碳纖維增強摩擦材料摩擦磨損性能的研究

文/楊洋，赤峰工業職業技術學院

在工業化和機械化飛速發展的今天，摩擦制動材料具有廣闊的市場前景。人們對摩擦材料有較高的要求：對環境無污染、價格合理、機械性能和力學性能等指標達到最佳。為了滿足當代社會的各種需求，科學界逐步對碳纖維進行了探索。

碳纖維具有廣泛的發展前景，是因為其具有“外柔內剛”的特點。“內剛”是指碳纖維的密度低于鋁，而強度高于鋼鐵，又具有“柔”的可加工性。這些特點使它成為倍受摩擦材料行業關注的重要原因。碳纖維具有較好的恢復性能，而且在較高溫度的條件下具有較高的摩擦系數和較低的磨損率。此外還有如下各特點：具有自潤滑性、耐疲勞、摩擦磨損性能好；耐酸、耐高溫；熱膨脹系數小；熱導率高；碳纖維對振動具有良好的衰減功能等。這些特點構成了新一代摩擦材料的基本要素。

1 摩擦材料成分及工藝

摩擦材料主要包括粘結劑和摩擦性能調節劑兩大部分，粘結劑的作用是把各組元有機的結合起來，兩大部分對摩擦材料的摩擦磨損性能有非常大的影響。本實驗選用酚醛樹脂作為粘結劑，選用硫酸鋇、氧化鋁、高嶺土、氧化鐵、石墨作為性能調節劑。本實驗工藝路線如下：1.碳纖維表面及長度處理：分別用酒精、濃硝酸浸泡碳纖維，去除碳纖維表面集束劑，有效改善碳纖維分散性及增加碳纖維表面孔隙率，促進碳纖維與基體有效結合；用QM-2-A球磨機將碳纖維研磨成長度分別為20um、500um、1000um、3000um。2.材料混合：將酚醛樹脂、硫酸鋇、高嶺土、氧化鋁、橡膠、石墨按32%、24%、21%、17%、3%、3%比例進行混合。并將不同長度的碳纖維以0%、2%、4%、6%比例與基體材料混合。3.將混合的摩擦材料分別放入160℃干燥箱加熱，酚醛樹脂充分融化后，對摩擦材料施加2Mpa的壓強。4.將熱壓成型的摩擦材料冷卻至室溫。5.為了保證粘結劑充分熔化起到最佳的粘結效果，需要對試樣進行熱處理，熱處理溫度為140℃，保溫1h后隨爐冷卻。6.根據GM-2000型磨損試驗機所需要的試樣尺寸進行切削加工。

2 摩擦及磨損機理

（1）摩擦系數

摩擦系數是阻止兩物體相對運動的摩擦力與摩擦表面法向力

圖1 摩擦材料的摩擦系數

的比值，是衡量摩擦材料制動性能的關鍵指標之一。其公式如下：

其中 μ：摩擦系數

F：摩擦力

N：法向正壓力

摩擦力和法向正壓力的單位均為牛頓（N）。

（2）磨損率

磨損率是指摩擦材料磨損前后質量差與摩擦力所做的功之比，即單位摩擦功所磨去試件的質量。它也是反映摩擦材料耐磨性能的一個指標。材料的磨損率公式如下：

其中 ，W：單位摩擦功所磨去樣品的質量，單位為g/MJ

M1：磨損前樣品的質量，單位為g

M2：磨損后樣品的質量，單位為g

r：試件中心與磨損盤中心之間的距離，本實驗磨損盤的半徑為30mm

f：摩擦材料與對偶之間的平均摩擦力

n：對偶所轉的圈數

摩擦磨損大體上可分為四類：磨料磨損、粘著磨損、熱磨損、疲勞磨損。一般認為，在摩擦初期摩擦表面以磨粒磨損為主，隨著溫度的升高，摩擦界面磨粒的聚集，形成粘著磨損，并發生高溫降解、升華等現象的熱磨損和疲勞磨損。

3 摩擦及磨損數據分析

由于我們主要研究碳纖維長度及含量對摩擦磨損性能的影響，因此在配方設計中，固定樹脂及其他成分的用量，纖維用量根據實驗安排來確定。為了更明晰的觀察和分析出碳纖維長度及含量對摩擦材料各性能的影響，我們取碳纖維長度分別為20μm、500μm、1000μm、3000μm、在各個長度下，碳纖維含量分別為0%、2%、4%、6%，摩擦材料摩擦磨損性能的變化。

（1）摩擦系數數據處理及分析

圖2摩擦材料磨損后表面形貌

圖1為碳纖維摩擦材料在不同狀態下的摩擦系數折線圖，圖中橫線為不加碳纖維的摩擦材料在2Mpa壓強比下的摩擦系數。

從圖1來看，不同長度、不同含量碳纖維的加入，能夠有效改善摩擦材料的摩擦性能。

從圖1、圖2來看，當碳纖維長度低于500μm，隨著碳纖維長度、含量的增加，分布在摩擦表面的碳纖維表面積增加，犁切阻力增加，摩擦材料的摩擦系數增加。

從圖1、圖3來看，當碳纖維的長度高于500μm時，在基體材料內部份碳纖維呈團絮狀，分布在摩擦材料摩擦表面的碳纖維相對減少，摩擦系數呈下降趨勢，但由于碳纖維團絮狀現象的存在，使得碳纖維在摩擦表面的分布具有不確定性，對于長度高于500μm、不同含量的碳纖維摩擦材料之間的摩擦系數關系具有不確定性。

圖3摩擦材料磨損后斷面圖

圖4 摩擦材料的磨損率

（2）磨損數據處理分析

圖4為碳纖維摩擦材料在不同狀態下的摩損率折線圖，圖中橫線為不加碳纖維的摩擦材料在2Mpa壓強比下的磨損率。

從圖4可以看出，不同長度、不同含量碳纖維的加入，能夠有效降低摩擦材料的磨損率。

當碳纖維長度低于500μm時，隨著碳纖維長度、含量的增加，分布在摩擦表面的碳纖維表面積增加，碳纖維具有較強的耐磨性能，摩擦材料的磨損率呈降低趨勢。當碳纖維長度為20μm，含量為2%時，粘結劑能夠與碳纖維、性能調節劑充分融合，并且碳纖維與周圍基體相結合處應力最小，周圍基體及碳纖維不容易脫落，摩擦材料的磨損率達到最低。

對于長度高于500μm的摩擦材料，由于碳纖維在基體內部會存在團絮狀現象，不同含量的碳纖維摩擦材料之間的磨損率關系具有不確定性。

4 總結

本文將不同長度、不同含量的碳纖維分別加入摩擦材料基體里，并通過GM-2000型定速摩擦磨損試驗機測得每種摩擦材料的摩擦系數及磨損量、通過OLS3000激光共焦掃描電鏡觀察摩擦材料磨損后的表面形貌，發現長度為20μm、500μm碳纖維摩擦材料的摩擦磨損性能好于長度為1000μm、3000μm碳纖維摩擦材料的摩擦磨損性能，但總體來說，碳纖維的加入能夠有效地增加摩擦材料的摩擦系數、降低摩擦材料的磨損率

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