本文對(duì)摩擦材料中增強(qiáng)纖維的選用進(jìn)行了綜述，探控討了鋼纖維、玻璃纖維、碳纖維等在摩擦材料中應(yīng)用的優(yōu)缺點(diǎn)及對(duì)摩擦材料性能的影響以及息樣優(yōu)化纖維增強(qiáng)摩擦材料，并指出高性能纖維增強(qiáng)摩擦材料必然會(huì)替代石棉基摩擦復(fù)合材料。
1 前言
石棉作為一種天然礦物纖維，具有質(zhì)輕、價(jià)廉、分散性好、摩擦磨損性能好、增強(qiáng)效果好等特點(diǎn)，因此在摩擦材料中得到了廣泛的應(yīng)用。從上世紀(jì)20一80年代，石棉基摩擦材料幾乎是一統(tǒng)天下。自從上世紀(jì)70年代，石棉及其高溫分解物被確認(rèn)屬于致癌物質(zhì)后，許多國(guó)家對(duì)石棉的使用都做出了具體的規(guī)定。瑞士及德國(guó)規(guī)定1988年生產(chǎn)的汽車不能使用石棉基摩擦材料。美國(guó)也有10年內(nèi)禁止使用石棉的提案[1]。與此同時(shí)，石棉粉塵的嚴(yán)格限制必須對(duì)除塵設(shè)備進(jìn)行高額投資，致使石棉摩擦材料價(jià)格上升。隨著汽車科技的進(jìn)步，汽車的速度越來越高，制動(dòng)器更小以及盤式制動(dòng)器的出現(xiàn)，對(duì)摩擦材料的性能提出了更高的要求，使用條件也更為苛刻。如今轎車前輪盤式制動(dòng)溫度可達(dá)300－500℃，而石棉在400℃左右將失去結(jié)晶水，580－700℃時(shí)結(jié)晶水將完全喪失，同時(shí)也失去彈性和強(qiáng)度，已基本失去增強(qiáng)效果問。石棉脫水后導(dǎo)致摩擦性能不穩(wěn)定、損傷財(cái)偶及出現(xiàn)制動(dòng)噪聲，因此，石棉基摩擦材料顯然不能適應(yīng)汽車工業(yè)和現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展需求將逐步被取代。由于我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較低、民眾環(huán)保意識(shí)不強(qiáng)及汽車工業(yè)的落后，價(jià)格較低、應(yīng)用范圍較廣的石棉基摩擦材料至今還在使用。然而隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人民生活水平的不斷提高，人們對(duì)環(huán)境保護(hù)的要求也越來越高。國(guó)家有關(guān)部門規(guī)定，近年石棉基摩擦材料將要被其它纖維增強(qiáng)摩擦復(fù)合材料所替代。
就以上所談到的石棉缺點(diǎn)，代替石棉基摩擦材料的研究工作已經(jīng)刻不容緩。通過對(duì)實(shí)際應(yīng)用中摩擦材料的研究，纖維增強(qiáng)摩擦材料中增強(qiáng)纖維的作用主要是使材料具有一定的強(qiáng)度和韌性，耐沖擊、剪切、拉伸等機(jī)械作用而不至于出現(xiàn)裂紋、斷裂、崩缺等機(jī)械損傷。因此增強(qiáng)纖維應(yīng)滿足以下性能要求：①具有愎壞那慷群湍Ａ懇約敖蝦玫娜托�；⒄尲好的摩擦虚嗆，哉洑gǖ奈露確段誥哂形榷ǖ哪Σ料凳笆實(shí)鋇哪Σ了鷙模虎勱細(xì)叩娜確紙馕露齲凇ㄎ露確段誆環(huán)⑸確紙�、烷幃、相睖Z群徒細(xì)叩母呶路紙獠刑悸�；④纤维易釉栔散且与基体有轿r玫南噯芐裕虎菔實(shí)鋇撓捕齲徊現(xiàn)氐腦胍�；⑻Y抗�、价廉、无毒性，不污葍舴緢�(chǎng)?amp;nbsp;
目前，國(guó)內(nèi)外開展了代用增強(qiáng)纖維的研究。主要有鋼纖維、玻璃纖維、碳纖維、有機(jī)纖維。雖然擁有如此眾多的代用增強(qiáng)纖維，但非石棉纖維還存在著許多的不足；①增強(qiáng)纖維與基體的相溶性較差；②價(jià)格較石棉基摩擦材料高出很多；③增強(qiáng)纖維摩擦材料的制成品性能并不是很穩(wěn)定，代用纖維摩擦材料雖然在某些方面已經(jīng)超越石棉基摩擦材料，但就整體性能而言還存在較大的差距。本文就目前所使用的代用纖維及其摩擦材料性能，給出綜合分析，希望能對(duì)我國(guó)石棉纖維替代材料的應(yīng)用研究有一定參考作用。
2 增強(qiáng)纖維的選用
2.1 鋼纖維
使用低碳鋼以及采取超聲波切削法生產(chǎn)出的鋼纖維含油量低、表面活性好、價(jià)格便宜，因此在半金屬基摩擦材料中得到廣泛應(yīng)用。鋼纖維*顯著的特點(diǎn)是導(dǎo)熱性能好。鋼纖維以其高導(dǎo)熱性能使局部表面熱量迅速擴(kuò)散至內(nèi)部，從而降低摩擦表面溫度，避免表面溫度過高，防止樹脂基體團(tuán)熱分解而導(dǎo)致材料磨損加劇，延長(zhǎng)了制品的使用壽命。但鋼纖維制成的摩擦材料質(zhì)量大，容易銹蝕。用這種材料制成的離合器面片銹蝕后導(dǎo)致粘連，影響換檔分離，并導(dǎo)致傳動(dòng)振動(dòng)和抖動(dòng)[2]。研究表明，加入一定量的鋅粉和氧化鈣等可以增強(qiáng)材料的防銹性能，而對(duì)摩擦性能無明顯影響；鋼纖維和礦物纖維及有機(jī)纖維混雜使用可以進(jìn)一步降低材料的密度及改善制動(dòng)噪聲[2]。目前，鋼纖維增強(qiáng)摩擦材料在我國(guó)多種汽車上進(jìn)行了應(yīng)用，反映較好。
2.2 玻璃纖維
玻璃纖維作為代用增強(qiáng)纖維的研究時(shí)間較長(zhǎng)，產(chǎn)品質(zhì)量比較穩(wěn)定，產(chǎn)量較大，價(jià)格也相對(duì)比較便宜。玻璃纖維屬于無機(jī)硅酸鹽纖維，因而熱穩(wěn)定性較好。其表面處理工藝也得到了廣泛的研究，研制出多種偶聯(lián)劑，與樹脂親和性較好，因此在增強(qiáng)纖維摩擦材料中得到了一定的應(yīng)用。據(jù)國(guó)外報(bào)道，玻璃纖維增強(qiáng)的摩擦材料，其摩擦磨損性能良好[3]，但玻璃纖維增強(qiáng)材料對(duì)載荷、滑動(dòng)速度及制動(dòng)溫度等固素反應(yīng)較敏感。在重載房速及高溫下，摩擦系數(shù)變化明顯，不穩(wěn)定[4]。玻璃纖維用作摩擦材料的增強(qiáng)纖維有一定的要求。玻璃纖維應(yīng)較柔軟，而含15－30 %氯化鉀的玻璃纖維可使莫氏強(qiáng)度下降，使玻璃纖維變軟，認(rèn)為E玻璃纖維可以使用[1]。雖然說玻璃纖維能夠運(yùn)用在摩擦材料的增強(qiáng)材料中，但玻璃纖維有不足之處。①硬度過高，磨損比石棉增強(qiáng)材料大；②當(dāng)溫度超過800℃時(shí)易形成玻璃珠，而玻璃珠莫氏硬度更高，材料磨損量會(huì)進(jìn)一步增加；③玻璃纖維增強(qiáng)材料的摩擦系數(shù)隨溫度有較大的變化，摩擦系數(shù)不穩(wěn)定。
2.3 碳纖維
碳纖維具有高比強(qiáng)度、高比模量、耐熱、耐磨、耐腐蝕及熱膨脹系數(shù)較小等許多優(yōu)點(diǎn)。碳纖維增強(qiáng)基體的(C/C)復(fù)合摩擦材料在航空航天工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。碳纖維增強(qiáng)基體的航空剎車用復(fù)合材料具有質(zhì)量輕、抗熱沖擊性好、摩擦系數(shù)穩(wěn)定、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，是新一代的航空剎車副[9、10]。目前，國(guó)際上大多數(shù)軍用和民用干線飛機(jī)采均用碳纖維增強(qiáng)基體的復(fù)合材料剎車副。但用作一般民用的摩擦材料還存在以下障礙；①碳/碳復(fù)合材料制作工藝復(fù)雜成本很高，原材料價(jià)格也較高，產(chǎn)量有限。②現(xiàn)有的碳纖維一般為長(zhǎng)纖維，而應(yīng)用于摩擦材料中的增強(qiáng)纖維一般是2－5mm的短纖維。這一點(diǎn)目前較難達(dá)到。③碳纖維尤其是高模量石墨纖維的表面是惰性的，與樹脂的潤(rùn)濕性、粘附性差，所以皮制備碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料時(shí)，須對(duì)碳纖維表面進(jìn)行處理，以提高碳纖維與樹脂間的粘附強(qiáng)度。處理后碳纖維不但表面積增大，還能在表面生成活性基團(tuán)(如羰基、羧基、和羥基等)，通過這些基團(tuán)使碳纖維與樹脂基體之間產(chǎn)生化學(xué)鍵，從而提高界面強(qiáng)度。
通過國(guó)外實(shí)驗(yàn)報(bào)告了解到碳纖維增強(qiáng)摩擦材料有良好的恢復(fù)性能，而且在高溫及高滑動(dòng)速度下碳纖維增強(qiáng)材料比玻璃纖維增強(qiáng)材料有更高的摩擦系數(shù)和較低的磨損率[5]。
2.4 有機(jī)纖維
芳綸(Kevlar)、聚丙烯纖維、聚乙烯纖維、聚酯纖維等可燃點(diǎn)高，高溫?zé)岱纸獠幻黠@，因而也可用作摩擦材料的增強(qiáng)纖維。有機(jī)纖維單獨(dú)作為增強(qiáng)纖維使用時(shí)，一般都要經(jīng)過表面處理，通常是把天然或合成的有機(jī)纖維放在非電解的處理液中，使纖維表面鍍上薄薄一層金屬[1]。經(jīng)過表面處理的有機(jī)纖維，既具有金屬纖維的優(yōu)點(diǎn)，如導(dǎo)熱性好，耐磨等；又具有非金屬纖維的特點(diǎn)，如密度小，韌性好等。例如，較常用的芳綸(Kevlar-49)特點(diǎn)是強(qiáng)韌性好，彈性模量高，密度低，價(jià)格只相當(dāng)于碳纖維的1/3，其不足之處是由它所制成的復(fù)合材料的耐壓強(qiáng)度及彎曲疲勞握度不太好。研究表明，有機(jī)纖維可以提高材料摩擦性能的穩(wěn)定性，明顯降低磨損量，對(duì)于降低制動(dòng)噪聲也有明顯作用。但有機(jī)纖維在摩擦材料中的應(yīng)用還存在價(jià)格、表面處理、分散工藝等問題，有待進(jìn)一步研究。
2.5 礦物纖維
礦物纖維取材廣泛，且價(jià)格低廉，也逐步引起人們的注意。用價(jià)格便宜的礦物纖維取代石棉纖維將是摩擦材料研究的一個(gè)重要課題。礦物纖維也存在以下缺陷：①一般合結(jié)晶水，高溫制動(dòng)時(shí)易脫水，材料性能不太穩(wěn)定；②質(zhì)量不穩(wěn)定；產(chǎn)品質(zhì)量受產(chǎn)地、產(chǎn)時(shí)的影響較大。如果選擇產(chǎn)量大、品位高的礦物纖維，調(diào)整摩擦材料配方后可取得較好效果。
3 纖維增強(qiáng)摩擦材料優(yōu)化的方法
上面所述均是單一纖維增強(qiáng)摩擦復(fù)合材料。它們有各自不足之處。解決這些不足就需要通過樹脂改性、混雜纖維的選擇和配合以及多種方法的合用，獲得性能更好的摩擦復(fù)合材料。
3.1 樹脂改性和樹脂含量的選擇
在復(fù)合材料中，纖維和織物起增強(qiáng)作用，而樹脂是基體材料。樹脂基體的性能對(duì)復(fù)合材料制品的性能有直接的影響。合成樹脂是摩擦材料中化學(xué)穩(wěn)定性*差的組分，對(duì)材料高溫下的強(qiáng)度和摩擦性能有直接的影響。中南工業(yè)大學(xué)劉震云等的研究結(jié)果表明[6]，在6－14%樹脂含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))范圍內(nèi)，材料的沖擊強(qiáng)度能滿足使用要求。樹脂含量在14%以上時(shí)，材料高溫?zé)崴ネ藝?yán)重，導(dǎo)致摩擦因素下降，高溫磨損加劇，磨損量上升；樹脂含量過高或過低時(shí)，材料將因粘結(jié)劑量過少或樹脂高溫分解導(dǎo)致粘結(jié)力下降，使增強(qiáng)纖維存在拔出現(xiàn)象，導(dǎo)致摩擦因素不穩(wěn)定，材料磨損加劇。因此摩擦材料中基作樹脂用量不宜太多，其含量為8－12%，其中以8%為佳。
有實(shí)驗(yàn)報(bào)道采用耐熱齊聚物、腰果殼油改性酚醛樹脂獲得了較好的摩擦性能[1]，并且得出結(jié)論，材料的摩擦磨損性能與樹脂的耐熱性密切相關(guān)。在其它條件相同的情況下，隨樹脂耐熱性的提高，材料摩擦系數(shù)的穩(wěn)定性及體積磨損率均得到改善。
3.2 混雜纖維的選擇及配合
采用兩種或兩種以上纖維進(jìn)行混雜增強(qiáng)，不僅可以降低成本，還可以充分發(fā)揮每種纖維的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)相互的缺陷，使性能更加完善，更加優(yōu)異。采用混雜纖維作為增強(qiáng)纖維將是摩擦材料的一個(gè)主要方向。國(guó)外試驗(yàn)把芳綸(Kevlar)漿粕和鋼纖維、玻璃纖維混雜作為增強(qiáng)材料。試驗(yàn)結(jié)果表明，芳綸的加入可以提高摩擦性能的穩(wěn)定性，但略降低摩擦系數(shù)，磨損量明顯減少；而在制動(dòng)噪聲方面，可以明顯降低以致完全除去高頻(頻率＞5kHZ)的噪聲[2]。據(jù)有關(guān)資料，采用碳纖維30%、鋼纖維15%、酚醛樹脂15%及有機(jī)填料40%的摩擦材料比石棉摩擦材料耐磨性提高3倍，在300℃和350℃時(shí)摩擦系數(shù)無熱衰退現(xiàn)象[2]。目前國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了多種纖維的混雜研究，都取得了很好的效果。
3.3 纖維含百的選擇
目前國(guó)內(nèi)外對(duì)
