纸基摩擦材料研究综述

北京科技大学材料科学与工程选论*名：***学号：B********专业：材料科学与工程班级：2013级博3班二零一四年九月纸基摩擦材料研究综述1 纸基摩擦材料的发展概况随着机电液一体化技术的飞速发展，各类新型液力驱动的湿式离合器和制动器得到广泛应用，在这种湿式离合器和制动器中是靠多对摩擦片传递扭矩，其中摩擦片大部分是采用纸基摩擦片，摩擦片既是关键零件又是易损件。

图1所示是捷达宝来轿车M01自动变速低速档离合器K1的分解图，其摩擦片全部是纸基摩擦片。

纸基摩擦片的外观如图2所示。

图1 捷达宝来轿车M01自动变速器离合器K1部件分解示意图1. 弹性挡圈2. 压盘3. 内片4. 外片5. 压板6. 波形弹簧垫圈7. 弹性挡圈8. 活塞盖9. 弹簧10. 活塞11. 带涡轮轴的离合器壳12. 圆形密封圈13. 活塞环纸基摩擦材料是20世纪50年代出现的一种多孔的、高弹性的湿式摩擦材料，主要由纤维、粘结剂、摩擦性能调节剂、填料等组成，通常采用类似造纸的工艺生产，因而被称为“纸基”。

纸基摩擦材料是一种在油介质中工作的新型摩擦材料，与其他摩擦材料相比，具有摩擦系数高、动/静摩擦系数接近、传送扭矩能力强、结合柔和、噪音小、不伤对偶等一系列优点，因而被广泛采用。

纸基摩擦材料主要用于各类车辆和工程机械、机床、船舶、矿山机械等行业湿式离合器和制动器中，特别是作为汽车自动变速器中湿式离合器的摩擦材料，更具有广阔的应用前景。

图2 纸基摩擦材料摩擦片国外纸基摩擦材料出现于五十年代末，其经历了从石棉纸基片到无石棉纸基材料，从轻载工况到重载工况，从低能量、低功率吸收到高能量、高功率吸收的发展过程，该种材料已广泛应用于汽车、船舶、工程机械、矿山机械等领域的离合器、制动器中。

目前，世界上较大的机械传动制造商，在其湿式制动器和离合器中广泛采用了纸基摩擦材料，如卡特彼勒、东芝、约翰迪尔、通用、克莱斯勒、福特、三菱、小松等。

由于历史原因，我国机械工业和纸基摩擦材料的发展均比较落后。

我国改革开放以来，许多单位进口了大量各式各样的主机，或与国外进行合资生产主机，特别汽车和工程机械行业，其湿式离合器和制动器中广泛使用纸基摩擦材料，由于纸基摩擦片是易损件，引进的主机往往因为不得不花大量的外汇、高额的价格进口纸基摩擦片配件，且供货时间得不到保证，在这种情况下，促使我国很多科研院所和企业从事纸基摩擦片的国产化研究工作，且各研制单位在技术上相互封锁。

目前，纸基摩擦材料研发开展较好的单位有：清华大学、西安交通大学、华南理工大学、西北工业大学、杭州粉末冶金研究所、武汉材料保护研究所、杭州杭城摩擦材料有限公司、湖北黄石赛福摩擦材料有限公司等。

目前，我国汽车、工程机械中广泛使用的纸基摩擦片还未完全实现国产化，与国外产品仍存在很大差距。

主要表现在：（1）制造技术方面：生产自动化水平低，生产效率低，设备简陋，精度低，质量不高，难以形成规模化，且外观质量差。

（2）材质配方方面：材质配方比较单一，没有形成系列化、标准化，对摩擦磨损机理研究不够。

（3）产品性能方面：产品的稳定性差，热衰退率和磨损率高，产品粘结性能差，使用寿命短。

2 纸基摩擦材料的组成研究纸基摩擦材料是纤维增强树脂基复合材料，基本组分包括纤维、粘结剂、摩擦性能调节剂和填料，增强纤维、摩擦性能调节剂和粘结剂对材料的摩擦磨损性能和综合性能有着重要影响，这给开发不同性能的纸基摩擦材料提供了空间。

研究摩擦材料的组成是优化摩擦材料性能的基础。

2.1 增强纤维纸基摩擦材料中的纤维可增强摩擦材料的机械强度，同时也对摩擦材料的耐热性能和摩擦磨损性能起着非常重要的作用。

纸基摩擦材料中最常用的纤维有芳纶纤维和酚醛纤维，也有使用碳纤维、玻璃纤维和其他有机合成纤维的，其中芳纶纤维以其高强度、高耐热性、耐磨耐腐蚀、能产生细小分枝、密度小等优点被广泛采用。

由于酚醛纤维与粘结剂酚醛树脂结合良好，所以可为摩擦片提供更高的强度。

纸基摩擦材料中纤维的含量随摩擦磨损性能参数要求的不同而变化，其含量通常为40% ~ 90%。

用于纸基摩擦材料的增强纤维有天然动植物纤维、天然矿物纤维和人工合成纤维等约200余种。

在纸基摩擦材料研究中，早期使用的增强纤维主要是纤维素纤维或石棉纤维。

但纤维素纤维耐热性能较差，适用低载荷；石棉纤维较好地解决了载荷适用性问题，但其致癌性使其应用受到了限制。

国内纸基摩擦材料用增强纤维从纤维素纤维到Kevlar纤维、碳纤维，以满足摩托车和轻载荷汽车用纸基摩擦材料研究较多，但纤维选择较单一，试验数据积累较少，对混杂纤维影响摩擦磨损的规律认识较浅，尚不能充分发挥纤维性能互补的优势。

近20年来国外关于纸基摩擦材料所用增强纤维如表1所示。

表1 国外纸基摩擦材料用纤维2.2 粘结剂树脂粘结剂树脂的主要作用是将组分粘结成整体，既赋予摩擦材料整体强度也影响其摩擦磨损性能。

长期以来，纸基摩擦材料主要用热塑/固性酚醛树脂作为粘结剂，但普通酚醛树脂硬度大、耐热性差，制约了材料性能的提高。

改善途径主要是使用改性酚醛树脂或混合树脂作为粘合剂材料，且以使用腰果壳油改性酚醛树脂和丁腈橡胶改性酚醛树脂居多。

国内对粘结剂树脂的研究主要集中在对酚醛树脂改性上，尚没有涉猎到添加硅树脂等领域，致使现行纸基摩擦材料用粘结剂树脂品种单一。

国外纸基摩擦材料粘结剂的使用情况如表2所示。

表2 国外纸基摩擦材料粘结剂的使用情况2.3 调节剂和填料摩擦性能调剂和填料的作用是调节纸基摩擦材料的摩擦磨损性能，获得较好的综合性能。

硅藻土是国外纸基摩擦材料中最常用的填料。

硅藻土成本低，自身的多孔结构能促进油在材料内部流动，有利于控制摩擦面的温度。

硅藻土的添加量为5% ~ 25%，也有用20%硅藻土加10%腰果壳粉作为填料的。

石墨是国外纸基摩擦材料中常用的摩擦性能调节剂，常为20% ~ 25%。

石墨可以控制材料的摩擦性能并提高耐磨性，但采用石墨的形态有所不同，如D. S. Seiz使用粒状石墨，而P. A. Chuluda加入了20% ~ 30%的片状石墨。

摩擦性能调节剂和填料还有橡胶颗粒、氧化铝、二氧化硅、焦炭、活性碳等。

橡胶颗粒增加摩擦材料弹性，使之与对偶更好地接触。

氧化铝和二氧化硅等作为硬质点磨料提高摩擦材料的摩擦因数和耐磨性。

加入焦炭和活性碳等可以降低成本，其孔洞使其与树脂粘结得更好，且可以促进油的流动，使摩擦材料更耐热，同时可以提高摩擦材料的摩擦因数和能量吸收率。

同时加入多种摩擦性能调节剂和填料可以获得较好的综合性能。

如Matsumoto使用了腰果壳粉、树脂颗粒和橡胶颗粒作为摩擦性能调节剂，并使用硅藻土和粘土作为填料；P. A. Chuluda加入了20% ~ 30%石墨、5% ~ 15%硅藻土，少于5%腰果壳粉、橡胶颗粒以及氧化铝和二氧化硅；S. Makota使用硅藻土和漆酚树脂；I. Yukio采用5%铁粉、3%石墨和25%硅藻土；J. M. Lee使用15%活性碳和23%硅藻土，以及用8% ~ 10%高岭土、17% ~ 19%氧化铝和40% ~ 50%焦炭作为填料。

3 纸基摩擦材料的工艺研究国外纸基摩擦材料通常采用标准连续造纸机以类似造纸的方式生产，一般使用的造纸机是长网造纸机，纸基摩擦片的生产过程包括造纸、浸渍树脂、热压固化、裁切、粘结钢芯等工序。

具体生产工艺根据实际情况下纸基摩擦材料的配方和生产条件的差异以及性能、成本要求的不同而变化，典型的生产过程如图3所示。

图3 纸基摩擦片生产工艺流程示意图随着对纸基摩擦材料性能要求的提高以及生产条件的改进，其生产工艺也有了进一步发展，国外文献中有关纸基摩擦材料制造工业的发展主要有：一是两次浸渍树脂；二是双层结构的纸基摩擦材料；三是加入水溶性有机聚合物控制摩擦材料孔隙度；四是将摩擦性能调节剂和填料随树脂浸渍加入。

4 纸基摩擦材料的性能研究纸基摩擦材料需要满足耐热性、孔隙率、机械强度、摩擦磨损性能和性价比等综合性能指标。

达到这些极其苛刻甚至相互矛盾的要求是一件极其艰难的工作，不仅需要耗费大量财力，也需要耗费大量的人力和时间，但开发高性能纸基摩擦材料制备技术蕴含着巨大的经济利益，因此，开发高性能纸基摩擦片制备技术抢占市场一直是发达国家重点努力的方向。

研究表明，一般纸基摩擦材料的动摩擦系数为0.08 ~ 0.15，静摩擦系数≥0.12，磨损率≤10×10-8 cm 3/J 。

专利公开号CN 1301286 C “碳纤维增强纸基摩擦材料的制备方法”制作的摩擦片动摩擦系数为0.130 ~ 0.145，静摩擦系数为0.147 ~ 0.165，磨损率为≤5.0×10-8 cm 3/J ；专利公开号CN 101805589 A “一种高性能环保纸基摩擦材料原纸及摩擦片的制作方法”制作的摩擦片动摩擦系数为0.14 ~ 0.17，静摩擦系数为0.15 ~ 0.18，磨损率为1.33 ~ 1.42×10-8 cm 3/J 。

4.1 结构性能对纸基摩擦材料性能的影响（1）孔隙率对纸基摩擦材料性能的影响混料制浆 抄造纸坯 干 燥 浸渍树脂热压固化冲压成型 粘结钢芯 加压固化 表面磨削 油槽加工检 验 包 装 钢芯制造及表面处理纸基摩擦材料是一种多孔性材料，这种结构特点使其能够储存作为润滑和冷却用的润滑油。

一方面，纸基摩擦材料工作时在压力作用下被压缩，油被挤出，既部分带走了产生的热量而保持较低的温度，又作为润滑油而减少材料的磨损；当分离时，材料又回弹，将润滑油重新吸入孔隙中。

另一方面，材料孔隙率及孔隙的大小直接影响接合时润滑油膜的厚薄，从而影响摩擦系数及其稳定性。

因此，孔隙结构对摩擦材料的摩擦性能产生重要影响，但不能一味追求纸基摩擦材料的高孔隙率，而应该根据材料的具体要求来设计适当的孔隙率，平衡摩擦系数和磨损性能之间的矛盾。

影响纸基摩擦材料孔隙率的因素有：纤维种类、含量及形态、成型压力、树脂种类及含量等。

研究表明，孔隙率高和孔径大的纸基摩擦材料具有高的摩擦因数，孔隙率高的材料在离合器结合过程中所达到的最高温度较低。

孔隙率较低的材料，强度较高。

碳纤维增强纸基摩擦材料的耐热性和抗热衰退性能明显优于纤维素纤维。

（2）材料压缩回弹性能对材料摩擦性能的影响由于湿式纸基摩擦材料工作时受压力和剪切力作用，因此，材料的力学性能对其摩擦性能具有重要影响。

就目前的研究来看，主要集中于材料的形变性能（如弹性模量、回弹性能、压缩性能等）。

影响纸基摩擦材料变形性能的因素有：材料的组成，如纤维种类及形态，树脂的含量及种类，填料的种类及含量，界面间的结合强度，热压压力，孔隙率及孔径大小和载荷等。

纸基摩擦材料的结构变形性能是影响摩擦系数的关键因素。

研究表明，纸基摩擦材料的压缩弹性模量越低，摩擦系数就越高；材料的压缩变形越大，压力卸载时残余形变也就越大。