摩擦材料中增阻矿物原料的作用及其机理

孟增祥，曹 敏，王 东，白志民

（1.黄石市鑫溢矿产有限公司，湖北 黄石 435109；2.湖北鑫海新材料科技有限公司，湖北 黄石 435109；3.中国地质大学(北京)材料科学与工程学院，北京 100083）

摩擦材料中增阻矿物原料的作用及其机理

孟增祥1，曹 敏1，王 东2，白志民3

（1.黄石市鑫溢矿产有限公司，湖北 黄石 435109；2.湖北鑫海新材料科技有限公司，湖北 黄石 435109；3.中国地质大学(北京)材料科学与工程学院，北京 100083）

增阻(增摩)矿物原料对于摩擦材料的摩擦系数、磨损量、热稳定性、强度等具有显著影响。本文系统介绍了重晶石、萤石、冰晶石、辉锑矿、赤铁矿、磁铁矿、铬铁矿、钛铁矿、金红石、锆石、刚玉、蛭石、沸石和硅藻土等十余种增阻(增摩)矿物(岩石)原料的成分和物理化学性质，重点分析了化学成分与矿物(岩石)特征对制品性能与使用效能的影响，对不同矿物(岩石)增阻组分的作用及其机理进行了分析，对增阻(增摩)矿物原料产业的发展及其前景进行了展望。

摩擦材料；矿物；岩石；增阻；填料

1 引言

摩擦材料在运动机械和装备中起传动、制动、减速、驻车等作用，广泛应用于汽车、火车、飞机、矿山、冶金、化工、电力、工程机械等，其中在汽车工业消耗量占80%以上[1]。摩擦材料是典型的复合材料，通常由粘结材料(橡胶或树脂)、增强材料(有机或无机纤维)和填料(以矿物粉体为主)组成，其中矿物类原料既可发挥增强功能，也可起填料作用，且占比最大，对摩擦材料使用效能的影响也最显著，是摩擦工程领域重点关注的对象[2]。用作摩擦材料的矿物类型繁多，成分与结构不尽相同，理化性能与功能效应各有差异，摩擦作用机理与方式形式多样，深入了解矿物成分与结构特点，进而建立成分—结构—性能—使用效能的关系，对于高品质摩擦材料的组成设计与加工制备至关重要。基于此，本文试图从典型矿物材料的成分—结构分析入手，阐明其对摩擦材料加工工艺、制品性能以及使用效能的影响，为摩擦材料的组成设计、加工制备以及新产品的开发提供理论依据和技术支撑。

按摩擦材料中矿物原料的作用，可将其分为矿物增强原料、矿物增阻(增摩)原料和矿物减阻(减摩)原料等三类[3]。本文主要对常用的矿物增阻(增摩)原料的成分、结构、性能、作用及其机理进行讨论。

2 增阻矿物原料的类型与作用

矿物填料在摩擦材料中主要起调节摩擦系数、硬度、密度和密实度，同时改善制品的制动噪音，改变其外观特征并降低成本的作用。摩擦材料中使用的矿物填料种类繁多，包括石英、长石、滑石、云母、蛭石、锆石、沸石、蛇纹石等硅酸矿物以及重晶石、赤铁矿、磁铁矿、铬铁矿、石墨、金红石、白云石、石膏、菱镁矿、刚玉、萤石、冰晶石、硫化锑、辉钼矿等矿物。此外，摩擦材料中也使用一些岩石填料，如陶土、硅藻土、石灰石、铝矾土等。

按摩擦性能，通常将矿物填料分为增阻(增摩)填料和减阻(减摩)填料两类。前者大多具有较高的摩擦系数，同时具有较高的硬度(莫氏硬度在3～9)和剪切强度，主要发挥提高制品摩擦阻力和强度的作用。后者普遍具有较小的摩擦系数，硬度和剪切强度也较低，主要用来调节制品的摩擦系数和磨损率。

3 增阻矿物介绍

3.1 重晶石

重晶石属于硫酸盐矿物，化学式：BaSO4。理论组成(%)：BaO 65.7，SO334.3；晶体通常呈板状、粒状；硬度3～3.5；性脆；相对密度4.3～4.5g/cm3，是无机非金属矿物中密度最大者；具低磨损性，良好的屏蔽性，能吸收X射线和γ射线；化学性质稳定，质纯者难溶于水和酸；重晶石在高温下具有非常低的质量损失和较低的热膨胀率，在500～1 300℃范围内的质量损失率仅为0.5%，线性膨胀系数在20×10-6/℃[4]。

作为摩擦材料，重晶石的摩擦系数较高且稳定，磨耗小，摩擦噪音低[5-6]；在高温下能形成稳定的摩擦界面，可以防止摩擦副表面擦伤，使摩擦副表面更光洁。

2014年，全球约生产重晶石915万t，其中约2.7%被用作矿物填料。我国是重晶石生产大国，生产量约占全球总产量的1/3。

3.2 萤石和冰晶石

萤石和冰晶石都属于氟化物矿物，它们的矿物学特征见表1。

表1 萤石和冰晶石矿物学特征

冰晶石在水溶液中(25℃，0.1MPa)的溶解度非常低[9]，只有10-34±0.3。

虽然萤石和冰晶石的硬度不高，但它们作为摩擦材料都具有良好的增阻效果。特别是冰晶石，它分别在570、730和990℃存在明显的相变或熔融吸热反应[7-8]，作为摩擦材料具有提高制品高温稳定性的显著作用。萤石熔体的粘度较低，对其他颗粒填料具有胶结作用，也可以提高摩擦材料的高温耐磨性。

我国是萤石生产、消费与出口大国，每年的生产量(约400万t)、国内消费量(约600万t)与出口量均居全球之首[10]。

3.3 辉锑矿

辉锑矿属于硫化物矿物，化学式：Sb2S3；理论组成(%)：Sb 71.38，S 28.62；链状结构，Sb-S之间以离子键—金属键相联，链带间以分子键相连；硬度较低为2；密度4.1～4.6g/cm3；熔点548℃，属于熔点较低的金属硫化物；氮气气氛中， 辉锑矿在850℃以上分解为Sb和S，而在氧气气氛中则变为Sb和SO2(气体)，同时Sb又迅速氧化为Sb2O3(可有效蒸发)和SbO2(式1)[11]。在氧气—氮气气氛中，在300～500℃范围内，辉锑矿则一步转变为Sb2O3，并放出SO2气体(式2)[12]。在摩擦材料中，熔融后的Sb主要起粘结剂作用，可减少有机粘结剂用量。在盘式刹车片中添加硫化锑，可以降低树脂用量以及摩擦系数的热衰退，制品的高温磨损率低，硬度较低，制动噪声低。

3.4 赤铁矿、磁铁矿、铬铁矿、钛铁矿和金红石

赤铁矿、磁铁矿、铬铁矿、钛铁矿和金红石都属于氧化物矿物，它们的矿物学特征见表2。

表2 赤铁矿、磁铁矿、铬铁矿、钛铁矿和金红石的矿物学特征

表2中几种矿物的硬度都处于中等水平，它们具有提高摩擦制品摩擦性能的作用，但其表现不尽相同。赤铁矿的熔点较高，且在680℃左右存在α-Fe2O3与γ-Fe2O3的可逆相变，并伴有吸热，这有利于摩擦制品耐高温性的保持，多用于重载汽车的鼓式刹车片，添加量＜5%。磁铁矿可提高制品的摩擦性能，并有着色作用，多用于盘式刹车片，添加量一般在4%～12%。铬铁矿具有较好的低温和高温增阻作用。作为摩擦材料的铬铁矿，其Cr2O3含量应在25%～40%。Cr2O3含量越高，增阻效果越好；用量越大、颗粒越粗、摩擦系数越大，但也会导致磨损量增大，添加量一般不超过7%。钛铁矿和金红石也属于增阻效果较突出的矿物填料。金红石可以提高摩擦制品的抗高温粘附能力和抗磨能力[13]。此外，这些矿物在自然界中广泛分布[14]，选矿提纯工艺成熟，成本较低，也是它们作为摩擦材料的优势。

3.5 锆石与刚玉

锆石属于岛状硅酸盐矿物，理论组成(%)：ZrO267.1，SiO232.9；锆石的线性热膨胀系数低(5.0×10-6/℃)，且耐热震动，稳定性良好；它的抗压强度高，易与其他填料以及有机或无机粘合剂相容，其次圆形外表仅需少量的粘合剂即可达到高强胶结，并获得良好的光滑度。研究发现[15]，锆石粒度和形貌会明显影响摩擦性能，表现在：细颗粒锆石的摩擦系数较粗颗粒大；在高温下，粗颗粒锆石的抗热震性；大颗粒锆石对摩擦副的磨损率大于小颗粒者。锆石与刚玉的矿物学特征见表3。

表3 锆石与刚玉矿物学特征

刚玉属于氧化物矿物，不仅硬度高，其耐磨性能也好，研磨硬度833，是石英的8.33倍；它的抗折强度很高，在34 078～66 636MPa之间；热膨胀系数为5.4×10-6～6.2×10-6/℃；导热性能良好，室温下热导率为41.84W/m·K，接近于金属材料；绝缘性良好，500℃时电导率为2.7×10-10Ω-1·cm-1；化学性质稳定，常温下不溶于水，不受酸碱腐蚀。

锆石和刚玉都属于硬质填料，少量添加即可产生良好的增阻效果，不仅摩擦系数高，且制动噪声低。3.6 蛭石

蛭石是一种具有层状结构的含水镁铝硅酸盐矿物，化学式：(Mg，Ca)0.3～0.45(H2O)n{(Mg，Fe3+，Al)3[(Si，Al)4O12](OH)2}；硬度1～2；密度2.2～2.86g/ cm3；膨胀后密度0.6～0.9g/cm3；熔点1 320～1 350℃；膨胀蛭石的导热系数为0.046～0.07W/(m·K)；膨胀蛭石不燃烧；在约1 000℃高温条件下使用，其性能不会改变；它能经受多次冻融交替作用而不破坏，强度无明显下降；膨胀蛭石能在-30℃的低温下保持体积密度和强度不变，也不发生任何变形；膨胀蛭石的化学性质稳定，不溶于水；作为摩擦材料，膨胀蛭石有很好的吸音性能，可降低制动噪声，可降低制品密度，常用于制备盘式刹车盘。

研究发现[16]，在汽车制动片中添加蛭石，时速在20～40km/h时，摩擦系数随蛭石添加量增加而增大；时速在60～120km/h区间时，摩擦系数随蛭石添加量增加呈现出先增加后减少的变化。添加5%～10%蛭石时，摩擦系数增高；蛭石添加量超过10%时，摩擦系数随时速增大而降低。随蛭石添加量增加，磨损率出现先降低后增加的变化。时速高于100km/h后，磨损率变化显著。蛭石添加量在5%左右时，摩擦系数相对稳定，磨损率也较低。

3.7 沸石

沸石是一族具有架状结构的含水的碱或碱土金属铝硅酸盐矿物，化学成分变化大。沸石发育孔道结构(孔径在0.7nm左右)，具有大的比表面积和强的离子交换能力。硬度5～5.5；密度1.9～2.86g/cm3；它具有良好的耐酸性能，在低于100℃下与强酸作用2h，其晶格基本不破坏；沸石孔道中充填有大量分子水，加热水逸出，但结构不破坏，可再吸附水；在摩擦材料中添加沸石，可以充分吸收高温下树脂热分解释放的气态或液态水分子、摩擦产生的热量以及噪声，具有显著降低热衰退以及摩擦噪声的作用。3.8 硅藻土

硅藻土是一种生物成因的硅质沉积岩，主要由地质演化历史时期形成的硅藻遗体组成(见下图)。化学成分以SiO2为主，但呈非晶态；通常呈白色、灰白色；密度1.9～2.3g/cm3，质量轻；多孔，孔隙率80%～90%；硬度1～1.5；纯净干燥的硅藻密度很小，仅0.4～0.9g/cm3，能浮于水面；软化温度1 400～1 650℃；吸附能力强，能吸收相当于自身重量1.5～4倍的水；200℃和800℃时导热率分别为0.008 8～0.015 8W/(m·K)和0.0277～0.219W/(m·K)。作为摩擦材料的填料，硅藻土可有效降低摩擦噪音和制品的热衰退。

硅藻土中硅藻的形态

4 讨论与展望

本文所列举的增阻(增摩)矿物(岩石)原料，总体表现出增加制品摩擦阻力、降低磨损量、改善高温摩擦性能和强度的作用，但不同原料在改善制品性能中所发挥的作用不尽相同。比如，冰晶石相变吸热特点显著，对于提高制品热稳定方面表现突出；蛭石、沸石和硅藻土的吸水—吸热特点突出，在降低制动噪音方面效果明显；锆石和刚玉硬度大、熔点高，在提高制品摩擦系数和高温稳定性，降低磨损率等方面优势明显；赤铁矿、磁铁矿、铬铁矿、钛铁矿和金红石硬度居中，密度较大，在调节摩擦系数、提高制品密度和强度方面表现上佳。

增阻(增摩)矿物(岩石)原料种类繁多，除上述重点介绍的几种外，其他还包括长石类矿物、铝矾土、石灰岩、白云岩等。长石类矿物在自然界分布广泛，种类繁多，价格便宜，硬度较大(一般在6左右，属于硬质填料)，摩擦系数较高(0.6左右，增阻效果显著)，但需合理控制添加量和粒度，否则制品的制动噪音较高。作为增阻原料的铝矾土一般含一水硬铝石较高，且往往需要煅烧，产物具有高硬度、高剪切强度和高摩擦系数，但添加量和粒度控制不当易造成磨损率过高和制动噪音较高等问题。石灰岩和白云岩作为增阻原料的最大优势是其价格较便宜、来源广泛。

目前使用的增阻(增摩)矿物中，萤石、冰晶石和辉锑矿等在高温工况下具有良好的摩擦学表现，但它们在高温下分解会释放Cl2或SO2等对环境有一定污染的气体。近年来，摩擦领域一直在探寻能够替代这些原料的更环保的材料，但进展不明显。因此，继续寻找性能更优、更为环保、且具有较好经济价值的增阻(增摩)矿物原料是未来发展的方向。增阻(增摩)矿物(岩石)原料的表面改性技术，是提高其在树脂、橡胶等高分子基体中均匀分散并与基体材料有效结合的关键，也是该领域长期面临的技术问题和重点研发方向。

随着我国逐步进入汽车社会以及工业化程度的提高，对高性能增阻(增摩)矿物原料的需求会逐渐增加，要求也会越来越高。这对矿物摩擦材料加工产业既是机遇，同时也是挑战。因此，建议该产业领域应该高度关注以下三个方面的问题。

(1) 围绕提高传统矿物增阻材料性能和使用效能的目标，加快表面改性、粒度精准控制等新技术的研发以及装备的技术配套与升级。

(2) 深化矿物摩擦增阻材料成分—结构—性能—使用效能内在关系及其综合效益的分析研究，不断发掘新的矿物增阻原料，最大程度地满足摩擦材料领域对新材料的多样化需求。

(3) 积极研发综合功能好、增阻效果突出、环境友好的新材料及其加工技术，真正实现这一产业的绿色发展。

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Function and Mechanism of Incremental Frication Minerals in Friction Product

MENG Zeng-xiang1, CAO Min1, WANG Dong2, BAI Zhi-min3
(1. Huangshi Xinyi Mineral Co., Ltd., Huangshi 435109, China; 2. Huibei Xinhai New Material Technology Co., Ltd., Huangshi 435109, China; 3. China University of Ceosciences(Beijin), School of Materials Science and Technology, Beijing 100083, China)

Incremental frication minerals have a significant impact on the performance of friction material, such as friction coefficient, wearing capacity, thermostability and strength. In this paper, the composition, physical and chemical properties of barite, fluorite, cryolite, stibnite, hematite, magnetite, chromite, ilmenite, rutile zircon, corundum, vermiculite, zeolite and diatomite are reviewed. The effect of chemical composition and character of mineral or rock on technical characters and working efficiency were analyzed. Function and mechanism of incremental frication mineral and rock in friction product are summarized. The development trend and direction of incremental frication minerals is discussed.

friction product; mineral; rock; incremental frication; filler

TH117.1

A

1007-9386(2017)01-0005-04

2017-01-04