玻璃纤维增强酚醛基摩擦材料摩擦磨损性能研究
西安交通大学学报玻璃纤维增强酚醛基摩擦材料摩擦磨损性能研究李志军，韦玮，程光旭，吕伟（西安交通大学， 710049，西安）棉摩擦材料，其各项性能均达到汽车制动器衬片GB5763 86的规定，可作为目前常用石棉摩擦材料的更新换代产品。通过详细研究玻璃纤维（简称玻纤）的质量分数、长度及表面状态对材料摩擦磨损性能的影响，得出玻纤的佳质量分数为15 ～25 ，佳长度为4～8 mm .研究结果还表明，采用热处理、等离子体处理和偶联剂处理后的玻纤，可以大大降低磨损量和改善材料的摩擦磨损性能。
长期以来，石棉型摩擦材料以其摩擦因数高、磨损量小、成本低、密度小以及不宜损伤对偶材料等优点，而被广泛应用。随着现代汽车向高速化、重载化方向的发展，鼓式制动器已被轻小的盘式制动器所代替，因此对摩擦材料也提出了更高的要求。据报导，在高速行驶条件下制动时，盘式制动器衬片的发2，表面温度可达400℃以上，石棉型摩擦材料因为高温脱水而失去效能。
料与工程系，副教授。
同时，由于石棉及其高温分解物具有强烈的致癌作用，所以许多已开始禁止使用石棉摩擦材料。我国目前绝大部分汽车采用的还是石棉摩擦材料，只有少数高级轿车生产厂家采用进口的无石棉摩擦材料，但价格昂贵，因而迫切需要研制出新型国产无石棉摩擦材料。
目前，国内无石棉摩擦材料的研究非常活跃，所采用的增强纤维有钢纤维、碳纤维、有机纤维、沥青碳纤维以及混杂纤维等[ 2～5].也有不用纤维增强的摩擦材料，如粉末冶金材料[ 6 ，7]，但它们都存在着成本过高和工艺复杂等问题。本文采用改性玻璃纤维制备摩擦材料，主要是因为玻璃纤维与石棉性质接近，对人体无害和成本较低。玻璃纤维作为增强材料的大问题在于磨损量大[ 8]，因此本文着重对玻璃纤维的质量分数、长度及表面状态对材料摩擦磨损性能的影响进行了细致的研究，对玻璃纤维增强树脂基摩擦材料的组成、配方和界面状态进行了优化设计，目的是稳定摩擦因数，降低磨损量。
1实验1 .1原材料在实验中，以经过表面处理的玻璃纤维为增强材料，自制丁氰改性酚醛树脂为基体，配以其他填料和摩擦性能调节剂，研制出了新型摩擦材料。通过前期正交实验，分析得出了优化配方，所用原材料及其配比 .
原料质量分数/ 生产单位酚醛树脂西安树脂厂丁氰橡胶兰化公司玻璃纤维陕西玻纤厂填料摩擦性能调节剂其他各类助剂1 .2制备工艺玻璃纤维表面处理工艺是将玻璃纤维在300℃下灼烧10 min ，然后放入JS 450A型射频溅射装置内进行等离子体处理，后放入1 ～2 有机硅烷偶联剂溶液中浸润30 min ，烘干后即可得到表面处理好的玻璃纤维。
摩擦材料制备工艺是将表1中的各组分按照比例加入捏合机中混合均匀，然后将物料装入模具中，在温度为（170±5）℃、压力为20 MPa的条件下压制成形，压制时间为1～2 min/mm .后在（180±5 ）℃的条件下，热处理6～8 h ，即得到摩擦材料样品。
1 .3性能检测摩擦、磨损性能实验根据GB5763 86在D MS定速式实验机上进行。试样尺寸为25 mm×25 mm×6 mm ，对偶盘材料为HT200珠光体组织，其硬度为HB170～ ，转速为400 r/min ，试样数量为2个，沿同一直径方向对称布置，压紧力为0.98 2结果与讨论2 .1玻璃纤维表面状态的影响玻纤由于自身脆性大、硬度高，用其制成的复合材料往往磨损量也大。为了减少磨损量，提高摩擦因数的稳定性，本文采用了特殊表面处理工艺对玻璃纤维进行了改性，以提高它的韧性和表面的浸润能力，并分别采用表面处理及未处理玻纤制成制件，其摩擦磨损性能的对比曲线如图1所示。其中，玻璃纤维的质量分数w分别为15 和25 μ为摩擦因数V为磨损量。
由图1可以看出，经过表面处理后，由玻璃纤维制成的摩擦材料，其摩擦磨损性能均有大幅度改善，如摩擦因数增加、稳定性增强及磨损量下降等。这主要是因为纤维增强摩擦材料是一种多组分的复合材料，玻纤同其他组分一样，是依靠树脂粘接在一起而成为一个整体的。由于玻璃纤维与其他组分间的结合强度远远低于其自身的强度，所以摩擦材料的整体性能在很大程度上，直接决定于玻璃纤维与其他组分间的界面状况。经过表面热处理的玻璃纤维，其表面残留的石蜡型纺织浸润剂得到了清除，有利于玻璃纤维表面与其他组分结合同时，用等离子体处理使玻璃纤维表面得到了刻蚀粗化，产生了新的表面，比表面积增加，从而改善了玻璃纤维的表面浸润性。有机硅烷偶联剂一方面与玻璃纤维表面反应生成醚键，另一方面则与树脂基团结合，依靠自身的不同基团将玻纤与基体树脂很好地连接起来。同时，其中的氨基也对酚醛树脂的固化起到了促进作用，并提高了界面的结合性能。由于摩擦材料的摩擦磨损性能主要取决于各组分间的界面组成情况，因此当摩擦材料在负载工作时，玻璃纤维将更不易被剥离、拉拔，从而使摩擦力矩增加、摩擦因数增大、磨损量减小。研究表明，采用上述处理的玻璃纤维，能使材料的磨损量大大降低。
2 .2玻璃纤维质量分数的影响在纤维增强树脂基的摩擦材料中，增强纤维的主要作用是使材料具有一定的强度、韧性和良好的摩擦磨损性能，同时具有优良的抗冲击、剪切和弯曲等机械作用的性能，而不至于出现裂纹、断裂和崩缺等机械损伤。因此，增强纤维的种类与质量分数，对摩擦材料的摩擦磨损性能、冲击性能有很大影响。图2是在其他条件相同的情况下，玻纤（表面处理过）的w分别为6 、15 、25 、35 时的摩擦材料样品的摩擦因数、磨损量与温度的关系曲线。
从图2可见，随着w的增加（在35 以内），摩擦因数在总体上呈先增后减趋势，而磨损量则是先减后增，即当w为15 和25 时，摩擦因数较高，磨损量较低且稳定性能也好。如前所述，摩擦材料的整体性能在很大程度上，直接决定于玻璃纤维与其他组分间的界面状况。摩擦学研究表明，在两对偶件的接触表面上，各组分对摩擦因数都有贡献，其中以玻璃纤维在摩擦过程中被拉伸、剪切和剥落而产生对材料摩擦磨损性能的影响的摩擦力矩为大。当w较小时，材料还得不到充分增强，玻璃纤维产生的摩擦力矩较小，各类填料容易剥落，因而摩擦因数较小，磨损量较大当w增加时，材料的整体结构逐渐得到增强，摩擦力矩随之增加，摩擦因数也增加，由于各类填料不需要经受过大的摩擦力矩，这使材料的磨损量降低当w过大时，基体树脂的质量分数就会相对不足，玻璃纤维容易被拉出、剥落，因此摩擦力矩降低、摩擦因数减小，导致磨损量急剧增加。由上述数据可知，所研制摩擦材料的摩擦磨损性能参数均符合GB5763 86的规定，但与石棉摩擦材料相比，其磨损量仍有所增加，这主要是由于玻璃纤维的硬度较高、脆性大、比表面积远小于石棉纤维，以及与基体树脂的结合强度不如石棉等原因造成的。
2 .3玻璃纤维长度的影响在纤维增强复合材料中，增强纤维的长度及其分布状况，对材料的力学性能和加工性能都起到了举足轻重的作用。同理，在纤维增强树脂基摩擦材料中，玻璃纤维的长度L对材料的摩擦、磨损、冲击及其加工性能也有很大影响。文中分别选取L为1备摩擦材料，其摩擦因数及磨损量与温度的关系曲线如图3所示。
对材料摩擦磨损性能的影响的增加，摩擦因数先增加后减小，而磨损量则呈先减小后增加的趋势。对于每件试样，其摩擦因数随着温度的上升而略有波动，磨损量则随着温度的上升而增加。其主要原因是，摩擦材料的摩擦磨损性能在很大程度上取决于玻璃纤维及其他组分间的界面组成情况。当玻璃纤维的长度过短时，几乎相当于长棒状填料，而起不到增强作用。
由于长度较短时其比表面积和吸油量增大，造成基体树脂相对不足，界面粘接性能很差，因此由玻璃纤维被剥落拉拔所产生的摩擦力矩和摩擦因数的减小，引起磨损量增大且不稳定。随着玻璃纤维长度的增加，玻璃纤维的增强作用逐渐得到发挥，比表面积与树脂的比例适中，使界面结合状况得到改善。但是，当玻璃纤维过长时，由于其混合性能变差，难以与其他物料混合均匀，特别是玻璃纤维太长时，其受压后的回弹性很严重，使加工性能变差，也会造成材质疏松，使界面结合强度变低，导致摩擦材料性能不稳定、摩擦因数减小、磨损量大大增加。研究表明，玻璃纤维的长度以4～8 mm为宜。
3结论（1）采用经过表面高温灼烧、等离子体和偶联剂处理后的玻璃纤维，可以大大降低摩擦材料的磨损量，提高摩擦因数的稳定性。由其制得的摩擦材料，摩擦磨损性能均符合GB5763 86的规定。
（2）在摩擦材料中， w黄毅，顾宜，刘新华。耐热性汽车制动材料的研究瞿雄伟，王晓平。汽车制动无石棉摩擦材料[ J] .塑刘震云，黄伯云，苏堤，等。汽车摩擦材料增强纤维研谢仁华，丁宗禹，申海平，等。几种改性酚醛树脂对石油沥青碳纤维摩擦复合材料性能的影响[ J] .石油炼制与关庆丰，李光玉，李晓宇，等。碳纤维对增强的摩阻材料的摩擦磨损性能的影响[ J] .吉林工业大学学报， 1997，[ 6]袁国洲，张兆森。铁铜基干式摩擦材料研制[ J] .非金[ 7]银贵晨。新型无石棉材料的研制[ J] .绝缘材料通讯，[ 8]曾天卷，陶毕华，朱瑞宏。玻璃纤维在摩擦材料领域的
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长期以来，石棉型摩擦材料以其摩擦因数高、磨损量小、成本低、密度小以及不宜损伤对偶材料等优点，而被广泛应用。随着现代汽车向高速化、重载化方向的发展，鼓式制动器已被轻小的盘式制动器所代替，因此对摩擦材料也提出了更高的要求。据报导，在高速行驶条件下制动时，盘式制动器衬片的发2，表面温度可达400℃以上，石棉型摩擦材料因为高温脱水而失去效能。
料与工程系，副教授。
同时，由于石棉及其高温分解物具有强烈的致癌作用，所以许多已开始禁止使用石棉摩擦材料。我国目前绝大部分汽车采用的还是石棉摩擦材料，只有少数高级轿车生产厂家采用进口的无石棉摩擦材料，但价格昂贵，因而迫切需要研制出新型国产无石棉摩擦材料。
目前，国内无石棉摩擦材料的研究非常活跃，所采用的增强纤维有钢纤维、碳纤维、有机纤维、沥青碳纤维以及混杂纤维等[ 2～5].也有不用纤维增强的摩擦材料，如粉末冶金材料[ 6 ，7]，但它们都存在着成本过高和工艺复杂等问题。本文采用改性玻璃纤维制备摩擦材料，主要是因为玻璃纤维与石棉性质接近，对人体无害和成本较低。玻璃纤维作为增强材料的大问题在于磨损量大[ 8]，因此本文着重对玻璃纤维的质量分数、长度及表面状态对材料摩擦磨损性能的影响进行了细致的研究，对玻璃纤维增强树脂基摩擦材料的组成、配方和界面状态进行了优化设计，目的是稳定摩擦因数，降低磨损量。
1实验1 .1原材料在实验中，以经过表面处理的玻璃纤维为增强材料，自制丁氰改性酚醛树脂为基体，配以其他填料和摩擦性能调节剂，研制出了新型摩擦材料。通过前期正交实验，分析得出了优化配方，所用原材料及其配比 .
原料质量分数/ 生产单位酚醛树脂西安树脂厂丁氰橡胶兰化公司玻璃纤维陕西玻纤厂填料摩擦性能调节剂其他各类助剂1 .2制备工艺玻璃纤维表面处理工艺是将玻璃纤维在300℃下灼烧10 min ，然后放入JS 450A型射频溅射装置内进行等离子体处理，后放入1 ～2 有机硅烷偶联剂溶液中浸润30 min ，烘干后即可得到表面处理好的玻璃纤维。
摩擦材料制备工艺是将表1中的各组分按照比例加入捏合机中混合均匀，然后将物料装入模具中，在温度为（170±5）℃、压力为20 MPa的条件下压制成形，压制时间为1～2 min/mm .后在（180±5 ）℃的条件下，热处理6～8 h ，即得到摩擦材料样品。
1 .3性能检测摩擦、磨损性能实验根据GB5763 86在D MS定速式实验机上进行。试样尺寸为25 mm×25 mm×6 mm ，对偶盘材料为HT200珠光体组织，其硬度为HB170～ ，转速为400 r/min ，试样数量为2个，沿同一直径方向对称布置，压紧力为0.98 2结果与讨论2 .1玻璃纤维表面状态的影响玻纤由于自身脆性大、硬度高，用其制成的复合材料往往磨损量也大。为了减少磨损量，提高摩擦因数的稳定性，本文采用了特殊表面处理工艺对玻璃纤维进行了改性，以提高它的韧性和表面的浸润能力，并分别采用表面处理及未处理玻纤制成制件，其摩擦磨损性能的对比曲线如图1所示。其中，玻璃纤维的质量分数w分别为15 和25 μ为摩擦因数V为磨损量。
由图1可以看出，经过表面处理后，由玻璃纤维制成的摩擦材料，其摩擦磨损性能均有大幅度改善，如摩擦因数增加、稳定性增强及磨损量下降等。这主要是因为纤维增强摩擦材料是一种多组分的复合材料，玻纤同其他组分一样，是依靠树脂粘接在一起而成为一个整体的。由于玻璃纤维与其他组分间的结合强度远远低于其自身的强度，所以摩擦材料的整体性能在很大程度上，直接决定于玻璃纤维与其他组分间的界面状况。经过表面热处理的玻璃纤维，其表面残留的石蜡型纺织浸润剂得到了清除，有利于玻璃纤维表面与其他组分结合同时，用等离子体处理使玻璃纤维表面得到了刻蚀粗化，产生了新的表面，比表面积增加，从而改善了玻璃纤维的表面浸润性。有机硅烷偶联剂一方面与玻璃纤维表面反应生成醚键，另一方面则与树脂基团结合，依靠自身的不同基团将玻纤与基体树脂很好地连接起来。同时，其中的氨基也对酚醛树脂的固化起到了促进作用，并提高了界面的结合性能。由于摩擦材料的摩擦磨损性能主要取决于各组分间的界面组成情况，因此当摩擦材料在负载工作时，玻璃纤维将更不易被剥离、拉拔，从而使摩擦力矩增加、摩擦因数增大、磨损量减小。研究表明，采用上述处理的玻璃纤维，能使材料的磨损量大大降低。
2 .2玻璃纤维质量分数的影响在纤维增强树脂基的摩擦材料中，增强纤维的主要作用是使材料具有一定的强度、韧性和良好的摩擦磨损性能，同时具有优良的抗冲击、剪切和弯曲等机械作用的性能，而不至于出现裂纹、断裂和崩缺等机械损伤。因此，增强纤维的种类与质量分数，对摩擦材料的摩擦磨损性能、冲击性能有很大影响。图2是在其他条件相同的情况下，玻纤（表面处理过）的w分别为6 、15 、25 、35 时的摩擦材料样品的摩擦因数、磨损量与温度的关系曲线。
从图2可见，随着w的增加（在35 以内），摩擦因数在总体上呈先增后减趋势，而磨损量则是先减后增，即当w为15 和25 时，摩擦因数较高，磨损量较低且稳定性能也好。如前所述，摩擦材料的整体性能在很大程度上，直接决定于玻璃纤维与其他组分间的界面状况。摩擦学研究表明，在两对偶件的接触表面上，各组分对摩擦因数都有贡献，其中以玻璃纤维在摩擦过程中被拉伸、剪切和剥落而产生对材料摩擦磨损性能的影响的摩擦力矩为大。当w较小时，材料还得不到充分增强，玻璃纤维产生的摩擦力矩较小，各类填料容易剥落，因而摩擦因数较小，磨损量较大当w增加时，材料的整体结构逐渐得到增强，摩擦力矩随之增加，摩擦因数也增加，由于各类填料不需要经受过大的摩擦力矩，这使材料的磨损量降低当w过大时，基体树脂的质量分数就会相对不足，玻璃纤维容易被拉出、剥落，因此摩擦力矩降低、摩擦因数减小，导致磨损量急剧增加。由上述数据可知，所研制摩擦材料的摩擦磨损性能参数均符合GB5763 86的规定，但与石棉摩擦材料相比，其磨损量仍有所增加，这主要是由于玻璃纤维的硬度较高、脆性大、比表面积远小于石棉纤维，以及与基体树脂的结合强度不如石棉等原因造成的。
2 .3玻璃纤维长度的影响在纤维增强复合材料中，增强纤维的长度及其分布状况，对材料的力学性能和加工性能都起到了举足轻重的作用。同理，在纤维增强树脂基摩擦材料中，玻璃纤维的长度L对材料的摩擦、磨损、冲击及其加工性能也有很大影响。文中分别选取L为1备摩擦材料，其摩擦因数及磨损量与温度的关系曲线如图3所示。
对材料摩擦磨损性能的影响的增加，摩擦因数先增加后减小，而磨损量则呈先减小后增加的趋势。对于每件试样，其摩擦因数随着温度的上升而略有波动，磨损量则随着温度的上升而增加。其主要原因是，摩擦材料的摩擦磨损性能在很大程度上取决于玻璃纤维及其他组分间的界面组成情况。当玻璃纤维的长度过短时，几乎相当于长棒状填料，而起不到增强作用。
由于长度较短时其比表面积和吸油量增大，造成基体树脂相对不足，界面粘接性能很差，因此由玻璃纤维被剥落拉拔所产生的摩擦力矩和摩擦因数的减小，引起磨损量增大且不稳定。随着玻璃纤维长度的增加，玻璃纤维的增强作用逐渐得到发挥，比表面积与树脂的比例适中，使界面结合状况得到改善。但是，当玻璃纤维过长时，由于其混合性能变差，难以与其他物料混合均匀，特别是玻璃纤维太长时，其受压后的回弹性很严重，使加工性能变差，也会造成材质疏松，使界面结合强度变低，导致摩擦材料性能不稳定、摩擦因数减小、磨损量大大增加。研究表明，玻璃纤维的长度以4～8 mm为宜。
3结论（1）采用经过表面高温灼烧、等离子体和偶联剂处理后的玻璃纤维，可以大大降低摩擦材料的磨损量，提高摩擦因数的稳定性。由其制得的摩擦材料，摩擦磨损性能均符合GB5763 86的规定。
（2）在摩擦材料中， w黄毅，顾宜，刘新华。耐热性汽车制动材料的研究瞿雄伟，王晓平。汽车制动无石棉摩擦材料[ J] .塑刘震云，黄伯云，苏堤，等。汽车摩擦材料增强纤维研谢仁华，丁宗禹，申海平，等。几种改性酚醛树脂对石油沥青碳纤维摩擦复合材料性能的影响[ J] .石油炼制与关庆丰，李光玉，李晓宇，等。碳纤维对增强的摩阻材料的摩擦磨损性能的影响[ J] .吉林工业大学学报， 1997，[ 6]袁国洲，张兆森。铁铜基干式摩擦材料研制[ J] .非金[ 7]银贵晨。新型无石棉材料的研制[ J] .绝缘材料通讯，[ 8]曾天卷，陶毕华，朱瑞宏。玻璃纤维在摩擦材料领域的
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