前言 

       用傳統(tǒng)的石棉摩阻材料制成的汽車制動器襯片，不但污染環(huán)境有致癌作用，而且工作壽命低，其在250℃以上工作時有熱衰退現(xiàn)象。因此，近二十年來世界各國都對石棉摩阻材料的生產(chǎn)與使用加以限制，并致力于研究新一代摩阻材料來取代石棉摩阻材料。本研究工作在采用正交設(shè)計優(yōu)化了碳纖維復(fù)合摩阻材料的基礎(chǔ)上，針對汽車制動器襯片的實際工況，研究了碳纖維復(fù)合摩阻材料的摩擦磨損特性及磨損機(jī)制。本研究結(jié)果為研制碳纖維復(fù)合材料汽車用制動襯片打下了基礎(chǔ)。

1 實驗材料、內(nèi)容及方法

1.1 實驗材料的成分設(shè)計與制備

        實驗材料系用碳纖維作增強(qiáng)纖維，改性酚醛樹脂作粘接劑并輔有各種性能調(diào)節(jié)劑與填料的多元組分體系。在材料成分配方設(shè)計中，采用了L16（45）正交優(yōu)化設(shè)計方法，并經(jīng)多輪實驗后，確定了碳纖維復(fù)合摩阻材料的經(jīng)濟(jì)實用型配方（見表1）：

表1 實驗用碳纖維復(fù)合摩阻材料的成分

注：碳纖維分別選用吉林炭素廠與遼源市碳纖維廠生產(chǎn)的高碳纖維、低碳纖維與預(yù)氧纖維，并按不同強(qiáng)度的碳纖維組分進(jìn)行實驗。

按上述配方（其中碳纖維的強(qiáng)度不同），將各組分經(jīng)過均勻混料、干燥處理后，用熱模壓成型壓制成碳纖維復(fù)合材料汽車制動襯片試樣[2]。

1.2 摩擦磨損實驗

在MM－200 磨損實驗機(jī)上進(jìn)行磨損實驗，實驗參數(shù)為：

摩擦壓力F=200kN
轉(zhuǎn)速n=400 rad/s
摩擦配副為直徑φ40mm，材質(zhì)為HT400 的磨輪。

采用感量萬分之一的精密天平稱量試樣的磨損量。在JSM－5310 型掃描電子顯微鏡上觀察磨損面的表面形貌。

磨損實驗結(jié)果處理后的數(shù)據(jù)見表2：

表2 磨損實驗結(jié)果處理

圖1 與圖2 為碳纖維表面經(jīng)過改性處理與未經(jīng)改性處理的SEM 照片。

圖1 經(jīng)表面處理的碳纖維摩阻材料的SEM 照片 圖2 未經(jīng)表面處理的碳纖維摩阻材料的SEM 照片

1.3 在D－MS 實驗機(jī)上進(jìn)行熱衰退實驗

         在300℃實驗溫度條件下，分別按摩擦系數(shù)和磨損率進(jìn)行實驗分析各組分的影響次序。實驗結(jié)果見表3。

表3 碳纖維不同表面狀態(tài)時的熱衰退實驗結(jié)果

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 碳纖維對摩阻材料摩擦磨損特性的影響

2.1.1 碳纖維含量對摩擦磨損特性的影響 

       碳纖維含量是影響本摩阻材料摩擦磨損性能的重要因素。實驗結(jié)果表明：當(dāng)碳纖維含量較低時（15%~19%）摩擦系數(shù)與磨損率隨碳纖維含量的增加而減少；而當(dāng)碳纖維含量較高（19%~25%）時摩擦系數(shù)與磨損率都隨著碳纖維含量的增加而增大。

       出現(xiàn)第一種現(xiàn)象是因為碳纖維屬“亂層石墨”式結(jié)構(gòu)，其本身具有良好的自潤滑性能，能起一定的減摩作用，致使摩擦系數(shù)減小[5]。在滑摩時，發(fā)生在摩擦界面上因碳纖維引起的犁削阻力較小，故此時碳纖維的減摩作用明顯，因而會呈現(xiàn)隨碳纖維含量增加摩擦系數(shù)與磨損率隨之減小的現(xiàn)象。

       出現(xiàn)第二種現(xiàn)象是因為當(dāng)碳纖維含量相當(dāng)高時，由于碳纖維比強(qiáng)度、比模量很高，故滑摩時的犁削阻力相當(dāng)大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了碳纖維的減摩作用，從而呈現(xiàn)出摩擦系數(shù)隨碳纖維含量的增加而增大的現(xiàn)象。同時，當(dāng)犁削阻力大于碳纖維機(jī)體的結(jié)合強(qiáng)度時就會發(fā)生磨損，故隨著碳纖維含量的繼續(xù)增加，磨損率也會增大。

2.1.2 碳纖維表面狀態(tài)對摩擦磨損特性的影響

       對碳纖維需進(jìn)行表面處理，以達(dá)到強(qiáng)化與粘接劑改性酚醛樹脂的潤濕與粘接的目的。

       將對碳纖維進(jìn)行表面改性處理的與未經(jīng)處理的試樣進(jìn)行對比實驗。碳纖維進(jìn)行表面改性處理的工藝是：將碳纖維置于50％的硝酸水溶液中處理24h 后取出，用水沖洗干凈并作干燥處理后，再進(jìn)行混料。

      碳纖維與基體的粘接力在很大程度上取決于其表面性質(zhì)。未經(jīng)表面改性處理的碳纖維，由于其表面惰性，與粘接劑的相溶性差，致使摩阻材料的抗剪強(qiáng)度低，當(dāng)對碳纖維進(jìn)行表面改性處理后，會使其表面的沉積物減小，表面粗糙度增大，進(jìn)而提高強(qiáng)度并增大摩擦系數(shù)，有利于提高錨固作用。圖3 與圖4 為碳纖維表面經(jīng)改性處理與未經(jīng)改性處理的摩擦材料的摩擦系數(shù)和磨損率對比。

圖3 碳纖維不同表示形態(tài)時的摩阻材料的摩擦系數(shù) 圖4 碳纖維不同表示形態(tài)時的摩阻材料的摩損率

經(jīng)過改性處理的碳纖維與基體結(jié)合好而緊密。這是因為經(jīng)處理后碳纖維表面含氧官能團(tuán)增多，提高了碳纖維與粘接劑的反應(yīng)性，因而碳纖維自身的浸溶性提高，也增加了碳纖維與粘接劑的結(jié)合強(qiáng)度。因此，經(jīng)改性處理后的碳纖維復(fù)合摩阻材料表面現(xiàn)出較好的摩擦磨損性能。圖5 是用23%的碳纖維所制成的制動襯片的溫度與摩擦系數(shù)，時間與摩擦系數(shù)的關(guān)系。

圖5 摩擦系數(shù)與溫度和時間的關(guān)系

2.1.3 碳纖維強(qiáng)度對摩擦磨損性能的影響

      實驗結(jié)果表明碳纖維強(qiáng)度越大，用其增強(qiáng)的摩阻材料的磨損系數(shù)也越大。這是因為碳纖維的比強(qiáng)度和比模量越高，摩擦?xí)r抗犁削阻力就越大，因此摩擦系數(shù)也越高。

2.2 碳纖維對摩阻材料抗熱衰退性的影響

圖6 碳纖維的疲勞特性 圖7 碳纖維的蠕變特性

碳纖維復(fù)合摩阻材料具有較高的強(qiáng)度( sb =17MPa， t = 90MPa)，彈性模量（125GPa），故其具有較高的疲勞特性、蠕變特性（圖6、圖7）[1]。此外它還因碳纖維具有良好的導(dǎo)熱性，高溫性能好，故在高溫條件下能減小犁削深度并減小材料表面層的剝落，抵御磨料運動的能力增強(qiáng)。所以碳纖維復(fù)合摩阻材料的抗熱衰退性能好，明顯優(yōu)于石棉摩阻材料與半金屬摩阻材料。在D－MS 實驗機(jī)上將碳纖維復(fù)合材料制動器襯片與日本產(chǎn)的半金屬制動器襯片和國產(chǎn)石棉制動器襯片進(jìn)行的對比實驗結(jié)果見表4。

表4 三種制動器襯片摩擦磨損性能對比實驗結(jié)果

經(jīng)在中科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所進(jìn)行熱重分析（TAG），測定摩阻材料不同深度表面層中有機(jī)組分的含量，進(jìn)而求出熱影響表面層的深度。測定結(jié)果為：碳纖維摩阻材料的熱影響表面層深度小于0.55mm，石棉摩阻材料為0.75mm，這證明了由于碳纖維導(dǎo)熱率高，會使材料內(nèi)場的溫度梯度下降，熱分解層薄，因而碳纖維摩阻材料在很高的溫度時摩擦磨損性能很穩(wěn)定，提高了工作性能和抗熱衰退性能。其主要性能指標(biāo)達(dá)到了GB5736－1998《汽車用制動器襯片》的標(biāo)準(zhǔn)值：

摩擦溫度 100℃ 250℃ 300℃
摩擦系數(shù) 0.42±0.06 0.42±0.09 0.42±0.1
磨損率 ≤0.10 ≤0.41 ≤0.60

2.3 碳纖維復(fù)合材料的磨損特性與磨損機(jī)理

2.3.1 碳纖維復(fù)合摩阻材料的摩擦磨損特性 

       由于碳纖維具有很高的強(qiáng)度和彈性模量，并且具有很好的耐蠕變性、導(dǎo)熱性，將其進(jìn)行表面改性處理后，以較高的組分制成的碳纖維復(fù)合摩阻材料具有良好的摩擦磨損特性。

       在工作溫度低于250℃時，碳纖維復(fù)合摩阻材料的摩擦系數(shù)較高，且穩(wěn)定在0.32~0.44 之間，在此溫度范圍之內(nèi)磨損率變化也很小。

       在滑摩速度為0.6m/s，載荷為200kN 時，碳纖維復(fù)合摩阻材料的磨損特性相當(dāng)穩(wěn)定，且回復(fù)性好，抗熱衰退性能好，基本上不發(fā)生蠕變。

2.3.2 碳纖維復(fù)合摩阻材料的磨損機(jī)理 

       在工作狀態(tài)下，碳纖維復(fù)合摩阻材料制成的制動襯片與制動盤滑摩時，摩阻材料的磨損與比壓和滑摩速度成正比。在工作過程中，其接觸壓和磨損是在內(nèi)外側(cè)交替進(jìn)行的，最終會使摩擦襯片沿徑向的磨損保持均勻。在制動時，第一階段因滑動速度較高在摩阻材料表面的磨損機(jī)制主要是犁削磨損。隨著制動過程的進(jìn)行，第二階段磨損除了犁削磨損外還有粘著磨損，磨屑中有顯微切屑與片狀剝落。由于碳纖維復(fù)合摩阻材料表面層強(qiáng)度高，耐疲勞性好，故能有效地抵御制動盤的磨料壓入，而使犁削深度和表層材料的轉(zhuǎn)移磨失體積減小。在溫度升高時，由于碳纖維自身具有強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性與減摩性能好，故能有效地降低粘著磨損，減少剝離磨損。在反復(fù)制動的動態(tài)接觸中，因其磨損系統(tǒng)呈現(xiàn)“襯片均勻磨損”特征，再加之碳素纖維具有良好的導(dǎo)熱性和耐蠕變性，故碳素纖維復(fù)合磨阻材料具有較高的摩擦磨損性能。

3 結(jié)論 

       目前國內(nèi)外對開發(fā)新型摩阻材料及對其磨損機(jī)理的研究已進(jìn)行了大量的工作。但因碳纖維復(fù)合摩阻材料是一種新型復(fù)合材料，其工作過程的磨損是涉及到摩擦系統(tǒng)的外部條件和材料組成因素的復(fù)雜的物理—化學(xué)過程，對其摩擦學(xué)性能的研究大多都局限于一定的試驗條件或以經(jīng)驗為依據(jù)。有關(guān)其磨損機(jī)理的研究和磨損模型的建立還有待于繼續(xù)深入與完善，本文主要結(jié)合轎車盤式制動器摩擦塊的國產(chǎn)化，采用碳纖維作增強(qiáng)纖維，通過系統(tǒng)試驗分析，得出了碳纖維復(fù)合摩阻材料的磨損特性及其優(yōu)點如下：

      1）碳纖維復(fù)合摩阻材料是性能優(yōu)異的新一代摩阻材料，其摩擦系數(shù)較高，抗熱衰退性能好，工作壽命是石棉摩阻材料的2~3 倍。

      2）碳纖維的組分與表面狀態(tài)、強(qiáng)度對碳纖維復(fù)合摩阻材料的摩擦磨損性能有顯著的影響，本研究中通過優(yōu)化碳纖維含量（19%~25%），選用高強(qiáng)度并經(jīng)表面改性處理的碳纖維設(shè)計的復(fù)合摩阻材料，具有較高的摩擦磨損性能。實際應(yīng)用時，呈現(xiàn)出摩擦平穩(wěn)和良好的制動性能。

      3）碳纖維復(fù)合摩阻材料的磨損機(jī)制主要是犁削磨損和粘著磨損 。由高強(qiáng)度、耐疲勞、導(dǎo)熱性好且具有減摩作用的碳纖維組分制成的復(fù)合摩阻材料能減小犁削深度，降低粘著磨損。