玻璃纖維在摩擦材料應(yīng)用中應(yīng)關(guān)注的幾個(gè)問題

蔣 翔,張紅林（咸陽非金屬礦研究設(shè)計(jì)院有限公司,陜西 咸陽 712000）

史曉輝（中國商用飛機(jī)有限責(zé)任公司上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院,上海 201210）

玻璃纖維在摩擦材料應(yīng)用中應(yīng)關(guān)注的幾個(gè)問題

蔣 翔,張紅林
（咸陽非金屬礦研究設(shè)計(jì)院有限公司,陜西 咸陽 712000）

摘 要：簡要介紹玻璃纖維及各種增強(qiáng)纖維在摩擦材料中的應(yīng)用情況。結(jié)合摩擦材料產(chǎn)品試驗(yàn)情況，對影響玻璃纖維性能的各種因素進(jìn)行理論分析，給出了玻璃纖維在摩擦材料應(yīng)用中應(yīng)密切關(guān)注玻璃纖維成分、玻璃纖維浸潤劑的類型及涂覆量、玻璃纖維的應(yīng)用形態(tài)等問題，關(guān)注這些問題才能使玻璃纖維更好發(fā)揮其增強(qiáng)效果。

關(guān)鍵詞：玻璃纖維；摩擦材料；玻璃成分；浸潤劑；纖維形態(tài)

1 前言

玻璃纖維是玻璃在熔融狀態(tài)下，經(jīng)離心噴吹或外力拉制而成的纖維狀材料。世界玻璃纖維工業(yè)化始于美國歐文斯科寧公司玻璃纖維的問世。我國玻璃纖維起步于20世紀(jì)50年代，通過幾十年的發(fā)展，我國玻璃纖維工業(yè)取得了非凡成果。特別是進(jìn)入21世紀(jì)后，經(jīng)過不到10年時(shí)間，我國已發(fā)展為世界玻纖第一生產(chǎn)大國。

玻璃纖維按照玻璃成分可分為無堿、中堿、高堿、特種玻璃纖維等。目前，在摩擦密封材料的生產(chǎn)中，大多使用無堿和中堿玻璃纖維。

與其他纖維相比，玻璃纖維外表呈光滑圓柱狀；玻璃纖維的強(qiáng)度不僅要比塊狀玻璃的強(qiáng)度高數(shù)10倍，而且也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其它天然纖維、合成纖維等材料，是理想的增強(qiáng)材料；玻璃纖維因骨架中無游動(dòng)的離子，可用作電絕緣材料；成分的不同，又賦予了玻璃纖維優(yōu)良的耐水性、耐酸性、耐堿性；同時(shí)，玻璃纖維因其軟化溫度高達(dá)550～750℃，因此其耐熱性能也很好。

2 摩擦材料用增強(qiáng)纖維

2.1 摩擦材料用增強(qiáng)纖維的性能要求

摩擦材料中增強(qiáng)纖維的作用主要是使材料具有一定強(qiáng)度和韌性，耐沖擊、剪切、拉伸等機(jī)械作用而不至于出現(xiàn)裂紋、斷裂、崩缺等機(jī)械損傷。因此增強(qiáng)纖維應(yīng)滿足以下性能要求：

（1）具有足夠強(qiáng)度和模量以及較好的韌性；

（2）有良好的摩擦性能，在一定的溫度范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的摩擦系數(shù)及適當(dāng)?shù)哪Σ翐p耗；

（3）有較高的熱分解溫度，在一定溫度范圍內(nèi)不發(fā)生熱分解、脫水、相變和較高的高溫分解殘?zhí)悸剩?/p>

（4）纖維易于分散且與基體有較好的相溶性；五是具有適當(dāng)?shù)挠捕龋划a(chǎn)生嚴(yán)重的噪音；六是量廣、價(jià)廉、無毒性，不污染環(huán)境。

2.2 現(xiàn)用增強(qiáng)纖維的性能狀況

（1）金屬纖維。金屬纖維是以鋼纖維作為應(yīng)用主體，已成功地應(yīng)用于各類金屬摩擦材料。鋼纖維形狀卷曲并帶有細(xì)小毛刺，能夠在摩擦表面形成均勻的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。在制動(dòng)過程中界面形成類似粉末冶金材料的燒結(jié)狀態(tài)，具有優(yōu)良的抗熱衰退性。然而鋼纖維也具有其無法克服的缺陷，如銹蝕問題，制動(dòng)中易產(chǎn)生噪音問題，容易拉傷對偶問題，其次，因?yàn)殇摾w維密度較大，和粘合劑的粘結(jié)效果不理想等。

（2）無機(jī)纖維。無機(jī)纖維包括玻璃纖維、巖棉、硅酸鋁纖維等人造無機(jī)纖維，同時(shí)還包括針狀硅灰石、海泡石等天然無機(jī)纖維。無機(jī)纖維具有優(yōu)良的耐熱性，在制動(dòng)高溫下，仍能保持穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，而不會(huì)因失去結(jié)晶水導(dǎo)致纖維的分解粉化。但是，無機(jī)纖維莫氏硬度較高，容易損傷對偶，同時(shí)自身的磨損也較高。另外，因無機(jī)纖維較短，容易折斷，與粘合劑的粘結(jié)性較差，因此會(huì)對其增強(qiáng)效果有所影響。

（3）有機(jī)纖維。有機(jī)纖維包括合成纖維和天然纖維。如碳?xì)漕惡铣衫w維，麻纖維、木纖維、紙漿漿粕等天然纖維。合成纖維有很好的常溫強(qiáng)度，天然纖維具有較大的比表面積，微觀結(jié)構(gòu)呈分叉纖毛狀，纖維多為空心管狀結(jié)構(gòu)，因此對填料和粘合劑有良好的吸附作用。但是有機(jī)纖維耐熱性較差，有的合成纖維受熱會(huì)發(fā)粘、軟化，天然纖維受熱會(huì)分解，所以有機(jī)纖維不適合單獨(dú)用做摩擦密封材料的增強(qiáng)纖維。

3 各種規(guī)格摩擦材料產(chǎn)品的研究

作為摩擦材料用的增強(qiáng)纖維，要長期保持其增強(qiáng)效果，除了與其本身的強(qiáng)度有關(guān)外，更與其化學(xué)穩(wěn)定性有關(guān)。材料的化學(xué)穩(wěn)定性即材料的耐水性、耐酸堿性。針對應(yīng)用環(huán)境的酸堿性應(yīng)選擇相對應(yīng)的增強(qiáng)纖維。為此我們有代表性的選擇了一些摩擦材料產(chǎn)品對其酸堿性進(jìn)行研究。

3.1 試驗(yàn)依據(jù)

根據(jù)《道路車輛 制動(dòng)襯片 摩擦材料產(chǎn)品確定和質(zhì)量保證》國標(biāo)草案/ISO 15484：2008中6.2.3 PH值的測試方法進(jìn)行測試。

3.2 試驗(yàn)樣品

用鉆頭從選用摩擦材料產(chǎn)品中鉆取粉末碎屑，作為試驗(yàn)樣品。

3.3 試驗(yàn)方法

將粉末試樣用甲醇或乙醇浸濕，在蒸餾水中浸泡16～24h后，用PH測定儀測定其水溶液的PH值，便為樣品的PH值。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 摩擦材料PH值測定表

4 討論

4.1 纖維成分對增強(qiáng)性能的影響

不同品種玻璃纖維因成分的不同，導(dǎo)致其性能也有很大差異。據(jù)資料介紹中堿玻璃纖維、無堿玻璃纖維受到堿液侵蝕強(qiáng)度下降很快，在80℃堿液中浸泡2天后，強(qiáng)度保留率不到30%。耐堿玻璃纖維在同等條件下強(qiáng)力保留率可達(dá)67%以上，另外其強(qiáng)力保留率短時(shí)間內(nèi)下降較快，但是之后逐漸緩慢。從摩擦材料PH值試驗(yàn)結(jié)果可以看出，摩擦材料均呈堿性，因而引入的增強(qiáng)纖維應(yīng)能夠耐堿侵蝕，方能更好保持增強(qiáng)性能。由此可以看出耐堿玻璃纖維相對更符合摩擦材料增強(qiáng)要求。

4.2 纖維表面處理劑對增強(qiáng)性能的影響

玻璃纖維生產(chǎn)中，浸潤劑具有如下作用：

（1）潤滑-保護(hù)作用；

（2）粘結(jié)-集束作用；

（3）防止纖維表面靜電荷的積累；

（4）為玻璃纖維提供進(jìn)一步加工和應(yīng)用的特性；

（5）使玻璃纖維獲得與基材有良好的相容性、化學(xué)吸附性能。浸潤劑既能改善玻璃纖維加工性能，又起到玻纖與基體粘結(jié)的橋梁作用，同時(shí)還可提高復(fù)合材料的力學(xué)及耐老化作用等。因此在玻璃纖維的應(yīng)用過程中要關(guān)注浸潤劑的類型及可燃物含量指標(biāo)。

4.3 纖維應(yīng)用形態(tài)對增強(qiáng)性能的影響

玻璃纖維單纖維直徑越小，其拉伸強(qiáng)度越大，增強(qiáng)效果越好。但生產(chǎn)難度相對較大，不易短切，而且在混料過程中容易起毛、結(jié)團(tuán)，反而影響玻纖的增強(qiáng)效果。短切玻纖的短切長度的大小會(huì)影響到混料時(shí)間及混料的均勻性。據(jù)Broutman和Krock的研究表明只有當(dāng)玻纖長/徑比值超過某一臨界值時(shí)，基材才能把大部分作用力傳遞給玻纖，因此玻纖不能太短。但是如果玻纖太長，玻纖在基體中往往是以卷曲狀態(tài)存在，會(huì)形成不相連接的“球”狀，在外力作用時(shí)，這個(gè)“球”就以島狀團(tuán)塊整體與基體脫離，形成缺陷，造成應(yīng)力集中，很顯然這樣玻纖也就起不到增強(qiáng)的作用了。實(shí)踐證明摩擦材料中一般選擇3mm～6mm的玻纖作為增強(qiáng)材料最好。另外玻纖紗的應(yīng)用中，也需要對其形態(tài)進(jìn)行優(yōu)化，如進(jìn)行膨體或復(fù)合處理，使玻纖紗光滑裸露的表面形態(tài)，結(jié)構(gòu)蓬松，比表面積增大，較易捕集粘結(jié)劑和其他粉料，而且纖維的彈性也明顯提高。由此看來，玻璃纖維應(yīng)用中采用何種形態(tài)對材料的性能有著很大的影響。

5 結(jié)論

玻璃纖維在摩擦材料中的應(yīng)用應(yīng)密切關(guān)注以下幾個(gè)問題，一是玻璃纖維的成分是否適合，是否能持久的保持增強(qiáng)作用；二是玻璃纖維表面涂覆浸潤劑的類型與基體是否相適應(yīng)，浸潤劑的涂覆量是否滿足要求。三是玻璃纖維的形態(tài)是否合適，如短切纖維的纖維直徑，纖維長度，短切率和漏切率，玻纖紗表面的處理等等。

參考資料：

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史曉輝
（中國商用飛機(jī)有限責(zé)任公司上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院,上海 201210）