氧化铝纤维对纸基摩擦材料摩擦学性能的影响

陆赵情， 胡文静， 谢 璠

(陕西科技大学 轻工科学与工程学院 陕西省造纸技术及特种纸品开发重点实验室 轻化工程国家级实验教学示范中心， 陕西 西安 710021)



氧化铝纤维对纸基摩擦材料摩擦学性能的影响

陆赵情， 胡文静， 谢 璠

(陕西科技大学 轻工科学与工程学院 陕西省造纸技术及特种纸品开发重点实验室 轻化工程国家级实验教学示范中心， 陕西 西安 710021)

采用湿法成型工艺制备未添加氧化铝纤维和添加氧化铝纤维的两种复合纸基摩擦材料.借助材料表面性能综合测试仪和热重分析仪对制备的纸基摩擦材料的摩擦磨损性能和耐热性能进行检测和研究，采用扫描电镜对磨损表面进行观察分析，从而探究两种纸基摩擦材料在相同的载荷和同一转速下的摩擦磨损性能和耐热性能.结果表明：氧化铝纤维的添加对材料及摩擦磨损性能和耐热性能有显著影响.摩擦前期，材料的动摩擦系数波动性较大，摩擦后期，材料的动摩擦系数波动曲线呈平稳状态，且氧化铝纤维的添加增加了纸基摩擦材料运行的平稳性，降低了磨损率，并提高了纸基摩擦材料的耐热性能.

氧化铝纤维； 纸基摩擦材料； 动摩擦系数； 磨损率； 耐热性能

0 引言

纸基摩擦材料是将纤维、填料、摩擦性能调节剂采用湿法抄造制成摩擦材料原纸，经树脂浸渍加工而成的复合材料，主要应用于汽车传动系统和制动系统[1,2].因其具有摩擦系数稳定、磨损率低、使用寿命长、噪音小及可保护对偶材料等优点，已经发展成为一类越来越重要的湿式摩擦材料[3,4].随着科技的进步和人民生活水平的提高，机械及汽车工业逐渐向着高速、重载、安全、舒适的方向发展，人们对于纸基摩擦材料的性能要求更多更高，因此改善材料的耐热性能、提高材料的摩擦稳定性及延长材料的寿命已经成为了国内外学者广泛关注的热点.

发达国家对纸基摩擦材料也早有研究.Amar Patnaik等[5]通过研究硅酸铝陶瓷纤维和芳纶纤维的配比来制备酚醛树脂基的纸基摩擦材料；H.J.Hwang等[6]研究了碳纳米管的添加对纸基摩擦材料摩擦性能和导热性能的影响；美国专利US 5478642[7]也提出了使用高性能的碳纤维、芳纶纤维和棉纤维，以及碳颗粒、石墨作为填料制备双层纸基摩擦材料.

国内对纸基摩擦材料也做了相对的研究，西北工业大学的付业伟等[8]研究了碳纤维复合纸基摩擦材料耐热性能、摩擦性能和磨损性能.这些方法都存在着一定的缺陷，竹纤维和木纤维制得的纸基摩擦材料虽然成本低，但其耐热耐磨性能差；芳纶纤维和碳纤维等高性能纤维的大量使用不仅会增加摩擦材料的生产成本，而且芳纶纤维和碳纤维表面光滑，化学惰性强[9]，与基体中的其他组分结合差.总体而言，国内在增强纤维的选择研究方面虽然有了一定的进展，但纤维的选择类型还比较单一，混杂纤维研究较少.

氧化铝纤维作为一种新型的超轻质高温绝热材料，有较好的耐热稳定性和化学稳定性，其复合材料的力学性能、耐磨性、硬度均有提高，热膨胀系数降低；又与树脂基体结合良好，比玻璃纤维的弹性大，比碳纤维的压缩强度高，其复合材料正逐步在一些领域取代玻璃纤维和碳纤维[10-13].然而对氧化铝纤维应用在纸基摩擦材料方面的研究较少，且对其摩擦性能的影响机理也尚不明确.

因此，本文研究了氧化铝纤维的添加对纸基摩擦材料摩擦磨损性能的影响.纸基摩擦材料是由高性能纤维湿法成型抄造，为了进一步提高材料的摩擦磨损性能和耐热性能，添加氧化铝纤维这种新组分到材料基体中，对比研究了相同载荷和相同转速下纸基摩擦材料的动摩擦系数、磨损率和热稳定性.

1 实验部分

1.1 实验原料

实验原料包括抄纸原料和十二烷基苯磺酸钠等药品.抄纸用的原料包括各种纤维、粘结剂、填料、摩擦性能调节剂、各种助剂等.纤维包括碳纤维、芳纶纤维、竹纤维、氧化铝纤维、海泡石绒；填料包括硅藻土、氧化铝粉体等；摩擦性能调节剂是石墨；助剂有羧基丁苯胶乳、聚氧化乙烯(PEO)、阳离子聚丙烯酰胺(CPAM).

1.2 纸基摩擦材料原纸的制备

将纤维及其原料放入标准疏解机中，制成浆料悬浮液.采用纸样抄取器将其制成纸基摩擦材料原纸，定量为100 g/m2.用酚醛树脂对原纸进行浸渍，将浸渍后的原纸烘干后在平板硫化机上进行热压成型处理，制成纸基摩擦材料，如图1所示.

图1 纸基摩擦材料的制备工艺流程图

1.3 纸基摩擦材料的性能表征

采用CFT-Ⅰ型材料表面性能综合测试仪对制备好的纸基摩擦材料的摩擦磨损性能进行检测，检测其在负载载荷100 N，转速300 r/min的条件下所检测得到的摩擦磨损性能.

使用材料表面性能综合测试仪对材料的摩擦磨损实验结束后，用无水乙醇浸泡样片并将其干燥，再采用VEGA-3-SBH型扫描电子显微镜(SEM)观察磨损表面形貌.

采用TGA-Q500型热重分析仪测试纸基摩擦材料样片的耐热性能.

2 结果与讨论

2.1 纸基摩擦材料的摩擦磨损性能

一般情况下，影响材料摩擦磨损性能的因素有许多，如负载载荷、摩擦转速、摩擦时间、表面状态以及材料的结构成分等.摩擦的时间是一个变化的量，随着时间的增加，材料表面的温度和状态有所变化，这些都将反映到材料摩擦性能的变化[14].其中，摩擦系数是表征材料传动/制动效率的重要参数，摩擦系数越高表明传动/制动效率越高；在不同实验条件下波动越小，即表明材料摩擦稳定性越好[15,16]；摩擦过程中的磨损始终是增加的.

2.1.1 纸基摩擦材料的摩擦性能

图2为各试样的动摩擦系数对比图.由图2可以看出，添加氧化铝纤维纸基摩擦材料的动摩擦系数与未添加氧化铝纤维纸基摩擦材料的动摩擦系数相比略有下降，约为11%，但仍符合摩擦材料行业国标规定的动摩擦系数为0.15～0.19的标准.有研究结果表明[17-19]，随着摩擦时间的增加，摩擦系数有所下降，这被认为摩擦表面的温度起着重要作用，局部高温造成的低熔点纤维或金属软化并形成氧化物摩擦膜，这种膜使得摩擦面变得光滑，因此有利于降低摩擦系数.

a：未添加氧化铝纤维的纸基摩擦材料; b：添加氧化铝纤维的纸基摩擦材料图2 未添加氧化铝纤维和添加氧化铝纤维的纸基摩擦材料的动摩擦系数

图3为各试样的动摩擦系数随时间变化的波动曲线图.由图3可以看出，在实验的开始阶段，两条摩擦系数曲线随时间的变化出现波动，随着实验的进行又逐渐达到平稳状态.随时间的变化，未添加氧化铝纤维的纸基摩擦材料的摩擦系数略有升高的趋势，添加氧化铝纤维的纸基摩擦材料的摩擦系数略有降低的趋势，但摩擦系数整体变化不明显，这是因为纸基摩擦材料在磨擦一段时间后，磨损表面变得粗糙而使得摩擦界面的相对运动阻力变大、摩擦系数升高，而氧化铝纤维作为硬质相可以强化基体，使得纸基摩擦材料的强度和硬度明显提高，从而有效地阻止初期摩擦产生的表面易粗糙的现象，因此与未添加氧化铝纤维相比，摩擦系数略有下降.

且由图3还可以看出，前期40 min，添加氧化铝纤维的纸基摩擦材料与未添加氧化铝纤维的纸基摩擦材料相比，其摩擦系数波动在更大的一个范围内，40 min以后，添加氧化铝纤维的纸基摩擦材料与未添加氧化铝纤维的纸基摩擦材料相比，其摩擦系数的波动在更小的一个范围内.由此说明：摩擦初期，纸基摩擦材料的动摩擦系数波动性较大；摩擦后期，纸基摩擦材料的动摩擦系数波动曲线呈平稳状态，氧化铝纤维增加了纸基摩擦材料的平稳性.氧化铝纤维与碳纤维共同作用，有效地阻止了材料局部过热造成的塑性流动，最终使得摩擦材料由急剧磨损转变为平稳磨损.

2.1.2 纸基摩擦材料的磨损性能

磨损率是表征复合纸基摩擦材料使用寿命的一个重要参数.磨损率越低，则表明纸基摩擦材料使用寿命越长；在高载荷高温度条件下磨损率越低，即表明材料越适合在大热负荷条件下使用[15].

图4为各试样的磨损率的对比柱状图.由图4可以看出，未添加氧化铝纤维的纸基摩擦材料磨损率明显大于添加氧化铝纤维的纸基摩擦材料的磨损率，高出约47%.说明氧化铝纤维的添加有利于降低磨损率，缓解磨损的严重性，也充分说明了氧化铝纤维具有优异的耐磨性.

造成以上实验现象的原因如下：纸基摩擦材料在摩擦过程中，摩擦副间的微凸体相互咬合，这种初期啮合使得摩擦系数处于时刻波动的状态，随着时间的增加，摩擦热的不断积聚致使材料表面局部软化，材料强度降低，局部的高温使得微凸体中低熔点的组分发生破碎，然后熔融形成了致密的膜，这些膜使得此时摩擦副之间的接触表现为膜与膜之间的接触，形成的摩擦膜在一定程度上具有流动性，减少了接触面的剪切应力，降低了摩擦系数，从而起到润滑作用[20-22].而且，在复合材料中，基体和增强体之间的界面粘结往往较弱，随着时间的继续增加，摩擦力逐渐增加并超过一定极限时，界面将会发生破裂，致使摩擦膜破裂，纤维等从基体拔出，并随周围发生塑性变形的基体而脱落，产生越来越多的磨粒和磨屑，最终磨损量和磨损率增大.

a：未添加氧化铝纤维的纸基摩擦材料；b：添加氧化铝纤维的纸基摩擦材料图4 未添加氧化铝纤维和添加氧化铝纤维的纸基摩擦材料的磨损率

2.2 纸基摩擦材料的磨损表面分析

对纸基摩擦材料的摩擦性能起重要作用的因素还与摩擦后的磨损表面密切相关.实际上，在摩擦条件下，强烈磨损后形成的大量磨斑呈现在摩擦表面，通过对磨斑表面进行观察和分析来讨论氧化铝纤维影响材料摩擦磨损性能的因素.

图5所示为未添加氧化铝纤维和添加氧化铝纤维的纸基摩擦材料的磨损表面的磨斑电镜图.其中，图5(a)和(b)为未添加氧化铝纤维的纸基摩擦材料的摩擦前电镜图.由图5(a)和(b)可以看出，未经摩擦前的纸基摩擦材料的各组分表面较为光滑和平整，在树脂的包覆下，纤维和填料紧密的交织，被树脂粘结剂粘结在一起.

图5(c)和(d)为添加氧化铝纤维的纸基摩擦材料的摩擦前电镜图.由图5(c)和(d)可以看出，纸基摩擦材料的各组分在树脂的粘结下，更加紧密的交织在一起.

图5(e)和(f)为未添加氧化铝纤维的纸基摩擦材料的摩擦后电镜图.由图5(e)和(f)可以看出,摩擦后的纸基摩擦材料表面有明显剥落的痕迹，各组分与树脂基体间的剥离严重，部分纤维被磨断，这主要是因为摩擦过程中在外力作用和高温条件下，材料的部分纤维和填料组分发生滑移和断裂，这些断裂和被破坏的组分黏着能力很差，容易脱落而附着在磨损基体表面.

图5(g)和(h)为添加氧化铝纤维的纸基摩擦材料的摩擦后电镜图.由图5(g)和(h)可以看出,其间有少量的蚀点和较浅的沟槽，磨痕也相对较浅，这可能是因为摩擦过程产生的热量不能及时导出，而在接触区域大量聚集，致使不耐高温的组分在较高温度下发生软化，从而造成热变形.且认为加入氧化铝纤维后，材料整体耐热性提高，原本摩擦过程中产生强烈的局部过热会因材料耐高温性的提高，使材料表面的微凸体减缓脱落和凸起，形成较微小的磨粒，这些磨粒在刚性摩擦滑块的作用下挤入因摩擦发热而变软的基底中，使接触区域产生较大的形变和应力，在表面形成微坑和轻度的蚀点损伤.因此，由图5(g)和(h)可知，未添加氧化铝纤维的纸基摩擦材料摩擦后表面的磨损情况比添加氧化铝纤维的磨损情况较为严重，主要是认为氧化铝纤维有利于降低材料的摩擦磨损性能.

(a)未添加氧化铝纤维的纸基摩擦材料摩擦前(×500) (b)未添加氧化铝纤维的纸基摩擦材料摩擦前(×1 000)

(c)添加氧化铝纤维的纸基摩擦材料摩擦前(×500) (d)添加氧化铝纤维的纸基摩擦材料摩擦前(×1 000)

(e)未添加氧化铝纤维的纸基摩擦材料摩擦后(×500) (f)未添加氧化铝纤维的纸基摩擦材料摩擦后(×1 000)

(g)添加氧化铝纤维的纸基摩擦材料摩擦后(×500) (h)添加氧化铝纤维的纸基摩擦材料摩擦后(×1 000)图5 未添加氧化铝纤维和添加氧化铝纤维的纸基摩擦材料的磨损表面电镜图

2.3 纸基摩擦材料的耐热性能

热重分析仪的热重曲线是表征材料耐热性能的重要参数，随着温度的变化，材料的各组分在不同的温度下产生了一定的热损失.

图6是纸基摩擦材料的热重曲线图.由图6中曲线可知,两种纸基摩擦材料的分解温度相近，这是由于纸基摩擦材料的耐热性能主要取决于酚醛树脂浸渍液，两种纸基摩擦材料都是在相同条件下被酚醛树脂浸渍，纸基摩擦材料中各组分被树脂包覆、粘结在一起，树脂占有重要的作用.试样a(未添加氧化铝纤维的纸基摩擦材料)与试样b(添加氧化铝纤维的纸基摩擦材料)最大分解速率点温度均在375 ℃附近，且添加氧化铝纤维的纸基摩擦材料的热分解温度始终高于未添加氧化铝纤维的纸基摩擦材料的热分解温度，说明氧化铝纤维优异的耐热性能，在一定程度上可以降低纸基摩擦材料的分解速率，减少其质量损失.

a：未添加氧化铝纤维的纸基摩擦材料；b：添加氧化铝纤维的纸基摩擦材料图6 未添加氧化铝纤维和添加氧化铝纤维的纸基摩擦材料的热重曲线图

在相同的实验条件下，添加氧化铝纤维的纸基摩擦材料的热分解温度始终在未添加氧化铝纤维的纸基摩擦材料的热分解温度之上，其原因在于氧化铝纤维优异的耐热性能.在纸张成形的过程中，氧化铝纤维和各组分之间均匀的分散、结合在一起，形成了结构均一、组成致密的纸基摩擦材料，随着温度的升高，纸张在不断的失重，所有的组分在其对应的玻璃化温度转变点发生变化，导致各组分随温度慢慢流失，但始终保持不变的是，添加氧化铝纤维的纸基摩擦材料所能承受的热负荷大于未添加氧化铝纤维的纸基摩擦材料，说明在升温的过程中，氧化铝纤维和其他高熔点纤维或填料物质紧密交织，保护了整个材料在升温过程中的质量流失.

3 结论

(1)添加氧化铝纤维的纸基摩擦材料动摩擦系数的波动性在摩擦初期较大，摩擦后期的曲线呈平稳状态，氧化铝纤维提高了纸基摩擦材料的平稳性.

(2)氧化铝纤维的添加有利于降低磨损率，缓解磨损的严重性，这一点充分说明了氧化铝纤维具有优异的耐磨性.

(3)氧化铝纤维优异的耐热性能，在一定程度上可以降低纸基摩擦材料的分解速率，减少质量损失，整体提高纸基摩擦材料的耐热性能.

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【责任编辑：陈 佳】

Effects of alumina fiber on the tribological property of composite paper-based friction material

LU Zhao-qing, HU Wen-jing, XIE Fan

(College of Bioresources Chemical and Materials Engineering, Shaanxi Province Key Laboratory of Papermaking Technology and Specialty Paper, National Demonstration Center for Experimetal Light Chemistry Engineering Education, Shaanxi University of Science & Technology, Xi′an 710021, China)

A novel paper-based friction material via wet-forming skills with the addition of alumina fibers was fabricated.The tribology and wear properties and the thermostability were investigated with the help of CFT-I multi-functional material surface performance tester and the thermogravimetric analyzer (TGA) under the same load and speed.Scanning electron microscopy (SEM) was also used to observe and analyze the worn surface.The results showed that the addition of alumina fibers had obvious effects on tribological properties and the thermostability.In the early stage of friction,the dynamic friction coefficient of materials was volatile and in the late stage,the wave curve of dynamic friction coefficient was in steady state.Moreover the addition of alumina fibers increased the stationarity of paper-based friction materials and reduced the wear rate.Meanwhile,the excellent heat stability of alumina fibers improved the heat resistance of paper-based friction materials.

the alumina fibers; paper-based friction materials; the dynamic friction coefficient; wear rate; the heat resistance

2017-06-02

十三五国家重点研发计划项目(2016YFB0303304); 陕西省科技厅科技统筹创新工程计划项目(2016KTCQ01-87)

陆赵情(1979-)，男，浙江金华人，教授，博士，研究方向：高性能纤维及其纸基功能材料

2096-398X(2017)04-0001-05

TS758+.7

A