碳纤维增强摩擦材料摩擦磨损性能的研究

文/杨洋，赤峰工业职业技术学院

在工业化和机械化飞速发展的今天，摩擦制动材料具有广阔的市场前景。人们对摩擦材料有较高的要求：对环境无污染、价格合理、机械性能和力学性能等指标达到最佳。为了满足当代社会的各种需求，科学界逐步对碳纤维进行了探索。

碳纤维具有广泛的发展前景，是因为其具有“外柔内刚”的特点。“内刚”是指碳纤维的密度低于铝，而强度高于钢铁，又具有“柔”的可加工性。这些特点使它成为倍受摩擦材料行业关注的重要原因。碳纤维具有较好的恢复性能，而且在较高温度的条件下具有较高的摩擦系数和较低的磨损率。此外还有如下各特点：具有自润滑性、耐疲劳、摩擦磨损性能好；耐酸、耐高温；热膨胀系数小；热导率高；碳纤维对振动具有良好的衰减功能等。这些特点构成了新一代摩擦材料的基本要素。

1 摩擦材料成分及工艺

摩擦材料主要包括粘结剂和摩擦性能调节剂两大部分，粘结剂的作用是把各组元有机的结合起来，两大部分对摩擦材料的摩擦磨损性能有非常大的影响。本实验选用酚醛树脂作为粘结剂，选用硫酸钡、氧化铝、高岭土、氧化铁、石墨作为性能调节剂。本实验工艺路线如下：1.碳纤维表面及长度处理：分别用酒精、浓硝酸浸泡碳纤维，去除碳纤维表面集束剂，有效改善碳纤维分散性及增加碳纤维表面孔隙率，促进碳纤维与基体有效结合；用QM-2-A球磨机将碳纤维研磨成长度分别为20um、500um、1000um、3000um。2.材料混合：将酚醛树脂、硫酸钡、高岭土、氧化铝、橡胶、石墨按32%、24%、21%、17%、3%、3%比例进行混合。并将不同长度的碳纤维以0%、2%、4%、6%比例与基体材料混合。3.将混合的摩擦材料分别放入160℃干燥箱加热，酚醛树脂充分融化后，对摩擦材料施加2Mpa的压强。4.将热压成型的摩擦材料冷却至室温。5.为了保证粘结剂充分熔化起到最佳的粘结效果，需要对试样进行热处理，热处理温度为140℃，保温1h后随炉冷却。6.根据GM-2000型磨损试验机所需要的试样尺寸进行切削加工。

2 摩擦及磨损机理

（1）摩擦系数

摩擦系数是阻止两物体相对运动的摩擦力与摩擦表面法向力

图1 摩擦材料的摩擦系数

的比值，是衡量摩擦材料制动性能的关键指标之一。其公式如下：

其中 μ：摩擦系数

F：摩擦力

N：法向正压力

摩擦力和法向正压力的单位均为牛顿（N）。

（2）磨损率

磨损率是指摩擦材料磨损前后质量差与摩擦力所做的功之比，即单位摩擦功所磨去试件的质量。它也是反映摩擦材料耐磨性能的一个指标。材料的磨损率公式如下：

其中 ，W：单位摩擦功所磨去样品的质量，单位为g/MJ

M1：磨损前样品的质量，单位为g

M2：磨损后样品的质量，单位为g

r：试件中心与磨损盘中心之间的距离，本实验磨损盘的半径为30mm

f：摩擦材料与对偶之间的平均摩擦力

n：对偶所转的圈数

摩擦磨损大体上可分为四类：磨料磨损、粘着磨损、热磨损、疲劳磨损。一般认为，在摩擦初期摩擦表面以磨粒磨损为主，随着温度的升高，摩擦界面磨粒的聚集，形成粘着磨损，并发生高温降解、升华等现象的热磨损和疲劳磨损。

3 摩擦及磨损数据分析

由于我们主要研究碳纤维长度及含量对摩擦磨损性能的影响，因此在配方设计中，固定树脂及其他成分的用量，纤维用量根据实验安排来确定。为了更明晰的观察和分析出碳纤维长度及含量对摩擦材料各性能的影响，我们取碳纤维长度分别为20μm、500μm、1000μm、3000μm、在各个长度下，碳纤维含量分别为0%、2%、4%、6%，摩擦材料摩擦磨损性能的变化。

（1）摩擦系数数据处理及分析

图2摩擦材料磨损后表面形貌

图1为碳纤维摩擦材料在不同状态下的摩擦系数折线图，图中横线为不加碳纤维的摩擦材料在2Mpa压强比下的摩擦系数。

从图1来看，不同长度、不同含量碳纤维的加入，能够有效改善摩擦材料的摩擦性能。

从图1、图2来看，当碳纤维长度低于500μm，随着碳纤维长度、含量的增加，分布在摩擦表面的碳纤维表面积增加，犁切阻力增加，摩擦材料的摩擦系数增加。

从图1、图3来看，当碳纤维的长度高于500μm时，在基体材料内部份碳纤维呈团絮状，分布在摩擦材料摩擦表面的碳纤维相对减少，摩擦系数呈下降趋势，但由于碳纤维团絮状现象的存在，使得碳纤维在摩擦表面的分布具有不确定性，对于长度高于500μm、不同含量的碳纤维摩擦材料之间的摩擦系数关系具有不确定性。

图3摩擦材料磨损后断面图

图4 摩擦材料的磨损率

（2）磨损数据处理分析

图4为碳纤维摩擦材料在不同状态下的摩损率折线图，图中横线为不加碳纤维的摩擦材料在2Mpa压强比下的磨损率。

从图4可以看出，不同长度、不同含量碳纤维的加入，能够有效降低摩擦材料的磨损率。

当碳纤维长度低于500μm时，随着碳纤维长度、含量的增加，分布在摩擦表面的碳纤维表面积增加，碳纤维具有较强的耐磨性能，摩擦材料的磨损率呈降低趋势。当碳纤维长度为20μm，含量为2%时，粘结剂能够与碳纤维、性能调节剂充分融合，并且碳纤维与周围基体相结合处应力最小，周围基体及碳纤维不容易脱落，摩擦材料的磨损率达到最低。

对于长度高于500μm的摩擦材料，由于碳纤维在基体内部会存在团絮状现象，不同含量的碳纤维摩擦材料之间的磨损率关系具有不确定性。

4 总结

本文将不同长度、不同含量的碳纤维分别加入摩擦材料基体里，并通过GM-2000型定速摩擦磨损试验机测得每种摩擦材料的摩擦系数及磨损量、通过OLS3000激光共焦扫描电镜观察摩擦材料磨损后的表面形貌，发现长度为20μm、500μm碳纤维摩擦材料的摩擦磨损性能好于长度为1000μm、3000μm碳纤维摩擦材料的摩擦磨损性能，但总体来说，碳纤维的加入能够有效地增加摩擦材料的摩擦系数、降低摩擦材料的磨损率

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