碳纤维增强摩擦材料的研究

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｇｏｌｄｅｎ ｓｅｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ，ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｍａｔｅｒｉａｌ，ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｒｅ，ｆｒｉｃｔｉｏｎ，ｗｅａｒ
０ 引 言
摩擦材料是汽车制动系统和摩擦传动装置的关键部件， 其性能的 好 坏 直 接 关 系 到 系 统 运 行 的 可 靠 性 和 稳 定 性 。 ［１］ 摩擦材料是由基 体、增 强 纤 维、摩 擦 性 能 调 节 剂 和 填 料 混 合 压制而成的高分子复合材料，其 中增 强纤 维 构成 摩 擦 材 料 的 主体，对摩擦材料的力学性能和摩擦性能起到至 关 重 要 的 作
Ｖｅｒｍｉｃｕｌｉｔｅ
５
Ｐｏｒｏｕｓ ｉｒｏｎ ｐｏｗｄｅｒ
１１
ＢａＳＯ４
２０
Ｏｔｈｅｒｓ
２４
分布，采用逐层填装原料的方法。最后对 热 压 后 的 试 样 进 行
源自文库
热处理以消除树脂固化应力及消除残余应力，并 除 去 残 留 挥
发物。将制品放在热处理干燥箱内，从室温升到 １４０ ℃ 保 温 １ｈ，再升温到１６０ ℃保温３ｈ，之后升温到１８０ ℃保温６ｈ，最 后降温到室温。
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｇｏｌｄｅｎ ｓｅｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ，４ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ ｃｏｎｔｅｎｔｓ ｗｅｒｅ ｐｒｅｐａｒｅｄ．Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｒｅ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｎ ｆａｄｅ，ｒｅｃｏｖｅｒｙ ａｎｄ ｗｅａｒ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｗｅｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ ａｎｄ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｕｓｉｎｇ ａ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｓｐｅｅｄ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｍａｔｅｒｉａｌ ｔｅｓｔｅｒ （ＪＦ１５０Ｄ－Ⅱ ），ａｎｄ ｔｈｅ ｗｏｒｎ ｓｕｒｆａｃｅ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ ｗａｓ ｏｂｓｅｒｖｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ （ＳＥＭ）．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｔｈｅ ｗｅａｒ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｗａｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅ－ ｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｗｅａｒ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｗｉｔｈ ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｒｅ ｗａｓ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈａｔ ｏｆ ｔｈｅ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｍａｔｅｒｉａｌ ｗｉｔｈｏｕｔ ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｒｅ．Ｔｈｅ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｗｉｔｈ ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｒｅ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆ １１．３ｗｔ％ ｓｈｏｗｅｄ ｅｘｃｅｌ－ ｌｅｎｔ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ ｏｆ ｈｅａｔ ｆａｄｉｎｇ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ａｎｄ ｒｅｃｏｖｅｒｙ，ａｎｄ ｉｔｓ ｆａｄｅ ｒａｔｉｏ ｗａｓ ａｓ ｌｏｗ ａｓ ９％ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｒａｔｉｏ ｗａｓ ９８％ ．Ｔｈｅ ｗｅａｒ ｒａｔｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ４ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ ｃｏｎｔｅｎｔｓ ｇｅｎｅｒａｌｌｙ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ．Ｔｈｅ ｗｅａｒ ｒａｔｅ ｏｆ ｔｈｅ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｍａｔｅｒｉａｌ ｗｉｔｈ ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｒｅ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆ １１．３ｗｔ％ ｗｓｓ ｇｅｎｅｒａｌｌｙ ｌｏｗ ｉｎ ｔｈｅ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ，ａｎｄ ｔｈｅ ｗｏｒｎ ｓｕｒｆａｃｅ ｗａｓ ｓｍｏｏｔｈ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅ ｗｅａｒ ｒａｔｅ ｏｆ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｍａｔｅｒｉａｌ ｗｉｔｈｏｕｔ ｃａｒ－ ｂｏｎ ｆｉｂｒｅ ｗａｓ ｈｉｇｈ ａｔ ｖａｒｉｏｕｓ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ，ａｎｄ ｉｔｓ ｗｏｒｎ ｓｕｒｆａｃｅ ｗａｓ ｒｏｕｇｈ ａｎｄ ｒｕｇｇｅｄ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｔｈｅ ａｄｈｅｓｉｖｅ ｗｅａｒ ａｎｄ ａｂｒａｓｉｖｅ ｗｅａｒ ａｐｐｅａｒｅｄ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｉｔｓ ｗｅａｒ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｗａｓ ｗｏｒｓｔ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｏｔｈｅｒ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｍａｔｅｒｉａｌｓ．
＊吉林省科技发展计划项目（２０１３０１０１０４３ＪＣ；２０１２０７１６）；土壤植物机器系统 技 术 国 家 重 点 实 验 室 开 放 课 题 （２０１４－ＳＫＬ－１０）；国 家 自 然 科 学 基 金 （５１０７５１７７；５１４７５２０５） 高喜军：男，１９７１年生，工程师，研究方向为摩擦材料 Ｅ－ｍａｉｌ：ｇａｏｘｊ＠ｊｌｕ．ｅｄｕ．ｃｎ 马云海：通讯作者，１９７０年生，博 士，教 授，研 究 方 向 为 摩 擦 材 料 Ｔｅｌ：０４３１－８５０９５７２６ Ｅ－ｍａｉｌ：ｍｙｈ＠ｊｌｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
２５ｍｍ×２５ｍｍ×６ｍｍ 的试块，每次实验用的２块试块均取 自同一块摩 擦 材 料 试 样，以 满 足 实 验 要 求。 在 正 式 实 验 之
前，先将试块 进 行 磨 合，然 后 分 别 在 摩 擦 盘 温 度 为 １００ ℃、 １５０ ℃、２００ ℃、２５０ ℃、３００ ℃和３５０ ℃下实验。在每个设定 温度 下，摩 擦 盘 旋 转 ５０００ 转。 然 后 从 ３００ ℃ 分 别 降 温 至 ２５０ ℃、２００ ℃、１５０ ℃ 和１００ ℃，在 每 个 温 度 点 摩 擦 盘 转 动 １５００转测定制动摩擦材 料 的 降 温 摩 擦 系 数，重 复 实 验 ３ 次。
表 １ 摩 擦 材 料 的 基 本 配 方
Ｔａｂｌｅ １ Ｂａｓｉｃ ｆｏｒｍｕｌａ ｏｆ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｍａｔｅｒｉａｌｓ
Ｉｔｅｍ
Ｍａｓｓ ｆｒａｃｔｉｏｎ／％
Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｍｉｎｅｒａｌ ｆｉｂｅｒｓ
２７
Ｎｉｔｒｉｌｅ ｒｕｂｂｅｒ ｐｏｗｄｅｒ ｍｏｄｉｆｉｅｄ １３
ｐｈｅｎｏｌｉｃ ｒｅｓｉｎ
碳 纤 维 增 强 摩 擦 材 料 的 设 计 与 研 究／高 喜 军 等
· ８３ ·
不与摩擦材料中 的 其 他 成 分 反 应，而 且 高 温 时 不 易 碳 化、融 化，机械强度高，导热性能好，因而作为增强 体 已 被 广 泛 应 用 于各类摩擦材料中 。 ［６］
目前有关碳纤维增强摩擦材料的研究主要集中在产品 材质、制造工艺 和 设 备 的 改 进 上［７］，且 长 期 以 来 摩 擦 材 料 纤 维配比的研究主要以经验和大量实验数据为依据来进行尝 试，而基于黄金分割法配比碳纤维增强摩擦材料 的 设 计 与 研 究较少。因此，本工作制备了无碳纤维和 ３ 种 不 同 碳 纤 维 含 量的摩擦材料，对比研究了无碳纤维和 ３种碳 纤 维 摩 擦 材 料 的摩擦磨损行 为，观 察 了 ４ 种 摩 擦 材 料 磨 损 表 面 的 微 观 形 貌，同时探讨了摩擦材料的磨损机理以及黄金分 割 法 对 摩 擦 材料性能的影响。相关实验结论能为这种黄金分割法配比 的摩擦材料的实际应用提供理论依据和指导。
１．３ 实 验 方 法 按 ＧＢ５７６３－２００８中的规定，用吉林大学机电设备研究 所
ＪＦ１５０Ｄ－Ⅱ型定速摩擦磨损试验机分别测定 ４ 种 碳 纤 维 增 强 摩擦材料的摩擦磨损性能。对偶摩擦盘的材质为 灰 铸 铁
（ＨＴ２５０），硬度为 ＨＢ１８０～２２０，其 转 速 恒 为 ７．４５ ｍ／ｓ，恒 定 载荷为０．９８ ＭＰａ。摩擦 磨 损 原 理 图 见 图 １。 将 试 样 加 工 成
摘要 按照黄金分割法来配比碳纤维在摩擦材料中 的 含 量，制 备 出 ４ 种 不 同 碳 纤 维 含 量 的 增 强 摩 擦 材 料 ，用 ＪＦ１５０Ｄ－Ⅱ型定速摩擦磨损试验机对比研究了碳纤维含量对摩 擦 材 料 的 热 衰 退 性 能 、恢 复 性 能 及 摩 擦 磨 损 性 能 的 影 响，利用扫描电子显微镜（ＳＥＭ）观察４种摩擦材料磨损表面的微观形貌，并探讨了其磨损机理。研究结 果 表 明：添 加 了碳纤维的摩擦材料相对于无碳纤维的摩擦材料，耐磨性能有所提高，其 中 碳 纤 维 含 量 为 １１．３％ （质 量 分 数）的 摩 擦 材 料表现出较好的抗热衰退性能和恢复性能，其热衰退率仅为９％，恢复率却达到了９８％；随着摩擦温度的升高，４种 摩擦材料的磨损率均增加，碳纤 维 含 量 为 １１．３％ 的 摩 擦 材 料 的 磨 损 率 在 整 个 摩 擦 过 程 中 均 较 小，其 磨 损 表 面 较 光 滑，而不含碳纤维的摩擦材料的磨损率在各个温度均较大，其磨损表面粗糙不平且有磨粒磨损和 黏 着 磨 损，表 现 出 最 差的减磨耐磨性能。
摩擦力 Ｆ 由传感器测出并由计算机记录，通过测量试样在各
个 温 度 下 磨 损 前 后 的 厚 度 计 算 磨 损 率 Ｖ（ｔ）。
摩擦系数μ 可以通过测定摩擦力计算得出，公式为：
μ
＝
ｆ ｆ１
（１）
式中：ｆ 为总的平均摩擦力（Ｎ）；ｆ１ 为载荷压力（Ｎ）。
磨损量选用体积摩擦率来表征，其由 试 样 磨 前 磨 后 的 厚
关键词 黄金分割法 摩擦材料 碳纤维 摩擦 磨损 中 图 分 类 号 ：ＴＢ３４；ＴＨ１１７．３ 文 献 标 识 码 ：Ａ ＤＯＩ：１０．１１８９６／ｊ．ｉｓｓｎ．１００５－０２３Ｘ．２０１５．０２．０１８
Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｒｅ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｆｒｉｃｔｉｏｎ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ
用 ，使 ［２，３］ 摩擦材料 在 使 用 过 程 中 能 承 受 制 动 和 传 动 所 产 生 的 冲 击 力 、压 力 等 而 不 发 生 破 坏 和 破 裂 。
石 棉 纤 维 由 于 具 有 致 癌 作 用，已 逐 步 退 出 摩 擦 材 料 领 域 。 ［４］ 目前应用较 多 的 石 棉 纤 维 替 代 纤 维 主 要 分 为 无 机 纤 维和有机纤维两大 类，包 括 碳 纤 维、芳 纶 纤 维、麻 纤 维、玻 璃 纤维、金属纤维、陶瓷纤维等。其中，碳 纤 维 由 许 多 层 状 石 墨 组成［５］，具有很好的自润滑作 用，同 时 还 拥 有 很 好 的 稳 定 性，
ＧＡＯ Ｘｉｊｕｎ１，ＳＨＡＮＧ Ｗｅｎｂｏ２，ＧＡＯ Ｚｈｉｈｕｉ ２，ＷＡＮＧ Ｈｕｂｉａｏ２，ＬＩＵ Ｙｕｃｈｅｎｇ２， ＳＨＥＮ Ｓｈｅｎｇｌｏｎｇ２，ＭＡ Ｙｕｎｈａｉ ２
（１ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｔｒａｉｎｉｎｇ Ｃｅｎｔｅｒ，Ｊｉｌｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ （Ｎａｎｌｉｎｇ Ｃａｍｐｕｓ），Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １３００２２；２ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ ａｎｄ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｊｉｌｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ （Ｎａｎｌｉｎｇ Ｃａｍｐｕｓ），Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １３００２２）
· ８２ ·
材料导报 Ｂ：研究篇
２０１５ 年 １ 月 （下 ）第 ２９ 卷 第 １ 期
碳纤维增强摩擦材料的设计与研究＊
高 喜 军１，尚 文 博２，高 知 辉２，王 虎 彪２，刘 玉 成２，沈 生 龙２，马 云 海２
（１ 吉林大学工程训练中心，长春 １３００２２；２ 吉林大学生物与农业工程学院，长春 １３００２２）
度 作 差 值 运 算 得 出 ，公 式 为 ：
Ｖ（ｔ）＝
１ ２πＲ
Ａ ｎ
ｈ１
－ｈ２ ｆ
（２）
式中：Ｖ（ｔ）为磨损率（１０－７ｃｍ３／（Ｎ·ｍ））；Ａ 为 试 样 截 面 面 积
１ 实 验
１．１ 主 要 原 料 和 配 方 设 计 试样的增强纤维包括碳纤 维和 复 合 矿 物 纤 维。其 中，碳
纤维 选 用 中 国 恒 天 沈 阳 中 恒 公 司 生 产 的 ＰＡＮ 基 短 切 碳 纤
维，直径为 Ф７μｍ，长度２．５～７．５ｍｍ；复合矿物纤维由石家 庄硕茂摩擦材料科技有限公司生产，纤 维直 径 Ф３．５～６μｍ。 其 他 原 料 均 为 市 购 ，样 品 基 本 配 方 见 表 １。