黃麻纖維長徑比對其增強摩擦材料摩擦磨損特性影響研究

楊亞洲++徐杰

摘 要：本文采用黃麻纖維作為摩擦材料增強相，探討了黃麻纖維長徑比對摩擦材料摩擦磨損性能的影響，并對磨損表面進行了微觀分析。結果表明，麻纖維長徑比對摩擦因數均值的影響不十分明顯，只是當長徑比為15：1時，摩擦因數均值略高于其它長徑比情形；比磨損速率總和隨著纖維長徑比的增大呈先減小后增大趨勢，在長徑比為15：1時磨損率取得最小值，即2.95×10-7cm3·N-1·m-1；粘著磨損及疲勞磨損是黃麻纖維增強摩擦材料磨損的主要機制。

關鍵詞：黃麻纖維；摩擦；磨損；磨損機理

中圖分類號：TB332 文獻標識碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20160832021

引言

隨著人們環保意識的提高，摩擦材料也向環境友好型發展，主要表現為填料、增強纖維等在高溫分解后無毒、無害，不對環境構成負擔。增強纖維是摩擦材料中的重要組份，通過承受載荷、傳遞載荷而有效提高摩擦材料的強度及摩擦磨損性能等指標。因此，增強纖維的種類、改性方法以及纖維的長徑比等參數尤為重要[1]。目前天然植物以其資源豐富、價格低廉、比強度高等優點已引起學者們的廣泛關注[2-4]。黃麻纖維屬于天然植物纖維中的韌皮纖維，人稱最好的天然生物纖維之一，其主要化學成分及物理、機械性能見表1、表2。

本文選用黃麻纖維作為摩擦材料增強相，在對其堿洗處理基礎上，改變其長徑比，探討長徑比對摩擦磨損性能的影響，并進行磨損機理分析，為天然植物纖維增強摩擦材料提供有效的結構參數。

1 材料與方法

1.1 纖維直徑測量及試樣制備

試驗用黃麻纖維來自浙江安吉正興聯麻紡織有限公司生產，基體材料丁腈橡膠改性酚醛樹脂為山東圣泉-海沃斯化工有限公司生產。為了加強黃麻纖維與酚醛樹脂基體的相容性，對纖維進行堿處理[9]。利用體視顯微鏡（上海儀圓化學儀器有限公司，YYT-450）對處理后纖維的直徑進行測量，直徑區間為300～450mm，平均直徑約為400mm。利用剪切機將纖維制成長度為2mm、4mm、6mm、8mm及10mm，備用。

設定基礎配方中纖維含量為6wt.%，纖維的長徑比分別設定為5：1、10：1、15：1、20：1及25：1。量取各種原料于混料機中進行攪拌，在160℃、50MPa壓力條件下于熱壓機（吉林省旺達機械有限公司，JFY50）熱壓成型，熱處理后制備成55mm×55mm×8mm的試樣備用。

1.2 摩擦磨損試驗

在定速摩擦性能試驗機（吉林省旺達機械有限公司生產，JF150D-Ⅱ型）上分別進行摩擦磨損性能試驗測試。試驗中采用摩擦因數均值（即在盤溫分別為100℃、150℃、200℃、250℃及300℃時摩擦因數的平均值）及比磨損速率總和（即在盤溫分別為100℃、150℃、200℃、250℃及300℃時比磨損速率的總和）表征摩擦磨損性能。

利用JSM5310型掃描電子顯微鏡觀察摩擦材料磨損表面并進行磨損機理分析。

2 結果與分析

2.1 黃麻纖維長徑比摩擦磨損性能影響分析

可見，黃麻纖維長徑比對摩擦因數均值的影響不十分明顯，只是當長徑比為15：1時，摩擦因數均值略高于其它長徑比情形。

比磨損速率總和隨著纖維長徑比的增大呈先減小后增大趨勢，在長徑比為15：1時磨損率取得最小值，即2.95×10-7cm3·N-1·m-1。在摩擦材料中纖維起著承受載荷、傳遞載荷的作用。長徑比小的黃麻纖維在基體中分散較好，比表面積越大，與基體的接觸面積較大，從而能有效提高摩擦材料的強度。但當長徑比過大或者超過一定范圍時，混料時不易均勻，導致纖維團聚纏結現象出現，而且在與基體、填料等進行熱壓過程中，纖維更容易發生變形，從而影響纖維對載荷的有效傳遞；此外，當纖維與基體發生界面分離時，長徑比較大的纖維很難嵌入材料或者空隙中去。上述因素均會在一定程度上導致摩擦材料的比磨損速率總和的增大。

2.2 黃麻纖維增強摩擦材料磨損機理分析

在低溫階段（<200℃），摩擦過程中產生的磨屑以及配方中的磨粒會脫落并出現在摩損表面，但這些磨粒很大程度上會嵌入到黃麻纖維或其細胞腔中，因此，由微觀犁切引起的犁溝很少見（見圖2）?？梢?，磨粒磨損不是其主要磨損機制，這也是天然植物纖維與金屬纖維增強摩擦材料磨損機理的不同之處。

在摩擦過程中，黃麻纖維、配方中各種填料及基體的硬度不同（尤其當溫度升高到樹脂的軟化點后），從而接觸不均勻（見圖2-a、b、c），在高溫、高壓條件下接觸點便形成局部粘著點，粘著磨損產生。

摩擦過程中，摩擦盤表面的微凸體作用在摩擦材料表面，在一定深度的表層材料處于微凸體的拉力、壓力的交變作用，隨著摩擦時間的延長及盤溫的升高，磨損表面會形成微裂紋并進一步擴展，最終導致疲勞磨損發生（見圖2-d），從而引起比磨損速率急劇增大。

3 結論

3.1 摩擦磨損試驗結果表明

黃麻纖維長徑比對摩擦因數均值的影響不十分明顯，只是當長徑比為15：1時，摩擦因數均值略高于其它長徑比情形。比磨損速率總和隨著纖維長徑比的增大呈先減小后增大趨勢，在長徑比為15：1時比磨損率總和取得最小值，即2.95×10-7cm3·N-1·m-1。

3.2 磨損表面微觀分析表明

粘著磨損及疲勞磨損是黃麻纖維增強摩擦材料磨損的主要機制。

參考文獻

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