A

1001-4381(2016)02-0094-07

國家自然科學基金(51375094,51075074)

2015-02-13;

2015-06-30

林有希(1967-)，男，教授，博士，研究方向：摩擦學、先進制造技術，聯(lián)系地址：福建省福州市福州地區(qū)大學新區(qū)學園路2號福州大學機械工程及自動化學院(350108)，E-mail：lyx@fzu.edu.cn