氧化镧改性树脂基复合材料摩擦学性能研究*

良煊

(福州大学机械工程及自动化学院 福建福州 350116)

随着汽车工业的高速发展，现代制动摩擦材料朝着无石棉、少或无金属化方向发展[1-3]，对汽车安全性、舒适性的要求也日益提高。据统计，我国每年发生的交通事故都在30万起以上，其中有30%事故是由于车辆制动问题引起的，而摩擦材料连续制动产生的热衰退现象是造成刹车失灵的重要原因。因此有必要深入研究热衰退现象，探索摩擦因数稳定、抗热衰退性能良好的制动材料配方。

稀土元素被誉为“工业的维生素”[4]。稀土元素具有独特的4f电子结构、丰富的能级跃迁、优异的界面性能等特点，是我国极其重要的战略资源。研究表明，稀土可大幅度提高钢材、铝合金、镁合金、复合材料等的质量和性能[5-8]，尤其应用于复合材料中可起到增韧、增强、改善界面性能、提高耐热性等作用[9-10]。郑开魁等[11]研究了稀土改性树脂基制动材料在不同工况下的摩擦学性能影响，表明稀土的加入可提高制动材料的摩擦因数并有效降低磨损量。目前，关于树脂基摩擦材料中添加稀土氧化镧的效果和作用机制的研究报道较少。本文作者拟用稀土氧化镧来改性树脂基制动材料，以期提高摩擦材料抗热衰退性能，改善制动平顺性，为获得新型高性能制动材料的摩擦学设计和应用提供试验依据和理论指导。

1 试验部分

1.1 试验材料与制备

试验所用增强纤维为陶瓷纤维和竹纤维，黏结剂为腰果壳油改性酚醛树脂，改性剂为粒度200目的市售白色粉末状氧化镧，填料包括市售的石墨粉、氧化铝粉、硫酸钡粉、轮胎粉等。采用热压成型工艺制备树脂基摩擦材料。将干燥后的原材料置于JF810S型混料机中搅拌20 min，得到均匀纤维粉状料。采用Y32-63型四柱液压机压制成型，成型温度为150～160 ℃，成型压力为6～10 MPa,保压时间为8～10 min,其中增压阶段和保压阶段各排气5次和2次。最后在JF980S型热处理箱进行160 ℃、保温12 h的热处理，随炉冷却得到模压制品。

1.2 试验方法

采用正交优化试验探究稀土氧化镧含量对树脂基摩擦材料摩擦磨损性能的影响。重点考察氧化镧(A)、酚醛树脂(B)、硅酸铝纤维(C)、竹纤维(D)这4个因素，并考虑A与B、A与C、A与D间的交互作用，选用L27(313)的正交表。表头设计如表1所示。

表1 正交表表头设计Table 1 Design of orthogonal test

摩擦材料的组成成分(以质量分数计，%)：氧化镧15～25，酚醛树脂15～25，硅酸铝纤维5～15，竹纤维3～7，其他为填料。每种因素取3个水平，水平安排如表2所示。

表2 正交水平表(质量分数)Table 2 Level of orthogonal test (mass fraction)

采用X-DM型调压变速摩擦试验机测量试样的摩擦学性能，测试过程执行GB5763-2008《汽车用制动衬片》标准[12]。试验基本条件：试样尺寸为25 mm×25 mm×(5～6)mm。试验机转速为450 r/min，压力为0.98 MPa，转盘转数为5 000转。由计算机自动计算出100、150、200、250、300、350 ℃温度下的摩擦因数μ及磨损率ω(cm3/(N·m))。采用美国FEI公司QUANTA250型扫描电镜对试样磨损表面形貌进行观察与分析。

2 结果与分析

2.1 正交试验结果与分析

通过对正交设计的配方试样进行摩擦性能测试。结果表明：各试样在低温(100 ℃)和高温(350 ℃)时摩擦因数较低，而磨损率在高温(350 ℃)时较大。这与多数树脂基制动材料的摩擦学性能规律相似[13]。文中主要以低温(100 ℃)摩擦因数、高温(350 ℃)摩擦因数以及高温(350 ℃)磨损率平均值为考察指标。表3列出了27个试样在100、350 ℃下的摩擦因数以及350 ℃下的磨损率。

表3 正交配方试样的摩擦学性能Table 3 Tribological performance of the developed composites

续表3

为了探讨稀土氧化镧对制动摩擦材料摩擦磨损性能的影响，并确定主要因素和较优配方，分别对上述正交试验数据进行方差分析，其结果如表4所示。

从表4可以看出，100 ℃时因素B(树脂)的F值最大，对复合材料摩擦因数影响最为显著，其次是A(氧化镧)、C(硅酸铝纤维)和D(竹纤维)，而A×C(A与C的交互作用)有一定影响，A×B、A×D则不显著。由于因素A、B、C、D对指标影响的显著性远大于交互作用的影响，水平的选取可忽略交互作用。分别取因素A、B、C、D的K值最大的水平数，因此可以确定优化方案为A2B1C2D3，即氧化镧20份、酚醛树脂15份、硅酸铝纤维10份、竹纤维7份时，低温摩擦因数值较优；同理，可以确定350 ℃下高温摩擦因数值优化方案为A3B1C3D1，即氧化镧25份、酚醛树脂15份、硅酸铝纤维15份、竹纤维3份；350 ℃高温耐磨性优化方案为A1B3C1D1，即氧化镧15份、酚醛树脂25份、硅酸铝纤维5份、竹纤维3份。

表4 方差分析结果Table 4 Results of ariance analysis of the composites

注：因素影响高度显著记为****；因素影响显著记为***；因素有影响记为**；因素有一定影响记为*；F指各因素均方和误差均方和的比值；K指主效应相对指标。

综上所述，不管是高温还是低温，氧化镧含量对摩擦因数以及高温磨损率的影响都十分显著。适当增加氧化镧含量可提高摩擦材料摩擦磨损性能。硅酸铝纤维和竹纤维均是增强相，但硅酸铝纤维硬度高，耐高温，热稳定性能好，对摩擦材料的摩擦因数以及高温磨损率的影响，均比竹纤维显著。竹纤维耐热性能差，适当地减少竹纤维含量、增加硅酸铝含量，能够有效地提高摩擦材料的高温摩擦磨损性能。树脂对高温摩擦因数的影响比低温摩擦因数更为显著。这是因为随着温度升高，在热力作用下摩擦材料局部过热。当超过树脂分解温度时树脂严重分解，导致黏结性下降，纤维易剥落，因此摩擦因数降低，磨损加剧[14-15]。

2.2 优化配方摩擦学性能

从低温摩擦因数、高温摩擦因数、高温磨损率的方差分析结果，可以确定3个较优配方分别是A2B1C2D3、A3B1C3D1、A1B3C1D1。分别以这3个配方以及不含氧化镧的配方(即：氧化镧0份、酚醛树脂20份、硅酸铝纤维5份、竹纤维5份)制成摩擦材料，编号YH1、YH2、YH3、WYH。分别对4个试样进行X-DM型调压变速摩擦试验，结果如图1所示。

图1 不同配方试样的摩擦因数和磨损率Fig 1 Friction and wear properties of the samples of different formulas

图1(a)所示为试样随温度升高摩擦因数的变化曲线。可以看出：随着温度的升高，试样YH1、YH3、WYH的摩擦因数基本呈先升高后降低的趋势，并且这3个样的摩擦因数在升温过程中波动较大，均在300～350 ℃左右发生热衰退现象，尤其是未添加稀土试样WYH热衰退现象更加明显，摩擦因数在200 ℃就开始急剧下降，降幅达39.3%左右。与其他3个优化配方相比，不含氧化镧试样的低温摩擦因数和高温摩擦因数最低，可见氧化镧的加入可提高复合材料的低温和高温摩擦性能。试样YH2摩擦因数在0.44～0.5之间波动，摩擦因数较稳定且总体处在较高水平；在高温段(300～350 ℃)摩擦因数没有下降反而上升，表现出良好的抗热衰退性能。

图1(b)所示为试样随温度升高磨损率的变化曲线。可以看出，各试样的磨损率随着温度的升高均呈现上升趋势，未添加氧化镧的试样WYH在各个温度段的磨损率均高于其他3个试样，尤其在250 ℃后磨损率急剧增大，在350 ℃时高达1.48×10-7cm3/(N·m)。试样YH1、YH2、YH3在100～250 ℃之间，磨损率变化平稳；在300～350 ℃之间，磨损率也出现上升趋势，但总体均维持在较低水平。试样YH3的高温磨损率最低，试样YH2次之。可见，氧化镧的加入可有效提高复合材料的磨损性能。

综上所述，含有氧化镧试样YH1、YH2、YH3的摩擦磨损性能均优于不含氧化镧的试样WYH。其中当摩擦材料配方中组分质量份数为氧化镧25份、酚醛树脂15份、硅酸铝纤维15份、竹纤维3份、其他填料58份时(即试样YH2，质量分数为氧化镧21.6%、酚醛树脂12.9%、硅酸铝纤维12.9%、竹纤维2.6%、其他填料50%)综合摩擦学性能最优，其摩擦因数稳定且具有良好的抗热衰退性能和耐磨损性能。由于氧化镧具有独特的电子组态，化学活性好，加入适量的氧化镧一定程度改善了树脂与各组分的界面黏结性，降低了树脂炭化后材料的脆性，有效地改善了材料的致密性和柔韧性[16]；氧化镧具有六方晶体结构，高温润滑性好，降低了摩擦材料磨损率。因此，氧化镧的加入能够稳定摩擦材料的高温摩擦因数，降低磨损率，有效避免热衰退现象。

3 磨损表面形貌分析

采用FEI公司生产的QUANTA250型扫描电子显微镜，分别对盘温为100、350 ℃试验后优化配方试样(YH2)与不含氧化镧配方试样(WYH)的磨损表面进行观察，结合摩擦磨损试验结果，探讨其摩擦磨损机制。试样YH2和WYH在100、350 ℃下的磨损表面SEM形貌如图2所示。

从图2(a)、(b)可以看出：100 ℃下试验后试样摩擦表面均形成了一层较稳定的摩擦膜。这是由试样与摩擦盘相对滑动所产生，而摩擦膜的出现对基体起到一定的保护作用。两者相比之下，不含氧化镧试样WYH的表面磨损程度较大，100 ℃下的磨损率为0.23×10-7cm3/(N·m)。同时还可以看出：WYH表面的部分纤维已经断裂甚至脱落，在摩擦表面留下了少许的凹坑，失去了纤维作为增强基体的作用。这反映了树脂与纤维的黏结性较差，在未达到树脂热分解温度发生熔融分解的情况下，纤维就已断裂脱落，甚至整体裸露于摩擦表面。这是试样WYH摩擦因数较低的部分原因。而试样YH2的摩擦面整体较为光滑，无明显的凹坑，并且树脂对纤维的包覆性较好，纤维与树脂的界面结合良好，很好地起到了纤维作为“骨架”的作用，保证了摩擦材料稳定的摩擦因数和较小的磨损率，100 ℃下的磨损率为0.11×10-7cm3/(N·m)，仅为试样WYH的50%左右。可见，氧化镧的加入可有效提高摩擦材料的低温摩擦磨损性能及摩擦因数的稳定性。

从图2(c)、(d)可知：当温度达到350 ℃时不含氧化镧试样WYH的表面磨损严重，可以观察到较大的凹坑。此时成束纤维暴露在表面，大面积的纤维断裂、脱落。这是因为树脂高温分解，黏结力下降，致使填料颗粒和纤维松动、脱落，形成大小不一的凹坑。随着试验的进行，磨损加剧，凹坑尺寸逐渐变大。相比之下，试样YH2磨损表面更为光滑平整，无明显的坑洼，纤维仍旧与树脂基体紧密结合。这是由于氧化镧表现出良好的高温润滑性。其润滑机制有2种：一是氧化镧与摩擦材料中的氧、硫元素反应，在摩擦表面形成化学反应膜，起到减摩作用；二是氧化镧中镧元素会扩散渗透到树脂基体中，改善了摩擦材料的耐磨性，从而减少热衰退现象[17]。

图2 WYH和YH2试样在不同温度下的磨损表面形貌SEM图Fig 2 SEM images of worn surface of composites WYH and YH2

综上所述，氧化镧对摩擦材料的摩擦磨损性能影响显著。低温阶段是整个摩擦过程的初期，树脂未熔融分解，此时以磨粒磨损为主，黏着磨损为辅。随着温度的升高，树脂逐渐熔融分解，填料和纤维逐渐剥落，此时磨损形式主要是黏着磨损和疲劳磨损。而不含氧化镧的试样磨粒磨损所占比重较大，磨损严重。因此，氧化镧的加入能够很好地稳定摩擦材料的摩擦因数，提高其耐磨性和抗热衰退性能。

4 结论

(1)采用氧化镧改性树脂基复合材料，并通过正交试验方差分析获得摩擦学性能较优组分配方(质量分数)，即氧化镧21.6%、酚醛树脂12.9%、硅酸铝纤维12.9%、竹纤维2.6%，其他填料50%。

(2)摩擦材料中加入适量的氧化镧不仅能够提高摩擦材料的低温、高温摩擦因数，还能提高复合材料的摩擦因数稳定性与耐磨性，提高其抗热衰退性能，从而延长摩擦材料的使用寿命。

(3)未添加氧化镧试样磨损试验后表面产生严重的剥落,并且出现大量的磨屑，磨损形式以磨粒磨损为主，黏着磨损为辅；加入适量的氧化镧后，试样磨损表面出现大面积连续的摩擦膜，磨损形式以黏着磨损为主。