浅析芳纶纤维在复合摩擦材料中的应用

杨战厚，徐子勤，刘 理，石志刚，王明俊，王军成，魏 婷

(1.咸阳非金属矿研究设计院有限公司，陕西 咸阳 712021；2.陕西纺织器材研究所，陕西 咸阳 712000)

0 引言

用于动力机械传动或制动装置的摩擦材料，是一种聚合物基复合材料；现代机械或机构若无可靠的传动和制动装置，就无法可靠的工作。传动和制动装置是由摩擦材料和对偶(金属结构加工件)装配组合而成，机械运动的速度、负荷的变化对复合摩擦材料的要求越来越高[1-2]；机动车辆、工程机械的运动，必须通过传动和制动装置来传递或消除动力，它是保证行驶或工作安全的不可或缺的关键性材料，也是决定生命安全的重要材料。

摩擦材料主要由纤维材料、填料和粘结剂3部分组成：纤维材料为增强组分材料，填料是摩擦性能调节剂，粘结剂是高分子化合物。摩擦材料中纤维用量为15%～45%，是摩擦材料的骨架材料，对摩擦材料的强度起至关重要的作用，同时也对其功能有着重要的影响。因此，对纤维材料有严格的要求。摩擦材料用纤维材料的化学成分应稳定，有良好的机械强度和物理性能，耐热、耐磨性能好，具有良好的亲和性，易分散，吸附性强[2]，有较好的可纺性，摩擦因数稳定，制动噪声小，符合环保要求。摩擦材料用无机纤维材料有复合矿物纤维、玻璃纤维，有机纤维材料主要有芳纶纤维、纤维素纤维等。

1 摩擦材料中的纤维材料

1.1 分类

纤维可分为天然纤维和化学纤维两大类。天然纤维是自然界存在的、可以直接获得的纤维，有植物纤维、动物纤维和矿物纤维，而矿物纤维是从矿物中提取的无机纤维，如石棉纤维；化学纤维有再生纤维、合成纤维和无机纤维3类。再生纤维是用天然聚合物经化学方法制成的纤维，合成纤维是用化学合成的聚合物制成的纤维[3]。

1.2 作用

纤维在摩擦材料中主要起增强作用，以使摩擦材料具有必要的机械强度，并在加工和使用过程中不出现破损[1]；纤维具有稳定的摩擦因数，化学成分稳定，热阻性和耐热性好，纤维的比表面积大，最好呈绒毛状，硬度适中，具有良好的亲和性和吸附性，以利于和摩擦材料配方中的填料和粘结剂粘结可靠，工艺可操作性好，不产生环境危害。

1.3 应用要求

摩擦材料用纤维应具有高强度、低密度、制动噪声小和化学成分稳定的特性，目前比较常用的有：玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维及其混合纤维。玻璃纤维的特点是硬度高、热稳定性较好、与树脂亲和性好、价格低廉；碳纤维的突出优点是高温摩擦稳定性好、耐磨、价格较高，常用于飞机和赛车制动器上；芳纶纤维是一种芳香族聚酰胺合成纤维，具有强度高、密度小、耐磨、耐热、稳定性好的优点，在非复合形式下具有高韧性、没有玻璃纤维和碳纤维所呈现的脆性，非常适合用于摩擦材料用的增强材料。

纤维材料使用在摩擦材料中时会结织成网状，由于纤维的比表面积较大，当纤维含量增加时摩擦因数增大，摩擦材料的强度、硬度也随纤维含量的增加而提高。摩擦材料中增强纤维的应用研究主要在纤维的品种及用量的优选方面。

2 芳纶纤维材料的应用

2.1 芳纶纤维的分类与性能

芳纶是芳香族聚酰胺合成纤维，有两种分子结构形式，一种是分子链排列呈锯齿状的间位芳纶纤维(芳纶1313)；另一种是分子链排列呈直线状的对位芳纶纤维(芳纶1414)。芳纶广泛应用于光纤、高温过滤、动力传送带，也可制成防弹衣、防弹头盔、消防服、防切割手套等。间位芳纶有优良的耐摩擦和耐化学品性能，对位芳纶的耐温性能高于间位芳纶，芳纶浆粕是对芳纶纤维进行表面原纤化处理之后得到的[1]，其独特的表面结构极大地提高了混合物的抓附力，非常适合作为一种增强纤维应用于摩擦及密封产品中，是摩擦和密封材料的重要原料，使用温度范围为-196 ℃～204 ℃，在560 ℃高温下不分解、不熔化；其显著特性是强度高，其强度是优质钢材的5～6倍、玻璃纤维的3倍、高强尼龙工业丝的2倍。芳纶1414浆粕为浅黄色絮花状，呈毛绒状，其毛羽丰富、强度高、尺寸稳定性好，无脆性、耐高温、耐腐蚀、有韧性、收缩率小、耐磨性好、表面积大，亲和性好，其物理性能见表1[1]。

表1 芳纶纤维物理性能

芳纶纤维型号NACF18NACF68Fibrox300Fibrox030B800平均直径/mm0.03～0.060.03～0.060.01～0.020.01～0.020.02平均长度/mm3.0～8.03.0～6.04.0～8.02.0～4.0130含水率/%≤3.0≤2.5容重/(g·cm-3)0.3～1.82.2～2.42.7～2.92.7～2.90.15～0.18烧失量/% (800 ℃时烧1 h)≤30≤18≤2.4≤2.4≤0.3制造商美国杜邦美国杜邦加拿大飞宝加拿大飞宝德国JRS

2.2 芳纶纤维用量及对摩擦性能的影响

摩擦材料用芳纶纤维主要有6 mm～13 mm的凯夫拉(杜邦公司产品)短纤维和2 mm～5 mm的芳纶浆粕纤维，摩擦材料配料纤维、填料、粘结剂等搅拌混合有一最佳时间，搅拌时间过长会引起结团[4]，进而造成纤维在混合物中的不均匀分散。不同长度、形态、容重的20多种物料进行均匀混合时的配方不同，用犁耙式混料机搅拌的时间也不一样，一般最佳时间为5 min～8 min,摩擦材料配方中加入芳纶纤维，生产的产品具有稳定的摩擦因数，其耐磨性能优于国际上禁止使用的石棉纤维。

摩擦材料配方中凯夫拉纤维的含量对产品的摩擦性能可产生较大的影响，对其机械性能的影响见表2[1]。

表2 纤维含量对摩擦材料机械性能的影响

项目纤维体积含量/%5101520253035冲击强度/(dJ·cm-2)3.0053.5554.9104.6096.7545.5699.900弯曲强度/MPa0.7560.8200.6850.7160.8281.0781.351硬度/HB19.721.223.725.325.127.434.7

从纤维体积含量对冲击强度、弯曲强度及硬度的影响来看，随着纤维含量的增加，冲击强度和弯曲强度增加。实验研究表明，摩擦材料的硬度和导热率随纤维含量的增加而线性减小，当凯夫拉纤维的含量超过10%时，摩擦因数减小50%；当凯夫拉纤维含量继续增加时，摩擦因数基本保持不变，而磨损率随凯夫拉纤维含量增加而继续下降；当摩擦材料中凯夫拉纤维含量达到40%时，其磨损率仅为不含凯夫拉纤维材料的1%。结果表明加入凯夫拉纤维可极大地提高了摩擦材料的耐磨性，但其摩擦因数也随之下降[1]。

摩擦材料配方中增加芳纶纤维的含量，使其具有较高的耐磨性，在试验中也到了满意的结果；但添加量过大会引起摩擦因数降低，不符合摩擦材料要求，而且加大了生产成本。通常只添加不大于10%的芳纶纤维和浆粕，使生产成本控制合理，其产品摩擦因数为0.25～0.45，密度不大于2.5 g/cm3[5]，摩擦材料产品的摩擦因数稳定、强度和耐磨性能好。

2.3 芳纶纤维的应用研究

芳纶1414纤维是使摩擦材料性能增强的组分材料，也是摩擦材料的主要原材料，对摩擦材料的综合性能有重要影响。由于摩擦材料中禁止使用石棉纤维材料，且纤维各具有不同的力学和物理性能，通过对摩擦材料中使用的芳纶纤维、玻璃纤维、聚酯纤维、碳纤维、陶瓷纤维、玄武岩纤维等进行大量实验研究，结果表明芳纶纤维以其优良的物理、化学及综合性能，成为摩擦材料中不可或缺的增强纤维及主要组分，芳纶纤维和玻璃纤维及其他纤维的组合是目前摩擦材料纤维增强组分的最佳选择。

目前，仍未找到能够完全具备石棉纤维所有特性的单一纤维材料[4]，因此，对以芳纶纤维材料为主要材料、多种纤维进行合理配比的复合实验还在不断进行中，目的是研究芳纶纤维在摩擦材料中的合理配比及工艺。选择性能稳定的芳纶纤维材料配比其他材料，生产摩擦因数稳定、制动噪声小、环保的产品，提高摩擦材料的摩擦性能和使用性能，推动摩擦材料朝着品质、清洁、环保方向快速发展，是芳纶纤维在摩擦材料中应用研究的方向。

3 结语

随着人们对职业健康安全和环境保护要求的不断提高，新材料技术和计算机技术的应用迅速发展，多学科技术的交叉应用、研究新配方摩擦材料中的纤维增强材料，将模拟计算方法用于摩擦材料的研究和试验中，形成能够自动计算、检测摩擦材料的摩擦因数、磨耗量、强度、硬度的技术应用，将极大地提高摩擦材料研究应用的技术水平。工作环境清洁安全、符合环保要求，制造出品质稳定、可靠性高、安全性强和清洁环保的摩擦材料产品，是未来绿色摩擦材料发展的必然趋势。