非金屬礦物材料在摩擦材料中的應(yīng)用

張紅林，焦紅斌（咸陽非金屬礦研究設(shè)計(jì)院有限公司，陜西 咸陽 712021）

非金屬礦物材料在摩擦材料中的應(yīng)用

張紅林，焦紅斌
（咸陽非金屬礦研究設(shè)計(jì)院有限公司，陜西 咸陽 712021）

【摘 要】非金屬礦物材料以其獨(dú)特的物化性能，在摩擦材料應(yīng)用中有著不可或缺的地位。本文詳細(xì)介紹了非金屬礦物材料的特征、分類，以及摩擦材料用主要原材料的基本要求。另外，結(jié)合摩擦材料生產(chǎn)實(shí)際，還介紹了幾種摩擦材料用非金屬礦物材料的應(yīng)用和質(zhì)量控制情況，對非金屬礦物材料的實(shí)際應(yīng)用起到指導(dǎo)意義。

【關(guān)鍵詞】非金屬礦物材料；摩擦材料；應(yīng)用；質(zhì)量控制

1　非金屬礦物材料的特征與分類

1.1 特征

非金屬礦物材料是以非金屬礦物或巖石為基本或主要原料，通過加工制備出具有一定功能、一定使用目的材料，如功能填料、摩擦材料、密封材料、保溫隔熱材料、電功能材料、吸附催化材料、環(huán)保材料、膠凝與流變材料、聚合物/納米粘土復(fù)合材料、建筑裝飾材料等。

非金屬礦物材料主要特征有：①其原料或主要組分為非金屬礦物或經(jīng)過選礦、加工的非金屬礦物；②非金屬礦物材料沒有完全改變非金屬礦物原有的物理、化學(xué)特性或結(jié)構(gòu)特征；③非金屬礦物材料是通過加工制備的功能性材料。因此，非金屬礦物材料具有一定的技術(shù)含量和明確用途，而不能直接應(yīng)用的原礦和加工產(chǎn)品不屬于非金屬礦物材料的范疇。

1.2 分類

非金屬礦物材料種類繁多，按照非金屬礦的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)分類如表1所示。

2　摩擦材料的組成和生產(chǎn)要求

摩擦材料屬于高分子三元復(fù)合材料，它包括三部分：以高分子化合物為粘結(jié)劑、以無機(jī)或有機(jī)類纖維為增強(qiáng)材料、以填料為摩擦性能調(diào)節(jié)劑。

表1　非金屬礦物材料分類

2.1 對粘結(jié)劑的要求

摩擦材料生產(chǎn)中要求粘結(jié)劑具有以下性能：①要耐熱性好，有較好的熱分解溫度和較低的熱失重；②粉狀樹脂細(xì)度要高，一般為100～200目，細(xì)度越細(xì)越好；③游離酚含量要低，以1%～3%為宜；④要有適宜的固化速度(150℃下，40～60s)和流動距離(125℃下，40～80mm)。

2.2 對纖維材料的要求

摩擦材料生產(chǎn)中用到的纖維材料應(yīng)具有以下性能：①增強(qiáng)效果好；②耐熱性好，在摩擦工作溫度下，不會發(fā)生熔融、碳化與熱分解現(xiàn)象；③具有基本的摩擦系數(shù)；④硬度不宜過高；⑤工藝(可操作性)性能好。

2.3 對填料的要求

摩擦材料生產(chǎn)中所用的填料應(yīng)具有以下性能：①能夠調(diào)節(jié)和改善制品的摩擦性能、物理性能和機(jī)械強(qiáng)度；②能夠控制制品熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱性、收縮性，增加產(chǎn)品尺寸的穩(wěn)定性；③能夠改善制品的制動噪音；④能夠提高制品的制造工藝性能與加工性能；⑤能夠改善制品外觀質(zhì)量及密度；⑥能夠降低生產(chǎn)成本。

3　非金屬礦物材料在摩擦材料中的應(yīng)用與質(zhì)量控制

非金屬礦物材料的結(jié)構(gòu)和化學(xué)性能是在摩擦材料中得到使用的重要因素，但同時也不能忽視非金屬礦物材料的粒度、硬度、導(dǎo)熱性、熱穩(wěn)定性、表面積等物理性能對摩擦材料的影響。本文選取用作增強(qiáng)材料的蛭石和空間填料的重晶石兩種非金屬礦物材料，介紹其應(yīng)用和質(zhì)量控制。

3.1 蛭石在摩擦材料中的應(yīng)用與質(zhì)量控制

3.1.1 蛭石的特征

蛭石是一種復(fù)雜的鐵、鎂含水硅酸鹽類礦物，屬于無機(jī)非金屬材料。分子式為(MgFe)2(SiAlFe)4O10(OH)2·4H2O。蛭石呈薄片狀結(jié)構(gòu)，由兩層層狀的硅氧骨架，通過氫氧鎂石層或氫氧鋁石層結(jié)合而形成雙層硅氧四面體，“雙層”之間有水分子層。高溫加熱時“雙層”間的水分變?yōu)檎羝a(chǎn)生壓力，使“雙層”分離、膨脹。

3.1.2 蛭石的分類

蛭石按階段性劃分為蛭石原礦和膨脹蛭石，按顏色分類可分為金黃色蛭石、銀白色蛭石、乳白色蛭石。

3.1.3 蛭石的物理性能及化學(xué)成分

蛭石物理性能如下：外觀呈鱗片狀、片狀或單斜晶系的假晶體，鱗片重疊，在2.54cm厚度內(nèi)可疊100萬片；珍珠光澤、油脂光澤、無光澤、表面暗淡呈多種光澤；金黃、褐、褐綠、暗綠、黑色及雜色，條痕白色；密度2.2～2.8g/cm3；硬度1～1.5；松散密度1 100～1 200kg/m3；熔點(diǎn)1 320～1 350℃；抗壓強(qiáng)度100～150MPa；折射極限Ng=1.525～1.561，Np=1.545～1.581；含水量7%。

蛭石化學(xué)成分為(%)：SiO237～43、MgO 11～ 23、Al2O39～17、CaO 1～3、Fe2O35～24、其他2～9。

3.1.4 膨脹蛭石的性能

膨脹蛭石是蛭石精礦在800～1 000℃膨脹獲得的，其結(jié)構(gòu)彼此共用三個頂點(diǎn)連接成無限六方平面網(wǎng)，借助剩下的活性氧離子與金屬離子相連再與平面層連接的層狀結(jié)構(gòu)(如下圖所示)。

膨脹蛭石SEM圖

膨脹蛭石因其特殊成分及結(jié)構(gòu)，具有以下優(yōu)良性能：①由于層間粘結(jié)力弱，從而使蛭石片可分剝到20 ×10-10m的薄片，因此蛭石內(nèi)外表面很大，它和基體連接比較緊密，具有較高的粘結(jié)強(qiáng)度，良好的剪切應(yīng)力；②膨脹蛭石的熔點(diǎn)高達(dá)1 400℃以上，因此其具有很好的熱穩(wěn)定性；③膨脹蛭石的莫氏硬度為1～1.5之間，因此使用膨脹蛭石不會劃傷制動盤；④由于膨脹蛭石的層狀結(jié)構(gòu)，層與層之間容易滑動，剪切力小，因此會適當(dāng)調(diào)節(jié)摩擦材料的摩擦系數(shù)，并提高材料的耐磨性；⑤膨脹蛭石具有較強(qiáng)的吸聲性能；⑥膨脹蛭石屬無機(jī)物，高溫時結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，因此耐腐蝕。

3.1.5 膨脹蛭石在摩擦材料中的作用

摩擦材料的發(fā)展趨勢是向高性能、高舒適性(低振動和噪音)、低成本、輕量化、環(huán)保型等方向發(fā)展。膨脹蛭石由于低成本、可吸音、比重小、耐溫性、性質(zhì)穩(wěn)定，在降噪減震、環(huán)保方面的出色表現(xiàn)而廣泛用于摩擦材料。特別是盤式制動片中，可以有效降低制動噪聲，并降低制品的密度，改善并清理摩擦靜電粘貼物，增加制品彈性。

3.1.6 對膨脹蛭石的技術(shù)指標(biāo)要求

膨脹蛭石應(yīng)用于摩擦材料時，需控制的性能指標(biāo)如表2所示。

3.1.7 膨脹蛭石的測試方法及質(zhì)量控制

膨脹蛭石質(zhì)量指標(biāo)按JC/T 441-2009《膨脹蛭石》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的試驗(yàn)方法進(jìn)行。膨脹蛭石因其較大的孔隙率和比表面積，具有較強(qiáng)的吸附能力，而膨脹蛭石的松體積密度和粒度組成是這一性能的直接體現(xiàn)，因此在使用過程中需控制好松體積密度和粒度組成這兩個指標(biāo)的穩(wěn)定性。此外，膨脹蛭石中的雜質(zhì)，特別是一些堅(jiān)硬的砂粒，會在摩擦材料使用中造成對偶面的損傷。因此，企業(yè)在使用時除了控制好JC/ T441-2009《膨脹蛭石》標(biāo)準(zhǔn)中的指標(biāo)項(xiàng)目外，還應(yīng)結(jié)合自己的產(chǎn)品控制好膨脹蛭石的含雜量。

3.2 重晶石在摩擦材料中的應(yīng)用與質(zhì)量控制

3.2.1 重晶石的性質(zhì)

重晶石是一種含鋇的硫酸鹽類礦物，屬斜方晶系，常見的晶體呈板狀，少數(shù)呈柱狀、條狀，也有三向等長的晶體。集合體常呈粒狀，少數(shù)呈致密狀、隱晶狀或土狀。因混入物的特性和數(shù)量不同，有白色、淺灰色、淡藍(lán)色、黃色、粉紅色、褐色、淡棕色等，也常見無色透明晶體。基于重晶石價廉、熱穩(wěn)定性好、耐酸耐堿等天然特性，重晶石廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。

3.2.2 重晶石的分類

按照礦物成分的不同，重晶石礦石可分為單礦物重晶石礦石、石英—重晶石礦石、螢石—重晶石礦石、硫化物—重晶石礦石、鐵—重晶石礦石、粘土質(zhì)或砂質(zhì)—重晶石礦石。

3.2.3 重晶石的物理性能及化學(xué)組成

重晶石的物理特性：密度大(4.3～4.7g/cm3)，硬度低(莫氏硬度為2.5～3.5)。重晶石的化學(xué)性能穩(wěn)定，不溶于水、鹽酸，無磁性和毒性，其化學(xué)組成如表3所示。

表2　膨脹蛭石的指標(biāo)要求

表3　重晶石化學(xué)組成(%)

3.2.4 重晶石在摩擦材料中的作用

化工用重晶石的品級劃分按BaSO4的含量分為：一級96%、二級90%、三級85%，摩擦材料行業(yè)用的重晶石，其規(guī)格多為BaSO4含量90%～95%，粒度為325目。

重晶石作為填料廣泛應(yīng)用于摩擦材料中，可使產(chǎn)品摩擦系數(shù)穩(wěn)定、磨耗小，特別在高溫下能形成穩(wěn)定的摩擦界面，防止對對偶材料表面擦傷，使對偶磨面表面光潔，特別在高溫時對對偶盤的保護(hù)較為顯著。混料時，重晶石因比重較大而有利于提高分散性，同時也可調(diào)節(jié)壓制品表面密實(shí)度。重晶石用量的變化，不會嚴(yán)重改變產(chǎn)品性能的特點(diǎn)，可以用來調(diào)節(jié)壓制品密度、調(diào)整工藝模量、提高分散性、微調(diào)摩擦系數(shù)等。

3.2.5 對重晶石的技術(shù)指標(biāo)要求

重晶石應(yīng)用于摩擦材料時，需控制的性能指標(biāo)如表4所示。

表4　重晶石技術(shù)指標(biāo)要求

3.2.6 重晶石的檢測方法及質(zhì)量控制

重晶石的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)依照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2899-2008《工業(yè)沉淀硫酸鋇》或HG/T 3588-1999 《化工用重晶石》中規(guī)定的試驗(yàn)方法進(jìn)行。重晶石在摩擦材料的應(yīng)用中，除了關(guān)注粒度、含量外更應(yīng)該注意到材料中所含的雜質(zhì)，根據(jù)重晶石礦石的分類可知，除了單礦物重晶石礦石，其他礦石都有伴生礦，因此最終產(chǎn)品重晶石粉中就有可能引入不利雜質(zhì)(如二氧化硅、硅酸鹽等)，從而影響摩擦材料的產(chǎn)品性能和應(yīng)用效果。

4　結(jié)論

非金屬礦物材料因其優(yōu)異的物理化學(xué)性能，會促進(jìn)和改善摩擦材料的產(chǎn)品性能，但在使用中除了關(guān)注含量、粒度、水分等基本的性能指標(biāo)外，更應(yīng)關(guān)注其生產(chǎn)環(huán)節(jié)中雜質(zhì)的控制，只有這樣，才能更好地發(fā)揮非金屬礦物材料應(yīng)有的作用。

【參考文獻(xiàn)】

[1]張焜,程勝高.膨脹蛭石的性質(zhì)及其應(yīng)用前景[C]//中國礦物巖石地球化學(xué)學(xué)會第11屆學(xué)術(shù)年會論文集,2007.

[2]鄭水林.非金屬礦物材料[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2007.

[3]高惠民.礦物復(fù)合摩擦材料[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2007.

[4]高惠民,曹獻(xiàn)坤,陳磊,等.蛭石摩擦材料研究[J].非金屬礦,1996 (5):62-64.

【開發(fā)利用】

Application of Non-metallic Minerals in Friction Materials

ZHANG Hong-lin, JIAO Hong-bin
(Xianyang Institute of Non-metallic Minerals Research & Design Co., Ltd., Xianyang 712021, China)

Abstract:There is an indispensable role of non-metallic mineral materials in the application of friction material, because of its unique physical and chemical properties.This paper instructed the basic performances and classification of non-metallic mineral materials, and the basic requirements of main raw materials used in the friction material. In addition, combined with the actual production of friction material, the application and quality control of several non-metallic mineral materials in friction materials were introduced, there is a guiding significance for application of these non-metallic materials.

Key words:non-metallic materials; friction material; application; quality control

【收稿日期】2015-03-06

【文章編號】1007-9386(2015)04-0004-03

【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【中圖分類號】TB321；TF125.9