碳纤维增强纸基摩擦材料的研究现状及进展

费 杰， 王洪坤， 黄剑锋， 王文静， 杨 朝

(陕西科技大学 材料科学与工程学院， 陕西 西安 710021)

0 引言

纸基摩擦材料是一种具有多孔性的湿式摩擦材料，主要应用于汽车自动变速器、差速器、扭矩管理器和同步器等湿式离合制动装置中[1,2].它具有摩擦系数高、传扭能力强、制动平稳、使用寿命长以及结构可设计等突出优点.

常用的纸基摩擦材料增强纤维主要有碳纤维、矿物纤维和陶瓷纤维等.碳纤维具有摩擦系数稳定、机械强度高、耐磨性优异、稳定性好等优点，作为增强体已经广泛应用于各类复合材料中，是纸基摩擦材料的理想增强纤维.1997年，Dowell[3]发明了一种碳纤维增强湿式摩擦材料，摩擦特性良好.20世纪九十年代初，我国开始出现有关纸基摩擦材料的研究报道[4]，然而涉及碳纤维作为纸基摩擦材料增强纤维的研究报道较少.直到2004年，付业伟等[5]发明了一种毫米级碳纤维增强纸基摩擦材料，该材料的起始分解温度和失重速率等耐热性能指标优良，摩擦系数稳定，耐磨性能优异.此后，费杰等[6]研究了不同增强纤维对纸质摩擦材料性能的影响，实验证明，碳纤维增强纸基摩擦材料性能远优于纤维素纤维、芳纶纤维增强纸基摩擦材料.随着汽车工业的发展，国内学者对碳纤维增强纸基摩擦材料的研究十分关注，本文将阐述近十几年来碳纤维增强纸基摩擦材料的研究进展，并对其未来研究方向进行展望.

1 碳纤维增强纸基摩擦材料的组分研究

H.GAO等[7]制备的纸基摩擦材料主要是由纤维素纤维、硬颗粒填料和树脂组成；Yoshitsugu Kimura等[8]制备的纸基摩擦材料主要是由合成纤维(如纤维素、聚芳酰胺)、固体润滑剂和其他微粒(如石墨、二硫化钼、腰果粉、丙烯酸橡胶)，通过热固性树脂浸渍后热压而成.而碳纤维增强纸基摩擦材料的主要成分为碳纤维、粘结剂、填料以及摩擦性能调节剂.在这些原材料的选择方面，国内外研究工作者一直进行研究探索，以期获得更为合适的材料组分.

1.1 粘结剂树脂

粘结剂的作用是将纸基摩擦材料各组分粘结在一起，为整个摩擦材料提供一定的机械性能与摩擦性能，是材料中载荷的传递媒介.酚醛树脂一直是纸基摩擦材料的主要粘结剂，但由于纯酚醛树脂具有耐热性差、脆性大、硬度高等缺点，目前研究人员主要采用改性酚醛树脂.常用的改性酚醛树脂包括腰果壳油改性酚醛树脂、硼改性酚醛树脂以及丁腈改性酚醛树脂等.另外，由于可以提高摩擦材料的弹性和动摩擦系数，硅酮树脂也是纸基摩擦材料使用较多的粘结剂，与酚醛树脂混用可以改善硅酮树脂导致摩擦材料分层和剪切强度过低的问题，制备的摩擦材料通常具有较高的摩擦稳定性和耐热性.胡健等[9]研究了丁腈改性酚醛树脂含量对湿式纸基摩擦材料的摩擦学性能和微观特征的影响.结果表明，材料的孔隙率随树脂含量的增加而降低，当树脂含量为25%时，材料综合性能较高，摩擦因数的压力稳定性和转速稳定性较好，材料的摩擦力矩曲线较为平稳，并且材料磨损后的微观特征也较好.本文作者等[10]制备出4种不同腰果壳油改性酚醛树脂含量的碳纤维增强纸基摩擦材料，并对其摩擦磨损性能进行了研究，结果表明，在碳纤维增强纸基摩擦材料中，当改性酚醛树脂含量在35～40%时，样品具有高摩擦系数，良好的摩擦稳定性，良好的耐热性和合理的强度.由此可见，国内外对碳纤维增强纸基摩擦材料粘结剂的研究主要集中在对酚醛树脂的改性上，致使纸基摩擦材料粘结剂树脂品种过于单一.为了改善摩擦材料的柔韧性和耐热性，傅业伟等[11]制备出了一种橡胶-树脂共混型碳纤维增强纸基摩擦材料，其具有纸基摩擦材料摩擦稳定、耐高温和耐磨损的基本特征，通过融入橡胶组分的高摩擦系数特征大大增加了这种橡胶-树脂共混纸基摩擦材料的动摩擦系数，并改善了它的弹性.

1.2 摩擦性能调节剂研究

摩擦性能调节剂对纸基摩擦材料的摩擦磨损性能起着重要的调节作用.本文作者等[12]对不同石墨含量的碳纤维增强纸基摩擦材料进行了摩擦磨损性能的研究，发现随着石墨含量的增加，摩擦材料的摩擦稳定性增加；摩擦系数减小，磨损率降低；不含石墨含量的纸基摩擦材料的磨损面存在尺寸较大的磨粒且出现裂纹；随着石墨增加，摩擦面出现了润滑性能良好的润滑膜，一定程度上降低了材料的磨损率.张翔等[13]研究了4种不同石墨粒度的碳纤维增强纸基摩擦材料的动摩擦系数、静摩擦系数、磨损率及表面形貌.结果表明：随着石墨粒度的降低，制动所需时间增加，摩擦力矩曲线中间部分比较平直；动、静摩擦系数降低，磨损率减小.同时，摩擦系数随着制动转速和压力的增大而减小.随着石墨粒度的减小，摩擦表面形成了润滑性能优异的固体润滑膜，有利于降低材料的磨损率.本文作者等[14]研究了Al2O3含量对碳纤维增强纸基摩擦材料摩擦学性能的影响，发现Al2O3含量对材料的气孔率影响较小，随着Al2O3含量的增大，摩擦材料制动稳定性增加，摩擦系数增大，磨损率升高.

1.3 碳纤维表面改性研究

碳纤维增强复合材料的综合性能不仅与基体相、增强相有关，更与两相的界面结合状态有密切联系.良好的结合界面能有效传递载荷，充分发挥碳纤维高模量、高强度的特性，提升碳纤维增强复合材料的力学性能.近年来通过对碳纤维表面进行改性处理，改善碳纤维与树脂基体之间的界面结合状态，充分发挥碳纤维优异的力学性能，一直是研究的重点.目前常用的表面处理方法，主要是在碳纤维表面进行一系列物理化学反应，增加其极性基团的含量和微观形貌的复杂性，从而改善碳纤维与树脂基体的界面结合状态，实现提高复合材料整体力学性能的最终目的.

王赫等[15]综述了液相氧化法、阳极氧化法、气相氧化法、表面涂层改性法、等离子体氧化法等碳纤维表面处理技术原理及进展，并详细论述了气液双效法复合表面处理技术，认为复合处理技术将会成为今后碳纤维表面处理技术的主要研究方向.Li等[16]将碳纤维表面进行空气氧化处理和稀土溶液浸泡处理后，进行摩擦磨损实验.实验结果表明，用稀土溶液处理过后可以大大减少碳纤维增强聚酰亚胺复合材料的磨损率.碳纤维/聚酰亚胺复合物用稀土溶液处理过后有强烈的界面粘附作用和光滑的摩擦面，碳纤维和聚酰亚胺复合材料界面间增加了大量有机官能团，从而降低系数了磨损率和摩擦因数.由此可以看出，进行碳纤维表面改性处理可以有效改善碳纤维的摩擦磨损性能，这将是碳纤维增强纸基摩擦材料的一个重要研究方向.

2 碳纤维增强纸基摩擦材料的性能研究

2.1 理化性能

纸基摩擦材料的孔隙率、压缩回弹性以及剪切强度等对其整体性能有重要的影响，国内外学者对纸基摩擦材料的物理/力学性能进行了广泛的研究.

费杰，杨瑞丽等[17,18]研究了孔隙率对碳纤维增强纸基摩擦材料摩擦磨损性能的影响.试验结果表明，短切碳纤维能在酚醛树脂中均匀分散，相互链接，形成了大小不一的贯穿性气孔；随着气孔率的增大，摩擦力矩曲线趋于平稳，静摩擦系数减小，动摩擦系数增大，磨损率升高.

邓海金等[19]研究了气孔率对混杂纤维增强纸基摩擦材料压缩回弹性和摩擦磨损性能的影响.结果表明：在相同载荷下，随着气孔率增大，材料的压缩率增大而回弹率减小，随着载荷增加，高气孔率材料的回弹率先显著增大，而后趋于平稳；在相同转速和压力下，气孔率越大，材料的摩擦系数越大，随着压力增大，气孔率高的材料摩擦系数逐渐减小，且不同气孔率材料的摩擦系数慢慢趋于一致；在连续循环制动时，高气孔率材料的摩擦系数逐渐减小并趋于稳定.这是由于在较高压力下，高气孔率材料的孔隙会引起塌陷，使其气孔率减小，从而影响材料的压缩回弹性和摩擦学性能.

2.2 摩擦磨损性能与机理研究

碳纤维增强纸基摩擦材料的摩擦磨损性能受材料组成、工况条件、润滑状态和温度等诸多因素影响，研究不同状态下的摩擦材料摩擦磨损性能显得尤为重要.

付业伟等[20]研究了碳纤维含量与摩擦材料耐热性能和摩擦磨损性能的相关性，发现随着碳纤维含量的增加，摩擦材料的动摩擦系数呈增加趋势，静摩擦系数和体积磨损率呈减小趋势；当碳纤维含量≥10%时，相应的纸基摩擦材料的摩擦稳定性优异.

杨化龙等[21]设计了4种油槽形式的碳纤维增强纸基摩擦材料摩擦片，并进行了摩擦磨损性能研究.试验结果表明，油槽对碳纤维增强纸基摩擦材料的耐热性和制动性能有较大影响，不同油槽摩擦片的摩擦力矩曲线出现差异，增加表面接触面积可以有效提高摩擦材料制动负载能力，并且油槽在一定程度上提高了纸基摩擦片的动摩擦系数及稳定性，使得动、静摩擦系数更接近，从而表现出良好的摩擦性能，其中双圆弧槽纸基摩擦材料摩擦系数和制动稳定性最好.

费杰等[22]研究发现，当工况条件(制动压力、润滑油流量、转速、油温)达到一定水平后，碳纤维增强纸基摩擦材料的动摩擦系数开始降低，制动稳定性变差，工况条件影响程度顺序为：制动压力>润滑油流量>转速>油温.任远春[23]等则研究了固化压力对碳纤维增强纸基摩擦材料摩擦磨损性能的研究，指出孔隙率随固化压力增加而下降；动摩擦系数随制动压力的增加呈下降趋势；静/动摩擦系数比随制动压力的增加分布趋势较为复杂，较低的固化条件下，静/动摩擦系数比略有上升，而较高的固化压力使得静/动摩擦系数比有下降趋势；摩擦力矩曲线随固化压力升高有轻微翘起.

付业伟等[24]研究了温度对碳纤维增强纸基摩擦材料摩擦性能的影响.结果表明，在较低温度时，摩擦力矩曲线中间部分趋于平直，呈现两头略低、中间略高的形态，摩擦力矩曲线对称性好.随着摩擦片对偶盘温度升高，摩擦力矩曲线对称性变差，摩擦力矩曲线尾部翘起现象加重，且曲线尾部翘起趋势在高制动压力下更为显著.

费杰等[25,26]制备出一种碳纤维增强纸基摩擦材料，研究了长时间连续制动条件下碳纤维增强纸基摩擦材料的摩擦磨损性能变化规律及样品的摩擦磨损行为.结果表明：随着制动次数的增加，摩擦系数减小，摩擦力矩曲线波动现象严重，由于摩擦表面形成了润滑性能良好的摩擦膜，所以磨损率大幅度降低；摩擦表面粗糙度大幅度减小，材料磨损过程经历了从“跑合磨损”到“稳定磨损”的转变；材料在磨损过程中凸起逐渐被磨平，孔隙逐渐被填充，表现出疲劳磨损的特征；磨损后样品表层的热重曲线在320 ℃～450 ℃之间出现了新的剧烈失重峰，表现为热磨损.

3 结束语

碳纤维增强纸基摩擦材料具有高温摩擦系数稳定，承载能量大、磨损小并且对对偶材料损伤小等一系列优点，是应用于重载工况条件下最理想的摩擦材料.国内外学者对碳纤维增强纸基摩擦材料的研究有了一定的进展，但不够系统和深入.今后的研究应该侧重于以下4个方面.

(1)研究新型碳纤维表面处理技术，并揭示其对碳纤维增强纸基摩擦材料的影响规律.

(2)研究碳纤维、粘结剂树脂和摩擦性能调节剂与摩擦材料性能之间的关系，揭示组分及其交互作用对性能的影响规律，建立摩擦磨损性能的综合评价体系，用来评价材料性能.

(3)研究材料内在性质和外界工况条件对碳纤维增强纸基摩擦材料湿式接合过程摩擦力矩曲线的影响规律.基于碳纤维增强纸基摩擦材料的性质和湿式接合过程的特点，确立合适的几何模型，采用数值模拟方法建立湿式接合过程中的模型，并与试验结果对比验证模型的科学有效性.

(4)研究不同磨损阶段材料摩擦磨损性能的变化规律，结合有关试验现象和微观形貌，考察样品形貌的变化规律，揭示碳纤维增强纸基摩擦材料的摩擦磨损机理，并采用元胞自动机法建立摩擦磨损模型.

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