牡蛎壳粉对竹纤维增强树脂基摩擦材料摩擦学性能的影响

林少芳，郑开魁，江威

（1.福州职业技术学院交通工程系，福建福州350108；2.福州大学机械工程及自动化学院，福建福州350108）

牡蛎壳粉对竹纤维增强树脂基摩擦材料摩擦学性能的影响

林少芳1，郑开魁2，江威2

（1.福州职业技术学院交通工程系，福建福州350108；2.福州大学机械工程及自动化学院，福建福州350108）

为了研究牡蛎壳粉填料对竹纤维增强树脂基摩擦材料性能的影响，本试验以牡蛎壳粉等为填料，改性酚醛树脂为基体，改性竹纤维、镁盐晶须和无水硫酸钙晶须为增强相，制备新型摩擦材料，从而探讨不同粒径和含量的牡蛎壳粉对材料的力学性能和摩擦学性能的影响.结果表明，牡蛎壳粉有助于形成大面积连续的摩擦膜，界面结合程度良好.摩擦材料具有良好的硬度和冲击强度、稳定的摩擦系数、优良的抗热衰退性和耐磨性，而且40目20%牡蛎壳粉（不含重晶石粉）摩擦材料的综合性能最佳.

牡蛎壳粉；摩阻材料；摩擦学性能

近年来我国制动摩擦行业提出产品高性能化要求，即用户安全效益最大、制动摩擦材料质量性能更好、寿命使用更长和操作维护方便性更好.在市场和企业辐射带动、反复博弈的作用下，当前制动摩擦行业的水平越来越先进、技术越来越成熟，摩擦系数衰退小、磨损率低、抗冲击强度高等这些制动摩擦材料的基本性能已不能满足现代制动摩擦材料的要求，因此研发“绿色”新型摩擦材料已经是整个社会的必然共识.汽车制动摩擦材料在满足制动基本前提条件下，开始提出制动振动小、无噪声、落灰少等环保化人性化的要求.

国内已经有多家高校与企业合作共同开展天然纤维复合材料及其产品研究开发工作，全面攻关研究了天然纤维复合材料工业化应用，取得了令人瞩目的研究成果[1-3].竹纤维是一种新型再生纤维素纤维，具有高的比强度和良好的耐磨性，原料来源广泛、价格低廉、透气性好、质量小、可生物降解，是一种高性价比的环境友好型增强材料.

牡蛎壳含有约95%的碳酸钙和约5%的蛋白质，是一种天然生物复合材料.作为一种价格低廉的无机填料，碳酸钙的使用能使产品的性价比得到有效提高[4].牡蛎壳粉中的碳酸钙晶粒为亚微米级至纳米级，呈现有序排列.虽然牡蛎壳粉含有的蛋白质含量很少，但它能使碳酸钙更牢固的粘结在一起，提高贝壳的机械性能，表现为高强度和高韧性[5].这点和人工合成的碳酸钙完全不同.李凤学等[6]以蛤蜊壳粉、锆英石、重晶石、钛酸钾片晶为填料，设计了含蛤蜊壳粉的陶瓷型有机摩擦材料配方，分析了蛤蜊壳粉对摩擦材料中摩擦磨损性能的影响.实验结果表明，蛤蜊壳粉在摩擦材料中表现出良好的摩擦学性能.因此根据福建地区沿海自然资源的特点，可以考虑牡蛎壳粉在汽车摩擦材料中进行应用.

本文的粘结剂为腰果壳油改性酚醛树脂，改性竹纤维、无水硫酸钙晶须和镁盐晶须为增强材料，牡蛎壳粉等为填料，采用热压成型方法研制出新型环保制动摩擦材料，通过对制动摩擦材料的力学性能和摩擦学性能进行研究，探讨牡蛎壳粉的添加对制动摩擦材料摩擦学性能的影响.

1 实验部分

1.1 试验材料及制备

为了避免摩擦材料在加工或制动摩擦过程中出现破损等现象，从而引起制动失效，因此摩擦材料的设计时必须考虑其机械性能足够好.牡蛎壳粉含量和粒径对竹纤维增强摩擦材料硬度和冲击强度的影响的试验用40目和70目筛子筛出不同粒径的牡蛎壳粉，然后将40目和80目的牡蛎壳粉分别按0%、5%、10%、15%和20%的配比进行配料，压制出牡蛎壳粉含量不同的试样进行试验.

不同牡蛎壳粉和重晶石粉含量对竹纤维增强摩擦材料性能的影响的试验是通过X-DM型调压变速摩擦试验机测试试样的摩擦磨损性能，研究不同牡蛎壳粉和重晶石粉含量对竹纤维增强摩擦材料性能的影响.配方如表1.

表1 竹纤维增强摩擦材料配方Tab.1 The formula of bamboo fiber reinforced friction material

为了提高竹纤维在摩擦材料中的使用性能，本试验对天然竹纤维进行碱处理改性，提高树脂基体和竹纤维之间界面的相容性和黏附性[7-10].对竹纤维的碱处理使用的仪器设备有：水浴锅、JF980S型热处理箱.试验采用热压成型工艺，主要是把增强纤维与作为基体的树脂等材料进行机械混合，通过模压制样.此方法可使制备的材料增强相分散较均匀，是目前汽车制动片运用最广泛的工艺.实验工艺流程如图1所示.

图1 摩擦材料制备工艺流程Fig.1 Flow chart of friction material preparation

在压模成型过程中，为了保证压制品的质量，压制前，应将上下模预热到160～170℃左右，再将混合均匀的纤维粉状料在Y32-63T型液压机中进行模压成型，成型压力为10 MPa，保压时间为9 min，其中增压阶段和保压阶段各排气5次和2次，由下缸顶出模具得到成型试样.最后将压制试样放入JF980S热处理箱进行160℃保温12 h.

1.2 摩阻材料力学性能和摩擦学性能测试方法

摩阻材料的硬度测试采用XHRD-150型电动塑料洛氏硬度计进行试验，在每个试样上分别选5个不同的点进行硬度测试，最后取平均值.冲击强度用XJJ-5型的简支梁式摆锤冲击试验机进行试验测试.试验时，调节支点间距离为40 mm±0.2 mm.每种试样将测3根，摩阻材料的冲击强度为3次试验的平均值.试样尺寸为：长度25 mm±0.5 mm，厚度6 mm±0.2 mm，宽度25 mm±0.5 mm.

摩擦材料的摩擦磨损性能实验使用的设备是X-DM型调压变速摩擦试验机，为咸阳新益摩擦密封设备有限公司生产的.根据GB5763-1998标准对摩擦材料试样的摩擦系数和磨损性能进行检测.

试验过程为：

1）试片初磨：制取试验用的标准小样（25 mm×25 mm×5～75 mm），在100℃、3 000转进行初磨，直到试片与摩擦盘接触面达到95%以上，进行正式试验；

2）正式试验：分别在100℃、150℃、200℃、250℃、300℃、350℃这5个温度下进行摩擦学性能实验，记录试验期间的摩阻材料的摩擦系数及磨损率（电脑自动记录），并测量不同温度条件下试验后的试片质量和厚度.测试得摩擦系数及磨损率.降温试验采取一次性降温.

1.3 摩擦磨损表面形貌观察

试样的磨损表面形貌采用荷兰henom-World公司生产的台式扫描电子显微镜进行观察.

2 结果与讨论

2.1 牡蛎壳粉含量和粒径对竹纤维增强摩擦材料硬度和冲击强度的影响

从图2可以看出，40目和80目牡蛎壳粉试样的硬度曲线升降趋势基本相同，都随着牡蛎壳粉含量的增加先减低后增大，而且，只含牡蛎壳粉的试样的硬度和只含重晶石的硬度接近.当牡蛎壳粉含量小于10%时，可能由于试样中组份间的粘结作用明显减弱，因此硬度下降；当牡蛎壳粉含量大于10%时，牡蛎壳粉和树脂形成较好的界面结合层，硬度增大.

当牡蛎壳粉含量相同时，40目试样的硬度大于80目试样的硬度.原因可能是粒径越小，越容易形成凝聚态，导致树脂和牡蛎壳粉无法混合均匀，因此40目试样的硬度大于80目试样的硬度.

从图3可以看出，40目和80目牡蛎壳粉试样的冲击强度曲线升降趋势基本相同，都随着牡蛎壳粉含量的增加先减低后增大，当牡蛎壳粉含量在5%～10%之间时，两条曲线均较平稳，牡蛎壳粉含量大于10%时，冲击强度有所上升，可能是由于此时试样中的组分之间粘结性较好，形成良好的界面结合层，因此试样冲击强度增大.

当牡蛎壳粉含量相同时，40目试样的冲击强度明显大于80目试样的冲击强度.原因可能是40目的牡蛎壳粉能够比较完整地被树脂包裹住，分散均匀，因此冲击强度较高.

图2 不同含量和粒径的牡蛎壳粉对摩擦材料硬度的影响Fig.2 Effect of oyster shell powder with different content and particle size

图3不同含量和粒径的牡蛎壳粉对摩擦材料冲击强度的影响Fig.3 Effect of oyster shell powder with different content and particle size

2.2 牡蛎壳粉和重晶石粉含量对竹纤维增强摩擦材料性能的影响

图4 为40目牡蛎壳粉的竹纤维增强摩擦材料在100℃、150℃、200℃、250℃、300℃、350℃温度下的升温摩擦因数曲线.图5是40目牡蛎壳粉的竹纤维增强摩擦材料在100℃、150℃、200℃、250℃、300℃、350℃温度下的降温摩擦因数曲线.

从图4可以看出，不含重晶石粉、只含牡蛎壳粉（质量分数为20%）的试样的摩擦因数稳定性最好，摩擦因数最高为0.39，摩擦因数曲线波动最小；只含重晶石粉的试样摩擦因数稳定性最差，曲线波动最大；含重晶石粉和牡蛎壳粉的试样的摩擦因数均不大，摩擦因数最高为0.33；原因可能是牡蛎壳粉和重晶石粉不能很好的结合，使机体松散，颗粒没有和制动盘形成一定摩擦效果，所以含牡蛎壳粉和重晶石粉的摩擦试样的摩擦因数小.

从图5中可以看出，试样的摩擦因数随着温度的降低而减小，这说明温度对试样摩擦表面结构有一定影响；不含重晶石粉、只含牡蛎壳粉（质量分数为20%）的试样的摩擦因数基本上最大，在250℃时摩擦因数达到0.53，但在恢复试验中摩擦因数有不同程度的波动，原因可能是摩擦磨损试验机采用水冷，对摩擦因数具有一定的影响.

图4 不同牡蛎壳粉和重晶石粉含量的摩擦材料在升温条件下的摩擦因数曲线Fig.4 The friction coefficient curve with different oyster shell powder and barite powder content in heating condition

图5不同牡蛎壳粉和重晶石粉含量的摩擦材料在降温条件下的摩擦因数曲线Fig.5 The friction coefficient curve with different oyster shell powder and barite powder content in cooling condition

图6 是40目牡蛎壳粉的竹纤维增强摩擦材料在100℃、150℃、200℃、250℃、300℃、350℃温度下的磨损率曲线.从图中可以看出，总体上不同牡蛎壳粉和重晶石含量的试样磨损率随着温度的升高而增大.原因可能是基体结构受温度影响较大，温度越大，竹纤维的碳化情况越严重.牡蛎壳粉含量大，摩擦材料表面粗糙度就大，形成粘结磨损和切削磨损可能性大.

图6 不同牡蛎壳粉和重晶石粉含量的摩擦材料磨损率曲线Fig.6 The friction material wear rate curve of oyster shell powder and barite powder content

2.3 不同牡蛎壳粉和重晶石粉含量的摩擦材料的磨损形貌分析

牡蛎壳粉是有机物，作为制动摩擦材料中的填料，由于高温情况下不可避免的热分解和碳化现象等作用肯定会影响不同温度下摩擦材料的摩擦性能.采用荷兰FEI公司生产Magellan XHR SEM分别对20%重晶石粉+0%牡蛎壳粉、15%重晶石粉+5%牡蛎壳粉、10%重晶石粉+10%牡蛎壳粉、5%重晶石粉+15%牡蛎壳粉和0%重晶石粉+20%牡蛎壳粉的磨损试验后试样进行摩擦表面形貌观察，结果分别如图7和图8所示.

从图7可以看出，不含牡蛎壳粉的试样摩擦表面基本没形成摩擦膜，表面有一些不规则的小剥落坑和剥痕，为明显的黏着磨损特征.可能是摩擦实验过程中，试样表面和制动盘发生了粘合，一些摩擦材料被撕裂下来，从而形成了剥落坑形状.

图7 未加牡蛎壳粉制动摩擦材料磨损试验后表面形貌Fig.7 The surface morphology of the friction material of the friction powder without oyster shell

从图8可知，随着牡蛎壳粉的加入，摩擦表面出现摩擦膜，说明牡蛎壳粉可以促进摩擦层的形成.但是从图8a）～c）可以发现，摩擦表面均存在一些剥痕和点状凹坑，呈现疲劳磨损.其原因可能是牡蛎壳粉和重晶石粉之间粘合性较差，基体松散，虽然形成了摩擦膜，但是摩擦膜不连续，稳定性差，在磨损试验中出现疲劳磨损，局部剥落，导致试样的摩擦因数反而小于20%重晶石粉+0%牡蛎壳粉的摩擦试样的摩擦因数.

图8 不同牡蛎壳粉含量的制动摩擦材料磨损试验后表面形貌Fig.8 Surface morphology of brake friction materials with different oyster shell powder content

而从图8d）可以发现，摩擦表面出现大量连续的摩擦膜，表面的摩擦层光滑平整，说明适当的牡蛎壳粉对摩擦膜的形成有很好的促进作用.因此0%重晶石粉+20%牡蛎壳粉的摩擦试样的摩擦因数最大.试样摩擦表面有平行于摩擦方向的磨痕，呈现磨粒磨损特征.

3 结束语

1）40目牡蛎壳粉的制动摩擦材料的硬度和冲击强度均明显高于80目牡蛎壳粉的制动摩擦材料的硬度.

2）对不同含量牡蛎壳粉的摩擦制动材料进行摩擦磨损试验表明，在升温条件下，不含重晶石粉、只含牡蛎壳粉的试样的摩擦因数稳定性最好，摩擦因数最高，摩擦因数曲线波动最小；只含重晶石粉的试样摩擦因数稳定性最差，曲线波动最大；在降温条件下，试样的摩擦因数基本上随着温度的降低而减小；不含重晶石粉、只含牡蛎壳粉的试样的摩擦因数基本上最大，在250℃时摩擦因数达到0.53；试样磨损率随着温度的升高基本上呈现上升趋势.

3）适当的牡蛎壳粉对摩擦膜的形成有促进作用.牡蛎壳粉和重晶石粉之间粘合性较差，基体松散，虽然形成了摩擦膜，但是摩擦膜不连续，稳定性差，在磨损试验中出现疲劳磨损，局部剥落，导致试样的摩擦因数较小.

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[责任编辑 田丰 夏红梅]

Tribological performance of resin-based composites reinforced by bamboo fiber and filled with oyster shell powder

LIN Shaofang1,ZHENG Kaikui2,JIANG Wei2
（1.Department of Traffic Engineering,Fuzhou Polytechnic College,Fujian Fuzhou 350108,China;2.School of Mechanical Engineering and Automation,Fuzhou University,Fujian Fuzhou 350108,China）

In order to study the performance of resin-based composites reinforced by bamboo fiber and filled with oyster shell powder,oyster shell powder was added as fillers,modified phenolic resin as matrix,the modified bamboo fiber,magnesium whisker and anhydrous calcium sulfate whisker as reinforced phase.A new type of friction was made.And the mechanical properties and tribological properties of the composites were studied,which were added by oyster shell powder of different size and content.The results show that oyster shell powder promoted the formation of friction filmlargly,the interface was bonded well.The friction material had good hardness and impact strength,stable friction coefficient,excellent heat fade and wear resistance.In addition,when oyster shell powder(excluding barite)content was 20%and the size was 40 mesh,the comprehensive performance was the best.

oyster shell powder;friction materials;tribological properties

TH117.3

A

1007-2373（2017）04-0058-06

10.14081/j.cnki.hgdxb.2017.04.010

2017-03-20

福建省中青年教师教育科研项目（JA15803）

林少芳（1976-），女，讲师，419800288@qq.com