玄武巖纖維和鋼纖維含量對樹脂基摩擦材料性能的影響研究

劉 浪，欒道成，胡志華，文科林，周新宇，米書恒，王正云*

（西華大學材料科學與工程學院，成都 610039）

0 前言

隨著現代交通運輸業的高速發展，要求剎車片摩擦材料具有穩定且適合的摩擦系數、良好的耐磨性、較低的制動噪音、優良的力學性能、對偶面磨損小等性能［1-4］。國內外學者對摩擦材料進行了大量的研究［5-7］。近年來，摩擦材料的增強纖維成為行業研究熱點之一，如對玄武巖纖維、鋼纖維、碳纖維、芳綸纖維等進行了大量研究。玄武巖纖維是一種高性能纖維，具有高強度、高模量等特點，具備耐溫性佳、抗氧化、抗輻射、絕熱隔音、過濾性好、抗壓縮強度高、剪切強度高、適用性強和性價比高等優異性能［8-9］。鋼纖維具有優良的力學性能，其最顯著的特點是導熱性好，可使局部表面熱量迅速擴散至內部，從而降低摩擦表面溫度，避免表面溫度過高，防止基體樹脂因受熱分解而導致材料磨損加劇，延長摩擦塊的使用壽命［10］。碳纖維具有高比強度、高比模量、耐高溫及耐疲勞等一系列優異特性，同時還具有吸震性好、耐沖擊等特點，使得其作為增強體被廣泛應用于各類摩擦材料中［11-12］。因此，本文開發制備了一種復合增強樹脂基摩擦材料，研究了玄武巖纖維和鋼纖維的含量對其力學性能和摩擦磨損性能的影響，同時通過觀察試樣磨損后表面及微觀形貌，探究了摩擦材料的摩擦磨損機制。

1 實驗部分

1.1 主要原料

酚醛樹脂，河南濱海實業有限責任公司；

丁腈橡膠粉，粒徑約為187 μm，大冶市錦鵬摩擦材料有限公司；

玄武巖纖維，長度為0.3～0.5 mm，常州耀邦摩擦材料有限公司；

鋼纖維，常州耀邦摩擦材料有限公司；

石墨，粒徑約為150 μm，大冶市錦鵬摩擦材料有限公司；

二硫化鉬，大冶市錦鵬摩擦材料有限公司；

氧化鋁，粒徑為13～44 μm，大冶市錦鵬摩擦材料有限公司；

二氧化硅，粒徑約為2 μm，大冶市錦鵬摩擦材料有限公司；

石油焦炭，粒徑為300～850 μm，大冶市錦鵬摩擦材料有限公司；

重晶石，粒徑約為44 μm，大冶市錦鵬摩擦材料有限公司；

高溫耐磨劑，大冶市錦鵬摩擦材料有限公司。

1.2 主要設備及儀器

高速攪拌機，HLO-400A，海力歐有限公司；

電熱鼓風干燥箱，DHG-9245A，上海一恒科學儀器有限公司；

平板硫化機，XLB-D4002，中國青島亞東機械集團；

高溫電爐，ECF1-6-14，上海廣益高溫技術實業有限公司；

金相試樣切割機，QG-3，上海蔡康光學儀器有限公司；

自動磨拋機，LMP-3S-2，萊州華銀金相設備有限公司；

洛氏硬度計，XHR-150，萊州華煜眾信試驗儀器有限公司；

沖擊試驗機，GT-7045-MDL，高鐵檢測儀器有限公司；

高溫材料萬能試驗機，HD-B607-S，海達國際儀器有限公司；

摩擦磨損試驗機，MM3000，西安順通機電應用技術研究所；

掃描電子顯微鏡系統（SEM-EDS），S-3400N，株式會社日立制作所。

1.3 樣品制備

按照表1配比，利用熱壓燒結技術制備出不同摩擦樣品。在高速攪拌機中對不同配比的原料進行混合，混合時間為4 min；然后將干燥后的混合料放入預熱好的模具中，在平板硫化機上進行熱壓。其成型在160℃和30 MPa下進行，熱壓時間為15 min。為使樹脂充分固化并消除殘余應力，將試樣放入高溫電爐中進行固化熱處理，在170℃溫度下保溫7 h，隨爐冷卻后得到成品。

表1 摩擦材料配方Tab.1 Friction material formulation

1.4 性能測試與結構表征

按照《城市軌道交通車輛制動系統第9部分：合成閘片技術規范》，利用MM3000型摩擦磨損試驗機測試M1、M2、M3、M4和M5摩擦材料樣品的摩擦磨損特性，對偶材料為鋁盤，其直徑為150.1 mm，將5種摩擦材料加工成15 mm×20 mm×15 mm的樣品；實驗前用砂紙對樣品表面進行打磨，確保樣品表面無凹坑。為研究不同制動初速度條件下樣品的摩擦磨損性能，設置如下實驗條件：恒定壓力在0.4 MPa，制動初速度分別為60、80、100、135 km/h，每次實驗均進行4次，樣品的摩擦系數和磨耗量均為4次實驗的平均值，以保證在相同實驗條件下測試數據的準確性和重復性，所有實驗均在室溫下進行。

使用電子天平測量樣品磨損前后的質量，樣品的磨耗量（L）按式（1）計算：

式中L——單位制動能量的材料磨耗量，cm3/MJ

ω1——試驗前樣品質量，g

ω2——試驗后樣品質量，g

A——試驗過程總的制動功，MJ

ρ——樣品的密度，g/cm3

根據GB/T 1033.1—2008，采用浸漬法進行密度測試。

根據GB/T 3398.2—2008，使用塑料洛氏硬度計測量試樣硬度，總負荷為588.4 N，選用HRR標尺，2個壓痕邊緣之間或者壓痕邊緣與試樣邊緣之間的最小距離不應小于10 mm。

根據GB/T 1043—1993，使用簡支梁沖擊試驗機測試沖擊強度，采用無缺口試樣，沖擊能量為1 J，沖擊速率為2.9 m/s，試樣尺寸為50 mm×6 mm×4 mm。

根據GB/T 1041—2008，進行壓縮強度測試，測試速率為10 mm/min。

利用SEM-EDS對噴金后的摩擦后樣品表面進行形貌觀察和成分檢測。

2 結果與討論

2.1 摩擦材料的物理性能

2.1.1 密度

測試結果顯示，樣品M1、M2、M3、M4、M5的密度分別為 2.10、2.14、2.23、2.27、2.35 g/cm3。由此可知，隨著鋼纖維與玄武巖纖維質量比的增大，摩擦材料試樣的密度變化呈現出逐漸增大的趨勢，但整體變化不大。其原因是，樣品中的鋼纖維密度大于玄武巖纖維，前者對于摩擦材料密度的影響更大，因此使得摩擦材料的密度隨著鋼纖維占比增加而逐漸增大；另一方面，玄武巖纖維的比表面積較大，在樹脂含量相同的情況下，隨著玄武巖纖維含量的增多，填充度逐漸下降，空隙逐漸增多。在整個摩擦材料熱壓成型過程中，樹脂受熱流動填充到樣品孔隙或間隙中的樹脂會增多，這是樣品密度變化的主要原因，因5個樣品的樹脂含量保持一致，所以樣品的密度整體上變化不大。

2.1.2 硬度

圖1為樣品的硬度，當鋼纖維與玄武巖纖維比例從0.2增加到5.0時，摩擦材料制品的硬度從101 HRR左右下降到91 HRR左右，其值發生了一定程度的降低，這就說明鋼纖維和玄武巖纖維不同占比對于摩擦材料的硬度有影響。材料硬度降低是因為玄武巖纖維的主要成分為硬度較大的SiO2、Al2O3等顆粒，隨著玄武巖纖維含量的減少，相當于分布在摩擦材料表面的SiO2、Al2O3等硬質顆粒減少，造成摩擦材料的硬度下降。

圖1 不同試樣的硬度Fig.1 Hardness of different samples

2.1.3 沖擊強度

從圖2可知，摩擦材料的沖擊強度呈現先增加后減小的趨勢，當M4即鋼纖維占比20%、玄武巖纖維占比10%時，摩擦材料的沖擊強度為最大值4.96 kJ/m2。圖3為M1和M3試樣脆性斷裂面的SEM微觀形貌圖，由圖3（a）可知，出現這種現象其因為是玄武巖纖維過多會使得玄武巖纖維產生局部團聚，纖維和樹脂之間呈現低附著狀態，結構較為松散，導致沖擊強度下降。從圖3（b）可看出，隨著玄武巖纖維含量減少，局部團聚程度減輕，改善了低附著狀態，沖擊強度提高。當鋼纖維含量為25%時沖擊強度產生大幅度下降，這是因為酚醛樹脂和鋼纖維之間存在界面相容性不好的情況，當鋼纖維含量過高時鋼纖維對材料的性能增強作用不足以抵消由于鋼纖維和基體之間相容性差帶來的性能削弱作用，導致摩擦材料的沖擊強度降低。

圖2 不同試樣的沖擊強度Fig.2 Impact strength of different samples

圖3 M1和M3試樣脆性斷裂面的SEM照片Fig.3 SEM images of brittle fracture surfaces of M1 and M3 samples

2.1.4 壓縮強度

在圖4中，隨著鋼纖維含量增加，玄武巖纖維含量減少，摩擦材料的壓縮強度呈現先略微增加后逐漸減小的趨勢。造成這種現象主要有兩方面原因，首先是因為玄武巖纖維作為硅酸鹽類材料，加入后使得整個摩擦材料的剛度發生了變化，對于摩擦材料的壓縮強度有著一定的積極作用，因而隨著玄武巖纖維含量不斷減少，材料的壓縮強度不斷下降；另一方面是因為，與玄武巖纖維相比，鋼纖維與基體樹脂間的相容性不好，當承受外界施加的壓縮載荷時，樹脂因為和鋼纖維之間的界面接觸力更低，使得從界面接觸處首先發生分裂，摩擦材料開始發生損壞，隨著鋼纖維從接觸處分離后對周圍組織進一步的破壞，從而帶來了更大的負效應，使得摩擦材料進一步被壓潰。

圖4 不同試樣的壓縮強度Fig.4 Compressive strength of different samples

2.2 摩擦磨損性能

對于軌道剎車片來說，摩擦因數的高低直接影響著制動性能的反應速度與制動效果，摩擦因數過高會導致摩擦盤抱死，加劇摩擦盤制動盤的磨損；摩擦因數過低會導致制動距離變長，造成制動失效帶來安全隱患，因此需要摩擦因數穩定且適宜。圖5為試樣的摩擦因數，從圖中可以看出隨著鋼纖維含量與玄武巖纖維含量的增加，平均摩擦因數呈現先增加后減小的趨勢，對于單個試樣來說，隨著制動初速度的增加，平均摩擦因數在增加。其中M3和M5保持在規定范圍內，M3具有穩定且適宜的摩擦因數，其余都超出了制動限制且波動較大。其原因是隨著鋼纖維含量增加，在摩擦磨損過程中鋼纖維被剝離、拉拔和剪切的可能性提高，脫落后在摩擦面上形成磨粒，犁削作用加大，所提供的摩擦力矩增大，導致摩擦因數升高。另一方面，隨著玄武巖纖維含量減少，摩擦過程中斷裂的玄武巖纖維在摩擦材料表面形成的磨粒減少，磨粒所導致的犁溝效應逐步減少，因此摩擦因數逐漸減小。

圖5 不同制動初速度時樣品的平均摩擦因數Fig.5 Average friction coefficient of the samples at different initial braking speeds

圖6為試樣的磨耗量，隨著鋼纖維含量與玄武巖纖維含量比值的增加，試樣磨耗量呈現先減小后增加的趨勢。當玄武巖纖維含量為15%、鋼纖維含量為15%時，磨耗量最低。主要因為，一方面，隨著玄武巖纖維含量的減少，玄武巖纖維在摩擦過程中端部斷裂的程度下降，起磨料作用的斷裂玄武巖纖維減少，所以磨耗量下降；另一方面，鋼纖維具有較高的導熱性能，在摩擦材料中起著增強和散熱的作用，可以將摩擦過程中摩擦表面產生的摩擦熱有效地轉移以及釋放出去，提高樹脂基摩擦材料的整體穩定。此外，在制動過程中產生的高溫導致鋼纖維發生金屬軟化現象，在摩擦表面形成一層金屬保護膜，從而降低了摩擦材料的磨耗量。當鋼纖維含量從20%提高到25%時，鋼纖維的含量達到了臨界值，因為鋼纖維與摩擦對偶件的材質相同，其含量增大，在摩擦過程中容易形成更多的黏著點，造成磨耗量增加。

圖6 不同試樣的磨耗量Fig.6 Abrasion quantity of different samples

2.3 微觀形貌

在研究玄武巖纖維和鋼纖維對樹脂基摩擦材料力學性能和摩擦磨損性能的影響后，選取綜合摩擦性能最優的M3試樣進行磨損后表面形貌進行分析。圖7為試樣M3表面磨損后的形貌照片，可以看出，磨損后試樣表面存在著形狀不一的平臺，平臺周圍分布著雜亂無序的纖維。這些平臺是摩擦過程中試樣表面形成的摩擦層，承載著對偶盤的主要壓力，摩擦層的存在有利于穩定摩擦因數以及減少磨損。從圖7（a）還可以看出，磨損后表面存在著明顯的裂紋，這是因為在摩擦過程中會不斷向摩擦材料施加載荷，使得摩擦材料中發生應力集中，導致從摩擦材料內部組分界面接觸薄弱的部分生長出微裂紋，而為了釋放積聚的殘余應力，微裂紋會不斷擴展使摩擦材料的表面發生疲勞剝落。如圖7（b）所示磨損后試樣表面存在凹坑、孔洞以及裸露的斷裂纖維，結合表2和圖8可，知區域2和區域4中裸露的纖維Si元素含量分別為24.02%和20.65%，說明該纖維是玄武巖纖維。存在凹坑和空洞的主要原因是在摩擦過程中，黏結性差的填料脫落，脫落的顆粒附著在摩擦表面，對摩擦面造成劃傷，產生黏著磨損，形成凹坑和孔洞。因此，磨損機理主要為黏著磨損和疲勞磨損。

圖7 試樣M3磨損表面的SEM照片Fig.7 SEM of worn surface of sample M3

圖8 試樣M3磨損表面能譜分析Fig.8 Energy spectrum analysis of wear surface of sample M3

表2 試樣M3磨損后表面的元素組成及元素含量Tab.2 Element composition and element content of the surface of sample M3 after being worn

3 結論

（1）制備的樹脂基摩擦材料，在纖維總量一定時，隨著玄武巖纖維含量的減少，鋼纖維含量的增加，摩擦材料密度增加，其硬度和壓縮強度逐漸減小，沖擊強度呈現先增加后減少的趨勢；

（2）當鋼纖維含量與玄武巖纖維含量比值上升時，摩擦材料的摩擦因數先增加后減小，隨著制動初速度的上升，摩擦因數逐漸增加，磨耗量表現為先減小后增大；當玄武巖纖維和鋼纖維比例為1∶1時摩擦因數穩定且適宜、磨耗量最小；

（3）制備的摩擦材料在與對偶件摩擦時，呈現出的磨損機理主要為黏著磨損和疲勞磨損。