非金属矿物材料在摩擦材料中的应用

张红林，焦红斌（咸阳非金属矿研究设计院有限公司，陕西 咸阳 712021）

非金属矿物材料在摩擦材料中的应用

张红林，焦红斌
（咸阳非金属矿研究设计院有限公司，陕西 咸阳 712021）

【摘 要】非金属矿物材料以其独特的物化性能，在摩擦材料应用中有着不可或缺的地位。本文详细介绍了非金属矿物材料的特征、分类，以及摩擦材料用主要原材料的基本要求。另外，结合摩擦材料生产实际，还介绍了几种摩擦材料用非金属矿物材料的应用和质量控制情况，对非金属矿物材料的实际应用起到指导意义。

【关键词】非金属矿物材料；摩擦材料；应用；质量控制

1　非金属矿物材料的特征与分类

1.1 特征

非金属矿物材料是以非金属矿物或岩石为基本或主要原料，通过加工制备出具有一定功能、一定使用目的材料，如功能填料、摩擦材料、密封材料、保温隔热材料、电功能材料、吸附催化材料、环保材料、胶凝与流变材料、聚合物/纳米粘土复合材料、建筑装饰材料等。

非金属矿物材料主要特征有：①其原料或主要组分为非金属矿物或经过选矿、加工的非金属矿物；②非金属矿物材料没有完全改变非金属矿物原有的物理、化学特性或结构特征；③非金属矿物材料是通过加工制备的功能性材料。因此，非金属矿物材料具有一定的技术含量和明确用途，而不能直接应用的原矿和加工产品不属于非金属矿物材料的范畴。

1.2 分类

非金属矿物材料种类繁多，按照非金属矿的化学成分和结构分类如表1所示。

2　摩擦材料的组成和生产要求

摩擦材料属于高分子三元复合材料，它包括三部分：以高分子化合物为粘结剂、以无机或有机类纤维为增强材料、以填料为摩擦性能调节剂。

表1　非金属矿物材料分类

2.1 对粘结剂的要求

摩擦材料生产中要求粘结剂具有以下性能：①要耐热性好，有较好的热分解温度和较低的热失重；②粉状树脂细度要高，一般为100～200目，细度越细越好；③游离酚含量要低，以1%～3%为宜；④要有适宜的固化速度(150℃下，40～60s)和流动距离(125℃下，40～80mm)。

2.2 对纤维材料的要求

摩擦材料生产中用到的纤维材料应具有以下性能：①增强效果好；②耐热性好，在摩擦工作温度下，不会发生熔融、碳化与热分解现象；③具有基本的摩擦系数；④硬度不宜过高；⑤工艺(可操作性)性能好。

2.3 对填料的要求

摩擦材料生产中所用的填料应具有以下性能：①能够调节和改善制品的摩擦性能、物理性能和机械强度；②能够控制制品热膨胀系数、导热性、收缩性，增加产品尺寸的稳定性；③能够改善制品的制动噪音；④能够提高制品的制造工艺性能与加工性能；⑤能够改善制品外观质量及密度；⑥能够降低生产成本。

3　非金属矿物材料在摩擦材料中的应用与质量控制

非金属矿物材料的结构和化学性能是在摩擦材料中得到使用的重要因素，但同时也不能忽视非金属矿物材料的粒度、硬度、导热性、热稳定性、表面积等物理性能对摩擦材料的影响。本文选取用作增强材料的蛭石和空间填料的重晶石两种非金属矿物材料，介绍其应用和质量控制。

3.1 蛭石在摩擦材料中的应用与质量控制

3.1.1 蛭石的特征

蛭石是一种复杂的铁、镁含水硅酸盐类矿物，属于无机非金属材料。分子式为(MgFe)2(SiAlFe)4O10(OH)2·4H2O。蛭石呈薄片状结构，由两层层状的硅氧骨架，通过氢氧镁石层或氢氧铝石层结合而形成双层硅氧四面体，“双层”之间有水分子层。高温加热时“双层”间的水分变为蒸汽产生压力，使“双层”分离、膨胀。

3.1.2 蛭石的分类

蛭石按阶段性划分为蛭石原矿和膨胀蛭石，按颜色分类可分为金黄色蛭石、银白色蛭石、乳白色蛭石。

3.1.3 蛭石的物理性能及化学成分

蛭石物理性能如下：外观呈鳞片状、片状或单斜晶系的假晶体，鳞片重叠，在2.54cm厚度内可叠100万片；珍珠光泽、油脂光泽、无光泽、表面暗淡呈多种光泽；金黄、褐、褐绿、暗绿、黑色及杂色，条痕白色；密度2.2～2.8g/cm3；硬度1～1.5；松散密度1 100～1 200kg/m3；熔点1 320～1 350℃；抗压强度100～150MPa；折射极限Ng=1.525～1.561，Np=1.545～1.581；含水量7%。

蛭石化学成分为(%)：SiO237～43、MgO 11～ 23、Al2O39～17、CaO 1～3、Fe2O35～24、其他2～9。

3.1.4 膨胀蛭石的性能

膨胀蛭石是蛭石精矿在800～1 000℃膨胀获得的，其结构彼此共用三个顶点连接成无限六方平面网，借助剩下的活性氧离子与金属离子相连再与平面层连接的层状结构(如下图所示)。

膨胀蛭石SEM图

膨胀蛭石因其特殊成分及结构，具有以下优良性能：①由于层间粘结力弱，从而使蛭石片可分剥到20 ×10-10m的薄片，因此蛭石内外表面很大，它和基体连接比较紧密，具有较高的粘结强度，良好的剪切应力；②膨胀蛭石的熔点高达1 400℃以上，因此其具有很好的热稳定性；③膨胀蛭石的莫氏硬度为1～1.5之间，因此使用膨胀蛭石不会划伤制动盘；④由于膨胀蛭石的层状结构，层与层之间容易滑动，剪切力小，因此会适当调节摩擦材料的摩擦系数，并提高材料的耐磨性；⑤膨胀蛭石具有较强的吸声性能；⑥膨胀蛭石属无机物，高温时结构稳定，因此耐腐蚀。

3.1.5 膨胀蛭石在摩擦材料中的作用

摩擦材料的发展趋势是向高性能、高舒适性(低振动和噪音)、低成本、轻量化、环保型等方向发展。膨胀蛭石由于低成本、可吸音、比重小、耐温性、性质稳定，在降噪减震、环保方面的出色表现而广泛用于摩擦材料。特别是盘式制动片中，可以有效降低制动噪声，并降低制品的密度，改善并清理摩擦静电粘贴物，增加制品弹性。

3.1.6 对膨胀蛭石的技术指标要求

膨胀蛭石应用于摩擦材料时，需控制的性能指标如表2所示。

3.1.7 膨胀蛭石的测试方法及质量控制

膨胀蛭石质量指标按JC/T 441-2009《膨胀蛭石》标准中规定的试验方法进行。膨胀蛭石因其较大的孔隙率和比表面积，具有较强的吸附能力，而膨胀蛭石的松体积密度和粒度组成是这一性能的直接体现，因此在使用过程中需控制好松体积密度和粒度组成这两个指标的稳定性。此外，膨胀蛭石中的杂质，特别是一些坚硬的砂粒，会在摩擦材料使用中造成对偶面的损伤。因此，企业在使用时除了控制好JC/ T441-2009《膨胀蛭石》标准中的指标项目外，还应结合自己的产品控制好膨胀蛭石的含杂量。

3.2 重晶石在摩擦材料中的应用与质量控制

3.2.1 重晶石的性质

重晶石是一种含钡的硫酸盐类矿物，属斜方晶系，常见的晶体呈板状，少数呈柱状、条状，也有三向等长的晶体。集合体常呈粒状，少数呈致密状、隐晶状或土状。因混入物的特性和数量不同，有白色、浅灰色、淡蓝色、黄色、粉红色、褐色、淡棕色等，也常见无色透明晶体。基于重晶石价廉、热稳定性好、耐酸耐碱等天然特性，重晶石广泛应用于各个领域。

3.2.2 重晶石的分类

按照矿物成分的不同，重晶石矿石可分为单矿物重晶石矿石、石英—重晶石矿石、萤石—重晶石矿石、硫化物—重晶石矿石、铁—重晶石矿石、粘土质或砂质—重晶石矿石。

3.2.3 重晶石的物理性能及化学组成

重晶石的物理特性：密度大(4.3～4.7g/cm3)，硬度低(莫氏硬度为2.5～3.5)。重晶石的化学性能稳定，不溶于水、盐酸，无磁性和毒性，其化学组成如表3所示。

表2　膨胀蛭石的指标要求

表3　重晶石化学组成(%)

3.2.4 重晶石在摩擦材料中的作用

化工用重晶石的品级划分按BaSO4的含量分为：一级96%、二级90%、三级85%，摩擦材料行业用的重晶石，其规格多为BaSO4含量90%～95%，粒度为325目。

重晶石作为填料广泛应用于摩擦材料中，可使产品摩擦系数稳定、磨耗小，特别在高温下能形成稳定的摩擦界面，防止对对偶材料表面擦伤，使对偶磨面表面光洁，特别在高温时对对偶盘的保护较为显著。混料时，重晶石因比重较大而有利于提高分散性，同时也可调节压制品表面密实度。重晶石用量的变化，不会严重改变产品性能的特点，可以用来调节压制品密度、调整工艺模量、提高分散性、微调摩擦系数等。

3.2.5 对重晶石的技术指标要求

重晶石应用于摩擦材料时，需控制的性能指标如表4所示。

表4　重晶石技术指标要求

3.2.6 重晶石的检测方法及质量控制

重晶石的各项技术指标依照标准GB/T 2899-2008《工业沉淀硫酸钡》或HG/T 3588-1999 《化工用重晶石》中规定的试验方法进行。重晶石在摩擦材料的应用中，除了关注粒度、含量外更应该注意到材料中所含的杂质，根据重晶石矿石的分类可知，除了单矿物重晶石矿石，其他矿石都有伴生矿，因此最终产品重晶石粉中就有可能引入不利杂质(如二氧化硅、硅酸盐等)，从而影响摩擦材料的产品性能和应用效果。

4　结论

非金属矿物材料因其优异的物理化学性能，会促进和改善摩擦材料的产品性能，但在使用中除了关注含量、粒度、水分等基本的性能指标外，更应关注其生产环节中杂质的控制，只有这样，才能更好地发挥非金属矿物材料应有的作用。

【参考文献】

[1]张焜,程胜高.膨胀蛭石的性质及其应用前景[C]//中国矿物岩石地球化学学会第11届学术年会论文集,2007.

[2]郑水林.非金属矿物材料[M].北京:化学工业出版社,2007.

[3]高惠民.矿物复合摩擦材料[M].北京:化学工业出版社,2007.

[4]高惠民,曹献坤,陈磊,等.蛭石摩擦材料研究[J].非金属矿,1996 (5):62-64.

【开发利用】

Application of Non-metallic Minerals in Friction Materials

ZHANG Hong-lin, JIAO Hong-bin
(Xianyang Institute of Non-metallic Minerals Research & Design Co., Ltd., Xianyang 712021, China)

Abstract:There is an indispensable role of non-metallic mineral materials in the application of friction material, because of its unique physical and chemical properties.This paper instructed the basic performances and classification of non-metallic mineral materials, and the basic requirements of main raw materials used in the friction material. In addition, combined with the actual production of friction material, the application and quality control of several non-metallic mineral materials in friction materials were introduced, there is a guiding significance for application of these non-metallic materials.

Key words:non-metallic materials; friction material; application; quality control

【收稿日期】2015-03-06

【文章编号】1007-9386(2015)04-0004-03

【文献标识码】A

【中图分类号】TB321；TF125.9