硫化温度对纸基摩擦材料性能的影响

曹丽云， 杨 朝， 费 杰， 黄剑锋， 王文静， 王洪坤

(陕西科技大学 材料科学与工程学院， 陕西 西安 710021)

0 引言

纸基摩擦材料是一种在润滑油中工作的摩擦材料，是传动自动变速器中湿式离合器的关键材料，其性能的优劣直接影响到制动/传动装置的稳定性及行车的安全性[1,2].它具有摩擦因数高、动静摩擦因数比接近于1、结合平稳柔和、噪音小和低成本等优点，现在已经广泛应用于各种车辆、机械设备[3-5].目前国内各大汽车厂商使用的纸基摩擦材料基本依赖进口，为此，国内的学者也对纸基摩擦材料进行了大量的基础性研究，制备出了以纤维素纤维、芳纶纤维、陶瓷纤维、有机纤维、碳纤维，以及两种及两种以上的混合纤维增强的多种类型的纸基摩擦材料[6,7].

湿式纸基摩擦材料的摩擦性能受多重因素的影响，材料在成型的过程中纤维的打浆度及分散度、纸张成型工艺、硫化工艺[7]参数等都会对纸基摩擦材料的摩擦磨损性能产生影响.其中，纸基摩擦材料成型工艺中的关键是硫化工艺，硫化工艺的影响因素有时间、压力、温度；其中硫化温度影响着摩擦材料的各项性能：硫化温度过低会降低材料各个组分间的结合性能，造成材料的严重脱落，加重材料的磨损率；而过高的硫化温度会造成材料的板结，降低材料的韧性，增加材料的脆性，降低材料的耐磨性.Yidong Yuan[8]等人已经研究了在湿式条件下热处理温度对碳碳复合材料摩擦系数的影响，研究得出碳碳复合材料最佳的热处理温度是2 000 ℃，在此温度下能保持较高的摩擦系数，1 800 ℃热处理温度的摩擦系数是最低的.受此启发，需要了解硫化温度对纸基摩擦材料摩擦性能和耐磨性的影响机理.所以，通过改变纸基摩擦材料的硫化温度，研究硫化温度对材料热衰退性能，动摩擦因数、摩擦力矩、磨损率的影响情况，获得湿式纸基摩擦材料的最佳硫化温度.

1 实验部分

1.1 纸基摩擦材料的制备

将短切碳纤维、竹纤维和碳化硅按照一定比例在水中混合均匀后在纸页成型器上制出原纸坯，在90 ℃下真空干燥.之后将纸坯浸入腰果壳油改性的酚醛树脂乙醇溶液中，30 min后取出(树脂含量为(30±2)%)，自然晾干.之后，样品在硫化机上热压成型(温度分别为140 ℃、160 ℃、180 ℃、200 ℃，所制备的试样依次标记为1#、2#、3#、4#).

1.2 纸基摩擦材料的摩擦磨损性能测试

采用QM-ⅡB型湿式摩擦性能试验机(西安顺通机电应用技术研究所生产)进行摩擦性能试验.以硫化温度为主要的变化因素，研究硫化温度对纸基摩擦材料的摩擦因数和摩擦力矩曲线的影响.在实验前，在制动压力为5 MPa、主轴转速2 000 r/min条件下反复磨合，使材料的摩擦面与对偶盘的表面贴合程度达到80%以上.然后，在制动压力分别为0.50 MPa、0.75 MPa、1.00 MPa、1.25 MPa、1.50 MPa条件下，对各个试样进行摩擦性能测试.之后，再对各个材料在制动压力1.00 MPa、主轴转速2 000 r/min条件下，进行连续循环500次磨损测试，获得连续制动条件下摩擦因数的变动趋势和磨损率.测试条件：N32#机油润滑，供油流量100 mL/min，油温35 ℃～40 ℃.摩擦方式为环-环接触，对偶盘为45#钢，硬度HRC 35，摩擦材料尺寸为外径103 mm、内径72.6 mm、厚度0.5 mm.磨合前，在N32#机油中浸油48 h.

测完试样的磨损率后，对试样的磨损表面喷金后用扫描电子显微镜(日立S3700)进行观察，并进行表面分析.然后，在热重分析仪上进行试样的热衰退测试.分析前，试样在60 ℃下干燥至恒重；然后进行热重测试，升温速率为20 ℃/min，温度范围为30 ℃～800 ℃.

2 结果与讨论

2.1 硫化温度对材料耐热性能的影响

(a)140 ℃

(b)160 ℃

(c)180 ℃

(d)200 ℃图1 不同硫化温度下试样TG/DSC曲线

从图1中可以看出，四种样品的热失重过程主要包括三个阶段，既30 ℃～270 ℃, 270 ℃～380 ℃, 380 ℃～800 ℃.第一阶段主要是材料中水分的蒸发和气体的排出[9]；腰果壳油改性酚醛树脂的分解和竹纤维的碳化主要发生在第二阶段；第三阶段主要是树脂分解产生的小分子的燃烧和部分树脂分子的继续分解.从图1中可以看出，四个样品在第一阶段的失重量均为4%左右，即硫化温度对材料中气体和水分的含量和排出影响不明显.在第二阶段硫化温度为160 ℃时，最大速率热分解温度在370 ℃左右，而其他样品基本在360 ℃左右，硫化温度过低和过高都不利于提高材料的耐热性能.在第三个阶段，四个样品的吸热峰区别较大，1#样品表现出放热峰，可能是小分子燃烧的放热峰覆盖了树脂分解的吸热峰；2#样品主要是树脂的分解，表现出吸热峰；而随着硫化温度的升高，2#样品的吸热峰从2.5 mW/mg减小到4#样品的1.9 mW/mg，相比较在第三阶段的吸热峰值逐渐减弱，可能是小分子的燃烧逐渐增强.

2.2 摩擦材料的表面微观形貌

图2是硫化温度为140 ℃、160 ℃、180 ℃、200 ℃时试样的SEM照片.从图2中可以看出：四个试样中都形成了大小不一的孔隙，孔隙的存在有利于润滑油在材料的表面与内部进行交换，能较好地充当材料和对偶盘之间的润滑剂，同时带走摩擦产生的部分热量，降低摩擦副的温度，缓解树脂的热分解，降低材料和对偶盘的磨损[7,8].硫化温度为140 ℃时，树脂与纤维的表面结合处裂纹较多，不利于载荷的传递，使得材料分解、脱离更加容易(如图2(a)所示)；硫化温度为160 ℃时，树脂已经完全固化交联，材料中的纤维和摩擦性能调节剂通过树脂连接成了一个整体，材料能较好的承受制动的压力和热量，降低了裂纹的产生，阻止微裂纹的继续扩展(如图2(b)所示)；而硫化温度为180 ℃时，由于温度过高，缩短了树脂的固化时间，材料的表面形成了树脂层，大部分的碳纤维被覆盖于树脂层下，只有少量的纤维露于表面，这可能会降低摩擦层的韧性和强度，加重树脂的磨损(如图2(c)所示).硫化温度为2 00 ℃时，材料表面的树脂层逐渐扩大，材料的表面孔隙尺寸与180 ℃时的样品相比较小，这不利于润滑油的交换，不能及时带走摩擦热量，热量的累积容易使材料的局部产生高温而发生热分解(如图2(d)所示).

(a)140 ℃

(b)160 ℃

(c)180 ℃

(d)200 ℃1:树脂和纤维表面的裂纹;2:未固化的树脂;3:树脂层;4:固化完全的树脂图2 试样的表面形貌SEM照片

2.3 摩擦磨损性能

2.3.1 摩擦性能

在主轴惯量为0.10 Kg·m2、主轴转速为2 000 r/min和制动压力为0.5 MPa下，不同硫化温度的纸基摩擦材料的摩擦力矩曲线如图3所示.从图中可以看出：硫化温度为140 ℃摩擦材料，摩擦力矩波动较大，扭矩值最小，曲线尾部的“公鸡尾”较高，材料的制动时间较长和稳定性变差.硫化温度为160 ℃摩擦材料的摩擦力矩从0到设定值0.5 MPa的过程中能够迅速到达稳定值，摩擦力矩曲线中间部分平直，曲线尾部平滑,扭矩值较大，比140 ℃时高出61.9%，制动时间从3.94 s减小到2.52 s，降低了36%，这表明硫化温度为160 ℃时摩擦材料的传扭效率较高，同时摩擦材料在与对偶盘结合的过程中动静转换表现的更加平稳[10].而硫化温度为180 ℃和200 ℃时，摩擦力矩曲线尾部的翘起逐渐增高，即制动的过程中摩擦材料的稳定性逐渐降低，材料与对偶盘结合过程中动静转换时的噪音增大，影响了材料整体的稳定性.从图4中可以看出，硫化温度为160 ℃时的动摩擦系数最高，稳定性最好，因为在此温度下材料的耐热性能最好；而硫化温度过高或过低都不利于改善材料的热稳定性，因此其他三个样品在循环制动的过程中动摩擦系数的波幅较大.

图3 不同硫化温度试样的摩擦力矩曲线

图4 不同硫化温度的摩擦材料连续循环500次制动动摩擦因数稳定图

2.3.2 磨损性能

(a)140 ℃

(b)160 ℃

(c)180 ℃

(d)200 ℃1:磨损的碳纤维; 2:分解的树脂; 3:磨粒; 4:断裂的碳纤维图5 试样磨损表面形貌SEM照片

图6 试样500次循环制动的磨损率

图5是不同硫化温度下试样500次循环制动的表面形貌SEM照片.可以看出，硫化温度为140 ℃时，材料的表面被磨平，树脂的网状交联结构断裂，在小范围内形成了小块体，降低了树脂的力学性能，加重了碳纤维的磨损，从而加重了整体材料的磨损[11-13]；硫化温度为160 ℃时，材料的磨损表面比较平整，磨损产生的磨粒很少；并且由于表面比较致密，在表面容易形成润滑膜，也能够减小材料的磨损.硫化温度为180 ℃和200 ℃时，材料经过长期的制动过程，表面产生了很多小白点，是树脂分解脱离而形成的小凹坑，可能降低材料制动的稳定性，加重材料的磨损.而图6是在主轴惯量为0.15 Kg·m2、主轴转速为2 000 r/min和制动压力为1.0 MPa条件下，连续500次模拟制动的体积磨损率实验结果.可以看出，摩擦材料的磨损率随着硫化温度的上升，先减小再增加，温度为160 ℃时的磨损率为2.21×10-8，比温度为140 ℃的最高值4.08×10-8减小了45.8%.从而材料的磨损表面印证了磨损率的变化规律.总的来说，较低的硫化温度不利于树脂的固化，材料各个成分之间的结合性能较弱，在制动的过程中，材料容易受到剪切力的作用而产生微裂纹，降低材料的机械性能，增加材料失效的风险；而过高的硫化温度，使得树脂的固化时间缩小，材料表面的树脂因没有充足的时间流向材料的内部，在材料的表面形成树脂层，使得大部分碳纤维被覆盖，即摩擦层的承载能力主要由树脂承载，降低了碳纤维与摩擦表面的接触，使得树脂的因摩擦热量的累积而加速分解.

3 结论

通过硫化温度对纸基摩擦材料热性能和摩擦性能的影响得出以下结论：硫化温度高于或低于160 ℃时，材料的耐热性能减弱，树脂和竹纤维的热分解较为严重，降低了材料制动的稳定性和使用寿命; 160 ℃时，材料的磨损最小，磨损表面平整致密，在循环制动中动摩擦系数波动性较小，摩擦力矩的变化较平稳，磨损制动的稳定性最好。

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