汽車用碳纖維復合摩阻材料的摩擦磨損特性研究
時間:2005-07-05
摘要：
研究了汽車用碳纖維復合摩阻材料在實際工況下的摩擦磨損特性，分析了碳纖維含量及碳纖維的強度、表面狀態等對磨損機制的影響。實驗研究結果表明，碳纖維復合摩阻材料的磨損性能、工作壽命與抗熱衰退性能均明顯高于傳統的石棉摩阻材料。
前言
用傳統的石棉摩阻材料制成的汽車制動器襯片，不但污染環境有致癌作用，而且工作壽命低，其在250℃以上工作時有熱衰退現象。因此，近二十年來世界各國都對石棉摩阻材料的生產與使用加以限制，并致力于研究新一代摩阻材料來取代石棉摩阻材料。本研究工作在采用正交設計優化了碳纖維復合摩阻材料的基礎上，針對汽車制動器襯片的實際工況，研究了碳纖維復合摩阻材料的摩擦磨損特性及磨損機制。本研究結果為研制碳纖維復合材料汽車用制動襯片打下了基礎。
1 實驗材料、內容及方法
1.1 實驗材料的成分設計與制備
實驗材料系用碳纖維作增強纖維，改性酚醛樹脂作粘接劑并輔有各種性能調節劑與填料的多元組分體系。在材料成分配方設計中，采用了L16（45）正交優化設計方法，并經多輪實驗后，確定了碳纖維復合摩阻材料的經濟實用型配方（見表1）：
表1 實驗用碳纖維復合摩阻材料的成分
注：碳纖維分別選用吉林炭素廠與遼源市碳纖維廠生產的高碳纖維、低碳纖維與預氧纖維，并按不同強度的碳纖維組分進行實驗。
按上述配方（其中碳纖維的強度不同），將各組分經過均勻混料、干燥處理后，用熱模壓成型壓制成碳纖維復合材料汽車制動襯片試樣[2]。
1.2 摩擦磨損實驗
在MM－200 磨損實驗機上進行磨損實驗，實驗參數為：
摩擦壓力F=200kN
轉速n=400 rad/s
摩擦配副為直徑φ40mm，材質為HT400 的磨輪。
采用感量萬分之一的精密天平稱量試樣的磨損量。在JSM－5310 型掃描電子顯微鏡上觀察磨損面的表面形貌。
磨損實驗結果處理后的數據見表2：
表2 磨損實驗結果處理
圖1 與圖2 為碳纖維表面經過改性處理與未經改性處理的SEM 照片。
圖1 經表面處理的碳纖維摩阻材料的SEM 照片 圖2 未經表面處理的碳纖維摩阻材料的SEM 照片
1.3 在D－MS 實驗機上進行熱衰退實驗
在300℃實驗溫度條件下，分別按摩擦系數和磨損率進行實驗分析各組分的影響次序。實驗結果見表3。
表3 碳纖維不同表面狀態時的熱衰退實驗結果
2 實驗結果與分析
2.1 碳纖維對摩阻材料摩擦磨損特性的影響
2.1.1 碳纖維含量對摩擦磨損特性的影響
碳纖維含量是影響本摩阻材料摩擦磨損性能的重要因素。實驗結果表明：當碳纖維含量較低時（15%~19%）摩擦系數與磨損率隨碳纖維含量的增加而減少；而當碳纖維含量較高（19%~25%）時摩擦系數與磨損率都隨著碳纖維含量的增加而增大。
出現第一種現象是因為碳纖維屬“亂層石墨”式結構，其本身具有良好的自潤滑性能，能起一定的減摩作用，致使摩擦系數減小[5]。在滑摩時，發生在摩擦界面上因碳纖維引起的犁削阻力較小，故此時碳纖維的減摩作用明顯，因而會呈現隨碳纖維含量增加摩擦系數與磨損率隨之減小的現象。
出現第二種現象是因為當碳纖維含量相當高時，由于碳纖維比強度、比模量很高，故滑摩時的犁削阻力相當大，遠遠超過了碳纖維的減摩作用，從而呈現出摩擦系數隨碳纖維含量的增加而增大的現象。同時，當犁削阻力大于碳纖維機體的結合強度時就會發生磨損，故隨著碳纖維含量的繼續增加，磨損率也會增大。
2.1.2 碳纖維表面狀態對摩擦磨損特性的影響
對碳纖維需進行表面處理，以達到強化與粘接劑改性酚醛樹脂的潤濕與粘接的目的。
將對碳纖維進行表面改性處理的與未經處理的試樣進行對比實驗。碳纖維進行表面改性處理的工藝是：將碳纖維置于50％的硝酸水溶液中處理24h 后取出，用水沖洗干凈并作干燥處理后，再進行混料。
碳纖維與基體的粘接力在很大程度上取決于其表面性質。未經表面改性處理的碳纖維，由于其表面惰性，與粘接劑的相溶性差，致使摩阻材料的抗剪強度低，當對碳纖維進行表面改性處理后，會使其表面的沉積物減小，表面粗糙度增大，進而提高強度并增大摩擦系數，有利于提高錨固作用。圖3 與圖4 為碳纖維表面經改性處理與未經改性處理的摩擦材料的摩擦系數和磨損率對比。
圖3 碳纖維不同表示形態時的摩阻材料的摩擦系數 圖4 碳纖維不同表示形態時的摩阻材料的摩損率
經過改性處理的碳纖維與基體結合好而緊密。這是因為經處理后碳纖維表面含氧官能團增多，提高了碳纖維與粘接劑的反應性，因而碳纖維自身的浸溶性提高，也增加了碳纖維與粘接劑的結合強度。因此，經改性處理后的碳纖維復合摩阻材料表面現出較好的摩擦磨損性能。圖5 是用23%的碳纖維所制成的制動襯片的溫度與摩擦系數，時間與摩擦系數的關系。
圖5 摩擦系數與溫度和時間的關系
2.1.3 碳纖維強度對摩擦磨損性能的影響
實驗結果表明碳纖維強度越大，用其增強的摩阻材料的磨損系數也越大。這是因為碳纖維的比強度和比模量越高，摩擦時抗犁削阻力就越大，因此摩擦系數也越高。
2.2 碳纖維對摩阻材料抗熱衰退性的影響
圖6 碳纖維的疲勞特性 圖7 碳纖維的蠕變特性
碳纖維復合摩阻材料具有較高的強度( sb =17MPa， t = 90MPa)，彈性模量（125GPa），故其具有較高的疲勞特性、蠕變特性（圖6、圖7）[1]。此外它還因碳纖維具有良好的導熱性，高溫性能好，故在高溫條件下能減小犁削深度并減小材料表面層的剝落，抵御磨料運動的能力增強。所以碳纖維復合摩阻材料的抗熱衰退性能好，明顯優于石棉摩阻材料與半金屬摩阻材料。在D－MS 實驗機上將碳纖維復合材料制動器襯片與日本產的半金屬制動器襯片和國產石棉制動器襯片進行的對比實驗結果見表4。
表4 三種制動器襯片摩擦磨損性能對比實驗結果
經在中科學院長春應用化學研究所進行熱重分析（TAG），測定摩阻材料不同深度表面層中有機組分的含量，進而求出熱影響表面層的深度。測定結果為：碳纖維摩阻材料的熱影響表面層深度小于0.55mm，石棉摩阻材料為0.75mm，這證明了由于碳纖維導熱率高，會使材料內場的溫度梯度下降，熱分解層薄，因而碳纖維摩阻材料在很高的溫度時摩擦磨損性能很穩定，提高了工作性能和抗熱衰退性能。其主要性能指標達到了GB5736－1998《汽車用制動器襯片》的標準值：
摩擦溫度 100℃ 250℃ 300℃
摩擦系數 0.42±0.06 0.42±0.09 0.42±0.1
磨損率 ≤0.10 ≤0.41 ≤0.60
2.3 碳纖維復合材料的磨損特性與磨損機理
2.3.1 碳纖維復合摩阻材料的摩擦磨損特性
由于碳纖維具有很高的強度和彈性模量，并且具有很好的耐蠕變性、導熱性，將其進行表面改性處理后，以較高的組分制成的碳纖維復合摩阻材料具有良好的摩擦磨損特性。
在工作溫度低于250℃時，碳纖維復合摩阻材料的摩擦系數較高，且穩定在0.32~0.44 之間，在此溫度范圍之內磨損率變化也很小。
在滑摩速度為0.6m/s，載荷為200kN 時，碳纖維復合摩阻材料的磨損特性相當穩定，且回復性好，抗熱衰退性能好，基本上不發生蠕變。
2.3.2 碳纖維復合摩阻材料的磨損機理
在工作狀態下，碳纖維復合摩阻材料制成的制動襯片與制動盤滑摩時，摩阻材料的磨損與比壓和滑摩速度成正比。在工作過程中，其接觸壓和磨損是在內外側交替進行的，最終會使摩擦襯片沿徑向的磨損保持均勻。在制動時，第一階段因滑動速度較高在摩阻材料表面的磨損機制主要是犁削磨損。隨著制動過程的進行，第二階段磨損除了犁削磨損外還有粘著磨損，磨屑中有顯微切屑與片狀剝落。由于碳纖維復合摩阻材料表面層強度高，耐疲勞性好，故能有效地抵御制動盤的磨料壓入，而使犁削深度和表層材料的轉移磨失體積減小。在溫度升高時，由于碳纖維自身具有強度高、導熱性與減摩性能好，故能有效地降低粘著磨損，減少剝離磨損。在反復制動的動態接觸中，因其磨損系統呈現“襯片均勻磨損”特征，再加之碳素纖維具有良好的導熱性和耐蠕變性，故碳素纖維復合磨阻材料具有較高的摩擦磨損性能。
3 結論
目前國內外對開發新型摩阻材料及對其磨損機理的研究已進行了大量的工作。但因碳纖維復合摩阻材料是一種新型復合材料，其工作過程的磨損是涉及到摩擦系統的外部條件和材料組成因素的復雜的物理—化學過程，對其摩擦學性能的研究大多都局限于一定的試驗條件或以經驗為依據。有關其磨損機理的研究和磨損模型的建立還有待于繼續深入與完善，本文主要結合轎車盤式制動器摩擦塊的國產化，采用碳纖維作增強纖維，通過系統試驗分析，得出了碳纖維復合摩阻材料的磨損特性及其優點如下：
1）碳纖維復合摩阻材料是性能優異的新一代摩阻材料，其摩擦系數較高，抗熱衰退性能好，工作壽命是石棉摩阻材料的2~3 倍。
2）碳纖維的組分與表面狀態、強度對碳纖維復合摩阻材料的摩擦磨損性能有顯著的影響，本研究中通過優化碳纖維含量（19%~25%），選用高強度并經表面改性處理的碳纖維設計的復合摩阻材料，具有較高的摩擦磨損性能。實際應用時，呈現出摩擦平穩和良好的制動性能。
3）碳纖維復合摩阻材料的磨損機制主要是犁削磨損和粘著磨損 。由高強度、耐疲勞、導熱性好且具有減摩作用的碳纖維組分制成的復合摩阻材料能減小犁削深度，降低粘著磨損。
