氧化鑭改性樹脂基復合材料摩擦學性能研究*

良煊

(福州大學機械工程及自動化學院 福建福州 350116)

隨著汽車工業的高速發展，現代制動摩擦材料朝著無石棉、少或無金屬化方向發展[1-3]，對汽車安全性、舒適性的要求也日益提高。據統計，我國每年發生的交通事故都在30萬起以上，其中有30%事故是由于車輛制動問題引起的，而摩擦材料連續制動產生的熱衰退現象是造成剎車失靈的重要原因。因此有必要深入研究熱衰退現象，探索摩擦因數穩定、抗熱衰退性能良好的制動材料配方。

稀土元素被譽為“工業的維生素”[4]。稀土元素具有獨特的4f電子結構、豐富的能級躍遷、優異的界面性能等特點，是我國極其重要的戰略資源。研究表明，稀土可大幅度提高鋼材、鋁合金、鎂合金、復合材料等的質量和性能[5-8]，尤其應用于復合材料中可起到增韌、增強、改善界面性能、提高耐熱性等作用[9-10]。鄭開魁等[11]研究了稀土改性樹脂基制動材料在不同工況下的摩擦學性能影響，表明稀土的加入可提高制動材料的摩擦因數并有效降低磨損量。目前，關于樹脂基摩擦材料中添加稀土氧化鑭的效果和作用機制的研究報道較少。本文作者擬用稀土氧化鑭來改性樹脂基制動材料，以期提高摩擦材料抗熱衰退性能，改善制動平順性，為獲得新型高性能制動材料的摩擦學設計和應用提供試驗依據和理論指導。

1 試驗部分

1.1 試驗材料與制備

試驗所用增強纖維為陶瓷纖維和竹纖維，黏結劑為腰果殼油改性酚醛樹脂，改性劑為粒度200目的市售白色粉末狀氧化鑭，填料包括市售的石墨粉、氧化鋁粉、硫酸鋇粉、輪胎粉等。采用熱壓成型工藝制備樹脂基摩擦材料。將干燥后的原材料置于JF810S型混料機中攪拌20 min，得到均勻纖維粉狀料。采用Y32-63型四柱液壓機壓制成型，成型溫度為150～160 ℃，成型壓力為6～10 MPa,保壓時間為8～10 min,其中增壓階段和保壓階段各排氣5次和2次。最后在JF980S型熱處理箱進行160 ℃、保溫12 h的熱處理，隨爐冷卻得到模壓制品。

1.2 試驗方法

采用正交優化試驗探究稀土氧化鑭含量對樹脂基摩擦材料摩擦磨損性能的影響。重點考察氧化鑭(A)、酚醛樹脂(B)、硅酸鋁纖維(C)、竹纖維(D)這4個因素，并考慮A與B、A與C、A與D間的交互作用，選用L27(313)的正交表。表頭設計如表1所示。

表1 正交表表頭設計Table 1 Design of orthogonal test

摩擦材料的組成成分(以質量分數計，%)：氧化鑭15～25，酚醛樹脂15～25，硅酸鋁纖維5～15，竹纖維3～7，其他為填料。每種因素取3個水平，水平安排如表2所示。

表2 正交水平表(質量分數)Table 2 Level of orthogonal test (mass fraction)

采用X-DM型調壓變速摩擦試驗機測量試樣的摩擦學性能，測試過程執行GB5763-2008《汽車用制動襯片》標準[12]。試驗基本條件：試樣尺寸為25 mm×25 mm×(5～6)mm。試驗機轉速為450 r/min，壓力為0.98 MPa，轉盤轉數為5 000轉。由計算機自動計算出100、150、200、250、300、350 ℃溫度下的摩擦因數μ及磨損率ω(cm3/(N·m))。采用美國FEI公司QUANTA250型掃描電鏡對試樣磨損表面形貌進行觀察與分析。

2 結果與分析

2.1 正交試驗結果與分析

通過對正交設計的配方試樣進行摩擦性能測試。結果表明：各試樣在低溫(100 ℃)和高溫(350 ℃)時摩擦因數較低，而磨損率在高溫(350 ℃)時較大。這與多數樹脂基制動材料的摩擦學性能規律相似[13]。文中主要以低溫(100 ℃)摩擦因數、高溫(350 ℃)摩擦因數以及高溫(350 ℃)磨損率平均值為考察指標。表3列出了27個試樣在100、350 ℃下的摩擦因數以及350 ℃下的磨損率。

表3 正交配方試樣的摩擦學性能Table 3 Tribological performance of the developed composites

續表3

為了探討稀土氧化鑭對制動摩擦材料摩擦磨損性能的影響，并確定主要因素和較優配方，分別對上述正交試驗數據進行方差分析，其結果如表4所示。

從表4可以看出，100 ℃時因素B(樹脂)的F值最大，對復合材料摩擦因數影響最為顯著，其次是A(氧化鑭)、C(硅酸鋁纖維)和D(竹纖維)，而A×C(A與C的交互作用)有一定影響，A×B、A×D則不顯著。由于因素A、B、C、D對指標影響的顯著性遠大于交互作用的影響，水平的選取可忽略交互作用。分別取因素A、B、C、D的K值最大的水平數，因此可以確定優化方案為A2B1C2D3，即氧化鑭20份、酚醛樹脂15份、硅酸鋁纖維10份、竹纖維7份時，低溫摩擦因數值較優；同理，可以確定350 ℃下高溫摩擦因數值優化方案為A3B1C3D1，即氧化鑭25份、酚醛樹脂15份、硅酸鋁纖維15份、竹纖維3份；350 ℃高溫耐磨性優化方案為A1B3C1D1，即氧化鑭15份、酚醛樹脂25份、硅酸鋁纖維5份、竹纖維3份。

表4 方差分析結果Table 4 Results of ariance analysis of the composites

注：因素影響高度顯著記為****；因素影響顯著記為***；因素有影響記為**；因素有一定影響記為*；F指各因素均方和誤差均方和的比值；K指主效應相對指標。

綜上所述，不管是高溫還是低溫，氧化鑭含量對摩擦因數以及高溫磨損率的影響都十分顯著。適當增加氧化鑭含量可提高摩擦材料摩擦磨損性能。硅酸鋁纖維和竹纖維均是增強相，但硅酸鋁纖維硬度高，耐高溫，熱穩定性能好，對摩擦材料的摩擦因數以及高溫磨損率的影響，均比竹纖維顯著。竹纖維耐熱性能差，適當地減少竹纖維含量、增加硅酸鋁含量，能夠有效地提高摩擦材料的高溫摩擦磨損性能。樹脂對高溫摩擦因數的影響比低溫摩擦因數更為顯著。這是因為隨著溫度升高，在熱力作用下摩擦材料局部過熱。當超過樹脂分解溫度時樹脂嚴重分解，導致黏結性下降，纖維易剝落，因此摩擦因數降低，磨損加劇[14-15]。

2.2 優化配方摩擦學性能

從低溫摩擦因數、高溫摩擦因數、高溫磨損率的方差分析結果，可以確定3個較優配方分別是A2B1C2D3、A3B1C3D1、A1B3C1D1。分別以這3個配方以及不含氧化鑭的配方(即：氧化鑭0份、酚醛樹脂20份、硅酸鋁纖維5份、竹纖維5份)制成摩擦材料，編號YH1、YH2、YH3、WYH。分別對4個試樣進行X-DM型調壓變速摩擦試驗，結果如圖1所示。

圖1 不同配方試樣的摩擦因數和磨損率Fig 1 Friction and wear properties of the samples of different formulas

圖1(a)所示為試樣隨溫度升高摩擦因數的變化曲線。可以看出：隨著溫度的升高，試樣YH1、YH3、WYH的摩擦因數基本呈先升高后降低的趨勢，并且這3個樣的摩擦因數在升溫過程中波動較大，均在300～350 ℃左右發生熱衰退現象，尤其是未添加稀土試樣WYH熱衰退現象更加明顯，摩擦因數在200 ℃就開始急劇下降，降幅達39.3%左右。與其他3個優化配方相比，不含氧化鑭試樣的低溫摩擦因數和高溫摩擦因數最低，可見氧化鑭的加入可提高復合材料的低溫和高溫摩擦性能。試樣YH2摩擦因數在0.44～0.5之間波動，摩擦因數較穩定且總體處在較高水平；在高溫段(300～350 ℃)摩擦因數沒有下降反而上升，表現出良好的抗熱衰退性能。

圖1(b)所示為試樣隨溫度升高磨損率的變化曲線。可以看出，各試樣的磨損率隨著溫度的升高均呈現上升趨勢，未添加氧化鑭的試樣WYH在各個溫度段的磨損率均高于其他3個試樣，尤其在250 ℃后磨損率急劇增大，在350 ℃時高達1.48×10-7cm3/(N·m)。試樣YH1、YH2、YH3在100～250 ℃之間，磨損率變化平穩；在300～350 ℃之間，磨損率也出現上升趨勢，但總體均維持在較低水平。試樣YH3的高溫磨損率最低，試樣YH2次之。可見，氧化鑭的加入可有效提高復合材料的磨損性能。

綜上所述，含有氧化鑭試樣YH1、YH2、YH3的摩擦磨損性能均優于不含氧化鑭的試樣WYH。其中當摩擦材料配方中組分質量份數為氧化鑭25份、酚醛樹脂15份、硅酸鋁纖維15份、竹纖維3份、其他填料58份時(即試樣YH2，質量分數為氧化鑭21.6%、酚醛樹脂12.9%、硅酸鋁纖維12.9%、竹纖維2.6%、其他填料50%)綜合摩擦學性能最優，其摩擦因數穩定且具有良好的抗熱衰退性能和耐磨損性能。由于氧化鑭具有獨特的電子組態，化學活性好，加入適量的氧化鑭一定程度改善了樹脂與各組分的界面黏結性，降低了樹脂炭化后材料的脆性，有效地改善了材料的致密性和柔韌性[16]；氧化鑭具有六方晶體結構，高溫潤滑性好，降低了摩擦材料磨損率。因此，氧化鑭的加入能夠穩定摩擦材料的高溫摩擦因數，降低磨損率，有效避免熱衰退現象。

3 磨損表面形貌分析

采用FEI公司生產的QUANTA250型掃描電子顯微鏡，分別對盤溫為100、350 ℃試驗后優化配方試樣(YH2)與不含氧化鑭配方試樣(WYH)的磨損表面進行觀察，結合摩擦磨損試驗結果，探討其摩擦磨損機制。試樣YH2和WYH在100、350 ℃下的磨損表面SEM形貌如圖2所示。

從圖2(a)、(b)可以看出：100 ℃下試驗后試樣摩擦表面均形成了一層較穩定的摩擦膜。這是由試樣與摩擦盤相對滑動所產生，而摩擦膜的出現對基體起到一定的保護作用。兩者相比之下，不含氧化鑭試樣WYH的表面磨損程度較大，100 ℃下的磨損率為0.23×10-7cm3/(N·m)。同時還可以看出：WYH表面的部分纖維已經斷裂甚至脫落，在摩擦表面留下了少許的凹坑，失去了纖維作為增強基體的作用。這反映了樹脂與纖維的黏結性較差，在未達到樹脂熱分解溫度發生熔融分解的情況下，纖維就已斷裂脫落，甚至整體裸露于摩擦表面。這是試樣WYH摩擦因數較低的部分原因。而試樣YH2的摩擦面整體較為光滑，無明顯的凹坑，并且樹脂對纖維的包覆性較好，纖維與樹脂的界面結合良好，很好地起到了纖維作為“骨架”的作用，保證了摩擦材料穩定的摩擦因數和較小的磨損率，100 ℃下的磨損率為0.11×10-7cm3/(N·m)，僅為試樣WYH的50%左右。可見，氧化鑭的加入可有效提高摩擦材料的低溫摩擦磨損性能及摩擦因數的穩定性。

從圖2(c)、(d)可知：當溫度達到350 ℃時不含氧化鑭試樣WYH的表面磨損嚴重，可以觀察到較大的凹坑。此時成束纖維暴露在表面，大面積的纖維斷裂、脫落。這是因為樹脂高溫分解，黏結力下降，致使填料顆粒和纖維松動、脫落，形成大小不一的凹坑。隨著試驗的進行，磨損加劇，凹坑尺寸逐漸變大。相比之下，試樣YH2磨損表面更為光滑平整，無明顯的坑洼，纖維仍舊與樹脂基體緊密結合。這是由于氧化鑭表現出良好的高溫潤滑性。其潤滑機制有2種：一是氧化鑭與摩擦材料中的氧、硫元素反應，在摩擦表面形成化學反應膜，起到減摩作用；二是氧化鑭中鑭元素會擴散滲透到樹脂基體中，改善了摩擦材料的耐磨性，從而減少熱衰退現象[17]。

圖2 WYH和YH2試樣在不同溫度下的磨損表面形貌SEM圖Fig 2 SEM images of worn surface of composites WYH and YH2

綜上所述，氧化鑭對摩擦材料的摩擦磨損性能影響顯著。低溫階段是整個摩擦過程的初期，樹脂未熔融分解，此時以磨粒磨損為主，黏著磨損為輔。隨著溫度的升高，樹脂逐漸熔融分解，填料和纖維逐漸剝落，此時磨損形式主要是黏著磨損和疲勞磨損。而不含氧化鑭的試樣磨粒磨損所占比重較大，磨損嚴重。因此，氧化鑭的加入能夠很好地穩定摩擦材料的摩擦因數，提高其耐磨性和抗熱衰退性能。

4 結論

(1)采用氧化鑭改性樹脂基復合材料，并通過正交試驗方差分析獲得摩擦學性能較優組分配方(質量分數)，即氧化鑭21.6%、酚醛樹脂12.9%、硅酸鋁纖維12.9%、竹纖維2.6%，其他填料50%。

(2)摩擦材料中加入適量的氧化鑭不僅能夠提高摩擦材料的低溫、高溫摩擦因數，還能提高復合材料的摩擦因數穩定性與耐磨性，提高其抗熱衰退性能，從而延長摩擦材料的使用壽命。

(3)未添加氧化鑭試樣磨損試驗后表面產生嚴重的剝落,并且出現大量的磨屑，磨損形式以磨粒磨損為主，黏著磨損為輔；加入適量的氧化鑭后，試樣磨損表面出現大面積連續的摩擦膜，磨損形式以黏著磨損為主。