摘　要：对复合材料整体摩擦因数与其各组分摩擦因数之间关系进行了理论分析，并通过实验进行了验证，结果表明，在一定条件下，复合材料整体摩擦因数与其各组分摩擦因数之间存在线性关系。
关键词：复合材料 摩擦因数 化学性质

　　以树脂为粘合剂的有机复合材料是生产汽车制动摩擦片的主要材料，其摩擦因数的大小和稳定性严重影响车辆行驶安全性，是设计配方必须优先考虑的参数。制动摩擦片是由多种材料复合而成，其摩擦因数一般要靠配方设计者的经验和大量实验改进才能达到较理想数值。这不仅影响了产品开发周期，也增加了产品开发的成本。
　　摩擦片的摩擦因数与所选择的材料有直接的关系，本实验对该关系进行了初步的探索，以期为摩擦片配方设计提供指导。

1　实验部分

1.1　理论基础本实验是基于以下3个假设：
　　① 摩擦材料与对偶之间产生的摩擦力，是摩擦材料表面上参与摩擦的所有微小单元即材料粒子共同作用的结果，是所有参与摩擦的粒子产生的摩擦力总和。
　　② 每个参与摩擦的材料粒子的摩擦力等于该粒子摩擦因数与所承受的正压力之积。
　　③ 分布在摩擦材料表面上的粒子比例与该种材料在配方中所占比例相同，即组成摩擦材料的原料颗粒在产品中呈绝对均匀分布。
　　假设某复合材料由A、B、C 3种材料组成，则复合材料表面分布着这3种材料的颗粒。当复合材料与某一平面进行摩擦时，已知接触面积为S，受到的压强为P，摩擦因数为μ，则复合材料受到的摩擦力为：

　　3种材料摩擦因数分别为μ_A、μ_B、μ_C，其占接触面的面积比分别为ω_A、ω_B、ω_C，受到压强为P，则3种材料产生的摩擦力分别为F_A=μ_Aω_ASp、F_B=μ_Bω_BSp、F_C=μ_Cω_CSp。复合材料总摩擦力等于3种材料的合力：

　　由式(1)和式(2)可得：

　　如果某种复合材料由多种成分组成，摩擦因数分别为μ₁、μ₂、μ₃....，各成分占复合材料的体积比例分别为ω₁、ω₂、ω₃.....，那么复合材料的摩擦因数F为：

　　式中，C为修正值，受其它因素影响。由式(4)可知，复合材料摩擦因数与其各组分的摩擦因数成线性关系。
1.2　原材料及仪器LFC-101纤维、纸纤维、钢纤维、有机纤维、还原铁粉、石墨、树脂、铁粉、蛭石、重晶石、氧化镁、摩擦粉。JF810S实验室用混料机、JFY60压机、JF151定速实验机。
1.3　试样制备实验均在JF151试验机上进行，摩擦盘材料为铸铁，实验温度均为100℃，加载压力为1225N，经过磨合后，取摩擦盘旋转5000 r所测得试块摩擦因数的平均值。本实验用到的材料均为纤维状和粉末状，无法直接测试它们的摩擦因数，必须将其压成易于测量的试块，试样按照汽车摩擦片的生产工艺制备，包括称量、混料、压制、切割4个步骤，所有试块均采用酚醛树脂作为粘合剂，由于酚醛树脂的摩擦因数难以测定，其摩擦因数不参与计算，在制备试块时，每种单一材料试块和整体试块配方中均加入了8％ 酚醛树脂，以减少其对实验结果的影响。

2　结果与讨论

2.1　实验结果分析实验配方见表1，配方中每种材料的密度和摩擦因数见表2。

　　由表1中每种材料的质量及表2中密度值，可求得每种材料的体积V_i=m_i／P_i，进而计算出其占整个配方的体积百分比ω_i：

　　式中： ，由于各种材料的粒子大小不一样，V_总不等于复合材料整体试块的体积。每种材料所占体积百分比计算结果见表3。

　　由表2、表3及式（4）可得配方1试块的摩擦因数μ：

　　同理可求得配方2和配方3的摩擦因数分别为0.41和0.355。计算所得理论摩擦因数与实测摩擦因数对比，见表4。

　　由于摩擦因数受外界条件影响较大，特别是温度条件，因此在刹车片实际生产中，其摩擦因数变化小于10％均在合理范围内。由表4可知，3组配方的相对误差均小于10％，可认为理论摩擦因数与实测摩擦因数一致。
2.2　不同纤维材料的影响纤维增强体对复合材料的
　　摩擦性能影响较大，4种不同纤维状复合材料配方见表5，其摩擦性能见表6。其中纸纤维密度为1.28 g/cm³，摩擦因数为0.402；钢纤维密度为3.133 g／cm³，摩擦因数为0.501；有机纤维密度为1.249 g／cm³，摩擦因数为0.693。

　　由表6可知，不同纤维复合材料摩擦性能实验结果相差较大，可能主要受混料均匀性的影响，刚纤维和有机纤维混料较困难，所以相对误差较大。
2.3　温度的影响　温度是影响摩擦因数较重要的因素，分别测试了配方4在100℃、150℃、200℃和250℃下的摩擦因数，结果见表7。由表7可知，随着温度升高，实验误差急剧变大，这主要是因为温度升高使材料的化学性质变得活跃，一些材料的热力学性质、粘弹性能和其它物理性质急剧改变，从而导致摩擦因数变化较大。

2.4　材料化学性质的影响　如果在制备试块的过程中发生了化学变化，生成新的物质，配方中每种材料的比例相应发生变化，会严重影响实验结果的准确性。利用摩擦粉和石墨进行了对比实验，摩擦粉化学性质不稳定，热膨胀性很强，石墨化学性质非常稳定，对比实验见表8。由表8可知，含摩擦粉配方的相对误差明显大于含石墨配方，这说明化学性质对实验结果有很大影响。

3　结论

　　1.复合材料的摩擦因数与组成该复合材料的每种材料的摩擦因数有关，在混料均匀、每种材料不发生化学变化的情况下，复合材料摩擦因数与其各组分摩擦因数成线性关系。
　　2.实验受温度、材料化学性质、混料均匀性等因素影响较大，有待于进一步研究。