玻璃纖維在摩擦材料應用中應關注的幾個問題

蔣 翔,張紅林（咸陽非金屬礦研究設計院有限公司,陜西 咸陽 712000）

史曉輝（中國商用飛機有限責任公司上海飛機設計研究院,上海 201210）

玻璃纖維在摩擦材料應用中應關注的幾個問題

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

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

關鍵詞：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。特別是進入21世紀后，經過不到10年時間，我國已發(fā)展為世界玻纖第一生產大國。

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；玻璃纖維的強度不僅要比塊狀玻璃的強度高數10倍，而且也遠遠超過其它天然纖維、合成纖維等材料，是理想的增強材料；玻璃纖維因骨架中無游動的離子，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，玻璃纖維因其軟化溫度高達550～750℃，因此其耐熱性能也很好。

2 摩擦材料用增強纖維

2.1 摩擦材料用增強纖維的性能要求

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

（1）具有足夠強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具有穩(wěn)定的摩擦系數及適當的摩擦損耗；

（3）有較高的熱分解溫度，在一定溫度范圍內不發(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；五是具有適當的硬度，不產生嚴重的噪音；六是量廣、價廉、無毒性，不污染環(huán)境。

2.2 現用增強纖維的性能狀況

（1）金屬纖維。金屬纖維是以鋼纖維作為應用主體，已成功地應用于各類金屬摩擦材料。鋼纖維形狀卷曲并帶有細小毛刺，能夠在摩擦表面形成均勻的網狀結構。在制動過程中界面形成類似粉末冶金材料的燒結狀態(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，制動中易產生噪音問題，容易拉傷對偶問題，其次，因為鋼纖維密度較大，和粘合劑的粘結效果不理想等。

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

（3）有機纖維。有機纖維包括合成纖維和天然纖維。如碳氫類合成纖維，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度，天然纖維具有較大的比表面積，微觀結構呈分叉纖毛狀，纖維多為空心管狀結構，因此對填料和粘合劑有良好的吸附作用。但是有機纖維耐熱性較差，有的合成纖維受熱會發(fā)粘、軟化，天然纖維受熱會分解，所以有機纖維不適合單獨用做摩擦密封材料的增強纖維。

3 各種規(guī)格摩擦材料產品的研究

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

3.1 試驗依據

根據《道路車輛 制動襯片 摩擦材料產品確定和質量保證》國標草案/ISO 15484：2008中6.2.3 PH值的測試方法進行測試。

3.2 試驗樣品

用鉆頭從選用摩擦材料產品中鉆取粉末碎屑，作為試驗樣品。

3.3 試驗方法

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 試驗結果

試驗結果如表1所示。

表1 摩擦材料PH值測定表

4 討論

4.1 纖維成分對增強性能的影響

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

4.2 纖維表面處理劑對增強性能的影響

玻璃纖維生產中，浸潤劑具有如下作用：

（1）潤滑-保護作用；

（2）粘結-集束作用；

（3）防止纖維表面靜電荷的積累；

（4）為玻璃纖維提供進一步加工和應用的特性；

（5）使玻璃纖維獲得與基材有良好的相容性、化學吸附性能。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的橋梁作用，同時還可提高復合材料的力學及耐老化作用等。因此在玻璃纖維的應用過程中要關注浸潤劑的類型及可燃物含量指標。

4.3 纖維應用形態(tài)對增強性能的影響

玻璃纖維單纖維直徑越小，其拉伸強度越大，增強效果越好。但生產難度相對較大，不易短切，而且在混料過程中容易起毛、結團，反而影響玻纖的增強效果。短切玻纖的短切長度的大小會影響到混料時間及混料的均勻性。據Broutman和Krock的研究表明只有當玻纖長/徑比值超過某一臨界值時，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，會形成不相連接的“球”狀，在外力作用時，這個“球”就以島狀團塊整體與基體脫離，形成缺陷，造成應力集中，很顯然這樣玻纖也就起不到增強的作用了。實踐證明摩擦材料中一般選擇3mm～6mm的玻纖作為增強材料最好。另外玻纖紗的應用中，也需要對其形態(tài)進行優(yōu)化，如進行膨體或復合處理，使玻纖紗光滑裸露的表面形態(tài)，結構蓬松，比表面積增大，較易捕集粘結劑和其他粉料，而且纖維的彈性也明顯提高。由此看來，玻璃纖維應用中采用何種形態(tài)對材料的性能有著很大的影響。

5 結論

玻璃纖維在摩擦材料中的應用應密切關注以下幾個問題，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，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
（中國商用飛機有限責任公司上海飛機設計研究院,上海 201210）