w(石墨)對NAO摩擦材料摩擦磨損性能的影響*

王曉芳，姜 娟，朱文婷

(咸陽師范學院 化學與化工學院，陜西 咸陽 712000)

汽車制動摩擦材料大多數是以無機或有機纖維作為增強材料，樹脂和橡膠為粘合劑，并以各種填料作為摩擦性能調節劑的高分子多元復合材料[1]。隨著汽車功率、速度和載荷的不斷提高，工作條件日益苛刻，對摩擦材料的綜合性能要求也越來越高。傳統的石棉摩擦材料和半金屬摩擦材料已不適合現代汽車工業的要求，為此，人們研制開發了無石棉有機物(Non-asbestos organic：NAO)摩擦材料[2-3]。NAO摩擦材料由日本Akebono 公司最先研制成功，它是一種新型的高性能汽車制動摩擦材料，采用陶瓷、礦物纖維或耐高溫的有機纖維替代石棉纖維和鋼纖維，克服了石棉摩擦材料對人體的危害和傳統半金屬摩擦材料高密度、易生銹、易產生噪音、損傷對偶等缺點。目前，這種材料已成功應用于歐美發達國家的諸多車型上，被認為是今后摩擦材料發展的主要方向[4-5]。

在制動過程中，作為制動盤的摩擦材料將吸收整個汽車動能80%的能量，致使制動盤上的溫度迅速升高，某些接觸區域的“閃溫”高達600 ℃。在此溫度下，聚合物基摩擦材料中的有機組分將發生分解，導致摩擦力降低，摩擦系數下降，產生熱衰退現象，并伴隨較大的磨損量，甚至導致剎車失靈[6-7]。為了避免此類情況的出現，需要摩擦性能調節劑對其性能進行改善。石墨具有層片狀晶體結構，具有良好的導電、導熱和耐高溫性能，是一種典型的摩擦性能調節劑，廣泛應用于半金屬摩擦材料[8-9]。作者把石墨引入NAO摩擦材料中，研究其對NAO摩擦材料摩擦磨損性能的影響，從而解決NAO摩擦材料發展中遇到的問題，改善摩擦制品性能。

1 實驗部分

1.1 原材料與儀器

粘結劑酚醛樹脂、橡膠粉：山東圣泉材料有限公司；增強纖維硅酸鋁復合纖維、礦物復合纖維和海泡石纖維：清遠市博爾纖維有限公司；填料石灰石、石墨、重晶石、石油焦、云母、蛭石和鋯英石：西安科耐摩擦材料有限公司。

6202型混料機：北京環亞天元機械技術有限公司；XLB-D400×400型側板式硫化機：青島亞華機械有限公司；S-4700掃描電子顯微鏡：日本Hitachi公司；ES320D靜水力學密度測量天平：深圳市華恒儀器有限公司；XD-MSM定速式摩擦試驗機：咸陽新益摩擦密封設備有限公司；2BC1251型擺錘沖擊試驗機：揚州正藝試驗機械有限公司。

由于石灰石在NAO摩擦材料中成本較低，對摩擦性能影響較小，主要起填充體積空間的作用，因此，以石墨和石灰石為變量即w(石墨)提高量相應于w(石灰石)減少量，能夠體現出石墨的作用，設計的摩擦材料配方見表1。

表1 摩擦材料配方 w/%

1.2 試樣的制備

按照表1稱取原料，將原料一次投入混料機內，混料時間約5 min，使其分散均勻，無白點，無纖維結團現象。將混合均勻的原料按規定投料量加于壓模中一次熱壓成型，其中熱壓溫度160 ℃，熱壓壓力30 MPa，保溫保壓時間60 s/mm，在第一分鐘放氣3次。

1.3 性能表征

使用靜水力學密度測量天平測定材料的體積密度；依照GB5765—86標準采用簡支梁沖擊強度試驗機進行沖擊強度試驗，其中試樣規格為55 mm×10 mm×6 mm，采用掃描電子顯微鏡觀測材料沖擊斷口形貌。

使用XD -MSM定速摩擦試驗機，按照GB 5763 —2008標準測試材料的摩擦磨損性能，試樣尺寸為25 mm×25 mm×5 mm，壓力為0.98 MPa，圓盤轉速500 r/min，分別測試100、150、200、250、300和350 ℃下圓盤旋轉5 000 r的升溫摩擦系數和磨損率，然后從300 ℃分別降溫至250、200、150和100 ℃，在每個溫度點圓盤轉動1 500 r測定摩擦材料的降溫摩擦系數。對偶材質為HT250灰鑄鐵，珠光體組織，硬度為HB180～220。

2 結果與討論

2.1 密度

不同w(石墨)的摩擦材料樣品的密度變化圖見圖1。

w(石墨)/%圖1 w(石墨)對ρ(材料)的影響

由圖1可看出，未添加石墨的摩擦材料樣品密度最大，其值為2.36 g/cm3。隨著石墨的加入，摩擦材料的密度逐漸降低。當w(石墨)=10%時，摩擦材料密度最小，其值為2.28 g/cm3。摩擦材料密度降低的原因可歸結為相對于石灰石的密度(2.65～2.8[10])，石墨的密度較小(2.1～2.3)，在配方設計中隨w(石墨)的增多，w(石灰石)降低，因此采用相同質量分數的石墨取代石灰石，材料的密度會降低。進一步分析表明，當w(石墨)=6%時，摩擦材料的密度較大幅度降低，原因是由于石墨粉具有層片狀結構，當w(石墨)較多時，大量的石墨片容易搭橋，導致熱壓成型時致密化困難，從而在材料內部殘留較多孔隙。綜合分析摩擦材料使用時的舒適型要求，3#試樣密度值較為合適。

2.2 沖擊強度

不同w(石墨)的摩擦材料樣品沖擊強度的變化圖見圖2。

w(石墨)/%圖2 w(石墨)對沖擊強度的影響

由圖2可看出，隨著w(石墨)的增加，摩擦材料樣品的沖擊強度出現先增大后減小的趨勢。當w(石墨)=4%時，摩擦材料樣品的沖擊強度達到最大值4.35 kJ/m2，其數值明顯高于GB5765—86規定的摩擦材料的沖擊強度應大于2.94 kJ/m2的要求。沖擊強度出現最大值的原因可歸結為由于石墨粉的二維層片狀結構所決定。當石墨與增強纖維形成復合增強體系時，由于各增強體之間結構和尺寸的差異使摩擦材料的互補協同效應增強，從而使3#試樣在沖擊斷裂時能呈現較高的韌性[11]。

為了進一步分析摩擦材料樣品高沖擊強度產生的原因，給出了3#樣品的沖擊斷口形貌圖，見圖3。

圖3 w(石墨)=4%的3#試樣斷口形貌

由圖3可看出，材料斷裂表面凹凸不平，石墨片與纖維交替拔出，表明斷裂過程吸收的能量增多，因此斷裂強度較高。對比圖2中結果發現，當w(石墨)>4%時，隨石墨含量的增加摩擦材料的沖擊強度減小，這種現象出現的原因仍然與石墨的層片狀結構有關。當w(石墨)較多時，材料內部產生的搭橋現象越明顯，相應的材料中孔隙增多，從而使材料的致密度和沖擊強度下降[12]。

2.3 摩擦磨損性能

2.3.1 升溫降溫摩擦系數

不同w(石墨)的摩擦材料樣品的摩擦系數隨溫度的變化關系圖見圖4。

t/℃圖4 w(石墨)對升溫摩擦系數曲線的影響

由圖4可看出，隨著溫度的升高，各試樣的摩擦系數均呈現出先增大后減小的趨勢，在200～250 ℃分別達到最大值。進一步觀察發現，1#試樣的摩擦性能在200 ℃以下較好，超過200 ℃材料的摩擦系數迅速下降，表明材料發生了高溫摩擦性能衰退行為。而加有石墨粉的2#～6#試樣在250 ℃之后摩擦系數均遠高于1#試樣，說明石墨粉可以明顯改善材料的高溫摩擦性能衰退現象，這和石墨的高溫黏著摩擦機理有直接關系[9]。對比2#～6#試樣可知，當w(石墨)較少時，隨w(石墨)的增多材料的摩擦性能增強，當w(石墨)=4%材料的摩擦性能最好，能有效得保證高速重載情況下的剎車效率和可靠性。而當w(石墨)>4%，隨著w(石墨)的增多，材料的摩擦性能下降，高溫階段下降尤其明顯。摩擦系數的變化與石墨結構有關系，當w(石墨)=4%時能夠部分覆蓋摩擦面，兼有粘著摩擦和磨粒摩擦機理，摩擦系數最高。而w(石墨)進一步增多時，摩擦過程中石墨片在外力作用下趨于平行于摩擦面，石墨顆粒在磨擦表面鋪展形成穩定光滑的摩擦膜，此時以黏著摩擦為主，所以，摩擦系數也相應降低。

2.3.2 磨損率

摩擦材料的磨損率是衡量摩擦材料耐用程度的重要技術經濟指標，磨損率越低，剎車片使用壽命越長。為了進一步分析石墨含量對磨損率的影響，給出了不同石墨含量的摩擦材料樣品的磨損率隨溫度變化的曲線圖，見圖5。

t/℃圖5 w(石墨)對各溫度下磨損率的影響

由圖5可看出，在100～250 ℃各摩擦材料試樣均具有較小的磨損率。隨著溫度的繼續升高，磨損率數值出現了較大的差異，尤其是300 ℃和350 ℃高溫下這種分化更加明顯。從300 ℃和350 ℃時的磨損率可看出，不含石墨的摩擦材料樣品高溫磨損率最高，隨著w(石墨)的增多，磨損率逐漸降低，當w(石墨)=10%時磨損率達到最低值，其數值和低溫下的磨損率基本相接近，表明其耐磨性最為優良。此外，從圖5中還可看出，w(石墨)=6%的4#試樣在350 ℃下的磨損率不足1#試樣磨損率的一半，而w(石墨)=10%的6#試樣在350 ℃下的磨損率僅為1#試樣的五分之一，說明當石墨粉可以有效降低摩擦材料的高溫磨損率，從而提高提高材料的耐磨性。如前所述，摩擦表面的片層石墨粉在制動時會平行摩擦表面分布，當w(石墨)較多時會形成穩定的摩擦膜，而且石墨會以涂抹的方式使對偶表面也分布滿石墨層，摩擦材料與對偶材料的磨損實質為石墨片之間的磨損，磨損程度非常輕微，磨損率很低[13]。與國家標準對比可知，在所有實驗溫度下磨損率均優于國家標準。

3 結 論

采用熱壓固化法制備了不同w(石墨)的NAO摩擦材料，研究了w(石墨)對材料物理性能、力學性能和摩擦磨損性能的影響。結果表明，w(石墨)對摩擦材料的低溫摩擦系數影響較小，對高溫摩擦因數的影響較為明顯。當w(石墨)=4%時可以有效改善摩擦材料樣品的密度、沖擊強度、高溫摩擦因數和高溫抗磨損性能。

參 考 文 獻：

[1] 張清海.有機摩擦材料學[M].北京：中國摩擦密封材料協會,2008：15-16.

[2] 趙小樓,王鐵山,程光明.汽車摩擦材料的研究現狀與發展趨勢[J].潤滑與密封,2006,10:173-176.

[3] JACKO M G,TSANG P H S,RHEE S K.Automotive friction materials evolution during the past decade[J].Wear,1984,100 (1/2/3)：503-515.

[4] BIJWE J J.Composites as friction materials：Recent developments in non-asbestos fiber reinforced friction materials-a review[J].Polymer Composites,1997,18(3)：378-396.

[5] FLETCHER L S,BARBER S,ANDERSON A E，et al.Feasibility analysis of asbestos replacement in automobile and truck brake systems [J].Mechanical Engineering-CIME,1990,112：50-58.

[6] 張明喆,劉勇兵,楊曉紅.車用摩擦材料的摩擦學研究進展[J].摩擦學學報,1999,19(4)：379-384.

[7] BIJWE J J,KUMAR M,GURUNATH P V,et al.Optimization of brass contents for best combination of tribo-performance and thermal conductivity of non-asbestos organic (NAO) friction composites [J].Wear,2008,265(5/6)：699-712.

[8] 李長虹.石墨對三氧化二鋁/銅金屬陶瓷復合材料摩擦磨損性能的影響[J].摩擦學學報,2004,24(6)：572-575.

[9] 呂亞非,馬玉寧,韓翎,等.石墨在半金屬摩擦材料中的作用及其對摩擦性能的影響[J].北京化工大學學報,2006,33(5):58-61.

[10] 申榮華,何琳.摩擦材料及其制品生產技術[M].北京：北京大學出版社,2010:7-19.

[11] 吳耀慶,曾鳴,余玲,等.多維復合增強汽車摩擦材料[J].復合材料學報,2010,27 (5):79-85.

[12] 袁義云,宋迎東,孫志剛.孔隙率對多孔陶瓷材料失效強度的影響[J].航空動力學報，2008,23(9)：1623-1627.

[13] LIU T,RHEE S K,LAW SON K L.A study of wear rates and transfer film of friction material[J].Wear,1980,60：132-140.