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1、文献综述1.0摩擦材料简介摩擦材料是一类应用在各种交通工具（如汽车，火车，摩托车，飞机，轮船， 自行车等）及各类动力机械（如石油钻机，拖拉机，电梯，挖掘机，坦克等）上, 依靠摩擦作用来完成制动和传动功能的部件材料，它主要包括用于制动的制动器 衬片（俗称刹车片）和用于传动的离合器面片（俗称离合器片）。它是所有车辆和大部分动力机械组成的不可或缺部件，发挥着不可替代的作 用。在使用上要求其要有一定的摩擦系数，足够的机械强度、稳定性，低的制动 噪音，以及较低的磨损率以并很好的耐高温性能。一般的单一材料往往不能达到 性能要求，故决定它是必须是一类由增强纤维、粘结剂、摩擦性能调节剂和填料 等原材料混合压制
2、成型的三元复合材料。这不仅克服了单一的原料缺陷，而且可 以通过不同原料之间的性能偶合来发挥单一组分本身没有的性能。它的主体复合成分为粘结剂（树脂与橡胶）、增强纤维和摩擦性能调节剂三大 类以及其他的钢背等附件，摩擦材料的制备方法分为干式和湿式两种。干式制备 的摩擦材料主要采用无石棉的有机材料和烧结摩擦材料；湿式制备的摩擦材料主 要有纸基摩擦材料、石墨基摩擦材料和烧结摩擦材料。1. 1摩擦材料组成1.1.1增强纤维增强纤维是一类常见的增强体材料，增强纤维的使用主要使制动材料具有一 定的强度和韧性，耐得住冲击、剪切、拉伸等机械作用而不会出现了裂纹、断裂、 崩溃等损伤。因此应有足够的强韧性，良好的摩擦
3、磨损性能，与树脂的分散黏附 能力好，耐热性好。摩擦材料按增强纤维出现次序可分为先期使用的石棉材料增强纤维和后期 兴起的无石棉摩擦材料。石棉材料因具有良好的分散性和结合性，有较高的比模量，耐磨并且在高温 环境下力学性能不衰退等优良特性并且由于其分布广，成本低廉、价格便宜，性 价比高起初被公认为最理想的增强材料被广泛应用于摩擦材料及其他行业，但石 棉纤维会被无限分割成非常细小的人肉眼观察不到的纤维很容易被人通过呼吸 系统吸收沉积在肺部，引发肺部疾病乃至癌变。因此石棉已被国际癌症研究中心 确定为致癌物。现石棉原料已被好多国家限制使用并逐渐被其他的一些人工合成 的矿物纤维，有机纤维，金属纤维，陶瓷纤维
4、所替代。无石棉摩擦材料研究始于上世纪80年代中期，至1989年国内已有多家厂商 和科研单位相继推出无石棉摩擦材料，主要集中于轿车用盘式刹车片，其构成多 数以别的纤维作为石棉的替代物。1990年杭城摩擦材料有限公司从德国Pagod 公司引进上海大众汽车公司桑塔纳轿车配套的720GG无石棉盘式刹车片生产技 术，这是我国首次从国外引进的无石棉摩擦材料生产技术。总的来说，我国的汽 车工业起步较晚，摩擦材料的发展也相对滞后，研发部门也不健全缺乏资金投入 和协作，未能与汽车主管部门及主要汽车制造厂家取得共识，致使无石棉、低噪 声的新型摩擦材料的研制开发工作受到制约，落后于国外。im112目前主要使用的非石
5、棉增强纤维主要有以下数种:(1) 碳纤维碳纤维是一种新型纤维材料，它是由有机纤维或低分子烃气体原料加热至 1500 C所形成的纤维状材料，碳含量在90%以上。由于碳纤维既具有碳素材料 固有本质，又具有金属材料的导电和导热性、陶瓷材料的耐热和耐腐蚀性、纺织 纤维的柔软可编性以及高分子材料的轻质、易加工性能，是一种多能和一材多用 的功能材料和结构材料。因此广泛应用于航天、航空、军工、汽车、医疗、化工、 文化体育用品等领域。按原料分类碳纤维可分为聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤 维、胶粘基碳纤维和酚醛树脂碳纤维。目前，主要为聚丙烯腈基碳纤维和沥青基 碳纤维，其它碳纤维很少。沥青基碳纤维又分为通用型沥青基
6、碳纤维和高性能沥 青基碳纤维两种。碳纤维有如下优良特性：比重轻；比模量高；耐磨、耐疲劳、减振吸能 等物理机械性能优异；耐酸、碱和盐腐蚀，可形成多孔、表面活性强的活性碳 纤维；热膨胀系数小，导热性好；高温环境下性能不衰退；具有润滑性，不沾 润在熔融金属中，可使磨损率降低；如此的优良特性在摩擦材料领域表现出了非 常大的开发应用前景，碳纤维的使用在很大程度上提高了摩擦材料的综合性能， 常加入到树脂、金属或陶瓷、碳、水泥等基体中，构成碳纤维增强复合材料，是 一种极为有用的结构材料。虽然碳纤维有很多的优点，但目前阶段由于其生产条件苛刻，工艺复杂，价 格昂贵，故在目前只在飞机的传制动部件以及部分高配制轿车
7、和部分赛车的摩擦 材料构件的生产制造中应用。其他方面的应用尚处于研究阶段。【2】(2) 海泡石纤维海泡石纤维是一种稀有非金属矿，是我国新兴矿种之一，经多年地质探测证 实，探明储量在1000万吨以上。我国的海泡石矿藏主要分布于湖南、陕西、江苏、 河北、天津等地。其结构分散性良好，而且取向随机，具有良好的填充性，已被 广泛应用于各个各个领域。海泡石按其形态分为a海泡石和卩海泡石两种，前者成 大束的纤维状晶体产出，即通常成为纤维状海泡石，后者呈土状产出，是由非常 细且短的纤维或纤维状集合体组成。由于产地不同，海泡石矿物有白、黄、灰等 数种颜色，纯净的海泡石多呈现白色至浅白灰色，粉末状的海泡石质轻，易
8、浮于 水面，溶于水中后吸水迅速成絮凝状，且吸水量较大，润湿的海泡石具有极强的 粘结性。【7】海泡石纤维具有优良的摩擦性能，主要得益于海泡石纤维独特的结构。其一 是海泡石具有良好的耐热性能，在高温下其结构仍能保持稳定。在250C高温下 纤维结构依然稳定，耐温达1500-1700C道孔隙结构的“分子筛”在860C时，才 会遭到破坏。由此可知，海泡石的热力学性能稳定。其二是由于其具有极大的表 面积和极强的吸附能力会充分的和其他的复合组分结合在结合界面上形成很强 的结合力。海泡石所特有的结构决定它有很好的吸附性能、流变性能和催化性能。吸附 剂的吸附能力与其表面积大小有直接关系，经计算海泡石的表面积可达
9、到900m2 / g，其中内表面积为500 m2 / g，外表面积为400 m2 / g，如此大的比表面积是海 泡石有较强吸附能力的直接原因。a海泡石纤维具有极大的比表面积和孔隙率（比 表面积为203. 3362. 8 m2 / g ,孔隙率为32. 18 %46. 87 %）,因而具有很强的吸附 能力；且海泡石的微观形貌成束状，每束直径为0.10.3微米，平均0.2微米，长 径比为1:60100微米，通过于摩阻材料复合，能充分发挥基体强度，改善基体于 界面的关系，提高材料的剪切强度，达到不连续纤维混杂效应的增强效果。材料 因密度小，硬度低，对对偶损伤小，热传导低，制动噪音小。同时，海泡石纤维
10、 能在极性溶剂、液态树脂中高度分散，形成纤维网状结构，在复合材料中起到了随 机增强的作用；再者，海泡石纤维与粘结剂界面上的物理吸附和化学键合（以共 价键方式联结）增强了界面上的粘结力，提高了这种摩擦材料的整体强度。当摩 擦材料的基体受热分解时，海泡石能吸附分解产生的水和小分子化合物及气体， 避免因混合摩擦而产生的热衰退现象；海泡石的价格约为钢纤维、碳纤维、玻璃 纤维价格的1/ 6左右，可与各种填料和粘结剂充分混合，制造同一规格的摩擦片 可节省原料近40 %，因此成本大大降低。（3）陶瓷纤维陶瓷纤维具有强度高，耐化学腐蚀，耐高温等特性。是一种较为理想的摩擦 材料增强纤维，但它目前还是存在自身的一
11、些缺陷，在制动时会产生较大的噪音， 对对偶材质的损伤也较其他矿物纤维和有机纤维大。还有待继续改进，一下以硅 酸盐纤维为例做以介绍，硅酸盐纤维是一种人造陶瓷纤维，它的渣球含量非常低， 在质量要求高，并要求低噪音、低磨损（摩擦材料与盘/鼓）的摩擦材料中，这 一点是很重要的。纤维耐温高，最高耐温在1000C，具有良好的热稳定性，可减少摩擦片的热衰 退现象；佷低的热传导率可防止急刹车时出现的超高温对制动管和刹车油的影 响。比重小，比表面积大；表面吸附性强；纤维强度高，其增强效果可满足盘式 刹车片和鼓式刹车片的基本要求。硅酸盐纤维全面通过放射性测试，绝无石棉成 分，完全符合绿色环保要求。硅酸盐纤维有以下
12、优良特性：1）耐磨良好的耐磨性，表明产品使用寿命长，也是衡量摩擦材料耐用程度的重要技 术经济指标，与半金属配方相比，使用寿命可以提高1.5倍以上。2）具有良好的机械强度和物理性能硅酸盐纤维具有的强度、韧性等特点，从而使制品在恶劣的刹车条件下也能 具有非常好的强度特性。3）有良好的性能价格比和市场竞争力硅酸盐纤维比表面积大、吸附性强、具有很好的填料保持能力，在摩擦材料 中有极佳的纤维分布性，在单位体积上大大的节省了成本。4）制动舒适、环保良好的制动性能及理化机械性能等特点，使刹车时脚感舒适；全面通过放射 性测试，绝无石棉成分，完全符合日益提高的环保要求。（4）金属纤维在摩擦材料生产研发领域中，金
13、属纤维同有机和无机纤维一样具有独 特的性能和广泛的用途。金属纤维具有良好的导热和耐高温性能，而且制 造方法较简单，成本价格便宜。但相对于其他纤维材料，其有质硬，易损 伤对偶盘且易生锈等本质缺陷。然而缺点归缺点，不会在较大程度上影响 其使用。以金属纤维为填充剂的复合材料在民用行业如电子、化工、机械、 纺织、食品、医药部门开拓了广阔的应用前景。在民用工业上应用金属纤 维复合材料也势在必行。金属纤维作为一种新兴的纤维材料已经受到各行 各业的重视。金属纤维在外观上看有多种多样。按材质分有不锈钢、碳钢、铸铁、 铜、铝、镍、铁铬铝合金、高温合金等。按形状分为长纤维、短纤维、粗 纤维、细纤维、钢绒、异型纤维
14、等。金属纤维的生产方法有传统的拉丝切断法、还有熔抽法、集束拉拔法、 刮削法、切削法等。目前纤维最小的直径达0.5微米，最长可达几十米甚至几百米。 目前各国生产的金属纤维、碳钢纤维居多，其次是不锈钢、铝、黄铜 纤维和铸铁纤维。但从用途上看异型粗纤维的需要量大，其次是细短纤维 和细长纤维。纤维的增强效果主要取决于基体强度（fm），纤维的长径比（钢纤维长度 l与直径d的比值，即I/d），纤维的体积率（钢纤维混凝土中钢纤维所占体 积百分数），纤维与基体间的粘结强度（T ），以及纤维在基体中的分布和取 向（n ）的影响。适量加入钢纤维会使其其磨损率减小，硬度，冲击强度增大。如若加 入量过多则会在一定程度
15、上损伤对偶盘。1.2粘结剂的选择粘结剂是摩擦材料的基体，其优劣是决定摩擦材料摩擦磨损性能好坏的关 键。作用是将多个组分粘合成一个整体。摩擦材料粘合剂必备的条件是首先要有 合适的模量以保证在摩擦时有大的实际接触面积，并使摩擦偶对工作时稳定；其 次应有足够的耐热性，以防止引起严重的“热衰退”现象；再次是分解后的残余 物质要有一定的摩擦性能，与纤维要有优良的浸润力、高的吸附强度；另外还要 具有良好的机械加工性能。粘结剂的粘结机理是在一定的温度下（通常是160C）粘结剂分子会开始发生 流变随后再经过有序变化形成网状结构，所有的粘结剂分子连接起来并将其他组 分包在一起形成一个整体，起到粘结作用。粘结剂常
16、用酚醛树脂、橡胶。由于酚醛树脂具有良好的耐热性能和机械性能以及原料便宜、工艺简单等优 点，所以是生产摩擦材料的常用树脂。但随着科技的发展酚醛树脂已越来越满足 不了现代摩擦材料的要求。通常用的方法主要有二个，其一是将酚醛树脂进行改 性。其二是将酚醛树脂和橡胶粉混合使用。目前，对酚醛树脂的改性主要有以下 数种途径：一，用腰果壳油对其进行改进，将腰果壳油加入到树脂中在催化剂 和一定温度下使其反应，如此便可使树脂的硬化时间大大缩减并且会改变成品的 摩擦因数降低磨损率。二，用三聚氰胺-腰果壳油进行改进，有此方法得到的YSM 树脂，三聚氰胺使大分子的耐热性提高，并且主链中引入了较长侧链的腰果壳分 子提高了其柔韧性。想其他的还有乳胶改进及聚乙烯醇改进等方法。橡胶也是摩擦材料常用的粘结剂之一，常用的有天然橡胶，丁苯橡胶，丁晴 橡胶。在使用时也通常会加入一定的性能调节剂，如硫化剂，硫化促进剂，抗老
