前言 

       用傳統(tǒng)的石棉摩阻材料制成的汽車制動(dòng)器襯片，不但污染環(huán)境有致癌作用，而且工作壽命低，其在250℃以上工作時(shí)有熱衰退現(xiàn)象。因此，近二十年來世界各國(guó)都對(duì)石棉摩阻材料的生產(chǎn)與使用加以限制，并致力于研究新一代摩阻材料來取代石棉摩阻材料。本研究工作在采用正交設(shè)計(jì)優(yōu)化了碳纖維復(fù)合摩阻材料的基礎(chǔ)上，針對(duì)汽車制動(dòng)器襯片的實(shí)際工況，研究了碳纖維復(fù)合摩阻材料的摩擦磨損特性及磨損機(jī)制。本研究結(jié)果為研制碳纖維復(fù)合材料汽車用制動(dòng)襯片打下了基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)材料、內(nèi)容及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料的成分設(shè)計(jì)與制備

        實(shí)驗(yàn)材料系用碳纖維作增強(qiáng)纖維，改性酚醛樹脂作粘接劑并輔有各種性能調(diào)節(jié)劑與填料的多元組分體系。在材料成分配方設(shè)計(jì)中，采用了L16（45）正交優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，并經(jīng)多輪實(shí)驗(yàn)后，確定了碳纖維復(fù)合摩阻材料的經(jīng)濟(jì)實(shí)用型配方（見表1）：

表1 實(shí)驗(yàn)用碳纖維復(fù)合摩阻材料的成分

注：碳纖維分別選用吉林炭素廠與遼源市碳纖維廠生產(chǎn)的高碳纖維、低碳纖維與預(yù)氧纖維，并按不同強(qiáng)度的碳纖維組分進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

按上述配方（其中碳纖維的強(qiáng)度不同），將各組分經(jīng)過均勻混料、干燥處理后，用熱模壓成型壓制成碳纖維復(fù)合材料汽車制動(dòng)襯片試樣[2]。

1.2 摩擦磨損實(shí)驗(yàn)

在MM－200 磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行磨損實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)參數(shù)為：

摩擦壓力F=200kN
轉(zhuǎn)速n=400 rad/s
摩擦配副為直徑φ40mm，材質(zhì)為HT400 的磨輪。

采用感量萬分之一的精密天平稱量試樣的磨損量。在JSM－5310 型掃描電子顯微鏡上觀察磨損面的表面形貌。

磨損實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理后的數(shù)據(jù)見表2：

表2 磨損實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理

圖1 與圖2 為碳纖維表面經(jīng)過改性處理與未經(jīng)改性處理的SEM 照片。

圖1 經(jīng)表面處理的碳纖維摩阻材料的SEM 照片 圖2 未經(jīng)表面處理的碳纖維摩阻材料的SEM 照片

1.3 在D－MS 實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行熱衰退實(shí)驗(yàn)

         在300℃實(shí)驗(yàn)溫度條件下，分別按摩擦系數(shù)和磨損率進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析各組分的影響次序。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 碳纖維不同表面狀態(tài)時(shí)的熱衰退實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 碳纖維對(duì)摩阻材料摩擦磨損特性的影響

2.1.1 碳纖維含量對(duì)摩擦磨損特性的影響 

       碳纖維含量是影響本摩阻材料摩擦磨損性能的重要因素。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)碳纖維含量較低時(shí)（15%~19%）摩擦系數(shù)與磨損率隨碳纖維含量的增加而減少；而當(dāng)碳纖維含量較高（19%~25%）時(shí)摩擦系數(shù)與磨損率都隨著碳纖維含量的增加而增大。

       出現(xiàn)第一種現(xiàn)象是因?yàn)樘祭w維屬“亂層石墨”式結(jié)構(gòu)，其本身具有良好的自潤(rùn)滑性能，能起一定的減摩作用，致使摩擦系數(shù)減小[5]。在滑摩時(shí)，發(fā)生在摩擦界面上因碳纖維引起的犁削阻力較小，故此時(shí)碳纖維的減摩作用明顯，因而會(huì)呈現(xiàn)隨碳纖維含量增加摩擦系數(shù)與磨損率隨之減小的現(xiàn)象。

       出現(xiàn)第二種現(xiàn)象是因?yàn)楫?dāng)碳纖維含量相當(dāng)高時(shí)，由于碳纖維比強(qiáng)度、比模量很高，故滑摩時(shí)的犁削阻力相當(dāng)大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了碳纖維的減摩作用，從而呈現(xiàn)出摩擦系數(shù)隨碳纖維含量的增加而增大的現(xiàn)象。同時(shí)，當(dāng)犁削阻力大于碳纖維機(jī)體的結(jié)合強(qiáng)度時(shí)就會(huì)發(fā)生磨損，故隨著碳纖維含量的繼續(xù)增加，磨損率也會(huì)增大。

2.1.2 碳纖維表面狀態(tài)對(duì)摩擦磨損特性的影響

       對(duì)碳纖維需進(jìn)行表面處理，以達(dá)到強(qiáng)化與粘接劑改性酚醛樹脂的潤(rùn)濕與粘接的目的。

       將對(duì)碳纖維進(jìn)行表面改性處理的與未經(jīng)處理的試樣進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。碳纖維進(jìn)行表面改性處理的工藝是：將碳纖維置于50％的硝酸水溶液中處理24h 后取出，用水沖洗干凈并作干燥處理后，再進(jìn)行混料。

      碳纖維與基體的粘接力在很大程度上取決于其表面性質(zhì)。未經(jīng)表面改性處理的碳纖維，由于其表面惰性，與粘接劑的相溶性差，致使摩阻材料的抗剪強(qiáng)度低，當(dāng)對(duì)碳纖維進(jìn)行表面改性處理后，會(huì)使其表面的沉積物減小，表面粗糙度增大，進(jìn)而提高強(qiáng)度并增大摩擦系數(shù)，有利于提高錨固作用。圖3 與圖4 為碳纖維表面經(jīng)改性處理與未經(jīng)改性處理的摩擦材料的摩擦系數(shù)和磨損率對(duì)比。

圖3 碳纖維不同表示形態(tài)時(shí)的摩阻材料的摩擦系數(shù) 圖4 碳纖維不同表示形態(tài)時(shí)的摩阻材料的摩損率

經(jīng)過改性處理的碳纖維與基體結(jié)合好而緊密。這是因?yàn)榻?jīng)處理后碳纖維表面含氧官能團(tuán)增多，提高了碳纖維與粘接劑的反應(yīng)性，因而碳纖維自身的浸溶性提高，也增加了碳纖維與粘接劑的結(jié)合強(qiáng)度。因此，經(jīng)改性處理后的碳纖維復(fù)合摩阻材料表面現(xiàn)出較好的摩擦磨損性能。圖5 是用23%的碳纖維所制成的制動(dòng)襯片的溫度與摩擦系數(shù)，時(shí)間與摩擦系數(shù)的關(guān)系。

圖5 摩擦系數(shù)與溫度和時(shí)間的關(guān)系

2.1.3 碳纖維強(qiáng)度對(duì)摩擦磨損性能的影響

      實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明碳纖維強(qiáng)度越大，用其增強(qiáng)的摩阻材料的磨損系數(shù)也越大。這是因?yàn)樘祭w維的比強(qiáng)度和比模量越高，摩擦?xí)r抗犁削阻力就越大，因此摩擦系數(shù)也越高。

2.2 碳纖維對(duì)摩阻材料抗熱衰退性的影響

圖6 碳纖維的疲勞特性 圖7 碳纖維的蠕變特性

碳纖維復(fù)合摩阻材料具有較高的強(qiáng)度( sb =17MPa， t = 90MPa)，彈性模量（125GPa），故其具有較高的疲勞特性、蠕變特性（圖6、圖7）[1]。此外它還因碳纖維具有良好的導(dǎo)熱性，高溫性能好，故在高溫條件下能減小犁削深度并減小材料表面層的剝落，抵御磨料運(yùn)動(dòng)的能力增強(qiáng)。所以碳纖維復(fù)合摩阻材料的抗熱衰退性能好，明顯優(yōu)于石棉摩阻材料與半金屬摩阻材料。在D－MS 實(shí)驗(yàn)機(jī)上將碳纖維復(fù)合材料制動(dòng)器襯片與日本產(chǎn)的半金屬制動(dòng)器襯片和國(guó)產(chǎn)石棉制動(dòng)器襯片進(jìn)行的對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 三種制動(dòng)器襯片摩擦磨損性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)在中科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所進(jìn)行熱重分析（TAG），測(cè)定摩阻材料不同深度表面層中有機(jī)組分的含量，進(jìn)而求出熱影響表面層的深度。測(cè)定結(jié)果為：碳纖維摩阻材料的熱影響表面層深度小于0.55mm，石棉摩阻材料為0.75mm，這證明了由于碳纖維導(dǎo)熱率高，會(huì)使材料內(nèi)場(chǎng)的溫度梯度下降，熱分解層薄，因而碳纖維摩阻材料在很高的溫度時(shí)摩擦磨損性能很穩(wěn)定，提高了工作性能和抗熱衰退性能。其主要性能指標(biāo)達(dá)到了GB5736－1998《汽車用制動(dòng)器襯片》的標(biāo)準(zhǔn)值：

摩擦溫度 100℃ 250℃ 300℃
摩擦系數(shù) 0.42±0.06 0.42±0.09 0.42±0.1
磨損率 ≤0.10 ≤0.41 ≤0.60

2.3 碳纖維復(fù)合材料的磨損特性與磨損機(jī)理

2.3.1 碳纖維復(fù)合摩阻材料的摩擦磨損特性 

       由于碳纖維具有很高的強(qiáng)度和彈性模量，并且具有很好的耐蠕變性、導(dǎo)熱性，將其進(jìn)行表面改性處理后，以較高的組分制成的碳纖維復(fù)合摩阻材料具有良好的摩擦磨損特性。

       在工作溫度低于250℃時(shí)，碳纖維復(fù)合摩阻材料的摩擦系數(shù)較高，且穩(wěn)定在0.32~0.44 之間，在此溫度范圍之內(nèi)磨損率變化也很小。

       在滑摩速度為0.6m/s，載荷為200kN 時(shí)，碳纖維復(fù)合摩阻材料的磨損特性相當(dāng)穩(wěn)定，且回復(fù)性好，抗熱衰退性能好，基本上不發(fā)生蠕變。

2.3.2 碳纖維復(fù)合摩阻材料的磨損機(jī)理 

       在工作狀態(tài)下，碳纖維復(fù)合摩阻材料制成的制動(dòng)襯片與制動(dòng)盤滑摩時(shí)，摩阻材料的磨損與比壓和滑摩速度成正比。在工作過程中，其接觸壓和磨損是在內(nèi)外側(cè)交替進(jìn)行的，最終會(huì)使摩擦襯片沿徑向的磨損保持均勻。在制動(dòng)時(shí)，第一階段因滑動(dòng)速度較高在摩阻材料表面的磨損機(jī)制主要是犁削磨損。隨著制動(dòng)過程的進(jìn)行，第二階段磨損除了犁削磨損外還有粘著磨損，磨屑中有顯微切屑與片狀剝落。由于碳纖維復(fù)合摩阻材料表面層強(qiáng)度高，耐疲勞性好，故能有效地抵御制動(dòng)盤的磨料壓入，而使犁削深度和表層材料的轉(zhuǎn)移磨失體積減小。在溫度升高時(shí)，由于碳纖維自身具有強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性與減摩性能好，故能有效地降低粘著磨損，減少剝離磨損。在反復(fù)制動(dòng)的動(dòng)態(tài)接觸中，因其磨損系統(tǒng)呈現(xiàn)“襯片均勻磨損”特征，再加之碳素纖維具有良好的導(dǎo)熱性和耐蠕變性，故碳素纖維復(fù)合磨阻材料具有較高的摩擦磨損性能。

3 結(jié)論 

       目前國(guó)內(nèi)外對(duì)開發(fā)新型摩阻材料及對(duì)其磨損機(jī)理的研究已進(jìn)行了大量的工作。但因碳纖維復(fù)合摩阻材料是一種新型復(fù)合材料，其工作過程的磨損是涉及到摩擦系統(tǒng)的外部條件和材料組成因素的復(fù)雜的物理—化學(xué)過程，對(duì)其摩擦學(xué)性能的研究大多都局限于一定的試驗(yàn)條件或以經(jīng)驗(yàn)為依據(jù)。有關(guān)其磨損機(jī)理的研究和磨損模型的建立還有待于繼續(xù)深入與完善，本文主要結(jié)合轎車盤式制動(dòng)器摩擦塊的國(guó)產(chǎn)化，采用碳纖維作增強(qiáng)纖維，通過系統(tǒng)試驗(yàn)分析，得出了碳纖維復(fù)合摩阻材料的磨損特性及其優(yōu)點(diǎn)如下：

      1）碳纖維復(fù)合摩阻材料是性能優(yōu)異的新一代摩阻材料，其摩擦系數(shù)較高，抗熱衰退性能好，工作壽命是石棉摩阻材料的2~3 倍。

      2）碳纖維的組分與表面狀態(tài)、強(qiáng)度對(duì)碳纖維復(fù)合摩阻材料的摩擦磨損性能有顯著的影響，本研究中通過優(yōu)化碳纖維含量（19%~25%），選用高強(qiáng)度并經(jīng)表面改性處理的碳纖維設(shè)計(jì)的復(fù)合摩阻材料，具有較高的摩擦磨損性能。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，呈現(xiàn)出摩擦平穩(wěn)和良好的制動(dòng)性能。

      3）碳纖維復(fù)合摩阻材料的磨損機(jī)制主要是犁削磨損和粘著磨損 。由高強(qiáng)度、耐疲勞、導(dǎo)熱性好且具有減摩作用的碳纖維組分制成的復(fù)合摩阻材料能減小犁削深度，降低粘著磨損。