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1、北京化工大学硕士学位论文陶瓷摩擦材料配方的优化姓名：韩翎申请学位级别：硕士专业：材料学指导教师：吕亚非20060529摘要陶瓷摩擦材料配方的优化摘要本论文的目的是研制具有优异摩擦性能且成本低廉的汽车用陶瓷摩擦材料并解决摩擦材料配方研究中存在的三个难题：如何选择原材料；如何匹配原材料的含量从而优化摩擦材料性能；如何从多个摩擦材料配方中定量选择出最佳配方。本实验通过运用组合摩擦材料研究方法，依据以下四个原则选择原材料：优先选用耐摩擦性能优异的原材料；选用与其它原材料具有协同效应的原材料：选用能够改善摩擦材料某些方面性能的原材料；在不降低摩擦材料性能的前提下，能够降低成本的原材料，筛选出陶瓷摩擦材料
2、所用的多种原材料：钛酸钾晶须、芳纶纤维、铜纤维、锆英石、硅灰石、蛭石、石墨、炭黑、三硫化二锑、氧化镁、云母、重晶石、丁腈橡胶改性的酚醛树脂。利用黄金分割原则和拉丁方实验设计方法设计出陶瓷摩擦材料配方，并利用灰色相关度分析得到原材料的敏感度序列和综合评价指数，从而得到配方中原材料对摩擦性能影响程度序列：石墨 钛酸钾晶须 M g O z r S i O。芳纶纤维 硅灰石 云母 蛭石 B a S O。炭黑 S b。S。铜纤维，以此为依据进行陶瓷摩擦材料配方优化。此外，运用配方的模糊综合评价方法定量评价多个配方。引入两个新的参数：原材料对配方摩擦性能影响的综合评价指数和摩擦材料配方的模糊综合评价成绩，
3、并应用多目标优化方法进行配方优化和评价。陶瓷摩擦材料配方优化分为三个步骤：从最初设计的9 个陶瓷摩擦材料配方中筛选出具有最佳摩擦性能的配方；根据原材料对配方摩擦性能影响程度序列，增加对性能最有利原材料的体积分数，同时减少对性能最不利原材料的体积分数，在中筛选出的配方基础上设计出4 个配方，并利用摩擦材料配方的模糊综合评价方法评价出最佳配方；以中筛选出的最佳配方为基础，改变配方中树脂粘合剂的含量，同时成比例地改变其它组分含量(使总体积分数保持不变)，设计出3 个配方，并通过摩擦材料配方的模糊综合评价方法最终得到最佳配方。在设计出1 6 个配方后最终得到最佳性价比的陶瓷摩擦材料配方。关键词：陶瓷摩
4、擦材料，摩擦磨损，芳纶，钛酸钾晶须O P T I M I Z A T l O No FC E R A M I CF 砌C T I o NM A T E R I A L SA B S T R A C TI no r d e rt op r 印a r cc e r 踟i cb r a l【el i l l i n g sw i t l lh i g h e r衔c t i o np e r f o 肌a n c ea n dl o w e rc o s t，c o m b i n a t o r i a l 厅i c t i o nm a t e r i a l sr e s e a r c h(
5、C F M R)w a sc o n d u c t e d T h e r ea r et 1 1 r e ep r o b l e m sr e l a t e dt o仔i c t i o nm a t e r i a l sf o m u l a t i o n s T h e ya r e(a)h o wt os c r e e no u tr a wm a t e r i a l so f 伍c t i o nm a t e r i a l s，(b)h o wt od e s i g n 矗i c t i o nm a t e r i a l sf o r m u l a t i
6、 o n ss oa St 0a c h i e v et h eo p t i m a lt r i b o l o g i c a lp e r f o 胁a n c e，a n d(c)h o wt oe v a l u a t e 毹c t i o n1 1 1 a e r i a l sf b r m u l a t i o n sq u 删f i c a t i o n a l l y R a wm a t e r i a l su s e dw e r es c r e e n e db yf o u rc r i t e r i a：(a)m o s er a wm a t e
7、 r i a i sw i t 1g o o dw e a rr e s i s t a I l c es h o u I db ep r e f e r r e d；(b)s e l e c tm o s er a wm a t e r i a l sw h i c hh a v eg o o dw e a rr e s i s t a n c ew h e nt h e yc o m b i n ew i t l lF o u p(a)r a wm a t e r i a l s；(c)s e l e c tt h o s er a wm a t e r i a l sm a th a v
8、 es p e c i a lf u n c t i o n s；(d)s e l e c tm o s er a wm a t e n a l sw h i c hc a nc u tt h ec o s tb u td o n td e g r a d ef i c t i o np e r f b 衄a n c e L a t i ns q u a r ec o u p l e dw i t l lG o l d e nS e c t i o n 印p r o a c hw a su t i l i z e df o re x p e r i m e n t a lf o m u l a
9、 t i o n sd e s i g n S e 芏1 S i t i v i 哆s 丽e sa r l dc o m p r e h e n s i v ei n d e Xo fr a wm a t e r i a l so b t a i n e df 沁mt h er e l a t i o n a lg r a d ea I l a l y s i sw e r eu s e dt or a r 止m ei n n u e n c eo fe a c hi I 培r e d i e mo nf r i c t i o np e r f o m a I l c e：莎印h i t e
10、 p o t a s s i u mt i t a n a t ew h i s k e r M 9 0 Z r S i 0 4 啪m i dp u l p w o I l a S t o n i t e m i c a v e m i c u l i t e B a S 0 4 c o k e S b 2 S 3 c o p p e rc h i p s 1 1 1 ee v a l u a t i n gm e r i to fe a c hf o n n u l a t i o nr e c e i V e d 丘o mt 1 1 em z z yo V e r a l lm e r i
11、 t sm e t h o dw a su t i l i z e dt oj u d g et h eb e s tf o 肌u l a t i o n B o t hc o m p r e h e n s i V ei n d e xa n de v a l u a t i n gm e r i ta r et w on o v e lp a r a m e t e r se s t a b l i s h e da n da p p l i e dt ot h em u l t i-o b j e c t i V eo p t i m i z a t i o no f 毹c t i o
12、nm a t e r i a lf o 衄u l a t i o n s 0 p t i m i z a t i o no fc e r a m i cf r i c t i o nf o n n u l a t i o n s、V a si m p l e m e n t e di nm r e ep h a s e s：(曲s c r e e no u tt h eo p t i m a lo n e 任o mm ei n i t i a ln i n ef o m u l a t i o n si nt e m l so ft h e i r 颤c t i o nc h a m c t
13、e r i S t i c s，(b)a c c o r d i n gt ot h ec o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n m d e x，m ev 0 1 u m e 行a c t i o no ft h em o s ta d v a 玎t a g e o u si n g r e d i e mf o rf r i c t i o np e r f o 珊a n c e、v a si n c r e a s e da n dt h em o S td i s a d v a n t a g e o u so n ew a sI I一翌
14、墨一d e c r e a s e dc。r r e s p。n d i n g l y，a J l d(c)t 1 1 eV o l u m ef r a c t i o no f b i n d e rw a sV a r i e da n do m e ri n g f e d i e n t s a m。u n t sw e r ea l s。c h a I l g e dp r o p。r t i o n a l l y E V e n t u a l l y，t h eb e S to n ew a so b t a i n e dm e rp e r f o r n l i n
15、g16f o 珊u l a t i o n s K E YW O R D S：c e r 啪i c 黼c t i o nm a t e r i a l s，f r i c t i o n w e a r，a r a m i dp u l p，p o t a s s i u mt i t a l l a t eW 1 1 i S k e r笪兰竖塑一一符号说明摩擦系数磨损率，1 0 c m 3(N m)“摩擦力(总摩擦距离的后半部稳定的摩擦力的平均值)，N加在摩擦材料试片上的法向力，N试片中心与圆盘旋转轴中心的距离，O 1 5 m实验时圆盘的总转数试片摩擦面的总面积，c m 2实验f；试片的平均
16、厚度，c m实验后试片的平均厚度，c m实验时总平均摩擦力，N相关系数归一化的摩擦性能矩阵归一化的组成矩阵灰色相关度摩擦盘温度所有受评价配方的4 r 7=)的最大值所有受评价配方的d 仍的最小值摩擦稳定性的归一化值权重权重集合配方在不同温度下的摩擦稳定性模糊评价成绩配方摩擦稳定性的模糊评价成绩配方在不同温度下的磨损率模糊评价成绩配方磨损率的模糊评价成绩配方成本的模糊评价成绩ID 的佃仰朋。，细广切，厂FR。爿力办矗靴m珊nT却舢印M+舡。舡+。，符号说明摩擦材料配方的模糊评价成绩集合摩擦材料配方模糊评价成绩集合的转置摩擦材料配方的综合模糊评价成绩集合摩擦材料配方中纤维的体积分数摩擦材料配方中填
17、料的体积分数摩擦材料配方中树脂粘合剂的体积分数扩旷，吩北京化工大学位论文原仓U 性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导F，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者签名：日期：。垫。妥!生型关于论文使用授权的说明学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期问论文工作的知识产权单位属北京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许
18、学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在土年解密后适用本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。作者签名：蔓垒垒塑导师签名：丝：垒型日期：竺!：生堑日期：4 芒f：兰：星北京化工大学砸士毕业论文1 1 汽车摩擦材料概述第一章绪论汽车摩擦材料是汽车制动器、离合器和摩擦传动装置中的关键材料，它将汽车运动的动能转化为热能和其他形式的能量，从而使汽车减速或停止运动的一种以摩擦为主要功能，兼有结构性能要求的多组分复合材料“1。因此，它的性能好坏直接关系着系统运行的可
19、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，摩擦材料的运行条件越来越苛刻，对它的性能要求也越来越高，例如要有足够而稳定的摩擦系数，动、静摩擦系数之差小：要有良好的导热性、较大的热容量和4 定的高温机械强度：要有良好的耐磨性和抗粘着性，不易擦伤对偶件，无噪声，低成本，对环境无污染等“。为了开发能满足当代汽车工艺要求的具有优良综合使用性能的全新摩擦材料，当前摩擦材料工业的发展趋势是：国外摩擦材料的研究、应用工作仍是从材料成分、制取方法、，T 艺路线和结构设计等方面出发进行全面改革，各国采用的方法虽然多种多样，但其目的仍是为了全面提高新型无石棉摩擦材料的性能，以满足汽车工业高
20、速度发展的需求和社会对环境保护的要求。在材料成分方面，由于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，导致两者粘着性较差：钢纤维会产生锈蚀、震颤等问题i 炭纤维制造工艺复杂，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、钢纤维与炭纤维、钢纤维与玻璃纤维以及铜纤维与炭纤维等，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，制成性能优良、成本较低的摩擦材料，因而，混杂纤维将成为摩擦材料研究的方向之一。至于粘结剂，国外目前主要还是选用酚醛树脂，其最突出的优点是耐热性高，但高温下会发生分解，使摩擦材料发生热衰退，因而又发
21、展了各种改性酚醛树脂，常用的有：烷基酚改性酚醛树脂、腰果壳油改性酚醛树脂、油改性酚醛树脂、三聚氰胺改性酚醛树脂及三聚氰胺腰果壳油改性酚醛树脂、丁苯改性酚醛树脂等，提高了材料的工作温度。在制造工艺方面，采用了许多先进技术，如对金属纤维的软化处理，对非金属纤维的蓬松处理和浸渍处理，对硬质原料粉末的球化处理，喷涂、挤压、大气压力固结(C A P)技术，组合同结，s t a m i x 混粉技术，快速多项移动成型(B O G)技术，以及后续加工和表面处理等，均是为了全面提高材料的综合性能。另外，国外还发展了一些新工艺、新技术和新设备，如低中温固结和组合，即压制成型和固结一体化，连续式、全封闭工艺体系：
22、挤压一固结一体化工艺体系，注塑成型和固结工艺体系等取代了传统的单件单模压制成型：制各过程还采用了过程统计控制技术(s P c)，既大大提高了生产率，又能稳定产品质量。总之，发展趋势北京化工大学硕士毕业论文是在钢背上形成粗大的多孔组织，再将摩擦层覆盖在多孔组织上，以提高材料的结合强度，从而提高摩擦性能，降低磨损。就我国汽车摩擦材料行业而言，尽管已从过去依靠进口发展到引进国外先进技术和自行设计、研制、生产无石棉摩擦材料，过去主要使用石棉摩擦材料的状况也大为改观，但目前与国外相比仍存在较大的差距。存在的问题主要有：技术含量低，技术力量薄弱，生产工艺落后，设备陈旧，生产效率低：低水平重复建设，导致生产
23、能力超前，供求关系失衡：价格失调，市场混乱：检测手段不全，生产不稳定，产品质量得不到保证，经济效益差：产品结构单一，新产品开发能力弱：等等。而汽车工业是我国的支柱产业，目前正处于快速发展时期，要求汽车零部件制造业适应这种发展，同时我国的环保法规也逐渐与国际接轨，因此要求产品不产生环保污染等问题，这些均对我国的汽车摩擦材料行业提出了新的挑战和迫切任务。1。1 2 汽车摩擦材料的种类和发展历史1 2 1 鼓式制动器与石棉型摩擦材料占主导地位时期7 0 年代中期以前是摩擦材料发展的第一时期，汽车摩擦材料多采用石棉纤维作为增强体。它是以石棉为骨架，其他添加剂和树脂复合而成。石棉在摩擦材料中的含量一般为
24、3 0 一6 0。因为以石棉纤维为增强材料的石棉摩擦材料具有耐热性好、摩擦系数高、比表面积大、易于和基体材料树脂亲和、柔软、强度较高、价廉、来源丰富等一系列优点，能满足摩擦材料的使用要求，因而获得了很广泛的应用，并长期占据统治地位”“。但随着汽车工业的飞速发展，汽车用摩擦材料的要求越来越苛刻，石棉摩擦材料的局限性越来越突出，存在的主要缺点有：石棉的导热性很差，摩擦热难以很快散除，会导致衰退层变厚，磨损加剧；石棉在6 5 0 7 0 0 完全脱水分解后，强度极低：石棉易出现摩擦性能“热衰退”；石棉污染环境，是强致癌物质。因此自7 0 年代中期以来，各国己强烈要求和禁止使用石棉基摩擦材料，各国都开
25、始致力于无石棉摩擦材料的研制吲。1 2 2 汽车制动器向盘式制动器与非石棉型摩擦材料过渡时期7 0 年代中期至8 0 年代中期，发达国家开始进行无石棉高性能摩擦材料的研制工作，继而研制出半金属型摩擦材料、烧结摩擦材料、代用纤维增强或聚合物粘结摩擦材料、复合纤维摩擦材料等等。它们总的特点是：均无石棉成分，作为增强材料而采用代用纤维或聚合物，如钢纤维、矿物纤维、玻璃纤维、有机纤维及耐高温聚合物等：增强了金属成分，以提高使用温度和使用寿命；加入了多种添加剂或填料，以改善摩擦稳定性、抗粘着性，降低制动噪音并减少震颤现象。目前，国内外先后研制开发了十几种材料代替石棉制成摩擦材料，归纳起来主要有以下几种：
26、半金属摩擦材料、玻璃纤维摩擦材料、有机纤维摩擦材料、片状材料增强摩北京化工大学硕士毕业论文擦材料等。(1)半金属摩擦材料半金属摩擦材料是以钢纤维代替石棉纤维作为增强材料而制成的摩擦材料。美国B e n d i x 公司于7 0 年代初首先开展盘式制动器用半金属摩擦材料的研究，于8 0 年代中期已由最初研制的少石棉含量的半金属摩擦材料发展到全部取代石棉纤维的金属纤维及其它类型纤维的摩擦材料。与石棉摩擦材料相比，半金属摩擦材料具有噪音低、摩擦性能无论在常温或高温下都能达到高而稳定的水平、摩擦系数衰退较少、耐磨性良好，特别适用于尺寸较小的盘式制动器。但产品还存在以下缺点：钢纤维易生锈，锈蚀后易粘着或
27、易损伤对偶，且锈蚀后产品强度降低、磨损加大；热传导率高，在高温时易使制动系统产生气阻导致摩擦片层与钢板脱开：硬度较高，会损伤对偶材料，产生振颤和低频制动噪音：密度大“1。(2)玻璃纤维摩擦材料成本低，成型容易，工艺简单，摩檫性能与机械性能良好。但玻璃纤维性脆，混合中容易折断而失去较大的增强作用；表面光滑，比表面积小，不易吸附树脂和填料，造成玻璃纤维与树脂基体和填料分离而使组分混合不均匀：硬度较高，会造成摩擦材料摩擦系数不稳定、磨损较大和对对偶材料有磨损。另外，玻璃纤维对人体皮肤有一定刺激性。(3)有机纤维摩擦材料有机纤维摩擦材料中现在使用最多的当以芳纶纤维作为增强纤维。芳纶纤维即聚对苯二甲酰对
28、苯二胺纤维，具有良好的粘着填料能力，高强度、高模量、高韧性、低密度及较好的热稳定性。芳纶纤维增强摩擦材料的摩擦系数较高，而耐磨性优于石棉摩擦材料，特别是在高温下的耐磨性同半金属摩擦材料的相近，因此芳纶纤维增强摩擦材料可望成为新一代无石棉摩擦材料。“。但芳纶价格过高，与填料的混合困难，需要采用特殊工艺，否则很难均匀混台，容易结团。(4)片状材料增强的摩擦材料片状材料增强的摩擦材料是无石棉摩擦材料的最新发展方向。人类对石棉致癌的机理研究发现，石棉致癌的根本原因就是它的纤维、针状晶体沉积到人体气管和肺泡间，改变了遗传物质细胞所致。因此，国内外不少专家对其它纤维是否也不同程度地对人体存在危害，提出了怀
29、疑。从8 0 年代初，国外就开始研究用片状材料代替纤维材料，其中对典型的片状材料蛭石的研究也发表了有关专利。研究结果表明：片状蛭石取代石棉是可以制出合格的摩擦材料的。但目前对蛭石摩擦材料的研究还处于起步阶段，对片状材料的增强机理还缺乏研究。1 2 3 盘式制动器与新型摩擦材料大发展并得到工业化生产、大规模应用时期北京化工大学硕士毕业论文8 0 年代中期至今，摩擦材料的发展进入第三时期，汽车工业迅速发展，制动系统也不断改进和完善。由于现代社会对环保和安全的要求越来越高，许多国家都开始致力于改进和开发新型无石棉摩擦材料，如无石棉有机型、新型混杂纤维型、金属陶瓷型、粉末冶金型摩擦材料。(1)无石棉有
30、机摩擦材料这类摩擦材料是以树脂为基体，用增强纤维代替石棉的摩擦材料。增强纤维大体分为四类：采用天然和合成纤维，如炭纤维、玻璃纤维、云母纤维、钛酸钾纤维等；几种纤维混合使用，如纲纤维和炭纤维混合、铜纤维和炭纤维混合、纲纤维和玻璃纤维混合等：表面处理有机纤维；充填大量无机材料以完全取代石棉或采用少量玻璃纤维和陶瓷粉等。但汽车用增强纤维主要是前两类。(2)粉末冶金摩擦材料粉末冶金摩擦材料又称烧结金属摩擦材料，是以金属及其合金为基体，添加摩擦组元和润滑组元，用粉末冶金技术制成的复合材料，是摩擦式离合器与制动器的关键组件。粉末冶金摩擦材料可分为：铁基摩擦材料、铜基摩擦材料和铁铜基摩擦材料。其中铁基摩擦材
31、料具有较好的高温强度、耐热性、热稳定性和经济性，应用范围很广”。(3)金属陶瓷摩擦材料金属陶瓷摩擦材料是采用粉末冶金工艺制备的由金属基体、润滑组元和陶瓷组分组成的多元复合材料。其中金属基体的主要作用是以机械结合方式保持陶瓷颗粒和润滑基元，使其形成具有一定力学性能的整体。因此金属基体的结构、物理化学性能对金属陶瓷摩擦材料的力学性能、摩擦磨损性能、热稳定性和导热性能都有很大地影响。现在广泛采用的主要是铁基和铜基基体“。金属陶瓷摩擦材料具有较高的能量吸收能力、良好的热导性、耐高温、耐磨、摩擦系数高、寿命长等特点，特别是在高温条件下还能保持优良的摩擦磨损性能，同时对对偶件的磨损很小。但金属和基体之间的
32、结合强度对材料的使用性能有很大的影响，结合强度不足会导致材料磨损失效，且其制造成本较高，限制了其大规模应用“。”3。(4)新型混杂纤维摩擦材料所谓新型混杂纤维摩擦材料是指由两种或两种以上的连续纤维增强同一种树脂基体的摩擦复合材料。一般包含树脂基体和各种助剂，与纤维复合后，利用纤维和基体的复合作用均匀分布载荷，同时利用基体树脂来传递载荷，从而起到增强摩擦材料的作用。混杂纤维包括炭纤维、芳纶纤维、玻璃纤维、钛酸钾纤维、硅酸铝纤维、钢纤维和铜纤维等。利用其混杂效益使纤维之间能够具有协同作用，充分发挥各种纤维的优点，以达到所希望得到的摩擦性能3。(5)新型陶瓷摩擦材料北京化工大学硕t 毕业论文由于现在
33、汽车制动系统主要使用的半金属摩擦材料和无石棉有机摩擦材料刹车片存在噪音、振动、磨损率高、使用寿命短等问题，而可替代的碳碳复合摩擦材料虽然性能优异，但其成本较高，通常只是在飞机上使用。而陶瓷材料具有比重小、熔点高、硬度大、化学稳定性好和耐腐蚀等优点，已被广泛地使用在摩擦材料上“。因此，开发摩擦性能稳定、磨损率低、使用寿命长、无噪音和振动的新型陶瓷摩擦材料已经成为现在摩擦材料研究的一个热门领域。陶瓷的种类多种多样，但现在用于摩擦材料中的主要是硼化物、氧化物、碳化物、氮化物、硅化物及它们之间的组合，例如：碳化硼、氧氮化物、碳氧化物和碳氮化物的组合。一般来说，新型陶瓷摩擦材料中陶瓷的体积分数至少占倒4
34、 5 以上，有的甚至达到8 0 9 6 9 0。现在在摩擦材料中经常使用性能优良的陶瓷有：S i c、B 4 c、s i 3 N 4、A 1 2 0 3、T i B 2、S i B 6、s i B 4、A l N、z r c、z f B 等“”。此外，钛酸钾晶须作为一种陶瓷纤维，由于它优异的热稳定性和与酚醛树脂基体良好的相容性，在摩擦材料研究中已引起了高度注意“”。有资料表明“”，在摩擦材料中加入钛酸钾晶须会大大改善摩擦材料的整体性能，同时摩擦材料的恢复性能、摩擦稳定性和磨损性都得到了很大的改善。1 3 汽车摩擦材料的组成作为汽车制动的关键部分，摩擦材料需要具备许多性能，如抗腐蚀、低密度、寿命
35、长、低噪音、摩擦性能稳定、磨损率低及极佳的性价比。要获得高性能的摩擦材料，仅用一种材料是不能满足要求的，而要多种组分复合而成。根据各个组分在摩擦材料中所起到的作用，添加剂可分为以下几类：纤维、磨料、摩擦改性剂、空间填料(s p a c ef i l l e r s)和树脂。每一种添加剂对摩擦性能的影响不尽相同，甚至一种添加剂组分含量百分之一的差别都能够影响材料的摩擦性能，因此，判断成分在摩擦材料中的含量多少十分重要。此外，分析添加剂对摩擦和磨损的影响，仅了解其组成是不够的，因为添加剂的形态、分布及颗粒的大小都能够影响材料的摩擦和磨损行为m 圳。1 3 1 纤维由于纤维具有高强度、高模量和高耐热
36、性，故摩擦复合材料在摩擦过程中，纤维在保持复合摩擦材料完整性的同时还吸收了大量由摩擦界面产生的压力，即磨损过程中显露出的纤维支撑了接触面之间的大部分载荷，起到增强作用，使摩擦材料具有一定的强度和韧性、耐冲击、剪切、拉伸等机械作用而不会产生裂纹、发生断裂等机械损伤。通常使用的增强纤维有芳纶纤维、金属纤维、陶瓷纤维、玻璃纤维、炭纤维、有机纤维和混杂纤维等，一般纤维含量(体积分数)占总摩擦材料的5 2 5 左右，其含量多少会影北京化工大学硕士毕业论文响摩擦材料的摩擦和磨损性能”“。若纤维含量过低，纤维会因拉伸或剪切而断裂，增强效果不明显；若纤维含量过高，纤维磨损断裂的碎片以及纤维从基体中脱离增多，破
37、坏了复合材料和偶件之间形成的转移膜，从而导致磨损增加。增强纤维应具有以下几种性能要求：(1)足够的强度、较好的韧性；(2)良好的摩擦磨损性能；(3)良好的可分散性及与树脂粘着性能；(4)耐热性好，在一定温度范围内不发生分解、脱水、相变等；(5)合适的硬度、不损伤对偶材料；(6)量广、价廉、无污染等”1。一般来说，陶瓷纤维对于改善材料的摩擦性能，提高材料的热稳定性和耐热性、剪切强度及耐压强度都有非常大的作用。金属纤维可显著提高材料的热传导性和热稳定性也可耐一定温度，但在高温条件下氧化较快，影响材料的摩擦性能和使用寿命。某些有机合成纤维摩擦性能虽然综合性能优异，也可提高材料的强度和多孔性，但热稳定
38、性差，在高温下易发生炭化现象，降低材料的使用寿命。由于纤维在性能和价格方面具有很强的互补性，利用纤维的混杂效应，在制动复合材料中同时采用两种或两种以上纤维，不仅可以降低成本，而且能使纤维起到协同作用，弥补相互的不足，充分发挥每种纤维的优势，使摩擦性能更加优异，称为混杂增强。比如用陶瓷纤维、天然矿物纤维、玻璃纤维、金属纤维等的一种或多种容易造成对偶件磨损的硬质纤维与芳纶纤维、炭纤维、丙烯酸纤维等不易造成对偶件磨损的软质纤维混合具有良好的效果、长纤维和短纤维混合、摩擦性能优良的纤维和增强效果优良的纤维混合等嘶2 7。”。在摩擦材料研究中经常使用的增强纤维及其性能特点如表卜1 所示。表卜l 摩擦材料
39、中常用的增强纤维及其性能特点T a b l el lF b e r sa n dt h e i rc h a r a c t e r i s t i c su s e di nf r i c t i o nm a t e a l sf o r m u l a t i o n s名称物理性能性能描述海泡M 9 8(H 2 0)4【S i 6 0 l5】(0 H)4 8 H 2 0海泡石纤维由于其多孔性及表面积大，与树脂浸润性石纤一般的化学组成为S i O：2 4 6 6好，界面粘结强度高。更由于其晶道具有类似“分子筛”的维、M 9 0 1 8 1 9、其它氧化物作用，树腊受热分解产生的小分子气体
40、可暂集于孔道内，而(A l2 0 3、F e 扣3 等)约5 0。不滞留于摩擦表面形成混合摩擦现象，故可促进材料摩擦性莫氏硬度：2 2 5能的稳定。添加海泡石纤维，可降低制品密度，防止摩擦噪密度：2 0 9 c m。音以及避免过量的热膨胀。热稳定性好。北京化工大学硕士毕业论文续表卜l 摩擦材料中常用的增强纤维及其性能特点T a b l el lF i b e r sa f I dt h e i rc h a r a c t e r i s t i c su s e di nf r i c t i O nm 砷盯i a I sf o r m u J a t i o n s名称物理性能性能描述天然
41、植最早用于摩擦材料中的天然纤维，资源丰富，价格低廉，密度物纤维小，比模量和拉伸强度与无机纤维相近。但存在以下缺点：由于植物纤维在植物中的部位不同，生长环境、生长条件不同等因素造成植物纤维性能上存在较大差异，用于摩擦材料时，不易控制其质量，导致摩擦材料制品的性能不稳定：植物纤维与常用的基体树脂的相容性很差，很难形成物理或化学键的结合，并且在共混过程中，纤维素受到机械作用，容易发生热降解、氧化降解、机械降解等，导致最终产品性能的下降。易降解、易燃烧，影响安全使用”。石棉纤天然矿物纤维优点：耐热性好、摩擦系数高、比表面积大、易于和基体材料树脂维(已淘密度：2 5 9 c m。亲和、柔软、强度较高、价
42、廉、来源丰富，特别适用于摩擦汰)拉伸强度：材料。O，6 0 0 8 0 G p a缺点：石棉的导热性很差，摩擦热难以很快散除，会导致衰退层弹性模量：变厚，磨损加剧；1 5 0 1 7 0 G p a石棉在6 5 0 7 0 0 完全脱水分解后，强度极低，磨损加剧；延伸率：2 3 石棉易出现摩擦性能“热衰退”，摩擦性能不稳定：石棉污染环境，是强致癌物质“。钛酸钾K 2 0。6 T 0 2钛酸钾晶须是一种新型针状短纤维，属于陶瓷类纤维，是新一晶须熔融温度j代高性能复合材料增强剂。具有良好的力学性能和物理性能，强度1 2 5 0 一1 3 1 0 高，模量高，还具有很高的电绝缘性、耐热(在空气中1
43、2 0 0)、平均长度：1 5 5“m隔热性能和优异的红外波长区域发射性能。膨胀系数与塑料相当，平均直径：复合增强塑料相容性好，在摩擦材料中使用能降低磨损和热衰退性，O 3 5 0 1 5u m不损伤对偶材料。在摩擦过程中由于其高耐热性能够保持刹车片在抗拉强度：7 0 0 0 M P a升温过程中的热稳定性，是一种惰性材料，其电绝缘性能和结构特模量：2 8 0 G P a点可替代石棉。但钛酸钾晶须对环境有害”“”1。黄铜纤典型的黄铜纤维为硬度低，对对偶无攻击性，与铸铁构成的摩擦副具有较高的动、维6 2 C u 一3 8 Z n静摩擦系数，耐腐蚀性优于钢纤维，可改进摩擦材料的耐湿滑性能直径：O
44、1 5 m和恢复摩擦性能。但价格较高，密度较大“。北京化工大学硕士毕业论文续表卜1 摩擦材料中常用的增强纤维及其性能特点T a b l e1 1F i b e r sa|l dt h e i rc h a r a c t e r i s t i c su s e di n 开i c t i o nm a t e r i a l sf o r m u l a t i o n s名称物理性能性能描述钢纤维化学组成：优点：韧性好，因而可提高复合材料的韧性；C：O 0 7 O 1 2耐磨性好，因而适宜用其制树脂基摩S i 01阻材料，并使使用寿命延长；耐热性M n 1 2 5好，所制摩阻材料抗热衰退性
45、优良，因S O0 4而摩擦因数等性能稳定；导热性好，P O 1 0所制摩阻材料散热(摩擦热)快，温升当量直径：4 0 7 5 帆低；附着性好与树脂基体界面粘结长度分级：牢固，材料强度高；振动特征与非金筛号(p s)级别属材料差异较大，因而当它们混用时，1 40 1有利于消振和消声；几何特征(纤维2 00 5长度、直径、长径比、横截面及表面形4 05 1 5态)可任意选择，很容易适应各种类型、7 01 5 3 0各种工况下摩阻制品的制造要求：原1 0 05 2 5料充足，组成及性能可调性好，因而更满底4 5 6 5增强了钢纤维的适应性，也使所增强的熔点：1 4 0 0 树脂基摩阻材料的性能多样化
46、。密度：7 8g c m 3缺点：密度大；易腐蚀，使得半金属摩阻拉伸强度：1 8 0 一2 0 0 G P a制品摩擦表亟极易生锈，严重影响使用弹性模量：2 0 0 G P a的安全性；导热性过好，以致半金属延伸率：2 3 刹车制品刹车时产生的高温很容易传至整个刹车系统，导致系统失灵；硬度较大，所制半金属摩阻制品的硬度也偏高，易刮伤对偶和产生摩擦噪音；导电性好，使得半金属摩阻制品电绝缘性不好，因而不能用于要求电绝缘的制动系统”“。硅灰石纤维是一种结晶状的偏硅酸钙矿物，外观具有较高的强度和良好的耐热性，晟大的(C a S i O，)为亮白色或灰白色针状或粉状，长径优点是无毒性，与树脂等物料混合操
47、作也比石比约为1 5：l。棉容易。但硅灰石纤维较脆，单独使用效果不好，需要与其它纤维材料混杂使用”2”1。北京化工大学硕士毕业论文续表卜1 摩擦材料中常用的增强纤维及其性能特点T a b l el lF i b e r sa n dt h e i rc h a r a c t er I s t l c su s e dj nf r i c t i o nm a l 嚣r a l sf 0 胁u l a t j o n s名称物理性能性能描述玻璃玻璃纤维属于无机硅酸盐纤优点：强度和硬度高，摩擦磨损性能良好，热稳定性较纤维维，按原料组成可分为碱性与特种好、与树脂亲和性较好、对人体的危害性低于两种：
48、而碱性玻璃纤维叉分为无碱、石棉，价格较便宜。中碱、低碱玻璃纤维三种。缺点：硬度过高(莫氏硬度5)，磨损比石棉增强材玻璃纤维按单丝直径可分为粗料大一倍以上；当温度超过8 0 0 时易形成玻璃纤纤维(单丝直径3 0 姗)、初级纤维维微珠(莫氏硬度变为6)，莫氏硬度更高，材料磨损(单丝直径2 0 帅)、中级纤维(单量会进一步增加易损伤对偶：玻璃纤维增强材料对丝直径1 0 2 0 岫)、高级纤维(单载荷、滑动速度及制动温度等因素反应较敏感。摩擦丝直径3 9 姗)。系数变化明显不稳定。与树脂亲合性差，需用偶联密度：2 5 6g-c m4剂处理。拉伸强度：3 6 0 G P a弹性模量：7 6 G P a
49、延伸率：3 0 4 0 炭纤炭纤维具有元素碳的各种优良优点：高比强度、高比模量、耐热、耐磨、耐腐蚀、维性能。按生产原料的不同，炭纤维热膨胀系数较小。炭纤维增强摩擦材料有良好可分为粘胶基炭纤维、沥青基炭纤的恢复性能，而且在高温及高滑动速度下炭纤维和聚丙烯腈基炭纤维。摩擦材料维增强材料比玻璃纤维增强材料有更高的摩擦中使用的炭纤维主要是后两种。系数和较低的磨损率。缺点：碳碳复合材料制作工艺复杂，成本很高，原材料价格也较高，产量有限：现有的炭纤维一般为长纤维，而应用于摩擦材料中的增强纤维一般是2 5 的短纤维。这一点目前较难达到：炭纤维尤其是高模量石墨纤维的表面是惰性的，与树脂的润湿性、粘着性差，所以
50、在制备炭纤维增强复合材料时，须对炭纤维表面进行处理，以提高炭纤维与树脂间的粘附强度。处理后炭纤维不但表面积增大，还能在表面生成活性基团(如羰基、羧基、和羟基等)，通过这些基团使炭纤维与树脂基体之间产生化学键，从而提高界面强度”“。9北京化工大学硕士毕业论文续表卜1 摩擦材料中常用的增强纤维及其性能特点T a b l e1 1F i b e r sa n dt 1 e i rc h a r a c t e r i s t i c su s e di nf r i c t i O nm a t e r i a l sf o r m u l a t o n s名称物理性能性能描述芳纶纤维密度：1 4