湿式离合器用纸基摩擦片的研究进展

原灵霞　颜红侠　贾园　李婷婷

摘要：纸基摩擦片是一种多孔湿式摩擦材料，因其具有良好的摩擦特性而广泛应用于车辆及工程机械的自动变速器和制动器中。简要介绍了纸基摩擦片的摩擦磨损机理，综述了近年来通过改进原料配方、制备工艺和油槽结构提高纸基摩擦片性能的进展，并对纸基摩擦片的发展趋势进行了展望。

关键词：纸基摩擦片；多孔；摩擦磨损机理；摩擦性能

中图分类号：TQ327 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2014）06-0083-04

纸基摩擦材料出现于上世纪50年代末，至今经历了由早期的纤维素增强纸基，石棉增强纸基和高品质纸基摩擦材料的3代发展[1]。该种材料已广泛应用于汽车、船舶、工程机械、矿山机械等领域的离合器、制动器中。

随着纸基摩擦片的应用从轻载车辆向重载车辆过渡，对纸基摩擦片性能的要求也有所提高。GB/T 21955—2008《农林拖拉机和机械纸基摩擦片技术条件》对纸基摩擦片的摩擦性能作出了严格规定，要求动摩擦系数0.11～0.14，静摩擦系数0.12～0.17，磨损率小于5×10-8 cm3/J。GB/T 13826—2008《湿式（非金属类）摩擦材料》规定：用于汽车、拖拉机和工程机械的纸基摩擦片的动摩擦系数0.15～0.19，静摩擦系数大于0.15，磨损率小于6×10-5 cm3/J，密度0.6～3.0 g/cm3，孔隙率25%～50%。

为了提高纸基摩擦材料的性能，保证机械的工作效率，研究者对纸基摩擦材料的摩擦机理进行了大量研究。主要是通过原料配方、制备工艺和沟槽结构的改进来提高纸基摩擦片的摩擦磨损性能和力学性能。

1 摩擦磨损机理研究

在车辆的自动变速装置中，纸基摩擦材料通过与对偶片的相互作用而达到能量传输的目的。根据接合压力的不同，可以将纸基摩擦材料与对偶片的接合过程分为3个阶段：挤压段、混合表面接触段及压紧接触段。随着纸基摩擦材料和对偶盘之间的润滑油被逐渐挤压出接触面，润滑状态由流体润滑过渡到混合接触润滑，最后形成边界润滑。实际接触面积和润滑状态是影响纸基摩擦材料性能的重要因素。

H.Gao[2]利用Weibull密度分布建立了纸基湿式摩擦材料的微观接触模型，并用此模型研究了摩擦材料在接合过程中的实际接触面积，研究发现摩擦材料的表面粗糙度和偏斜度对实际接触面积都有较大影响。Yubo Yang等[3]利用热力学知识建立了纸基摩擦材料热传递的数学模型，并分析了纸基摩擦材料表面在接合过程中的温度分布和衰退机理。研究发现接合过程中90%的热量被摩擦片吸收，并在摩擦片厚度的方向形成温度梯度，衰退速率是温度的函数。

磨损是2个相互接触的固体表面在滑动、滚动或冲击运动中的表面损伤或脱落。在大多数情况下，磨损是表面微凸体相互作用而引起的。纸基摩擦材料的磨损机理与其他材料类似，即主要由粘着磨损（咬合磨损）、磨粒磨损及疲劳磨损组成。在磨损过程中，微凸体的局部温度会升高，如果热量来不及被带走，会使耐热性差的组分发生热分解或碳化，引起材料的热衰退，进而导致摩擦材料更容易发生磨损。

钟新林等[4]以剑麻纤维、芳纶纤维、酚醛树脂为原料，通过造纸工艺制备纸基摩擦材料，并在湿式摩擦试验机上进行磨损试验。将磨损样品用扫描电子显微镜（SEM）观察，纸基摩擦材料磨损后，其表面发生纤维磨损、界面分离，并形成磨屑、磨粒。纸基摩擦材料的磨损机理主要为粘着磨损和疲劳磨损，这2种机理通过组分磨损、界面破坏和磨屑及磨粒形成表现出来。而磨粒磨损不构成该材料的有效磨损。热性能分析结果表明，摩擦材料在摩擦过程中发生了明显的热降解。

粘着磨损和热衰退是纸基摩擦材料老化的主要机理。Ompusunggu A P等[5]分别研究了粘着磨损和热降解对纸基摩擦材料性能的影响。研究发现，随粘着磨损的进行纸基摩擦材料的表面形貌发生变化，实际接触面积增大，摩擦系数随之增大；另一方面，热降解会导致纸基摩擦材料的结构发生变化，材料性能下降，进而摩擦系数降低。

2 原料配方的优化

纸基摩擦材料是纤维增强树脂基复合材料，一般由纤维、粘合剂、摩擦性能调节剂、填料等组分构成。因其采用造纸的方式生产坯体，之后经过浸渍树脂、热压固化而成，所以被称为纸基。纸基摩擦材料的组成是影响材料性能的主要因素。为了提高纸基摩擦材料的摩擦磨损性能，国内外的研究者在原料配方方面进行了大量研究。

2.1 增强纤维

增强纤维是摩擦材料的重要组成部分。早期使用的增强纤维主要是纤维素纤维或石棉纤维。但纤维素纤维耐热性能较差，适用载荷较低；石棉纤维虽然较好地解决了载荷适用性问题，但有害健康和环境污染使其应用受到了限制。

徐子才[6]采用竹纤维为增强纤维，制备了一种摩擦性能优良的纸基摩擦材料，但其耐热性较差。李贺军[7]开发了碳纤维增强纸基摩擦材料，材料耐热性能优异、动摩擦系数高、摩擦性能稳定、磨损率低，但其成本较高。

近年来混合纤维在纸基摩擦材料中应用受到广泛关注。混合纤维可以通过性能的优势互补来满足摩擦材料的性能要求。Kitahara等[8]使用20%～40%的碳纤维和20%～40%的Kevlar纤维替代天然纤维浆泊，制备的摩擦材料的摩擦性能和耐热性能均有所改善。Yukio Ikuta等[9]使用微原纤化的苎麻纤维、棉纤维和芳纶纤维为增强纤维，提高纸基摩擦材料在高压、高速下的耐磨损性能。章少阳等[10]开发了一种纸浆纤维、芳纶纤维、玻璃纤维增强的纸基摩擦材料，其摩擦性能与含石棉的纸基摩擦材料的摩擦性能相当，而其磨损率1.39×10-5～1.46×10-5 mm3/J，低于石棉纸基摩擦材料的磨损率1.50×10-5 mm3/J。

2.2 粘合剂树脂

纸基摩擦材料的各组分在粘合剂的作用下粘结为一个整体，并使材料具一定的力学性能和摩擦磨损性能。

酚醛树脂因具有良好的耐热性、高的力学强度和相对高的耐磨性，一直是摩擦材料的首选粘合剂材料。但由于交联度高、硬度大、韧性差、易在界面上产生应力裂纹，存在与偶盘贴合性不好、初期摩擦系数小、在高温和高载荷情况下耐久性差、高温状态下易对偶盘产生热斑等缺点。解决上述问题的途径是使用改性酚醛树脂或混合树脂。

Makoto[11]利用P-壬基苯酚改性酚醛树脂作为粘合剂，P-壬基苯酚占树脂粘合剂总量的5%～60%。制得的摩擦材料具有较稳定的摩擦系数、较高的耐热性和抗磨损性，有效地抑制了热斑的形成。梁云[12]以三聚氰胺、腰果壳油改性酚醛树脂和丁腈改性酚醛树脂为对象进行了相关研究。结果表明，丁腈改性酚醛树脂制备的材料耐热性较好，摩擦系数适中，磨损率低，且压力稳定性和转速稳定性相对较好，离合曲线平稳，摩损前后材料表面的孔隙适中，综台性能相对于三聚氰胺、腰果壳油改性酚醛树脂较优。

Marc[13]以酚醛树脂和硅树脂的混合物为粘合剂。Masahiro[14]以可溶性酚醛树脂和硅烷偶联剂的水溶液作为粘合剂，所制得的摩擦材料具有较高的摩擦系数，压缩疲劳性能好且摩擦系数随滑动速度的增加而增大。

2.3 摩擦性能调节剂和填料

摩擦性能调节剂和填料的作用是调节纸基摩擦材料的摩擦磨损性能，同时降低摩擦材料的成本。

摩擦性能调节剂按其作用可分为增摩剂和减摩剂。常用的减摩剂主要为具有层状结构的柔软固体，如石墨。李贺军等[15，16]研究发现，随着石墨粒度的减小和石墨含量的增加，纸基摩擦材料的动、静摩擦系数减小，磨损率降低，且制动稳定性较好。陆赵情等[17]在纸基摩擦材料中加入了质量分数为10%～15%的片状石墨；而James M.Lee[18]以活性炭代替石墨作为摩擦性能调节剂，其多孔结构更有利于润滑油的流动，进而控制摩擦材料在使用过程中的热降解。在碳纤维增强纸基摩擦材料中，碳纤维的自润滑作用将减小材料的摩擦系数，降低制动效率，因此必须使用一定量的增摩剂以提高摩擦系数。常用的增摩剂是一些硬质固体颗粒，如氧化铝、碳化硅、氧化硅、氮化硼等。例如，李贺军[19]在制备碳纤维增强纸基摩擦材料时加入了质量分数2%～15%的氧化铝。

硅藻土具有多孔结构且价格低廉，是纸基摩擦材料中最常用的填料。在实际应用中经常同时加入多种摩擦性能调节剂和填料以获得较好的综合性能。Shun kitahara[20]在纸基摩擦材料中加入了质量分数为10%的腰果壳粉和20%的硅藻土作为填料。Matsumoto[21]使用了腰果壳粉、树脂颗粒和橡胶颗粒作为摩擦性能调节剂，并使用硅藻土和粘土作为填料。

3 制备工艺的优化

纸基摩擦材料的工艺流程如图1所示。

近年来纸基摩擦材料的生产工艺也有了进一步发展。许多纸基摩擦材料都采用了双层结构。Lam R C[22]提出支撑层使用棉纤维和非线性弹性纤维为增强纤维，摩擦层使用碳纤维、芳纶纤维和酚醛纤维为增强纤维。所制得的摩擦材料基层孔隙率较高，具有黏弹性和吸油率，而摩擦层具有较高的耐热性和强度。林荣会[23]先按照造纸工艺制备出摩擦层和支撑层，将摩擦层和支撑层叠合在一起进行压榨脱水和真空干燥，然后浸渍纳米酚醛树脂，并热压固化。

范培育[24]在纸基摩擦材料预制体表面涂覆碳纳米管摩擦层，然后粘合剂浸渍，并热压、固化，所制得的纸基摩擦材料耐热性较高，摩擦性能稳定，但在使用过程中易脱层。黄剑锋[25]将碳纳米管分散于十二烷基磺酸钠溶液中，然后加入短切碳纤维、竹纤维和硅藻土，抄片，干燥，浸渍，固化，克服了以往工艺将碳纳米管作为增强层添加到湿式摩擦材料中所带来的脱层现象，有效降低了磨损率。

Robbert A Todd[26]先后用酚醛树脂和硅酸乙酯的水解溶液浸渍纸基摩擦材料预制体。Lam[27]利用含有摩擦调节剂纳米颗粒的粘合剂浸渍基体材料，使摩擦调节剂纳米颗粒均匀地沉积在增强纤维表面。制得的纸基摩擦材料具有稳定且良好的摩擦性能，并提高了摩擦材料的抗振动性、耐热性、耐久性和强度。

4 油槽结构的设计

摩擦片的结构形式特别是表面状态（如油槽的形状和分布）对湿式离台器和制动器的动态性能有很大的影响。杨化龙等[28]研究发现油槽对碳纤维增强纸基摩擦片的摩擦制动性能和耐热性有较大影响。具有油槽的纸基摩擦片在动摩擦系数及稳定性方面有较大提高， 静、动摩擦系数更接近， 其中双圆弧槽摩擦片摩擦系数性能最好；无槽摩擦片耐热性能较差， 平行槽摩擦片耐热性能最优异。

洪跃等[29]采用微凸体接触模型的威布尔分布，建立了基于Patir-cheng平均流量模型及威布尔分布的接触因子的摩擦副研究分析模型；并讨论了油槽宽度对啮合性能的影响。结果表明在沟槽数量一定的情况下，沟槽越宽，摩擦副啮合实际接触面积减小，啮合转矩的峰值变小；轴向力一定的情况下，延缓后期啮合过程，啮合时间变长；反之，啮合时间变短。

高晓敏[30]对不同表面沟槽的摩擦片进行了研究，得到了7种典型摩擦片表面沟槽的摩擦特性曲线以及对动态特性的影响。

Akira Tsuboi [31]提出在摩擦片表面留出大量的油槽，间隔分布在摩擦片表面，当摩擦盘转动时，具有卸油角的油槽使润滑油从摩擦材料内围流入外围，而具有流入角的油槽使润滑油从摩擦盘外围流入内围。不仅提高了摩擦片在接合过程中的摩擦性能，而且降低了离合器处于分离状态时由润滑油的黏性引起的阻力。

5 结语

尽管纸基摩擦材料在挖掘机、装载机等领域得到应用，但仍集中在负载相对较低的叉车领域。开发出具有高能量吸收能力的纸基摩擦材料，成为工程机械用纸基摩擦材料亟待解决的一个难题。

我国摩擦材料产业起步较晚，相对于国外还存在较大的差距，因此还需在该领域进行大量实验和理论研究。

参考文献

[1]贺奉嘉，黄伯云.汽车制动摩擦材料的发展[J].粉末冶金技术，1993，11（3）：213-217.

[2]Gao H， Barber G C.Microcontact model for paper-based wet friction materials[J]. Journal of Tribology，2002，124（2）：414-419.

[3]Yang Y， Lam R C. Theoretical and experimental studies on the interface phenomena during the engagement of automatic transmission clutch[J].Tribology Letters，1998，5（1）：57-67.

[4]钟林新，付时雨，周雪松，等.纸基摩擦材料的磨损机理分析[J].中国造纸，2011，30（6）：26-31.

[5]Ompusunggu A P，Sas P，Van Brussel H.Influence of adhesive wear and thermal degradation on the frictional characteristics of paper-based friction materials：A comparative study[J].ISRN Tribology，2013.

[6]徐子才，屈子梅，温学成.一种纸基摩擦材料及其制备方法：CN，l292465A[P].200l-4-25.

[7]李贺军，付业伟，李克智，等.碳纤维增强纸基摩擦材料及其制备方法：CN，1446875A[P].2003.

[8]Kitahara S，Umezawa S.Wet friction material：US，6130177[P].2000-10-10.

[9]Ikuta Y.Friction material for operating in oil：US，5290627[P].1994-03-01.

[10]章少阳，张元元，等.一种无石棉纸基摩擦材料：CN，101250271[P].2008-8-27.

[11]Suzuki M，Mori M.Wet friction material：US，6231977[P].2001-05-15.

[12]梁云，黄小华，胡健，等.树脂对湿式纸基摩擦材料性能的影响[J].造纸科学与技术，2005，24（6）：69-69.

[13]Yesnik M A.Friction material comprising powdered phenolic resin and method of making same：US，5529666[P].1996-06-25.

[14]Mori M， Yagi H， Kawai S. Wet friction material：US，7491664[P].2009-2-17.

[15]费杰，李贺军，齐乐华，等.石墨含量对纸基摩擦材料摩擦磨损性能的影响[J].摩擦学学报，2007，27（5）：451-455.

[16]张翔，李克智，李贺军，等.石墨粒度对纸基摩擦材料摩擦磨损性能的影响[J].无机材料学报，2011，26（6）：638-642.

[17]陆赵情，张大坤，王志杰.一种高性能环保纸基摩擦材料原纸及摩擦片的制作方法：CN，101805589A[P].2010-08-18.

[18]Lee J M.Friction paper containing activated carbon：US，5989390[P].1999-11-23.

[19]李贺军，付业伟，李克智，等.碳纤维增强纸基摩擦材料及其制备方法：CN， 1446875[P].2003-10-08

[20]Kitahara S，Muramatsu F，Umezawa S.Wet friction material and process for producing the same：US，6331358[P].2001-12-18.

[21]Matsumoto T，Umezawa S.Method of producing wet friction material and wet frictional material：US，6060536[P].2000-05-09.

[22]Lam R C.High performance two-ply friction material：US，6182804[P].2001-02-06.

[23]林荣会，方亮，李新平，等.双层纸基摩擦材料及摩擦片制作方法：CN，1632034[P]. 2005-06-29.

[24]范培育，付业伟，李贺军，等.碳纳米管双层纸基摩擦材料研究[J].机械科学与技术，2011， 30（12）：2107-2110.

[25]黄剑锋，王文静，费杰.一种多壁碳纳米管改性纸基摩擦材料的制备：CN， 102943410A[P].2013-02-27.

[26]Todd R A.Friction facing with porous sheet base：US，4045608[P].1977-08-30.

[27]Lam R C，Chen Y F，Maruo K.Porous friction material comprising nanoparticles of friction modifying material：US，7429418[P].2008-09-30.

[28]杨化龙，齐乐华，付业伟，等.油槽对碳纤维增强纸基摩擦片摩擦制动性能和耐热性的影响[J].机械科学与技术，2010，29（012）：1623-1627.

[29]洪跃，刘宝运，金士良，等.表面带沟槽湿式离合器摩擦副啮合过程分析[J].润滑与密封，2007，32（12）：69-73.

[30]高晓敏，张协平，吴凡，等.摩擦片表面沟槽对离合器动态特性影响的研究[J].传动技术，2001（3）：10-13.

[31]Tsuboi A，Kawamura S，Miyatsu M，et al.Wet clutch friction plate： US，8061498[P].2011-11-22.