陶瓷纖維摩擦材料的制備及摩擦機制研究.pdf

1、近年來，公路、鐵路交通的發(fā)展加速了汽車、火車等運輸機械高速重載化的進程，從而對制動裝置中摩擦材料的性能提出了更高的要求。車輛行駛速度的提升要求摩擦材料能夠在較寬的速度、溫度范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的摩擦性能。石棉材料由于耐熱性能好，產(chǎn)量豐富，機械性能優(yōu)良，與樹脂基體匹配良好等特點，廣泛應(yīng)用于早期摩擦材料的配方中。但是由于石棉材料對于人體的健康存在危害，能引起環(huán)境污染，國內(nèi)外廣泛開展了無石棉摩擦材料的研究。主要的無石棉摩擦材料有鑄鐵摩擦材料、半金屬

2、摩擦材料、陶瓷型摩擦材料等。其中陶瓷型摩擦材料配方為無金屬或少金屬原材料，能夠很好解決半金屬及鑄鐵材料的銹蝕、摩擦噪音等問題，因而得到了各國摩擦材料研究領(lǐng)域的重視。新型摩擦材料的開發(fā)往往具有很強的經(jīng)驗依賴性，且評定摩擦材料配方需要考慮的因素包括力學(xué)性能、摩擦學(xué)性能、成本等諸多方面，給新型摩擦材料的研究與應(yīng)用帶來了一定困難。本文根據(jù)國際上摩擦材料研究及應(yīng)用情況，主要從新型陶瓷材料配方的開發(fā)、優(yōu)化、摩擦材料綜合性能評定、摩擦磨損機制、摩擦過

3、程熱一力耦合作用等方面進行了研究。采用冷壓成型、熱壓固化、后處理的方法制備了陶瓷型摩擦材料，測試了摩擦材料密度、沖擊強度、硬度等力學(xué)性能，利用定速式摩擦磨損試驗機測試陶瓷型摩擦材料摩擦系數(shù)、磨損率等摩擦學(xué)性能，并根據(jù)黃金分割法、模糊理論、灰色相關(guān)理論得到了優(yōu)化的摩擦材料配方，利用掃描電子顯微鏡觀察摩擦材料磨損表面形貌，討論了陶瓷型摩擦材料磨損機制，利用有限元方法對陶瓷型摩擦材料摩擦熱一力耦合過程進行了模擬，并在定速式摩擦磨損試驗機上測試

4、摩擦材料摩擦過程中摩擦表面溫度變化情況。通過模擬結(jié)果與定速摩擦溫升試驗對比，發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果與試驗結(jié)果較好吻合，證明有限元方法在摩擦材料摩擦過程熱一力耦合分析的可行性，為新型摩擦材料配方的開發(fā)、摩擦材料磨損機制的研究提供了理論與試驗依據(jù)。 增強纖維是摩擦材料原材料最重要的組成部分，與材料的摩擦磨損性能、機械強度等密切相關(guān)。摩擦材料中增強纖維的作用主要是使材料具有一定的強度和韌性，使材料能夠承受摩擦制動瞬時的沖擊、剪切、拉伸等機械作用

5、而不至于出現(xiàn)裂紋、斷裂、崩缺等機械損傷。陶瓷型摩擦材料中經(jīng)常使用的增強材料有陶瓷纖維、玻璃纖維、碳纖維、鈦酸鉀晶須、芳綸漿粕等，這些纖維材料能夠滿足具有足夠強度、韌性；良好的摩擦磨損性能；較好的耐熱性；合理的硬度等基本要求。本文采用硅氧鋁陶瓷纖維、碳纖維、鈦酸鉀晶須作為主要材料，研究開發(fā)陶瓷型摩擦材料。硅氧鋁陶瓷纖維具有熔點高、高溫力學(xué)性能優(yōu)良、密度低等特點，廣泛應(yīng)用于耐熱、耐高溫等領(lǐng)域，而在摩擦材料領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用較少。摩擦材料配方中一般

6、含有十幾種甚至幾十種原材料，各種原材料具有不同的作用。并且摩擦材料需要考察的性能指標包括力學(xué)性能、摩擦學(xué)性能、成本等諸多因素。因此，新型摩擦材料配方的開發(fā)往往具有很強的經(jīng)驗依賴性。本文為開發(fā)新型摩擦材料提供了一種定量計算的方法，并成功研制出一種新型陶瓷型摩擦材料配方。具體步驟為：首先進行增強纖維的選擇。在半金屬摩擦材料的基礎(chǔ)上，添加硅氧鋁陶瓷纖維，與鋼纖維混雜作為增強材料，腰果殼油改性酚醛樹脂與丁腈橡膠共混作為基體，添加適當摩擦性能改性

7、劑，制備出新型摩擦材料，并測試摩擦磨損性能，分析了硅氧鋁陶瓷纖維含量對摩擦材料摩擦磨損性能的影響。結(jié)果表明硅氧鋁陶瓷纖維可以作為摩擦材料的增強材料，添加少量的陶瓷纖維能夠明顯的改善半金屬摩擦材料的摩擦磨損性能，由于陶瓷纖維能夠提高摩擦系數(shù)穩(wěn)定性，特別是高溫下摩擦系數(shù)穩(wěn)定性，陶瓷纖維可以作為增強材料應(yīng)用于高性能陶瓷型摩擦材料的生產(chǎn)。當半金屬摩擦材料配方中陶瓷纖維含量超過5叭.％時，摩擦材料的穩(wěn)定系數(shù)和變化系數(shù)不隨其含量的增加而明顯變化，摩

8、擦材料的恢復(fù)性系數(shù)逐漸變小，磨損率顯著增加，表明硅氧鋁陶瓷纖維超過一定含量時會使摩擦材料的恢復(fù)性變差，使摩擦材料的磨損率增大，主要原因是陶瓷纖維在摩擦力作用下斷裂后形成的短陶瓷纖維在摩擦表面形成磨粒，增大了摩擦材料的磨粒磨損。因此在應(yīng)用陶瓷纖維作為摩擦材料增強劑的同時應(yīng)適當增加減磨的摩擦性能調(diào)節(jié)劑。 碳纖維是由不完全石墨結(jié)晶沿著纖維軸向排列的一種多晶的新型無機非金屬材料，具有“亂層石墨”結(jié)構(gòu)，在陶瓷型摩擦材料中能夠同時起到增強材

9、料與固體潤滑劑的作用。碳纖維具有低密度、高強度、高模量、耐高溫、抗化學(xué)腐蝕、低電阻、高導(dǎo)熱、低熱膨脹、耐化學(xué)腐蝕等特性，比強度和比模量優(yōu)于其他無機纖維。六鈦酸鉀晶須導(dǎo)熱系數(shù)小，且具有負溫度系數(shù)，化學(xué)性能穩(wěn)定，耐強酸，強堿且無毒害，力學(xué)性能極高，適合顯微增強，制造精、薄、形狀復(fù)雜、表面光潔度要求高的精密部件。本文用陶瓷纖維、碳纖維和鈦酸鉀晶須作為增強材料，腰果殼油改性酚醛樹脂與丁腈橡膠共混作為基體粘結(jié)劑，添加適量摩擦性能調(diào)節(jié)劑與空間填料開

10、發(fā)高性能陶瓷型摩擦材料。然后，在前期工作基礎(chǔ)上采用黃金分割法設(shè)計9組陶瓷型摩擦材料初選配方，用正交試驗法安排試驗考察陶瓷纖維、碳纖維、鈦酸鉀晶須含量對于摩擦材料綜合性能的影響。考核指標運用模糊理論綜合考慮摩擦材料力學(xué)、摩擦學(xué)、成本等因素。利用灰色相關(guān)性理論分析三種增強材料含量對于摩擦材料綜合性能影響的敏感度，得到三種纖維含量對摩擦材料綜合性能影響的敏感度序列。根據(jù)敏感度序列對正交試驗優(yōu)選出的1組摩擦材料初選配方按照黃金分割法進行調(diào)整得到

11、4組優(yōu)選配方，再次根據(jù)模糊理論綜合考察各優(yōu)選配方力學(xué)、摩擦學(xué)、成本等因素，計算優(yōu)選各配方模糊綜合評價值，從而得到最優(yōu)化的陶瓷型摩擦材料配方。 由于摩擦力的作用，摩擦材料在制動過程中表面溫度迅速升高，導(dǎo)致摩擦材料磨損表面受力狀態(tài)改變。溫度過高會引起摩擦材料基體樹脂的降解甚至發(fā)生粘流，引起摩擦系數(shù)的熱衰退現(xiàn)象。同時由于摩擦材料磨損表面及近表面區(qū)域的溫度場、應(yīng)力場的改變會直接影響摩擦材料的疲勞磨損程度，對摩擦材料摩擦過程中表面溫度場與

12、應(yīng)力場狀態(tài)的預(yù)測對于提高摩擦材料的性能具有重要意義。本文在非平衡態(tài)熱力學(xué)理論基礎(chǔ)上，采用有限元方法將摩擦材料導(dǎo)熱方程離散化，對陶瓷型摩擦材料摩擦過程表面溫度分布及應(yīng)力分布情況進行模擬，并用定速溫升試驗對模擬結(jié)果進行驗證。結(jié)果表明：在摩擦材料工作過程中，剎車片前端溫度明顯高于后端，在表面存在溫度梯度，且隨著制動壓力的提高，摩擦表面最高溫度相應(yīng)提高，表面溫度梯度越大。隨著制動摩擦?xí)r間的推移，摩擦材料表面沿著滑動方向所受的剪切力逐漸增大，制動