树脂改性对炭布/树脂摩擦材料摩擦磨损性能的影响

费 杰， 王洪坤， 谢志军， 刘一军， 黄剑锋

(1.陕西科技大学 材料科学与工程学院， 陕西 西安 710021； 2.广东蒙娜丽莎新型材料集团公司， 广东 佛山 528200)



树脂改性对炭布/树脂摩擦材料摩擦磨损性能的影响

费 杰1,2， 王洪坤1， 谢志军2， 刘一军2， 黄剑锋1

(1.陕西科技大学 材料科学与工程学院， 陕西 西安 710021； 2.广东蒙娜丽莎新型材料集团公司， 广东 佛山 528200)

炭布/树脂摩擦材料是一种应用于自动变速器中的新型湿式摩擦材料.采用硼改性、腰果壳油改性和丁腈橡胶改性酚醛树脂制备出了三种炭布/树脂摩擦材料，并使用热分析仪分析了样品的热降解特性、湿式摩擦试验机测试了样品的摩擦磨损性能、扫描电子显微镜分析了样品的磨损机制.结果表明：由硼改性酚醛树脂制备的炭布/树脂摩擦材料表现出了良好的耐热性、较高的摩擦系数、优异的摩擦稳定性，以及仅为0.437×10-8cm3J-1的低磨损率.

改性酚醛树脂； 炭布； 湿式摩擦材料； 摩擦磨损性能； 硼

0 引言

湿式摩擦材料是一种广泛应用于汽车、火车、飞机、船舰、矿山机械等各类机械设备传动制动系统中的关键功能材料[1,2].应用于传动制动系统的湿式摩擦材料，需要具有较高的摩擦稳定性，包括稳定的摩擦系数和低的磨损率.单一材料已经不能满足安全性、耐久性和舒适性的要求，因而已发展出由增强体、粘结剂树脂、摩擦性能调节剂和耐磨填料等组成的多组分复合材料[3-5].其中，粘结剂树脂作为湿式摩擦材料的重要组成部分，对其湿式摩擦学性能起着至关重要的作用[6].

在制动过程中产生的摩擦热，引起摩擦表面温度升高，容易导致粘结剂树脂发生玻璃化转变、热膨胀、热衰退和热龟裂等现象[7，8]，从而引起摩擦力矩的突然变化，导致摩擦失效.湿式摩擦材料所用的粘结剂以改性酚醛树脂为主[9，10]，其良好的韧性、优异的耐热性等为湿式摩擦材料的摩擦稳定性提供了有力地保障.

Seong Jin Kim等[11]研究了改性酚醛树脂对芳纶浆粕复合材料磨损性能的影响规律，结果表明以改性酚醛树脂制备的摩擦材料具有比未改性酚醛树脂制备的摩擦材料更好的摩擦稳定性和更低的磨损率;U.S.Hong等[12]研究了未改性、硅改性和硼-磷改性酚醛树脂对一种多相复合材料摩擦磨损性能的影响，发现由硼-磷改性酚醛树脂制备的多相复合材料具有较好的抗磨损性和摩擦稳定性.

改性酚醛树脂因具有优异的力学性能、耐腐蚀性能、耐热性能和摩擦磨损性能，已经被广泛应用于各类复合材料中[13,14].基于此，本文选用不同的改性酚醛树脂制备炭布/树脂摩擦材料，研究了树脂改性对炭布/树脂摩擦材料摩擦磨损性能的影响规律，可为湿式摩擦材料的设计及应用提供指导.

1 实验部分

1.1 原材料

增强纤维：规格为3K的PAN基平纹炭布.

粘结剂：硼(Boron，B)改性酚醛树脂；腰果壳油(Cashew Nut Shell Liquid，CNSL)改性酚醛树脂；丁腈橡胶(Nitrile Butadiene Rubber，NBR)改性酚醛树脂.

溶剂：无水乙醇,分析纯.

1.2 制备方法

首先进行炭布的预处理.将炭布置于丙酮溶液中超声清洗2 h后取出，用去离子水清洗后烘干备用;将改性酚醛树脂按照20%的比例溶于无水乙醇溶液中,搅拌、静置24小时待改性酚醛树脂全部溶于无水乙醇溶液中;将预处理过的炭布置于改性酚醛树脂溶液中，使树脂含量达到25%(质量分数);室温晾干后，在压力为6.0 MPa、温度为170 ℃的条件下热压10 min，获得炭布/树脂摩擦材料.将硼改性、腰果壳油改性和丁腈橡胶改性酚醛树脂制备的摩擦材料分别标记为MR1、MR2和MR3等，具体如表1所示.

表1 不同改性酚醛树脂基炭布/树脂摩擦材料

1.3 性能测试

(1)采用JSM6460型扫描电子显微镜(SEM)观察样品磨损前后的表面微观形貌.

(2)采用C130型激光共聚焦显微镜测试样品的表面轮廓和粗糙度.

(3)采用STA409PC型同步综合热分析仪分析样品的降解特性.测试条件为：气氛为空气，流速为50 mL/min；升温范围为35 ℃～800 ℃，升温速率为10 ℃/min.

(4)采用QM1000-Ⅱ型湿式摩擦材料性能试验机(西安顺通机电应用技术研究所生产)测定试样的摩擦磨损性能.

试验机由惯量盘、离合器、摩擦盘装置、加载装置和控制系统等5部分组成.试验机的主要性能指标为：摩擦方式为环-环接触；转速为1 000～4 000 r/min，加载压力为0～2.00 MPa；对偶件为45#钢，表面粗糙度Ra为0.8μm，硬度35 HRC；润滑油为N32#机油，油箱温度为60 ℃，供油量为90 mL/min.

摩擦材料测试试样结构为外径113.0 mm、内径72.6 mm的圆环，并粘结于同尺寸的钢片上.实验前，在N32#机油中浸泡24 h，使摩擦材料测试试样充满油液，并在制动压力为0.50 MPa条件下磨合150 min，使摩擦面与其对偶件贴合程度达到80%以上，以使摩擦力矩值和摩擦系数达到稳定.然后，在不同制动压力、不同主轴转速条件下，测定试样的摩擦力矩曲线、动摩擦系数和磨损率等.

2 结果与讨论

2.1 炭布/树脂摩擦材料的微观形貌

从图1所示三种炭布/树脂摩擦材料的微观形貌可以看出，在浸渍了相同质量改性酚醛树脂的条件下，样品MR1表面并没有MR2、MR3表面树脂堆积的情况.由于硼改性酚醛树脂较好的渗透性和耐热性，在温度和压力的作用下更容易浸渗到碳纤维周围，从而与碳纤维形成良好的界面结合，而不是在表面形成不均匀的树脂层.

从图2所示三种炭布/树脂摩擦材料的二维轮廓图可发现，样品MR1轮廓曲线的波动幅度最小，其表征轮廓曲线特征的主要参数Ra、Rp和Rv的值最小，表明样品MR1具有更平整的表面，可影响接触过程中摩擦表面润滑状态，进而影响材料的摩擦磨损性能.

(a)MR1 (b)MR2

(c)MR3

(a)MR1

(b)MR2

(c)MR3

2.2 树脂改性对热稳定性能的影响

(a)MR1

(b)MR2

(c)MR3

为了解三种改性酚醛树脂对摩擦材料在热降解过程中的影响，对其进行了TG-DTG分析，其结果如图3、图4所示.从图3～4可以看出，硼改性酚醛树脂具有良好的热稳定性，其在800 ℃范围内的失重量仅为27.5%，而腰果壳油和丁腈橡胶改性酚醛树脂的失重量分别为47.0%和46.7%；同时可以发现其最大失重点温度为600 ℃，远远高于另外两种改性酚醛树脂，这是由于酚醛树脂分子结构中引入比C-C键键能更高的B-O键所导致.同样由其制备的摩擦材料耐热性能优异，其在800 ℃下的失重量仅为6.0%，而样品MR2和MR3的失重量分别达到了10.1%和11.1%，这将大大影响高温下摩擦材料摩擦系数的稳定性和热恢复性.湿式制动过程摩擦表面局部温度可能达到500 ℃，而此时样品MR1的失重量为3.0%，仅是样品MR3的45.5%，表明采用硼改性酚醛树脂时热磨损的影响非常小.

图4 炭布/树脂摩擦材料的TG曲线

2.3 树脂改性对制动稳定性的影响

湿式摩擦材料与对偶盘摩擦接触过程可以分为三个阶段，即流体挤压(Squeeze Film Phase)阶段、粗糙峰混合接触(Mixed Asperity Contact Phase)阶段和压紧接触(Consolidating Contact Phase)阶段[15]，摩擦力矩曲线能够直观表达三个阶段的转换过程和制动的平稳性.

图5是在转速为2 000 r/min、压力为0.5 MPa下，样品MR1、MR2和MR3的摩擦力矩曲线.样品MR1、MR2和MR3的制动时间分别为2.09 s、2.62 s和2.47 s，样品MR1制动时间仅为样品MR2和MR3的79.8%和84.6%，同时在粗糙峰混合接触阶段表现出非常优异的平稳性，但样品MR2和MR3在制动后期出现了尾部翘起现象，说明样品MR1的制动效率和制动稳定性优于另外两种样品.

图5 炭布/树脂摩擦材料典型的摩擦力矩曲线

2.4 树脂改性对动摩擦系数及其稳定性的影响

图6是转速2 000 r/min条件下，三种不同改性酚醛树脂制备样品在不同制动压力下的动摩擦系数变化曲线.由图6可知，随着压力的增大，三种样品的动摩擦系数均有不同程度地下降.样品MR1动摩擦系数从0.148 7降到了0.139 5，降低了6.19%；样品MR2动摩擦系数从0.141 3降到了0.129 3，降低了8.49%；样品MR3的动摩擦系数从0.138 3降到了0.128 3，降低了7.23%，表明样品MR1的压力稳定性较高.

这主要是因为在较大制动压力下，制动时间缩短，制动过程中润滑油更容易在摩擦表面局部区域形成流体动压润滑，从而降低了动摩擦系数.相对而言，样品MR1表面较为平滑，形成流体动压润滑的区域较小，同时由于硼改性酚醛树脂的耐热性能较好，在摩擦过程中压力和温度的作用下不易软化变形，与对偶盘接触时能够提供较大的摩擦力矩，因此样品MR1具有高且稳定的动摩擦系数.

图6 不同制动压力下炭布/树脂摩擦材料的动摩擦系数

图7为制动压力1.0 MPa条件下，三种样品在不同转速下的动摩擦系数变化曲线.由图7可以看出，随着转速的增大，各摩擦材料动摩擦系数均有所下降，样品MR1动摩擦系数从0.145 3降低到了0.134 9，降低了7.16%，低于样品MR2和MR3的9.14%和9.58%，表明样品MR1摩擦系数的转速稳定性最好.在高转速条件下，制动能量增加，摩擦面瞬时温度升高，润滑油粘度降低同时树脂基体的软化导致了动摩擦系数的降低.

图7 不同转速下炭布/树脂摩擦材料的动摩擦系数

图8为三种摩擦材料在制动压力为1.0 MPa、转速为2 000 r/min的条件下，在1 000次重复制动过程中动摩擦系数的变化情况.从图8可以看出，在整个制动过程中,样品MR1具有较高的动摩擦系数，这与前面所述一致，并且在长时间制动条件下，样品MR1相对于MR2和MR3试样,显示出了更优异的摩擦稳定性.

样品MR1仅经过约70次的初始磨损阶段，摩擦系数就保持在0.144附近，波动幅度非常小，表明已经形成了相对稳定的摩擦面；而样品MR2和MR3在初期的300次往复制动中摩擦系数下降较为剧烈，达到95%左右，而后逐渐稳定.

一般而言，在对偶盘的作用下，磨损初期粘结剂树脂容易脱落，随后发生纤维逐渐磨平、脱粘以及断裂等现象，并成为主要的承载体，形成较为稳定的摩擦状态.这些表明硼改性酚醛树脂摩擦材料具有优异的工况适应性和稳定性.

2.5 树脂改性对磨损率的影响

图9是不同试样和对偶件在制动压力为1.0 MPa、转速为2 000 r/min下经过1 000次重复制动，再测量试样和对偶件制动前后厚度变化而得到的磨损率情况图.由图9可知，样品MR1的磨损率仅为0.437×10-8cm3J-1，分别为样品MR2和MR3的50%和60%左右，同时对对偶盘的磨损也较小.

图8 动摩擦系数随制动次数的变化趋势

图9 炭布/树脂摩擦材料和对偶件的磨损率

(a)MR1 (b)MR2

(c)MR3

一方面，制动过程中摩擦热的累计将会导致部分粘结剂树脂软化、脱离摩擦材料，而硼改性酚醛树脂优异的耐热性可大幅度减小可能产生的热磨损.另一方面，从磨损形貌(如图10所示)可以明显发现，样品MR1中纤维与树脂结合良好，碳纤维逐步被磨平，并剥离出摩擦材料，没有明显的纤维断裂现象；而样品MR2和MR3中发现了大量纤维断裂后形成的孔洞，纤维碎屑及剥落的树脂在摩擦过程中成为“第三体”磨粒，从而进一步加大了摩擦副的磨损程度.

3 结论

(1)硼改性酚醛树脂具有优异的热稳定性能，应用到炭布/树脂摩擦材料中,可提高摩擦系数的稳定性和热恢复性.

(2)由硼改性酚醛树脂制备的炭布/树脂摩擦材料的摩擦力矩曲线平稳，瞬时制动效率高.在不同制动压力、不同转速和长时间制动条件下，其具有较好的摩擦稳定性.

(3)硼改性酚醛树脂/炭布摩擦材料的磨损率仅为0.437×10-8cm3J-1，远远优于其它湿式摩擦材料，这归结于其优异的耐热性和良好的界面结合性能.

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Effect of resin type on friction and wear performance ofcarbon fabric/resin friction materials

FEI Jie1,2, WANG Hong-kun1, XIE Zhi-jun2, LIU Yi-jun2, HUANG Jian-feng1

(1.School of Materials Science and Engineering, Shaanxi University of Science & Technology, Xi′an 710021, China; 2.Guangdong Monalisa Ceramics Co., Ltd., Foshan 528200, China)

Carbon fabric/resin friction materials is a new type wet friction material which has been used in automatic transmission.In this study, three kinds of carbon fabric/resin friction materials were prepared with boron-modified,cashew nut shell liquid modified and nitrile butadiene rubber modified phenolic resin.The degradation characteristics of the samples were analyzed using a thermal analyzer.The friction and wear properties were tested by a wet friction performance tester.Scanning electron microscopy (SEM) was also employed to study the wear mechanisms.Experimental results indicated that the samples with boron-modified phenolic resin demonstrated better potential with good heat-resistance,high friction coefficient,excellent friction stability and only low wear rate of 0.437×10-8cm3J-1.

modified phenolic resin; carbon fabric; wet friction composites; friction and wear performance; boron

2014-11-24

国家自然科学基金项目(51102196); 陕西省科技厅自然科学基金项目(2012JQ6010); 陕西科技大学学术骨干培育计划项目(XS11-01); 陕西科技大学博士科研启动基金项目(BJ11-15); 西北工业大学凝固技术国家重点实验室开放研究课题(SKLSP201316); 陕西省科技厅青年科技新星计划项目(2014KJXX-68)

费 杰(1981-)，男，河南太康人，副教授，博士，研究方向：摩擦材料和复合材料

1000-5811(2015)03-0057-06

TB332

A