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1、山东轻工业学院毕业设计（论文）开题报告课题名称石墨对酚醛树脂基摩擦材料摩擦学性能的影响课题类型实验研究-Y导师姓名何东新学生姓名学 号5专业班级高分09-1一、 选题依据摩擦材料是一种应用在动力机械上，依靠摩擦作用来执行制动和传动功能的部件材料,它是一种高分子三元复合材料,由高分子粘结剂(树脂与橡胶)、增强纤维和摩擦性能调节剂三大类组分构成，经过特定的生产工艺，生产加工而制成的材料。具有良好的摩擦性能和耐磨性能，还具有一定的强度和冲击强度。因此被广泛应用在汽车、火车、飞机、船舰、石油钻机、矿山机械以及各类工程机械设备等方面，是作为动力传递或制动用不可缺少而又非常关键的材料。汽车摩擦材料是汽车制
2、动器、离合器和摩擦传动装置中的关键材料,其性能好坏直接关系到系统运行的可靠性和稳定性。随着各发达国家汽车工业的发展和现代社会环保意识的提高,对摩擦材料的要求越来越高。理想的摩擦制动材料应该有如下优点1-4(1)具有足够并且稳定的摩擦系数,摩擦系数基本上不受速度、载荷、温度和环境条件的变化的影响,具有抗衰退性同时又有良好的恢复性；(2)自身的耐磨性要好,磨损量小,同时也要使对偶材料的磨损要小；(3)具有足够的机械强度,尤其是高温机械强度,能够承受工作中的压力和剪切力,导热性好,有较大的热容量；(4)在制动过程中应平稳,产生的噪音和振动要小；(5)原材料来源充足,制造工艺简单易行,造价低,无环境污
3、染。在七十年代中期以前国外主要使用石棉摩擦材料，但是由于石棉摩擦材料的热衰退现象以及其致癌作用，在七十年代中期以后就逐步被发达国家所淘汰。随着国外汽车工业向高速、高效、节能、轻型化的方向发展，摩擦材料工业曾发展了许多无石棉摩擦材料，如半金属摩擦材料、烧结摩擦材料、代用纤维增强或聚合物粘结摩擦材料以及复合纤维摩擦材料等。但是各种摩擦材料也各存在缺点，如，半金属摩擦材料中的钢纤易生锈，碳纤维复合材料制备成本高，且碳纤维制备工艺复杂，复合纤维摩擦材料成本较高。我国汽车工业起步较晚，汽车摩擦材料生产技术一直比较落后，与国外发达国家还有一定差距。最初，在二十世纪50年代我国汽车工业发展落后，产量低，车型
4、结构单一，制动系统无大的改进，对摩擦材料的研究不重视。我国上世纪70年代末开始研制粉末冶金摩擦材料，但是由于成本的提高，未获得大规模生产和应用。到80年代的时候，我国开始进行新型无石棉摩擦（粉末冶金制动材料、半金属型制动材料等）制动材料的研究，并取得显著成就。近几年，随着我国汽车工业的飞速发展，尤其产业结构调整以及环保观念的增强，通过引进、消化、吸收国外的先进技术，我国摩擦材料已经取代石棉，代之以半金属摩擦材料，混杂纤维摩擦材料等。但我国汽车制动摩擦材料的研究仍然不能满足汽车多样化发展这一现状的需要，市场要求改进现有摩擦材料，开发新材料的呼声渐强。通过研制高性能、节能、节材、降耗、防污染、社会
5、效益明显的摩擦制动材料，推动我国摩擦材料的发展是十分迫切和必要的。目前对无石棉的有机摩擦材料的配方优化改性研究主要集中在增强材料以及胶黏剂的研究上。对增强材料来说，通过改变单一纤维的种类、配比和纤维长度等参数来改变摩擦材料的性能，但取得的效果并不是很显著，单一增强纤维各有优缺点，如玻璃纤维表面较光滑，与树脂浸润效果不佳，导致两者粘结性较差；钢纤维会产生锈蚀、震颤等问题。碳纤维制造工艺复杂，成本高等，因而，人们越来越重视使用混杂纤维，如半金属摩擦材料中常用的复合纤维有钢纤维与铜纤维、钢纤维与碳纤维、钢纤维与玻璃纤维以及铜纤维与碳纤维等，混杂使用两种或两种以上纤维，能够充分发挥各种纤维自身的优点，
6、并得到各材料所不具备的 优点，制成性能优良、成本较低的摩擦材料。如国内王红侠5等人研究表明：用芳纶浆粕、玻璃纤维、硅灰石纤维、钦酸钾晶须等混杂纤维制成的摩擦材料，增强纤维含量在27%时性能最佳，具有良好的机械性能、热衰退小、恢复性能好。美国的Gopal.P6等人对芳纶(Keviar)浆粕和钢纤维、玻璃纤维等混杂纤维增强摩擦材料的性能做了系统的研究，研究表明：芳纶的加入可以提高摩擦性能的稳定性、减小磨损量,在制动噪声方面,可以明显降低以致完全去除高频的噪声。碳纤维由于具有耐磨自润滑性、导电导热性、耐热耐蚀性、柔软可编织性以及高分子材料的轻质、易加工等特点，使碳纤维刹车片的应用前景十分广阔7。对于
7、粘结剂，将橡胶与酚醛树脂共混作为摩擦材料的基体树脂，是摩擦材料行业常用的方法之一8。通过两者的共混制成的摩擦材料弹性、粘合性好，容易获得适当的摩擦力。由于酚醛树脂在共混材料中占较大比例，所以仍能保持酚醛树脂的高温稳定性和摩擦性能。酚醛树脂(PF)因其在该温度条件下仍具有良好的耐热性和力学性能，制造工艺简单，生产成本低，一直是汽车等行业制备摩擦材料的首选。但是常用的纯酚醛树脂脆性大，在较高温度和变温条件下耐热性差，对增强材料粘结性差等，使以酚醛树脂为基体的摩阻材料硬度过高（HB50），冲击强度降低，热衰退严重，摩擦性能与磨损性能不稳定，且容易产生界面裂纹因此现在多选用改性以后的酚醛树脂。通过对酚
8、醛树脂进行改性提高酚醛树脂的粘结力、耐热性、耐分解和增加韧性，目前的热点是纳米改性和复合改性。其中本研究课题所使用的是腰果壳油、三聚氰胺改性酚醛树脂树脂，该树脂具有较大的耐热性、柔韧性、抗衰退性、硬度适中、冲击强度大；以该树脂为基体制成的摩擦材料性能良好，达到国标要求10。丁腈橡胶是丁二烯与丙烯腈在乳液中进行共聚所得到的聚合物丁腈橡胶大分子链上含有高键能的CN基，使它成为耐油和耐溶剂性能较好的合成橡胶，同时还具有较好的抗拉强度和耐热性。因此适用于要求耐热好、强度高的摩擦材料制品。它和热塑性酚醛树脂的溶度参数更接近，即意味着丁腈橡胶和热塑性酚醛树脂有较好的相溶性11,两者具有良好的共混效果,故而
9、丁腈橡胶也成为摩擦材料较为理想的橡胶品种。摩擦性能调节剂一般为填充剂或填料，呈颗粒状。它主要是通过占据体积来发挥作用。由于摩擦性能调节剂的存在，基体材料的分子链不能占据原来的全部空间，使相连的链段在某种程度上被固定化，并可能引起基体聚合物的取向。由于填料粒子的尺寸稳定性，在填充的聚合物中，聚合物界面区域内的分子链运动受到限制，而使玻璃化温度升高，热变形温度提高，收缩率降低，弹性模量、硬度、刚度、冲击强度提高12。对于摩擦性能调节剂的研究主要集中在通过添加各种填料来解决摩擦系数平稳、磨损率降低以及热衰退、过恢复、湿摩擦性能、表面自洁性等方面存在的问题。在国内，陈刚13等人研究了在树脂基摩擦材料中
10、添加固体润滑剂石墨、二硫化钼、焦炭粉,以适当调整其摩擦系数,并改善摩擦磨损性能。结果表明:树脂基摩擦材料中添加石墨可有效降低摩擦系数,大幅度提高复合材料及其摩擦副的耐磨性。国外在这方面的研究也不多，Min Hyung Cho14等人研究了固体润滑剂在摩擦材料中使用，比较了单独含石墨10vol.%,含有石墨7%和Sb2S33vol.%,石墨7vol%和MoS23vol.%时摩擦材料性能。发现:只含有石墨的样品中存在较早的衰退，而含有三硫化二锑的摩擦材料有较好的抗衰退性,三硫化二锑在温度升高时起到了稳定摩擦系数的作用；含有Sb2S3和MoS2的摩擦材料由于温度升高时发生氧化分解造成性能不稳定。减摩
11、填料主要以提高材料的稳定性和耐磨性、降低摩擦系数和减少制动噪音为目的，摩擦材料中使用的减摩填料包括两种类型材料，一类是莫氏硬度为1-2的具有各向异性的非金属矿物，如石墨、蛭石、滑石、云母13-15以及金属的硫化物(Mo2S、Cu2S、Sb2S3、ZnS)等,添加量通常在10%以下，添加层状结构石墨和Mo2S可改善抗磨性能，改善抗衰减性能和在较高温度下稳定摩擦状况16 ；另一类是软金属如铅、铜、锌等，它们普遍具有高吸热性，除了在低温下有一定的减摩作用外，在高温时也有减摩性能，但须注意其熔点与摩擦材料的工作温度相匹配，在高温时其金属氧化物将会使摩擦系数升高。减摩填料主要起到润滑作用，它能提高摩擦材
12、料的工作稳定性、抗擦伤性、抗咬合性、抗粘着性和耐磨性，降低制动噪音，特别有利于降低对偶材料的磨损，并使摩擦副工作平稳，从而改善材料的摩擦磨损性能，或是和氧发生反应生成界面氧化膜，起到保护摩擦材料，改善摩擦磨损性能的作用17。减摩填料的含量对摩擦材料的摩擦磨损性能影响较大，含量越多，材料的耐磨性越好，但过量的减摩填料会导致材料的摩擦系数过小，机械强度降低，达不到摩擦材料的要求18。因此本课题旨在研究石墨含量对摩擦材料摩擦性能的影响。 摩擦材料一般要求有较高的摩擦系数和较低的磨损率，然而高的摩擦系数和低的磨损率之间存在一定矛盾：高的摩擦系数要求加入硬质填料加强界面之间的摩擦；低的磨损率又要求减少界
13、面之间的直接接触，减少摩擦材料的磨损。石墨具有粘着特性，在摩擦过程中可以起到减少界面之间的直接接触，减少摩擦材料的磨损的作用，一定程度上缓解摩擦系数和磨损率之间的矛盾，可以使摩擦材料达到摩擦系数和稳定性增加、磨损率减少的效果。目前对摩擦材料的增强纤维和粘结剂研究较多，而对作为无石棉有机摩擦材料的另一重要组成部分作为减磨填料的石墨研究较少。本课题所研究的石墨是作为减磨材料，能提高材料的稳定性和耐磨性,减少制动噪音，因此，本课题着重研究石墨对酚醛树脂基摩擦材料摩擦学性能的影响，期望得到优良稳定的摩擦性能,尤其是在高温制动情况下摩擦系数要尽可能保持稳定和耐磨损性能。主要参考文献1 毕静波,杨树才,孙
14、希泰.汽车摩擦材料综述J.材料导报,1996,(6):16-21.2 Bijwe, Jayashree. Composites as friction materials: Recent Development in Nonbesots fiber reinforced friction materials-A review J.Polymer Composites, 1997, 18(3):378-396.3 宋宏,摩擦材料中填料的粒度效应D.华东理工大学硕士学位论文,1996,6.4 夏园,减摩填料对多纤维增强摩擦材料的性能影响研究D.江苏大学硕士学位论文,2010,6.5 王红侠,姚冠新
15、.多纤维增强汽车制动器摩擦材料的研制J.润滑与密封,2008(10):88-90.6 P.Gopal,L.R.Dhahran,Frank D, Blum,. Hybrid phenolic friction composites containing Kevlar pulp part I Enhancement of friction and wear performance J.Wear,1995(193):199-206.7 姜雅清,周玲,华渊等.用作高速列车的C/C复合材料摩阻性研究J.石家庄铁道学院报,1997,10(3):1-5.8 孙建生,张彤,李吉宏等.改性酚醛树脂摩擦材料研究进
16、展J.2000,28(11),45-47.9 殷荣忠,山永年,毛乾聪.酚醛树脂及其应用N.化学工业报,北京:1990-5-4(4).10 曾泽斌,曹献坤.刹车片用 YSM 树脂的研制J. 机械设计与制造,1999,(4):55.11 李新民,李晓林,丁腈橡胶共聚改性酚醛树脂J.热塑性树脂.2002,(3):9-14.12 徐欣,程光旭,刘飞清等.树脂基纤维增强摩阻材料研究进展J.材料科学与工程学报,2005,13(3):458.13 陈刚,减摩组元对树脂基闸片摩擦磨损性能的影响J.非金属矿,2007,300:63-65.14 Min Hyung Cho,Jeong ju,Scong Jin K
17、im.Tribological properties of solid lubrieants (graphite,Sb2S3,MoS2)for automotive brake friction materials J Wear.2006,260:855-860.15 高义民,邢建东,王星.树脂基复合材料重石墨与二硫化铝的减摩作用机理J.摩擦学学 报,2002(7):67-71.16 罗成,贺奉嘉,苏堤等.半金属汽车刹车材料中蛭石作用的研究J.汽车工艺与材 料.2001(11):23-26.17 王进福,韦永德.SiC改性稀土摩阻材料的研究J.碳素,2003,01(113):7-10.18 K
18、im H.S.Huh J.S.Role of ceramic fillers in the friction and wear behavior of Phonetics resin composites J. Wear,1998,(17):501-502.二、 研究内容本实验以酚醛树脂为粘结剂，以碳纤维为增强材料，以石墨为摩擦性能调节剂，研究不同石墨含量对酚醛树脂摩擦系数以及磨损率的影响，运用摩擦试验机从计算机中得出实验数据并由origin数据软件以及photoshop图像处理软件进行数据和图像处理，然后对结果进行分析进而得出实验结论。三、研究方法及技术路线改变摩擦材料中石墨的含量，硫酸钡在
19、摩擦材料中主要起填充体积空间和降低成本的作用，因此，以石墨和硫酸钡为变量即石墨含量提高相应于硫酸钡含量减少能够体现出石墨的作用而设计摩擦材料，测试试样的摩擦磨损性能并分析石墨含量对摩擦材料的摩擦磨损性能的影响。先后经设计配方，按配方称取原料，混料，烘料，压制样片，烘样，进行摩擦磨损性能测试等工序得出实验数据，通过数据分析得出结论。四、时间安排（1）2012年1月-3月，查阅文献，写开题报告。（2）3月-4月底，完成一篇不少于3000汉字的与论文相关的英文翻译。（3）4-5月设计实验方案，制备样品；样品的性能测试。（4）5月下旬完成测试结果分析与讨论；拟定论文写作框架。（5）6月15日以前，撰写完成论文。（6）6月中下旬准备进行论文答辩。五、预期成果 制备出符合国家标准的不同配方的试样，通过摩擦实验得到不同配方试样的摩擦系数与磨损率并通过分析数据得出结论。通过查阅文献与实验分析写出一篇合格的学位论文。 2013年4月19日指导教师意见：指导教师： 年 月 日注：课题类型填写：工程设计、技术开发、软件工程、理论研究等，同时注明X真实课题；Y模拟课题；Z虚拟课题。