碳布疊層增強樹脂基濕式摩擦材料的制備及其性能＊

李健英，巫莎莎，文國富，尹彩流，王秀飛，藍奇

（廣西民族大學 摩擦材料研究所，廣西 南寧 530006）

0 引言

濕式摩擦材料是在潤滑條件下（即在油中）工作的摩擦材料.因為濕式摩擦材料耐磨損，其被普遍應用在飛機、坦克以及汽車等多類機械上，用作機械傳動過程中的制動、離合和變速［1］.濕式摩擦材料的制備、性能及摩擦磨損機理研究是當今新材料領域的前沿研究課題，目前應用較為廣泛的濕式摩擦材料是粉末冶金摩擦材料和紙基摩擦材料［2］.粉末冶金摩擦材料摩擦系數低，傳動不夠平穩以及在長時間工作條件下容易與對偶材料粘接，紙基摩擦材料在高轉速、大壓力以及潤滑不充分時容易失效［3－5］.如今車輛朝著快速重載方向發展，對濕式傳動系統的安全性和穩定性提出了更高的要求，解決問題的關鍵是怎樣克服粉末冶金摩擦材料和紙基摩擦材料的上述缺點.目前的研究熱點是碳纖維或多纖維增強的復合材料.

由于碳布具有優異的自潤滑性能、耐熱性能、承載能力和摩擦磨損性能，其已被廣泛用于多種復合材料中［6－7］，且目前國內研究碳布／樹脂基濕式摩擦材料的學者相對較少，摩擦磨損性能參差不齊.眾所周知，黏結劑對濕式摩擦材料力學性能和摩擦磨損性能的影響非常關鍵.如梁云等［8］研究了三聚氰胺、腰果殼油改性酚醛樹脂和丁腈橡膠改性酚醛樹脂對芳綸復合紙基摩擦材料的影響，結果表明后者材料綜合性能較好，其熱分解溫度相對較高，無明顯的“公雞尾”現象.基于此，本實驗采用酚醛樹脂和環氧樹脂作為黏結劑，制備一種碳布／雙樹脂摩擦材料，并研究不同比例酚醛樹脂對摩擦材料摩擦磨損性能的影響，有助于開發高摩擦系數、高穩定性的濕式摩擦材料.

本研究主要是針對高摩擦因數、低磨損量、耐熱極限高、工作可靠穩定的濕式摩擦材料的理想性能，配制不同比例環氧樹脂和酚醛樹脂混合液黏結碳布，按一定技術參數要求壓制疊層碳布，對壓制后的疊層碳布進行固化處理，測定疊層碳布的摩擦系數和硬度，探索碳布疊層增強環氧樹脂濕式摩擦材料的最佳制備工藝及其性能；針對碳布疊層作為增強基體，探索環氧樹脂和酚醛樹脂作為黏結劑的摩擦材料的摩擦磨損機理.

1 實驗部分

1.1 實驗材料

增強纖維：日本東麗碳纖維布（平紋、雙向布、3 K、T300、面密度為200g／m2）.黏結劑：PF－200，腰果殼油改性酚醛樹脂，微黃粉末；E－44環氧樹脂，透明膠狀.溶劑：分析純無水乙醇.

1.2 實驗配方

碳布疊層增強樹脂基濕式摩擦材料浸漬劑配方見表1.

表1 浸漬劑配方（wt.%）Tab.1 Impregnant recipe（wt.%）

1.3 材料制備方法

疊層碳布增強樹脂基摩擦材料的制備：

1）先按照比例將改性酚醛樹脂和環氧樹脂溶解在無水乙醇中，配制呈膠體浸漬劑；

2）用刷子均勻地在碳布上涂抹浸漬劑；

3）在30℃、2h條件下干燥浸漬后的碳布；

4）在平板硫化機上熱壓一定厚度的碳布，工藝參數為：升溫至80℃后于3MPa保溫5min，120℃在10MPa保溫8min，160℃在15MPa保溫5min；

5）將經過熱壓后的碳布放入恒溫鼓風干燥箱中進行固化處理，固化工藝參數為：180℃保溫8h.固化處理后的樣品如圖1所示.

圖1 固化熱處理后的樣品Fig.1The samples after curing heat treatment

1.4 性能測試

1）使用MM1000－III濕式摩擦試驗機測試經熱處理后摩擦材料的摩擦因數.將材料測試樣品裁剪成外徑為Φ75mm、內徑為Φ53mm的圓環，在表面上開等間隔的12個徑向寬在1mm、深為1mm的油槽（如圖2所示）磨平，將其粘接在20＃鋼環上并放置在32＃液壓油中浸泡24h.實驗前試樣和對偶需進行5次磨損磨合，轉速為800r／min，油溫為80℃，保證接觸面積超過80%.根據GB／T 13826－2008，實驗采用壓力為0.5MPa，轉動慣量為0.1kg·m2，轉速分別為1000r／min、2000r／min、3000r／min，潤滑油為32＃液壓油，油溫為80℃，流量為3～5ml／cm2.通過改變轉速得到樣品的摩擦系數，摩擦系數為10次測量值的平均值.

圖2 開油槽后的樣品圖Fig.2Sample image of machined oil groove

2）使用XHR－150塑料布氏硬度計分別測量各個樣品的硬度.在樣品上隨機選取5個點測量硬度，結果為5個數值的平均值.

3）使用Zeiss EVO18型蔡司掃描電鏡觀察摩擦性能測試后樣品的表面形貌.

2 實驗數據及結果分析

2.1 混合樹脂對樣品摩擦性能的影響

2.1.1 制動轉速對摩擦性能的影響

圖3為在壓力0.5MPa下，腰果殼油改性酚醛樹脂和環氧樹脂作為黏結劑制成的樣品的摩擦系數隨轉速的變化關系圖.可以看出，隨著轉速的升高，摩擦材料與對偶材料的接觸時間相對較長，摩擦表面的溫度上升，潤滑油黏度降低，摩擦系數變小.但是2號樣品在3000r／min時的摩擦系數反而上升，隨著轉速和溫度的升高，滑動面的實際接觸會因低凹處磨屑填平和表面剪切變形而增大使摩擦接觸點瞬時溫升降低，因而滑動阻力增加，摩擦系數隨之升高［9］.

圖3 摩擦系數隨轉速的變化Fig.3Change relation between friction coefficient and brake speed

2.1.2 樹脂含量對摩擦性能的影響

從圖3可以看出，腰果殼油酚醛樹脂和環氧樹脂的比例為1∶2時摩擦系數最高，達0.14以上，摩擦性能最好，比例為1∶1時也具有較高的摩擦系數，比例為2∶1時的摩擦系數較低.

2.2 不同比例樹脂對摩擦系數穩定性的影響

圖4（a）、（b）、（c）分別為3個樣品在0.5MPa壓力下，轉速在3000r／min時的摩擦穩定系數的變化圖.可以看出，經過10次實驗后樣品的摩擦穩定系數波動不大保持在0.9左右.環氧樹脂的黏結性好，使碳布層與層之間、碳纖維與碳纖維之間的粘接緊密，減少脫粘，所以環氧樹脂能保證摩擦系數的穩定性.且在固化熱處理過程中始終壓制樣品，以消除樣品發生變形導致的材料翹曲變形.

圖4 摩擦材料在3000r／min條件下穩定系數Fig.4Friction coefficient Stability of friction materials under 3000r／min speed

2.3 樹脂比例對制動力矩曲線的影響

圖5（a）、（b）、（c）分別是1號、2號和3號摩擦試驗過程中，在轉速為2000r／min的摩擦力矩曲線圖.摩擦接觸過程由3個階段組成，即流體擠壓階段、粗糙峰混合接觸階段和壓緊接觸階段，對應的摩擦系數分為起始靜摩擦系數、動摩擦系數、鎖止靜摩擦系數［10］.由圖5可以看出在制動比壓較小時摩擦力矩陡峭上升，1號樣品和3號樣品的摩擦力矩值較大，摩擦力矩曲線中間比較平穩，無明顯的“公雞尾”現象，且制動時間較短，表明其摩擦穩定性較好.2號樣品的摩擦力矩曲線的尾部波動明顯，制動時間較長，表明其瞬時制動穩定性較差，但是其中間部分的力矩曲線的僅有微小的波動，表明其整體上的平穩性較好.此外，隨著樹脂比例的變化，2號樣品的摩擦力矩曲線的上升部分的轉折更加明顯，轉折點降低，這表明隨著樹脂比例的變化，起始靜摩擦力矩增大，摩擦材料的制動容量增大.隨著樹脂比例的變化，引起摩擦振動和摩擦噪音的可能性減小［11］.

圖5 不同樣品在2000r／min轉速下摩擦力矩曲線Fig.5Friction torque curve of different samples under 2000r／min speed

2.4 樹脂對硬度的影響

使用XHR－150塑料布氏硬度計測量各個摩擦材料樣品的硬度，數據如表2所示.從表2中各樣品的硬度平均值可知，腰果殼油改性酚醛樹脂和環氧樹脂的比例為1∶2時樣品的硬度最大，為121.8HRL.腰果殼油改性酚醛樹脂和環氧樹脂的比例為2∶1時的樣品的硬度最小.熱固性的腰果殼油改性酚醛樹脂和環氧樹脂都能夠提高樣品的硬度，且環氧樹脂的效果更明顯，故環氧樹脂含量較多時樣品的硬度更大.

表2 摩擦材料樣品的硬度Tab.2 Hardness of friction material sample（HRL）

2.5 不同樹脂比例在摩擦材料中的作用機理

圖6是不同樣品在摩擦性能測試后在1000倍的表面形貌的SEM照片，從圖中可以看出：樣品經磨損后表面出現纖維斷裂、纖維斷裂并分層、黏結劑脫落、黏結劑磨損，以及纖維磨損導致的斷面不平整，主要的磨損機理是黏著磨損和疲勞磨損.從圖6（a）、（b）中可以看出，圖6（a）1號樣品表面發生碳纖維／樹脂界面的分離較多，包括纖維斷裂，黏結劑脫離碳纖維，出現微小的裂縫，但研究發現碳纖維與樹脂之間發生界面分離在摩擦材料摩擦過程中是普遍存在的.圖6（b）2號樣品表面的黏結劑能夠很好地粘接在每根碳纖維的縫隙里，而且致密性和均勻性較好，碳纖維的排布整齊而密集，但圖6（b）圖出現碳纖維斷裂分層現象而且樣品表面纖維磨損不平.圖6（c）3號樣品產生較多的磨屑和磨粒，材料表面的微小凸起與對偶盤相接觸，由于粘著、剪切、機械切削等作用使微小凸起脫落而形成磨屑.這表明增大腰果殼油改性酚醛樹脂的含量易造成較多的磨屑和磨粒，增大了樹脂的磨損，提高了磨損率.對比3種樣品的表面形貌圖，可見腰果殼油改性酚醛樹脂和環氧樹脂的比例為1∶2時的2號樣品能夠提高摩擦材料的黏結性能，降低磨損率，摩擦磨損性能較好.

圖6 不同樣品在1000倍下的SEM圖Fig.6SEM images of different samples under 1000times magnification

3 結論

通過實驗研究和結論分析，可得到如下結論：

1）壓力一定時，碳布疊層樹脂基濕式摩擦材料的摩擦系數隨轉速的升高而減小，轉速的降低而增大.

2）酚醛樹脂和環氧樹脂比例的不同會對摩擦材料的性能產生影響.

3）環氧樹脂的黏結性好，使碳布黏合得更加緊密，使摩擦材料的穩定系數不會大幅度波動，幾乎都在0.9以上.

4）腰果殼油改性酚醛樹脂是熱固性樹脂，能提高樣品的硬度.腰果殼油改性酚醛樹脂和環氧樹脂的比例為1∶2時的所制備的碳布疊層／濕式摩擦材料的綜合性能最好，摩擦系數達到0.14，摩擦穩定系數在0.85以上.

［1］陳和發，桂柄初.濕式摩擦材料摩擦學性能研究［J］.山西科技大學學報，2013，31（4）：42－45.

［2］費杰，黃劍鋒，曹麗云，等.碳布／樹脂復合摩擦材料的濕式摩擦學性能［J］.復合材料學報，2013（3）：70－75.

［3］高家誠，伍沙，王勇.紙基摩擦材料的研究現狀［J］.功能材料，2009（3）：353－356，359.

［4］鄧海金，李雪芹，李明.孔隙率對紙基摩擦材料的壓縮回彈和摩擦磨損性能影響的研究［J］.摩擦學學報，2007（6）：544－549.

［5］李靜.Fe＿3Al基復合摩擦材料的制備與研究［D］.山東大學，2005.

［6］Liu L，Li W W，Tang Y P，et al.Friction and wear properties of short carbon fiber reinforced aluminum matrix composites ［J］.Wear，2009，266（7－8）：733－738.

［7］Rasheva Z，Zhang G，Burkhart T H.A correlation between the tribological and mechanical properties and short carbon fibers reinforced PEEK materials with different fiber orientations［J］.Tribology international，2010，43（8）：1430－1437.

［8］周雪松，黃小華，岳春燕，等.酚醛樹脂對芳綸復合紙基摩擦材料的影響［J］.紙與造紙，2005（3）：46－49.

［9］熊翔，黃伯云，徐惠娟，等.不同制動速度下碳布疊層炭／炭復合材料的摩擦磨損行為及機理［J］.中國有色金屬學報，2002（2）：255－259.

［10］費杰，李賀軍，付業偉，等.碳纖維增強紙基摩擦材料磨損機理研究［J］.摩擦學學報，2011（6）：540－545.

［11］付業偉，李賀軍，李克智，等.碳纖維對紙基摩擦材料摩擦磨損性能的影響［J］.摩擦學學報，2004（6）：555－559.