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1、第17卷第4期青 岛 大 学 学 报Vol.17No.42002年12月JOURNALOFQINGDAOUNIVERSITYDec.2002文章编号:100629798(2002)0420078204新型碳纤维摩阻材料的研究杨淑静(青岛大学化工系,山东青岛266071)摘要:介绍了以碳纤维为增强材料,以开环聚合酚醛树脂为基体研制成的新型摩阻材料,并对其性能进行研究。结果表明,该摩阻材料具有适宜的摩擦系数和磨损量,各项性能指标优于市售摩阻材料,且具有较好的耐热性和较强的抗热衰退性,是具有广阔应用前景的新型摩阻材料。关键词:碳纤维;钢纤维;摩阻材料;开环聚合酚醛树脂;摩阻性
2、能中图分类号:TB332 文献标识码:A摩阻材料广泛应用于交通车辆、工程机械离合器与制动器,由于其使用范围很广,使用工况十分复杂,且[1]随着车辆和机械的发展而越来越苛刻,因此,对摩阻材料性能要求越来越高,要求它能够在高速、高载荷、高温下具有良好的摩擦磨损性能和耐热性。以往常用的石棉增强聚合物基摩阻材料,虽然具有摩擦系数高、制造工艺简便等优点,但其在高速高载荷下使用“热衰退”现象严重,故只能用于低温,且由于石棉对环境、人体危害严重,所以更加限制了该材料的[2]使用,有的国家甚至禁止使用石棉产品。目前,许多国家正在积极开发研究无石棉摩阻材料以替代已具有应用局限性的石
3、棉摩阻材料。复合材料因具有可以根据使用条件的要求进行设计和制造,以满足各种特殊用途的特性而受到人们的青睐,成为最有希望满足现代摩阻材料要求的首选,所以人们致力于对复合摩阻材料的研究,相继出现了玻璃纤维摩阻材料、钢纤维摩阻材料、芳纶纤维摩阻材料、碳纤维摩阻材料及混杂纤维摩阻材料。其中的碳纤维摩阻材料以其强度高、弹性模量大、耐热耐腐蚀性强、重量轻、膨胀系数小等优点受到发达[3]国家的高度重视,成为最有前景的摩阻材料。专家预测,它将取代传统的石棉基和粉末冶金摩阻材料。我国对碳纤维摩阻材料的研究起步较晚,以致在许多领域内摩阻材料性能不能满足使用要求。特别是目前国内列车全面提速。
4、列车速度的提高,意味着需要更高制动性能的闸瓦材料,闸瓦材料性能的改进直接关系到提速后的制动安全性和可靠性,进而制约着火车提速的限度,因而研制一种高摩阻性能的摩阻材料成为一项非常紧迫的任务。我们研究碳纤维摩阻材料的目的,正是利用综合性能优良的碳纤维开发出用于高速列车闸瓦的新型摩阻材料。1 试验部分1.1 试验原材料及设备PAN基12K碳纤维:山东工业大学提供,使用时短切至2～3mm;钢纤维:南阳金属纤维公司生产;开环聚合酚醛树脂:四川联合大学提供;摩擦性能调节剂、填料等:市售。压力机Y/AD71-45A:天津锻压机械厂出产;收稿日期:2002-04-19作者简介:杨淑静(
5、1973-),女,硕士,1999年毕业于山东工业大学,研究方向:轿车轮胎的设计研究。第4期 杨淑静:新型碳纤维摩阻材料的研究 79高搅机SK/II:张家港轻工业机械厂制造;DMS:石堰汽车设备厂制造。1.2 模压成型工艺流程制模压料→模压料预热→装模→压制→脱模→试件→后处理1.3 性能测试1.3.1 机械性能测试硬度(洛氏硬度)HRM:参照GB-9342;冲击强度:参照GB/T1043;压缩模量、压缩强度:参照GB/T1041;吸水性测试:参照GB1034-86。1.3.2 摩擦磨损性能测试参照GB5763-86,采用D
6、-MS定速式摩擦试验机,压强为9.81×105Pa;圆盘转速为480r/min;对偶材质为HT200,170～210HB。测试100、150、200、250、300、350℃时的摩擦性能。2 试验结果及分析2.1 碳纤维的性能试验所用ST300碳纤维的性能如表1所示,碳纤维具有抗拉强度高、弹性模量大、比重低、抗蠕变、抗疲劳、热导性好,耐腐蚀等优良的物理、化学性能,是其它任何纤维所不能媲美的,是理想的增强材料,它赋予复合材料良好的机械性能和抗高温、耐磨损性能。表1ST300型碳纤维主要性能指标3单丝直径/μm抗拉强度/GPa拉伸模量/GPa断裂伸长率/%密度/g·cm1.
7、776.33.25(Cv=6.1)261(Cv=2.2)1.3(Cv=3.7) 注:Cv为离散系数/%2.2 树脂的性能酚醛树脂以其优良的耐热、耐磨性和成型加工性成为高温制动材料基体的优选对象,且通过树脂改性和增强增韧,可以改进其性脆的弱点。试验基体原料为以酚类化合物和甲醛为原料合成的一类含杂环结构的中间体———苯并恶嗪。在加热和/或催化作用下,苯并恶嗪中间体可发生开环聚合,生成含氮且类似酚醛树[4]脂的网状结构。故该新型树脂称为开环聚合酚醛树脂,其反应路线如下式所示:可见开环聚合酚醛树脂聚合时与普通酚醛树脂固化时的缩聚反应不同
