林少芳,鄭開(kāi)魁,江威

(1. 福州職業(yè)技術(shù)學(xué)院交通工程系，福建 福州 350108; 2. 福州大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院, 福建 福州 350108)

混雜纖維摩擦材料的力學(xué)及摩擦學(xué)性能研究

林少芳1,鄭開(kāi)魁2,江威2

(1. 福州職業(yè)技術(shù)學(xué)院交通工程系，福建 福州 350108; 2. 福州大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院, 福建 福州 350108)

以改性竹纖維和硅酸鋁陶瓷纖維作為混雜纖維，牡蠣殼粉、硫酸鈣晶須等為填料，制備制動(dòng)摩擦材料，通過(guò)X-DM型調(diào)壓變速摩擦試驗(yàn)機(jī)測(cè)試試樣的摩擦磨損性能.結(jié)果表明：相對(duì)單一纖維摩擦材料，改性竹纖維和硅酸鋁陶瓷纖維混雜纖維材料的摩擦學(xué)性能更好，具有良好的混雜效應(yīng).

混雜纖維；力學(xué)性能；摩擦學(xué)性能

0 引言

眾所周知，汽車(chē)使用過(guò)程中汽車(chē)制動(dòng)片的質(zhì)量?jī)?yōu)劣直接關(guān)系到駕駛員和行人的人身安全[1].制動(dòng)摩擦片的摩擦材料是影響汽車(chē)制動(dòng)效能和制動(dòng)效能恒定性的關(guān)鍵因素，必須具有良好的摩擦系數(shù)和耐磨損性能，同時(shí)有一定的耐熱性和機(jī)械強(qiáng)度.

由于傳統(tǒng)制動(dòng)摩擦材料石棉中的細(xì)小纖維若被吸入人體內(nèi)，將造成各種肺部疾病，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)鸱伟2]，因此目前包括中國(guó)在內(nèi)的世界絕大多數(shù)國(guó)家都嚴(yán)禁石棉在制動(dòng)摩擦材料中應(yīng)用.為了同國(guó)際環(huán)境接軌，1990年后，我國(guó)汽車(chē)摩擦材料行業(yè)出現(xiàn)了一個(gè)新的發(fā)展趨勢(shì)，即NAO摩擦片，也就是通常說(shuō)的非鋼纖維型和非石棉摩擦片[3].2009年中國(guó)摩擦學(xué)會(huì)主任張嗣偉教授[4]提出“綠色摩擦學(xué)”的概念，他認(rèn)為摩擦材料應(yīng)當(dāng)節(jié)能節(jié)材，可以改善環(huán)境和生命質(zhì)量.在綠色摩擦學(xué)概念的引導(dǎo)下，NAO摩擦材料的研究進(jìn)一步環(huán)?；瑖?guó)內(nèi)外摩擦材料研究學(xué)者開(kāi)始在少金屬、無(wú)金屬的NAO摩擦材料方向深入.

在綠色摩擦材料研究過(guò)程中，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通常采用兩種以上(含兩種)不同類(lèi)型的纖維作為摩擦材料的增強(qiáng)相，這種摩擦材料通常稱(chēng)為混雜增強(qiáng)纖維摩擦材料.研究表明[5-7]，多種纖維進(jìn)行混雜，可以提升摩擦材料的摩擦學(xué)性能，起到取長(zhǎng)補(bǔ)短的效應(yīng)，這是目前摩擦材料發(fā)展的一個(gè)方向.

1 試驗(yàn)部分

1.1試驗(yàn)材料及制備

1.1.1 試驗(yàn)配方 本實(shí)驗(yàn)中的配方見(jiàn)表1.

在前期試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，本試驗(yàn)中采用含量20%的40目牡蠣殼粉和硫酸鈣晶須等材料作為填料，在保持其他組分含量不變的前提下，將改性竹纖維和硅酸鋁陶瓷纖維按不同的配比進(jìn)行配料，組成新的混雜纖維摩擦材料配方，具體見(jiàn)表2，然后用Y32-63T型四柱液壓機(jī)壓制出含量不同的試樣.

表1 混雜纖維增強(qiáng)摩擦材料配方

表2 改性竹纖維和硅酸鋁陶瓷纖維含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

1.1.2 試驗(yàn)設(shè)備 摩阻材料試樣制備所用的主要設(shè)備如表3所示.

表3 試驗(yàn)主要設(shè)備

1.2試樣制備方法本試驗(yàn)中采用熱壓成型工藝，將增強(qiáng)纖維與作為基體的樹(shù)脂等材料進(jìn)行機(jī)械混合，通過(guò)模壓制樣.此方法可使制備的材料增強(qiáng)相分散較均勻，是目前汽車(chē)制動(dòng)片運(yùn)用最廣泛的工藝.實(shí)驗(yàn)工藝流程如圖1所示.

圖1 摩擦材料制備工藝流程

1.3摩阻材料性能測(cè)試方法

1.3.1 摩阻材料的硬度測(cè)試 采用XHRD-150型電動(dòng)塑料洛氏硬度計(jì)進(jìn)行摩阻材料的硬度測(cè)試.在每個(gè)試樣上分別選5個(gè)不同的點(diǎn)進(jìn)行硬度測(cè)試，然后取平均值.工藝參數(shù)如下：鋼球壓頭直徑為6.35 mm，初試驗(yàn)力為98.07 N，總試驗(yàn)力為980.7 N.試樣尺寸為：長(zhǎng)度(25±0.5) mm，厚度(6±0.2) mm，寬度(25±0.5) mm.

1.3.2 摩阻材料沖擊強(qiáng)度測(cè)試 牡蠣殼粉試樣的沖擊強(qiáng)度用XJJ-5型的簡(jiǎn)支梁式擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試.試驗(yàn)時(shí)，調(diào)節(jié)支點(diǎn)間距離為(40±0.2) mm.每種試樣將測(cè)試3根，摩阻材料的沖擊強(qiáng)度為3次試驗(yàn)的平均值.試樣的尺寸為：厚度(6±0.2) mm，長(zhǎng)度(55±0.5) mm，寬度(10±0.2) mm.試驗(yàn)工藝參數(shù)：擺錘的沖擊能量為0.98 J，沖擊速度為2.9 m/s.

1.3.3 摩擦學(xué)性能實(shí)驗(yàn) 摩擦材料的摩擦磨損性能實(shí)驗(yàn)使用的設(shè)備是X-DM型調(diào)壓變速摩擦試驗(yàn)機(jī)，由咸陽(yáng)新益摩擦密封設(shè)備有限公司生產(chǎn).根據(jù)GB5763-1998標(biāo)準(zhǔn)對(duì)摩擦材料試樣的摩擦系數(shù)和磨損性能進(jìn)行檢測(cè).X-DM型調(diào)壓變速摩擦試驗(yàn)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表4.

表4 X-DM型調(diào)壓變速摩擦試驗(yàn)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

磨損率計(jì)算公式為：

式中，R—試片中心與摩擦盤(pán)轉(zhuǎn)軸中心的距離(0.15 m);n—試驗(yàn)時(shí)摩擦盤(pán)總轉(zhuǎn)數(shù)(5 000轉(zhuǎn))；A—試片磨損面的總面積(cm2);d1—試驗(yàn)前試片的平均厚度(cm);d2—試驗(yàn)后試片的平均厚度(cm);fm—試驗(yàn)時(shí)的總平均摩擦力(N).

1.3.4 摩擦磨損表面形貌觀察 試樣的磨損表面形貌采用荷蘭henom-World公司生產(chǎn)的臺(tái)式掃描電子顯微鏡觀察.

2 混雜纖維摩擦材料機(jī)械性能分析

2.1試驗(yàn)結(jié)果混雜纖維摩擦材料含量對(duì)硬度的影響如圖2所示，混雜纖維摩擦材料含量對(duì)沖擊強(qiáng)度的影響如圖3所示.

圖2 混雜纖維摩擦材料含量對(duì)硬度的影響

圖3 混雜纖維摩擦材料含量對(duì)沖擊強(qiáng)度的影響

2.2試驗(yàn)分析從圖2和圖3可以發(fā)現(xiàn)，改性竹纖維與硅酸鋁陶瓷纖維混雜增強(qiáng)的試樣的硬度和沖擊強(qiáng)度明顯高于硅酸鋁陶瓷纖維增強(qiáng)的試樣，硬度和改性竹纖維增強(qiáng)試樣基本相同，但沖擊強(qiáng)度高于改性竹纖維增強(qiáng)試樣，這充分說(shuō)明改性竹纖維與硅酸鋁陶瓷纖維具有較好的混雜效應(yīng)，同時(shí)起到協(xié)同互補(bǔ)作用.

3 混雜纖維摩擦材料摩擦和磨損性能

圖4 摩擦升溫過(guò)程中增強(qiáng)纖維含量對(duì)摩擦系數(shù)的影響

3.1增強(qiáng)纖維含量對(duì)摩擦材料摩擦系數(shù)的影響摩擦材料的抗熱衰退性能可以從升溫過(guò)程中的摩擦系數(shù)變化中反映出來(lái).從圖4可以看出，當(dāng)摩擦材料中的增強(qiáng)纖維不同時(shí)，摩擦材料試樣的摩擦系數(shù)也呈現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì).對(duì)于改性竹纖維單一增強(qiáng)材料試樣而言，摩擦系數(shù)在200 ℃時(shí)緩慢下降，高溫?zé)崴ネ爽F(xiàn)象不嚴(yán)重，在200 ℃摩擦溫度時(shí)摩擦系數(shù)達(dá)到最大值0.39，在100 ℃時(shí)，摩擦系數(shù)達(dá)到最小值0.32.在100 ℃-350 ℃溫度變化期間，改性竹纖維單一增強(qiáng)材料試樣的摩擦系數(shù)較穩(wěn)定.這說(shuō)明改性竹纖維單一增強(qiáng)材料試樣相對(duì)而言其摩擦熱穩(wěn)定性能更優(yōu)良.對(duì)于硅酸鋁陶瓷纖維單一增強(qiáng)材料試樣，摩擦系數(shù)在250 ℃時(shí)達(dá)到最大值，為0.47，然后急劇下降，出現(xiàn)嚴(yán)重的高溫?zé)崴ネ爽F(xiàn)象.350 ℃時(shí)摩擦系數(shù)達(dá)到最小值0.21.對(duì)于改性竹纖維和硅酸鋁陶瓷纖維混雜增強(qiáng)摩擦材料而言，其摩擦系數(shù)總體上變化趨勢(shì)接近，均是先增大再減小.摩擦系數(shù)基本上介于改性竹纖維單一增強(qiáng)材料試樣和硅酸鋁陶瓷纖維單一增強(qiáng)材料試樣之間，說(shuō)明改性竹纖維和硅酸鋁陶瓷纖維混雜增強(qiáng)能起到互補(bǔ)協(xié)同效應(yīng).

從圖4還可以看出，混雜纖維增強(qiáng)摩擦材料的含量不同，它們的摩擦系數(shù)變化也略有所不同.對(duì)于3.4%改性竹纖維和3.4%硅酸鋁陶瓷纖維混雜纖維增強(qiáng)摩擦材料試樣，在150-300 ℃溫度變化期間，摩擦系數(shù)變化幅度較小，熱衰退現(xiàn)象不明顯，摩擦系數(shù)最大值為0.43，最小值為0.37，這表明其摩擦熱穩(wěn)定性更好,改性竹纖維和硅酸鋁陶瓷纖維的互補(bǔ)協(xié)同效應(yīng)更佳.1.7%改性竹纖維和5.1%硅酸鋁陶瓷纖維混雜纖維摩擦材料試樣的摩擦系數(shù)變化較大，趨勢(shì)和硅酸鋁陶瓷纖維單一增強(qiáng)材料試樣相似.總體上看，改性竹纖維和硅酸鋁陶瓷纖維能起到較好的混雜效應(yīng).

降溫過(guò)程中摩擦系數(shù)的變化趨勢(shì)能反映該材料的恢復(fù)性能的優(yōu)劣.圖5為摩擦降溫過(guò)程中增強(qiáng)纖維含量對(duì)摩擦材料性能的影響.從圖5可以看出，在300-100 ℃降溫過(guò)程中，試樣的摩擦系數(shù)均隨著溫度的降低而逐漸減小，其中改性竹纖維單一增強(qiáng)纖維摩擦材料試樣的變化趨勢(shì)最大.從300 ℃時(shí)摩擦系數(shù)0.52降到100 ℃時(shí)摩擦系數(shù)0.29，恢復(fù)性最差.1.7%改性竹纖維和5.3%硅酸鋁陶瓷纖維混雜增強(qiáng)的試樣摩擦系數(shù)隨溫度的降低變化趨勢(shì)較小，相比較而言，它的摩擦性能最穩(wěn)定，恢復(fù)性也較好.

3.2增強(qiáng)纖維含量對(duì)摩擦材料磨損率的影響圖6為增強(qiáng)纖維含量與摩擦材料磨損率隨溫度變化的關(guān)系.從圖6中可以發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的升高，5種增強(qiáng)纖維摩擦材料的磨損率變化均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，在250 ℃以上，磨損率增加的趨勢(shì)更為顯著.從圖6還可以看出，在單一纖維增強(qiáng)的試樣中，以改性竹纖維增強(qiáng)的試樣在100 ℃-350 ℃之間的磨損率均最大，變化幅度也最大，磨損率最大達(dá)到0.44，表明以硅酸鋁陶瓷纖維為單一增強(qiáng)纖維的試樣的耐磨性能要好于改性竹纖維試樣.

圖5 摩擦降溫過(guò)程中增強(qiáng)纖維含量對(duì)摩擦系數(shù)的影響

圖6 增強(qiáng)纖維含量對(duì)摩擦材料磨損率的影響

此外，改性竹纖維和硅酸鋁陶瓷纖維混雜增強(qiáng)的試樣在各個(gè)溫度下的磨損率均低于單一纖維增強(qiáng)的試樣，說(shuō)明混雜纖維具有更好的耐磨性.

4 混雜纖維摩擦材料的磨損形貌分析

摩擦材料的表面磨損是復(fù)雜的損傷過(guò)程，受到溫度、材料等因素的影響.為了更好地分析理解不同種類(lèi)的增強(qiáng)纖維對(duì)其摩擦系數(shù)和磨損率影響，本試驗(yàn)中對(duì)不同混雜纖維的摩擦材料試樣進(jìn)行磨損形貌分析，SEM結(jié)果分別如圖7-10.

從圖7中顯示，單一硅酸鋁陶瓷纖維試樣磨損表面出現(xiàn)較大面積的摩擦膜，磨損面出現(xiàn)較多的磨屑顆粒和一些較大的剝落凹坑，摩擦材料出現(xiàn)片狀撕扯，磨損程度增大，導(dǎo)致硅酸鋁陶瓷纖維試樣的磨損相對(duì)混雜纖維試樣的大.由此可見(jiàn)，單一硅酸鋁陶瓷纖維試樣磨損表現(xiàn)出來(lái)的是黏著磨損和磨粒磨損.

從圖7-10可以發(fā)現(xiàn)，幾個(gè)混雜纖維試樣的磨損表面光滑，出現(xiàn)比較多的大面積平整及致密的摩擦層，這樣可以在磨損面上形成保護(hù)覆蓋，進(jìn)一步減輕磨損面的不平度，降低摩擦系數(shù).圖10所示，1.7%改性竹纖維和5.3%硅酸鋁陶瓷纖維混雜纖維摩擦材料試樣中，剝落現(xiàn)象較明顯，有些纖維被拔出，摩擦系數(shù)增大，磨損表現(xiàn)出來(lái)的是剝落磨損為主.

圖7 硅酸鋁陶瓷單一纖維試樣在磨損試驗(yàn)后的摩擦表面SEM照片

圖8 1.7%硅酸鋁陶瓷纖維+5.3%改性竹纖維試樣在磨損試驗(yàn)后的摩擦表面SEM照片

圖9 3.4%硅酸鋁陶瓷纖維+3.4%改性竹纖維試樣在磨損試驗(yàn)后的摩擦表面SEM照片

圖10 5.3%硅酸鋁陶瓷纖維+1.7%改性竹纖維試樣在磨損試驗(yàn)后的摩擦表面SEM照片

5 結(jié)論

1) 改性竹纖維與硅酸鋁陶瓷纖維混雜增強(qiáng)的試樣的硬度和沖擊強(qiáng)度明顯高于改性竹纖維增強(qiáng)的試樣，硬度和硅酸鋁陶瓷纖維增強(qiáng)試樣基本一樣，但沖擊強(qiáng)度高于硅酸鋁陶瓷纖維增強(qiáng)試樣，這充分說(shuō)明改性竹纖維與硅酸鋁陶瓷纖維具有較好的混雜效應(yīng)，在摩擦過(guò)程中起到協(xié)同互補(bǔ)作用.

2) 在單一增強(qiáng)纖維摩擦材料試樣中，相對(duì)硅酸鋁陶瓷纖維試樣，改性竹纖維單一增強(qiáng)材料試樣相對(duì)而言其摩擦熱穩(wěn)定性能更優(yōu)良.

3) 在摩擦材料試樣升溫過(guò)程中，不同含量的改性竹纖維和硅酸鋁陶瓷纖維混雜增強(qiáng)摩擦材料，其摩擦系數(shù)總體上變化趨勢(shì)接近，均是先增大再減小.摩擦系數(shù)基本上介于改性竹纖維單一增強(qiáng)材料試樣和硅酸鋁陶瓷纖維單一增強(qiáng)材料試樣之間，說(shuō)明改性竹纖維和硅酸鋁陶瓷纖維混雜增強(qiáng)能起到互補(bǔ)協(xié)同效應(yīng).

4) 在摩擦材料試樣降溫過(guò)程中，不同含量試樣的摩擦系數(shù)均隨溫度的降低而逐漸減小，其中改性竹纖維單一增強(qiáng)纖維摩擦材料試樣的變化趨勢(shì)最大.從300 ℃時(shí)摩擦系數(shù)0.52降到100 ℃時(shí)摩擦系數(shù)0.29，恢復(fù)性最差.1.7%改性竹纖維和5.1%硅酸鋁陶瓷纖維混雜增強(qiáng)的試樣的摩擦系數(shù)隨溫度的降低變化趨勢(shì)較小，相對(duì)而言，它的摩擦性能最穩(wěn)定，恢復(fù)性也較好.

5) 隨著溫度的升高，本實(shí)驗(yàn)中不同含量的增強(qiáng)纖維摩擦材料的磨損率變化均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，在250 ℃以上，磨損率增加的趨勢(shì)更為顯著.在單一纖維增強(qiáng)的試樣中，以改性竹纖維增強(qiáng)的試樣在100-350 ℃之間的磨損率均最大，變化幅度也是最大，磨損率最大達(dá)到0.44，表明以硅酸鋁陶瓷纖維為單一增強(qiáng)纖維的試樣的耐磨性能要好于改性竹纖維試樣.同時(shí)，改性竹纖維和硅酸鋁陶瓷纖維混雜增強(qiáng)的試樣在各個(gè)溫度下的磨損率均低于單一纖維增強(qiáng)的試樣，說(shuō)明混雜纖維具有更好的耐磨性.

6) 硅酸鋁陶瓷纖維試樣的磨損主要為黏著磨損，改性竹纖維和硅酸鋁陶瓷纖維混雜增強(qiáng)的試樣的磨損形式主要為黏著磨損和磨粒磨損的復(fù)合磨損.

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Analysisonmechanicalandtribologicalperformanceofhybridfiberfrictionmaterial

LIN Shaofang1, ZHENG Kaikui2, JIANG Wei2

(1.Department of Traffic Engineering, Fuzhou Polytechnic College, Fuzhou 350108,China;
2.School of Mechanical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou 350108, China)

Oyster shell powder and calcium sulfate whisker were added as fillers, modified bamboo fiber and ceramic fiber as hybrid fiber. A new type of friction was made. The friction and wear properties were tested by X-DM regulating speed friction testing machine. The results showed that the modified bamboo fiber/aluminum silicate ceramic fiber had better tribological properties and good hybrid effect.

hybrid fiber; mechanical performance; tribological performance

2017-03-25

2015年福建省中青年教師教育科研項(xiàng)目(JA15803)資助

林少芳(1976-)，女，講師，E-mail：419800288@qq.com

1000-2375(2017)06-0591-06

TH117.1

A

10.3969/j.issn.1000-2375.2017.06.006

(責(zé)任編輯 郭定和)