纸基湿式摩擦材料的研究进展

薛 奎，王 慧，欧章明，窦文芳，刘泽华

（中国轻工业造纸与生物质精炼重点实验室，天津市制浆造纸重点实验室，天津科技大学轻工科学与工程学院，天津 300457）

纸基湿式摩擦材料是一种在油介质中工作的、能够满足自动变速器和湿式制动装置的变速和制动要求的片状材料[1－2]。纸基湿式摩擦材料主要由纤维、填料、摩擦性能调节剂和胶黏剂构成，其表面形貌见图1。原纸的制备采用传统抄纸工艺，将纤维、填料和摩擦性能调节剂在水相介质中分散，并最终以脱水的方式成形[3]，其材料品种、材料性能以及制备工艺决定着车辆运行的安全性和平稳性[4]。纤维素纤维基摩擦材料具有摩擦因数高且稳定、摩擦力矩平稳、静/动摩擦因数接近于1、噪音小和使用寿命长等优点，成为最重要的湿式摩擦材料[5-6]。但是，纤维素纤维也存在力学性能、耐高温性能等方面的不足，石棉纤维的引入使纸基摩擦材料的性能得到了大幅度改善，性价比相应提高，这是纸基摩擦材料发展过程的重要里程碑。由于石棉纤维存在致癌风险，非石棉纤维的纸基摩擦材料得以被广泛研究。

图1 汽车用离合器摩擦材料SEM图

1 增强纤维

增强纤维的主要作用是提高摩擦材料的强度、耐热性能和摩擦磨损性能，保证材料在机械作用下不出现裂纹和断裂等机械损伤，同时影响着摩擦材料的硬度、密度、界面结合状态，是摩擦材料的重要组成部分[7]。碳纤维、芳纶等高性能纤维具有较高的比强度、较高的比模量、耐高温、耐磨等优点，在复合材料中常被用作增强材料[3]。

1.1 碳纤维

碳纤维表面缺乏具有化学活性的官能团，其表面呈化学性惰性，因此碳纤维与复合基体的黏结性较差，在使用碳纤维作为纸基摩擦材料的增强纤维时，一般要对其进行表面改性处理[8－9]。碳纤维的表面处理按工艺可分为物理方法和化学方法，前者主要包括涂层法和等离子处理法，后者主要包括表面氧化法、电化学法和化学接枝法。

张国亮等[10]采用化学法对碳纤维进行表面改性处理，制备出的碳纤维表面粗糙度有明显的提升，并且有新的基团引入，使得碳纤维与水的接触角变小、表面活性提高。使用改性碳纤维制备出的聚酰亚胺纸基摩擦材料的界面性能提升了45.3%，孔隙率有一定程度的下降，表面改性碳纤维对纸基摩擦材料的摩擦学性能具有提升作用。李坤鹏等[11]通过化学法对碳纤维进行改性，实验采用米氏酸、硅烷偶联剂（KH550）对碳纤维进行改性处理，并用改性的碳纤维配抄纸基摩擦材料。与添加未改性碳纤维的纸基摩擦材料相比，添加米氏酸、硅烷偶联剂、米氏酸和硅烷偶联剂同时改性碳纤维的试样的抗张指数分别提升了64.87%、91.38%和28.88%。

张安花[12]采用乙醇对PAN基碳纤维表面的上浆剂进行清洗，通过浓硝酸浸泡和浓硝酸超声两种方式进行改性，结果显示两种方法都在一定程度上改变了碳纤维的表面性质。其中，超声和硝酸的协同作用对碳纤维的表面性质影响较大，硝酸的刻蚀作用和超声的空化作用使得碳纤维表面更加粗糙，同时也提升了碳纤维含氧官能团的数量，因此能制作强度更高的复合材料。

张雪等[8]采用氨基硅烷偶联剂对碳纤维进行表面改性，碳纤维表面被包裹上了一层KH550，且物理包覆较完整，说明KH550成功地修饰到碳纤维的表面，形成了很多高低不平的坑洞和沟槽，大大增加了纤维的表面粗糙度。

SUN等[13]采用氧离子等离子体处理碳纤维，结果显示经过处理的碳纤维表面增加了含氧官能团，同时纤维表面的粗糙度与表面纹理也明显增多。胡文静等[14]采用高温空气氧化法对碳纤维表面进行改性处理后，碳纤维表面出现了比较明显的条纹状的刻蚀，其表面积增大，使得在纸基摩擦材料抄造的过程中改性碳纤维与其他组分的有效接触面积增大。同时，由于对碳纤维引入了大量的活性基团，材料的层间结合强度提高了21%。

从以上学者的研究可以看出，对碳纤维的改性主要是体现在以下两个方面：一是提高碳纤维的表面粗糙度，以增大碳纤维与其他基体的结合强度；二是对碳纤维引入新的基团，提高其表面活性。这两个方面对碳纤维的成纸性能都有一定的影响，可使得纸基复合材料的强度和摩擦性能有一定的提升。

研究发现，摩擦材料中碳纤维的含量和长度对材料的物理性能也有很大的影响。FEI等[15]制备了100、400、600、800μm四种长度的碳纤维增强纸基摩擦材料。实验结果表明：碳纤维越短，摩擦材料中形成的孔隙分布越均匀。随着碳纤维含量的增加，试样的孔隙率和拉伸强度降低，磨损率增加。在油润滑条件下，含55%碳纤维的试样表现出最佳的摩擦稳定性和抗震颤性能。100μm碳纤维制备的纸基摩擦材料的磨损率仅为1.4×10-5mm3/J，具备了优异的耐磨性能。

1.2 芳纶纤维

芳纶是发展最快的高性能化学纤维之一，其聚合物大分子的主链由芳香环和酰胺键构成，且其中至少85%的酰胺键直接键合在芳香环上。每个重复单元的酰胺基中的氮原子和羰基均直接与芳香环中的碳原子相连，并且置换其中一个氢原子的聚合物称为芳香聚酰胺树脂，由它纺成的纤维称为芳香聚酰胺纤维，我国定名为芳纶，其中对位芳纶（PPTA）因其具有高强度、高模量、耐高温、低密度、耐化学腐蚀等优异性质，被广泛地应用于汽车工业、航空航天、电子通讯等领域。但由于其特殊的分子结构，芳纶纤维呈刚性伸直状，纤维之间的结合力弱，在使用芳纶纤维作为增强纤维生产复合材料时，常常需要对芳纶纤维进行表面改性[16]。

对芳纶纤维表面改性主要分为两种：一是破坏芳纶纤维的光滑表面，使分子沿纤维轴向的取向度降低，纤维表面的粗糙程度上升，表面极性增大，纤维与基体的浸润性增加；二是在芳纶纤维表面增加功能化活性基团或形成连接“桥梁”，使其与基体以物理或化学键结合，提高纤维与基体的界面黏结强度[17]。目前，对芳纶纤维的改性有表面涂层法，化学改性（表面刻蚀、表面接枝），物理改性（等离子表面改性、γ射线辐射方法、超声浸渍法）。

谢瓃等[19]采用磷酸氧化、等离子处理、多巴胺仿生修饰对芳纶纤维表面进行改性处理。结果表明，经过改性后的纤维表面出现了高低不平的凹槽和刻蚀，在纤维表面粗糙度增加的同时暴露出了羟基和羧基等活性基团。

LIN等[20]用无水氯化钙和氢氧化钠溶液对芳纶纤维进行预处理，随后采用两种不同的方法分别对芳纶纤维进行改性：首先用硅烷偶联剂（KH570）接枝芳纶纤维；然后在芳纶纤维表面原位生成二氧化硅。经过预处理后的芳纶纤维表面的含氧基团成功地将KH570接枝到了芳纶纤维表面。经KH570二次改性后，纤维复合材料的拉伸性能提高了31.9%，耐磨性提高了16.2%。

汪伦合等[21]采用KOH对芳纶纤维表面进行预处理，再用经水性聚氨酯预聚体（WPUP）改性的ZnO对其进行二次处理，发现经过处理后的芳纶纤维表面被涂覆了一层均匀致密的改性氧化锌粒子，纤维表面粗糙度和化学活性大幅度增加，表面浸润性大大改善。

张素风等[22－23]采用氯磺酸、醋酸酐对芳纶短切纤维进行了改性处理，经过处理的芳纶短切纤维与其他纤维进行配抄，所得纸张的抗张指数和撕裂指数都有大幅度的提升。其还利用不同质量浓度的乙醇、丙酮、丙酸、二甲基亚砜、二甲基乙酰胺等化学试剂对芳纶纤维表面进行处理和改性，并进行纤维成纸性能研究，结果表明，当改性剂表面能接近纤维表面能时，对提升纸张强度的影响最显著，纸张强度性能是纤维表面黏附功和纤维本身强度共同作用的结果。

李涛等[24]利用磷酸硅烷偶联剂、硝化/还原改性剂等对芳纶纤维进行改性，再用改性芳纶纤维和芳纶浆粕配抄芳纶纸。结果表明，该改性方法可以提高芳纶纤维和芳纶浆粕的界面结合，从而改善芳纶纸的机械强度。

朱大勇等[25]对芳纶纤维先后采用CaCl2乙醇溶液和多巴胺水溶液处理。结果表明，在芳纶纤维表面形成了致密、均匀的聚多巴胺涂层，纤维表面粗糙度增大，表面活性基团增加。

司帅[26]以多巴胺作为表面改性剂，采用提拉法对PPTA长纤维进行表面修饰。结果表明，改性后的PPTA纤维表面包覆了一层聚多巴胺活性层，氨基和羟基增多，水接触角由143.50°减小到120.6°，亲水性增强。

WANG等[27]采用等离子体诱导气相接枝聚合方法（PIVPGP）对芳纶纤维进行表面改性，研究了在不同的等离子体处理时间、输出功率和工作气体等条件下对芳纶纤维进行预处理以及等离子体处理参数对芳纶纤维表面丙烯酸（AA）的PIVPGP及其表面结构和性能的影响。结果表明，AA在芳纶纤维表面的PIVPGP能有效改善芳纶纤维表面的润湿性和黏附性。等离子体条件对芳纶纤维表面AA的PIVPGP效率及其表面结构和性能有显著影响，由高到底依次为等离子体处理时间、输出功率和工作气体。

2 黏结树脂

黏结树脂主要有将组分黏结成整体并传递和均衡载荷的作用，能增强摩擦材料的强度性能和摩擦磨损性能[14]。黏结剂的性能直接影响摩擦材料的热衰退性能、恢复性能、磨损性能和机械性能。

黏结树脂的含量以及种类对纸基摩擦材料力学性能和摩擦性能都有一定的影响。FEI等[28]以腰果油改性酚醛树脂为黏结剂，采用造纸工艺制备了四种碳纤维纸基摩擦材料，其中树脂的质量分数为35%～50%，考察了酚醛树脂对材料性能的影响。结果表明，增强纤维均匀地分散在酚醛树脂基体中，含有大小不一的气孔。树脂含量较低（35%～40%）的试样具有较高的摩擦因数、优异的摩擦稳定性、良好的耐热性和合理的强度。胡健等[29]研究了树脂含量对湿式纸基摩擦材料的摩擦磨损性能和表面形貌的影响。结果表明：随树脂含量的增加，材料的气孔率降低；当含量为25%时，材料综合性能较好，气孔率为32.43%，磨损率为1.32×10－8cm3/J，且摩擦因数的压力稳定性和转速稳定性较高，材料的摩擦力矩曲线较为平稳，材料在摩擦前后的表面形貌也较好。周雪松等[30]研究了酚醛树脂种类和树脂上胶量对复合高性能复合纸的力学性能和摩擦性能的影响。结果表明：采用酚醛树脂制备的耐高温刹车片的各项性能较好，其复合纸的动、静摩擦因数较高，且二者比较接近，是制作纸基摩擦材料的较好的增强树脂；在树脂上胶量为40%～60%时，纸页可获得优良的力学性能。

王贝贝等[31]以酚醛树脂、聚酰亚胺树脂、聚酰亚胺树脂和酚醛树脂复合3种浸渍液对纸基摩擦材料原纸进行浸渍，研究了不同浸渍条件对热压前后手抄片抗张强度和热压后手抄片孔隙率的影响。结果表明：随着单一树脂浸渍液用量的增加，热压前后手抄片的抗张强度均增加；单一树脂浸渍时，手抄片的孔隙率随浸渍量的增加而降低；当两种树脂复合浸渍时，热压后手抄片的抗张强度和孔隙率均随聚酰亚胺树脂比例的增加而增加，且手抄片抗张强度和孔隙率均比单一酚醛树脂浸渍时有所提高。陆赵情等[32]以酚醛树脂、聚酰亚胺和酚醛树脂复合两种浸渍液来浸渍丁腈胶乳预浸渍过的纸基摩擦材料原纸，研究不同浸渍条件对纸基摩擦材料摩擦磨损性能的影响。结果表明：当酚醛树脂浸渍量为24%时，酚醛树脂将纤维、填料、摩擦性能调节剂紧密地包裹在材料中，同时能看到大量的孔隙结构，并具有稳定的动摩擦系数、较低的磨损率；当聚酰亚胺和酚醛树脂复合浸渍时，随着聚酰亚胺含量的增加，摩擦力矩的稳定系数有一定增加，磨损率比单一酚醛树脂浸渍低。

除此之外，黏结树脂的浸胶方式、固化压力、温度及时间对纸基摩擦材料的物理性能也有一定的影响。任远春等[33]研究了固化压力对材料孔隙率、动摩擦因数、静动摩擦因数之比以及摩擦力矩曲线的影响。研究表明：孔隙率随固化压力增加而下降；动摩擦因数随制动压力的增加而下降；而静动摩擦因数之比随压力的增加分布趋势较为复杂，较低的固化压力条件下，静动摩擦因数之比略有上升，而较高的固化压力条件下静动摩擦因数之比则略有下降趋势；摩擦力矩曲线随固化压力升高有轻微翘曲出现。综合考虑固化压力对动摩擦因数、静动摩擦因数比值以及摩擦力矩曲线的影响，在这种纸基摩擦材料成分不变的条件下，其对应的较合适固化压力约为3.4 MPa。曹丽云等[34]研究了固化温度对纸基摩擦材料的影响。结果表明：固化温度高于或低于160℃时，材料的耐热性能减弱，树脂和竹纤维的热分解较严重，材料摩擦磨损性能稳定性差；160℃时，材料的磨损表面平整致密，在循环制动中动摩擦因数的波动性较小，摩擦力矩的变化较平稳，可以降低制动噪音。韦佳等[35]研究了真空浸胶对纸基摩擦材料孔隙率和摩擦磨损性能的影响。结果表明：采用真空浸胶工艺制备的纸基摩擦材料孔隙率稳定，一致性好。与常压浸胶纸基摩擦材料相比，采用真空浸胶的纸基摩擦材料的平均孔隙率高8%，2000次离合动平均动摩擦因数高14.29%，平均静摩擦因数高10.74%，平均磨损值低51.65%；除此之外，真空浸胶生产效率明显高于常压浸胶，且可节约原胶和溶剂用量。

3 摩擦性能调节剂

摩擦性能调节剂按其作用可分为增摩剂和减摩剂，可以调节动摩擦和静摩擦因数，改善耐磨性能。常用的减摩剂主要为具有层状结构的柔软固体，如石墨，其在各种摩阻材料中的应用较为广泛。Al2O3具有增摩效果好、价格便宜等特点，广泛应用于各类摩阻材料中[36-38]。

LU等[39]通过预成型获得了不同有机硅含量的纸基摩擦材料，表明在纸基摩擦材料中加入少量的有机硅可以提高纸基摩擦材料的静摩擦因数，但也会降低纸基摩擦材料的动摩擦因数和磨损率。当材料中有机硅的含量大于5%时，材料的磨损率趋于稳定。有机硅含量为7.5%的纸基摩擦材料的静摩擦因数最高，材料稳定性最好。

费杰等[40]研究了石墨含量对纸基摩擦材料磨损性能的影响。随着石墨含量增加，摩擦力矩曲线尾部翘起程度减小；动、静摩擦因数降低，且摩擦表面形成了润滑性能良好的固体润滑膜，从而磨损率减小。对照组纸基摩擦材料的磨损表面分布着尺寸较大的磨粒，且出现微裂纹。其还研究了Al2O3含量对纸基摩擦材料磨损性能的影响。结果表明，Al2O3含量对摩擦材料的孔隙率影响不大。随着Al2O3含量的增加，摩擦力矩曲线趋于平稳，摩擦因数升高，磨损率增大。

张翔等[41]研究了石墨粒度对纸基摩擦材料的摩擦磨损性能的影响，结果表明：随着石墨粒度的减小，摩擦表面形成了润滑性能良好的固体润滑膜，有利于提高材料的耐磨性能；制动时间增加，摩擦力矩曲线中间部分趋于平直；同时，动摩擦因数随着制动压力和转速的增加而减小。循环制动过程中，石墨粒度较小的试样制动稳定性较好。

4 总结与展望

纸基摩擦材料是汽车以及工程机械中重要的配件，截至目前，研究者针对提升摩擦材料的性能做了大量的研究，主要集中在对增强纤维的改性、黏结剂的应用以及摩擦性能调节剂的添加等方面。增强纤维的改性可以提升其在纸基中的成型以及结合，黏结树脂将各组分黏结成整体并传递和均衡载荷，摩擦性能调节剂对改善纸基摩擦材料的摩擦因数有重要作用。但是，当前对于高性能纤维的改性过程比较复杂，需探索简单高效的改性方式。