纤维增强树脂基摩擦材料性能及其摩擦学研究

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1、山东大学博士学位论文摘要近年来，随着交通运输业的高速发展，对摩擦材料也提出了越来越高的要求，国内外广泛开展了无石棉摩擦材料的研究。主要应用的摩擦材料类型有铸铁摩擦材料、有机合成摩擦材料、粉末冶金摩擦材料和碳／碳复合摩擦材料。根据我国目前摩擦材料的应用情况，本文主要从配方体系、工艺操作和摩擦磨损机制等方面，对纤维增强树脂基摩擦材料进行了研究。通过测试摩擦材料的摩擦磨损性能和力学性能以及采用热分析、红外吸收光谱、透射电子显微镜、扫描电予显微镜和电子探针分析等测试手段研究了摩擦材料中树脂基体、共混体系和增强纤维对材料性能的影响，分

2、析了摩擦材料在混料、热压成型中的物理化学变化和摩擦过程中的摩擦磨损机理。酚醛树脂一直是生产摩擦材料的最基本的树脂成分，但是纯酚醛树脂制成的摩擦材料，一般模量过高，强度、热分解温度过低。因此，对酚醛树脂进行化学改性来提高其耐热性。本文选用了硼改性酚醛树脂(FB树脂)、腰果壳油三聚氰胺改性酚醛树脂(YSM树脂)和开环聚合酚醛树脂(BEN树脂)。对比三种改性酚醛树脂的耐热性可知，FB树脂的耐热性最高，YSM树脂次之，而BEN树脂稍差。但从生产工艺方面考虑，YSM树脂具有较高的成品率；BEN树脂虽成品率较高，但固化时间比较长，使生产

3、率下降；FB树脂成品率较低，且成型温度较高。对比分别以FB树脂、YSM树脂和BEN树脂为基体的摩擦材料的摩擦磨损性能可知，低温时YSM树脂基摩擦材料的摩擦系数最高，而高温时BEN树脂基摩擦材料的摩擦系数最高，FB树脂基摩擦材料的摩擦系数在试验温度内不发生热衰退；在各个试验温度，BEN树脂基摩擦材料的磨损率最高，高于25072时三种基体的摩擦材料的磨损率都急剧增大。综合考虑三种改性酚醛树脂基摩擦材料的耐热性、工艺性和摩擦磨损特性，认为以YSM树脂为基体的摩擦材料具有较好的综合性能，能更好的满足摩擦材料的使用要求。摘要由于树脂基

4、体对摩擦材料的性能有较大的影响，且其价格在所用原材料中偏高，因而适当控制树脂含量，有利于综合控制材料的性能和价格比，认为摩擦材料中存在最低和最佳树脂含量。通过吸水性试验确定摩擦材料的最低树脂含量为16％；研究了树脂含量对摩擦材料的摩擦磨损性能和力学性能的影响规律，从而确定摩擦材料的最佳树脂含量为22％。以适量柔软的橡胶为“分散相”与刚性硬质的树脂“连续相”，进行共混改性，构成所谓“高分子合金”，使之在保持耐热性能的同时，改善基体韧性，是最常用也最有效的方法。通过比较丁腈橡胶、丁苯橡胶和丁吡橡胶与树脂共混体系的耐热性可知，各种

5、橡胶与树脂共混后，都会稍微降低树脂的耐热性，其中丁苯橡胶对树脂的耐热性影响较大，而丁腈橡胶和丁吡橡胶的影响较小，此外丁腈橡胶还能缓解树脂在400℃以后的快速分解。测试了分别以三种橡胶改性树脂为基体的摩擦材料的冲击性能和摩擦磨损性能，可知，以丁腈橡胶改性树脂为基体的摩擦材料具有较高的冲击强度和晟佳的摩擦磨损性能。橡胶对树脂的增韧效果与两组分的相容性、共混物形态结构、麸混比例等都有关系。通过研究摩擦材料的摩擦磨损性能与树脂一橡胶共混体系含量的关系，可知，共混体系含量在20—25％之间时，所制得的摩擦材料具有良好摩擦磨损性能。分析

6、了摩擦材料的摩擦磨损性能和力学性能与树脂一橡胶共混比例之间的关系，当共混比为2：1时，能够有较好的增韧效果，使摩擦材料具有优良的摩擦磨损性能和力学性能。出于石棉在高温下变脆，失去增强作用以及对人体、环境有危害作用，各国开发出了一系列的代用纤维。本文主要选用了钢纤维、炭纤维和芳纶浆粕作为增强材料。通过研究钢纤维含量的变化对摩擦材料摩擦磨损性能和力学性能的影响可知，随着钢纤维含量的增加，摩擦系数先增加后减小，在钢纤维为10～12％时有最大值；磨损率、冲击强度和硬度基本上是随着钢纤维含量的增加而增大。炭纤维含量对其增强的摩擦材料的

7、摩擦磨损性能和力学性能有显著影响。由于炭纤维II山东大学博士学位论文同时存在润滑和抗犁切阻力的作用，含量低时减摩作用较大，含量高时抗犁切阻力的作用较大。因此炭纤维含量较低时(<6％)，随炭纤维含量的增加其摩擦系数下降：当炭纤维含量较高时(>6％)，．摩擦系数随炭纤维含量的增加而增大。随炭纾维含量的增加，摩擦材料的磨损率和冲击强度则是不断增大。另外对炭纤维进行表面处理能提高与树脂基体的粘结力，从而改善了摩擦材料的摩擦磨损性能。芳纶浆粕的含量对摩擦材料的摩擦磨损性能和力学性能也有较大影响。当浆粕含量较低时，随其含量的增加，摩擦系

8、数增加，耐磨性明显改善。当浆粕含量为3％时，摩擦材料具有较大的摩擦系数和适中的磨损率。但当浆粕含量高于3％时，摩擦系数反而随其含量的增加，有所下降。另外芳纶浆粕含量的增加可大大提高材料的冲击强度。在摩擦材料中采用炭纤维与钢纤维混杂，芳纶浆粕与钢纤维混杂的增强方式，能够利用纤维之间的协同效应