纖維增強摩擦復合材料
時間:2005-07-05
摘要：
本文對摩擦材料中增強纖維的選用進行了綜述，探控討了鋼纖維、玻璃纖維、碳纖維等在摩擦材料中應用的優缺點及對摩擦材料性能的影響以及息樣優化纖維增強摩擦材料，并指出高性能纖維增強摩擦材料必然會替代石棉基摩擦復合材料。
1 前言
石棉作為一種天然礦物纖維，具有質輕、價廉、分散性好、摩擦磨損性能好、增強效果好等特點，因此在摩擦材料中得到了廣泛的應用。從上世紀20一80年代，石棉基摩擦材料幾乎是一統天下。自從上世紀70年代，石棉及其高溫分解物被確認屬于致癌物質后，許多國家對石棉的使用都做出了具體的規定。瑞士及德國規定1988年生產的汽車不能使用石棉基摩擦材料。美國也有10年內禁止使用石棉的提案[1]。與此同時，石棉粉塵的嚴格限制必須對除塵設備進行高額投資，致使石棉摩擦材料價格上升。隨著汽車科技的進步，汽車的速度越來越高，制動器更小以及盤式制動器的出現，對摩擦材料的性能提出了更高的要求，使用條件也更為苛刻。如今轎車前輪盤式制動溫度可達300－500℃，而石棉在400℃左右將失去結晶水，580－700℃時結晶水將完全喪失，同時也失去彈性和強度，已基本失去增強效果問。石棉脫水后導致摩擦性能不穩定、損傷財偶及出現制動噪聲，因此，石棉基摩擦材料顯然不能適應汽車工業和現代社會發展需求將逐步被取代。由于我國經濟發展水平較低、民眾環保意識不強及汽車工業的落后，價格較低、應用范圍較廣的石棉基摩擦材料至今還在使用。然而隨著我國國民經濟的快速發展，人民生活水平的不斷提高，人們對環境保護的要求也越來越高。國家有關部門規定，近年石棉基摩擦材料將要被其它纖維增強摩擦復合材料所替代。
就以上所談到的石棉缺點，代替石棉基摩擦材料的研究工作已經刻不容緩。通過對實際應用中摩擦材料的研究，纖維增強摩擦材料中增強纖維的作用主要是使材料具有一定的強度和韌性，耐沖擊、剪切、拉伸等機械作用而不至于出現裂紋、斷裂、崩缺等機械損傷。因此增強纖維應滿足以下性能要求：①具有足夠的強度和模量以及較好的韌性；②良好的摩擦性能，在一定的溫度范圍內具有穩定的摩擦系數及適當的摩擦損耗；③較高的熱分解溫度，在～定溫度范圍內不發生熱分解、脫水、相變等和較高的高溫分解殘碳率；④纖維易于分散且與基體有較好的相溶性；⑤適當的硬度，不產生嚴重的噪音；⑥量廣、價廉、無毒性，不污染環境。
目前，國內外開展了代用增強纖維的研究。主要有鋼纖維、玻璃纖維、碳纖維、有機纖維。雖然擁有如此眾多的代用增強纖維，但非石棉纖維還存在著許多的不足；①增強纖維與基體的相溶性較差；②價格較石棉基摩擦材料高出很多；③增強纖維摩擦材料的制成品性能并不是很穩定，代用纖維摩擦材料雖然在某些方面已經超越石棉基摩擦材料，但就整體性能而言還存在較大的差距。本文就目前所使用的代用纖維及其摩擦材料性能，給出綜合分析，希望能對我國石棉纖維替代材料的應用研究有一定參考作用。
2 增強纖維的選用
2.1 鋼纖維
使用低碳鋼以及采取超聲波切削法生產出的鋼纖維含油量低、表面活性好、價格便宜，因此在半金屬基摩擦材料中得到廣泛應用。鋼纖維最顯著的特點是導熱性能好。鋼纖維以其高導熱性能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，防止樹脂基體團熱分解而導致材料磨損加劇，延長了制品的使用壽命。但鋼纖維制成的摩擦材料質量大，容易銹蝕。用這種材料制成的離合器面片銹蝕后導致粘連，影響換檔分離，并導致傳動振動和抖動[2]。研究表明，加入一定量的鋅粉和氧化鈣等可以增強材料的防銹性能，而對摩擦性能無明顯影響；鋼纖維和礦物纖維及有機纖維混雜使用可以進一步降低材料的密度及改善制動噪聲[2]。目前，鋼纖維增強摩擦材料在我國多種汽車上進行了應用，反映較好。
2.2 玻璃纖維
玻璃纖維作為代用增強纖維的研究時間較長，產品質量比較穩定，產量較大，價格也相對比較便宜。玻璃纖維屬于無機硅酸鹽纖維，因而熱穩定性較好。其表面處理工藝也得到了廣泛的研究，研制出多種偶聯劑，與樹脂親和性較好，因此在增強纖維摩擦材料中得到了一定的應用。據國外報道，玻璃纖維增強的摩擦材料，其摩擦磨損性能良好[3]，但玻璃纖維增強材料對載荷、滑動速度及制動溫度等固素反應較敏感。在重載房速及高溫下，摩擦系數變化明顯，不穩定[4]。玻璃纖維用作摩擦材料的增強纖維有一定的要求。玻璃纖維應較柔軟，而含15－30 %氯化鉀的玻璃纖維可使莫氏強度下降，使玻璃纖維變軟，認為E玻璃纖維可以使用[1]。雖然說玻璃纖維能夠運用在摩擦材料的增強材料中，但玻璃纖維有不足之處。①硬度過高，磨損比石棉增強材料大；②當溫度超過800℃時易形成玻璃珠，而玻璃珠莫氏硬度更高，材料磨損量會進一步增加；③玻璃纖維增強材料的摩擦系數隨溫度有較大的變化，摩擦系數不穩定。
2.3 碳纖維
碳纖維具有高比強度、高比模量、耐熱、耐磨、耐腐蝕及熱膨脹系數較小等許多優點。碳纖維增強基體的(C/C)復合摩擦材料在航空航天工業中得到了廣泛應用。碳纖維增強基體的航空剎車用復合材料具有質量輕、抗熱沖擊性好、摩擦系數穩定、使用壽命長等特點，是新一代的航空剎車副[9、10]。目前，國際上大多數軍用和民用干線飛機采均用碳纖維增強基體的復合材料剎車副。但用作一般民用的摩擦材料還存在以下障礙；①碳/碳復合材料制作工藝復雜成本很高，原材料價格也較高，產量有限。②現有的碳纖維一般為長纖維，而應用于摩擦材料中的增強纖維一般是2－5mm的短纖維。這一點目前較難達到。③碳纖維尤其是高模量石墨纖維的表面是惰性的，與樹脂的潤濕性、粘附性差，所以皮制備碳纖維增強復合材料時，須對碳纖維表面進行處理，以提高碳纖維與樹脂間的粘附強度。處理后碳纖維不但表面積增大，還能在表面生成活性基團(如羰基、羧基、和羥基等)，通過這些基團使碳纖維與樹脂基體之間產生化學鍵，從而提高界面強度。
通過國外實驗報告了解到碳纖維增強摩擦材料有良好的恢復性能，而且在高溫及高滑動速度下碳纖維增強材料比玻璃纖維增強材料有更高的摩擦系數和較低的磨損率[5]。
2.4 有機纖維
芳綸(Kevlar)、聚丙烯纖維、聚乙烯纖維、聚酯纖維等可燃點高，高溫熱分解不明顯，因而也可用作摩擦材料的增強纖維。有機纖維單獨作為增強纖維使用時，一般都要經過表面處理，通常是把天然或合成的有機纖維放在非電解的處理液中，使纖維表面鍍上薄薄一層金屬[1]。經過表面處理的有機纖維，既具有金屬纖維的優點，如導熱性好，耐磨等；又具有非金屬纖維的特點，如密度小，韌性好等。例如，較常用的芳綸(Kevlar-49)特點是強韌性好，彈性模量高，密度低，價格只相當于碳纖維的1/3，其不足之處是由它所制成的復合材料的耐壓強度及彎曲疲勞握度不太好。研究表明，有機纖維可以提高材料摩擦性能的穩定性，明顯降低磨損量，對于降低制動噪聲也有明顯作用。但有機纖維在摩擦材料中的應用還存在價格、表面處理、分散工藝等問題，有待進一步研究。
2.5 礦物纖維
礦物纖維取材廣泛，且價格低廉，也逐步引起人們的注意。用價格便宜的礦物纖維取代石棉纖維將是摩擦材料研究的一個重要課題。礦物纖維也存在以下缺陷：①一般合結晶水，高溫制動時易脫水，材料性能不太穩定；②質量不穩定；產品質量受產地、產時的影響較大。如果選擇產量大、品位高的礦物纖維，調整摩擦材料配方后可取得較好效果。
3 纖維增強摩擦材料優化的方法
上面所述均是單一纖維增強摩擦復合材料。它們有各自不足之處。解決這些不足就需要通過樹脂改性、混雜纖維的選擇和配合以及多種方法的合用，獲得性能更好的摩擦復合材料。
3.1 樹脂改性和樹脂含量的選擇
在復合材料中，纖維和織物起增強作用，而樹脂是基體材料。樹脂基體的性能對復合材料制品的性能有直接的影響。合成樹脂是摩擦材料中化學穩定性最差的組分，對材料高溫下的強度和摩擦性能有直接的影響。中南工業大學劉震云等的研究結果表明[6]，在6－14%樹脂含量(質量分數)范圍內，材料的沖擊強度能滿足使用要求。樹脂含量在14%以上時，材料高溫熱衰退嚴重，導致摩擦因素下降，高溫磨損加劇，磨損量上升；樹脂含量過高或過低時，材料將因粘結劑量過少或樹脂高溫分解導致粘結力下降，使增強纖維存在拔出現象，導致摩擦因素不穩定，材料磨損加劇。因此摩擦材料中基作樹脂用量不宜太多，其含量為8－12%，其中以8%為佳。
有實驗報道采用耐熱齊聚物、腰果殼油改性酚醛樹脂獲得了較好的摩擦性能[1]，并且得出結論，材料的摩擦磨損性能與樹脂的耐熱性密切相關。在其它條件相同的情況下，隨樹脂耐熱性的提高，材料摩擦系數的穩定性及體積磨損率均得到改善。
3.2 混雜纖維的選擇及配合
采用兩種或兩種以上纖維進行混雜增強，不僅可以降低成本，還可以充分發揮每種纖維的優點，彌補相互的缺陷，使性能更加完善，更加優異。采用混雜纖維作為增強纖維將是摩擦材料的一個主要方向。國外試驗把芳綸(Kevlar)漿粕和鋼纖維、玻璃纖維混雜作為增強材料。試驗結果表明，芳綸的加入可以提高摩擦性能的穩定性，但略降低摩擦系數，磨損量明顯減少；而在制動噪聲方面，可以明顯降低以致完全除去高頻(頻率＞5kHZ)的噪聲[2]。據有關資料，采用碳纖維30%、鋼纖維15%、酚醛樹脂15%及有機填料40%的摩擦材料比石棉摩擦材料耐磨性提高3倍，在300℃和350℃時摩擦系數無熱衰退現象[2]。目前國內外進行了多種纖維的混雜研究，都取得了很好的效果。
3.3 纖維含百的選擇
目前國內外對摩擦材料增強纖維的研究主要集中于增強纖維的選用和優化，而在纖維含量對摩擦材料綜合性能的影響方面研究報道較少。而增強纖維含量對摩擦材料的摩擦、磨損性能的影響是很大的。據國內的試驗報告，纖維含量增加至20%以上后，材料的摩擦系數隨著溫度上升而明顯下降，同時磨損也明顯加劇，磨損量急劇上升[8]。摩擦材料在高溫時的磨損機制主要是由于粘結劑的熱分解，失去膠粘作用，各組分易脫落造成磨損加劇，同時出現熱衰退現象，摩擦系數明顯降低。因而作者認為，這主要是由于當材料中纖維含量增加時，材料中粘結劑的含量相對降低，各組分之間的粘結力下降，隨著粘結劑的熱分解，而導致上述現象出現。如果保持增強纖維與樹脂粘結劑的適當比例，在增加纖維含量的同時，增加樹脂含量，也許會保持其高溫穩定的摩擦系數和低的磨損量。但過多的增強纖維，特別是金屬纖維會直接導致摩擦材料密度、硬度及導熱率等指標上升，對材料的綜合性能不利。纖維混雜后在摩擦材料內結織成網狀，起到增強作用。因纖維與各種摩擦性能調節劑及填料之間是依靠樹脂等膠粘劑粘合，所以與各組分之間的結合力明顯小于纖維本身的剪切強度。在摩擦過程中增強纖維將被剝離、拉拔和剪切，因而提供一定的摩擦力矩。因纖維的比表面積較大，所以當纖維含量增加時，摩擦力矩增大，摩擦系數也因此增加。但當纖維含量超過一定限額，其與樹脂基體之間的粘結力下降，纖維更加容易被剝離、拉拔，而靠纖維剪切所能提供的摩擦力矩減少。隨著滑動速度的提高，高纖維含量(30－35%)的摩擦材料摩擦系數快速下降。在其它方面例如填料的選擇、增強纖維的表面處理也需要注意。
4 結語
增強纖維是摩擦材料的一個重要組成部分，纖維的選用對材料的摩擦、磨損性能有著重要影響。綜上所述，可以得出以下幾點。
(l)石棉纖維污染環境，對人體有害，必然會退出市場；
(2)鋼纖維增強的摩擦材料將是轎車盤式剎車片用摩擦材料的主流；
(3)混雜纖維摩擦材料將是一種趨勢，它能比較好地解決單一纖維所不能解決的問題，能夠提高摩擦性能穩定性，降低磨損及減弱制動噪聲；
(4)碳纖維增強摩擦材料將繼續在航空航天、特殊場合發揮重要作用。通用級的瀝青碳纖維價格便宜，雖然強度不高，但其摩擦、磨損性能良好，特別是它的自潤滑性很好，用于制做摩擦材料有較好的性價比[1]。
(5)有機纖維增強摩擦材料由于其特殊的性質將得到進一步發展，它的應用將日益廣泛。
