芳纶浆粕对酚醛树脂基摩擦材料性能影响

叶长松，付雪松，黄鹏，陈国清，周文龙

(大连理工大学材料科学与工程学院，凝固控制与数字化重点实验室，辽宁大连 116023)

在摩擦材料的各类组分中，增强纤维对于摩擦材料的力学性能有重要影响。传统的摩擦材料以石棉作为主要增强纤维，随着人们对环境和健康的要求不断提高，石棉逐步被各个国家禁止使用。20 世纪70 年代以来，以芳纶纤维为代表的多种纤维被开发成为石棉的替代品，逐渐在摩擦材料产业中获得应用[1–3]。美国杜邦公司将芳纶短纤维进行高度原纤化制成了Kevlar 芳纶浆粕，保留了芳纶纤维高模量、高强度和良好的热稳定性及吸附性能，从而能与树脂等粘结剂更好地结合[4–5]。如今，芳纶浆粕已经成为国外摩擦材料设计中的首选增强纤维[6–7]。近年来，国内外研究者们对于芳纶浆粕的作用开展了很多研究，S. J. Kim 等[8]研究发现芳纶浆粕有效提高了摩擦材料的摩擦稳定性，同时可以降低磨损率。员荣平等[9]通过建立摩擦性能的评价模型，发现芳纶浆粕体积分数为3.4%时综合性能最佳。尤秀兰等[10]用芳纶浆粕取代石棉制备摩擦材料，改善了石棉摩擦材料高温磨损严重的缺点。

虽然人们对于芳纶浆粕在摩擦材料中对材料性能的作用有较多研究，但是对于芳纶浆粕含量对树脂基摩擦材料性能的影响规律和机制的研究尚不够充分，笔者通过干法热压成型制备了试验用摩擦材料，研究芳纶浆粕含量对树脂基摩擦材料力学性能和摩擦磨损性能的影响规律，并对芳纶浆粕在摩擦材料中的作用机制进行了分析探讨。

1 实验部分

1．1 主要原材料

酚醛树脂：PF6130，济南圣泉有限公司；

鳞片石墨：80～90 nm，青岛富润达有限公司；

重质氧化镁：44 μm，石家庄硕茂摩擦材料科技有限公司；

重晶石：44 μm，石家庄硕茂摩擦材料科技有限公司；

萤石：15 μm，石家庄硕茂摩擦材料科技有限公司；

Kevlar 芳纶浆粕：8F1857，0.95 mm，杜邦公司；

碳纤维：0.5 mm，上海力硕复合材料科技有限公司。

1．2 仪器及设备

定速式摩擦磨损试验机：JF151 型，吉林大学机电设备研究所；

简支梁冲击试验机：XJJ–5 型，承德建德检测仪器有限公司；

塑料洛氏硬度计：XHR–150 型，莱州华银实验仪器有限公司；

扫描电子显微镜(SEM)：SUPRA 55 Sapphire型，德国卡尔蔡司公司。

1．3 试样制备

试验以芳纶浆粕含量作为研究变量，通过改变作为填料的重晶石含量，保持总量恒定，其余组分的含量保持不变，设计5 组试验配方，见表1。

表1 试验原材料配方 %

按表1 配方称取各原料，投入高速混料机中搅拌30 s，使各原料分布均匀，无团聚现象。将搅拌后的原料放入模具中，进行热压成型。热压温度保持 (170±5)℃，压力为 (12±0.5) MPa，保压 3 min。之后放入保温箱中，温度为(170±5)℃，时间为6 h。

1．4 性能测试

根 据 GB 5763–2008，使 用 定 速 式 摩擦试验机进行摩擦磨损试验，试样尺寸为25 mm×25 mm×6 mm；使用SEM 对磨损表面形貌进行观察。

根据GB／T 1043–2008，使用简支梁冲击试验机进行冲击试验，测试材料的冲击强度，试样尺寸为55 mm×15 mm×4 mm。

使用塑料洛氏硬度计测量试样的硬度，加载载荷为588 N，选用HRL 标尺。

2 结果与讨论

2．1 力学性能

不同试样的冲击强度和硬度测试结果见表2。从表1 可以看出，试验材料的冲击强度和硬度均随着芳纶浆粕含量增加而增大。芳纶浆粕对于提高材料的冲击强度具有显著的作用，主要是因为芳纶浆粕表面具有丰富的类似羽毛形成了粗糙的表面，并存在沿轴向排列的许多微原纤，容易分散于基体之中[11]。这些特殊的表观形态可以有效承担冲击载荷，并有利于吸收断裂时的能量，因此，芳纶浆粕有效改善了材料的韧性。

表2 试样冲击强度和硬度

芳纶浆粕也提高了材料的硬度，主要源于其自身很高的强度和模量，对基体起到了支撑强化作用。在含量较低时，提升材料硬度的效果比较明显，当含量较高时，芳纶浆粕在基体内部的有效支撑点逐渐趋于饱和，材料硬度的提升效果变小。

2．2 摩擦磨损性能

(1)摩擦系数。

不同试样的摩擦系数随温度变化曲线见图1。摩擦材料中的增强纤维自身的性质及与粘结基体间的界面强度影响着材料摩擦性能[12]。图1 显示，不同芳纶浆粕含量时材料摩擦系数在100～350℃区间的变化趋势相似，随着芳纶浆粕含量增加，摩擦系数整体呈上升趋势。由此表明，芳纶浆粕对于调节摩擦材料的总体摩擦系数是不错的组分。但是配方中芳纶浆粕含量较低时(P1，P2)，摩擦系数与未加芳纶浆粕(P0)相比变化并不大。这主要是由于在纤维含量较低时，树脂的粘结作用对于芳纶浆粕的束缚较强，很少出现纤维剥落、拔出等情况，芳纶浆粕还不能对材料的摩擦过程产生明显作用。当配方中芳纶浆粕的含量较高时(P3，P4)，摩擦系数出现了明显的上升，这是因为芳纶浆粕在材料中具有了较大的体积比，粘结树脂对纤维已不能形成充分的束缚，较多的芳纶纤维容易裸露在摩擦表面，芳纶浆粕自身的高强度和模量，在摩擦滑动过程中形成了较大的犁削抗力[13]，提高了界面摩擦力。

图1 不同芳纶浆粕含量试样的摩擦系数

(2)摩擦稳定性。

材料的摩擦稳定性决定了制动过程的平稳程度。定量分析摩擦稳定性常采用摩擦稳定系数α和摩擦变化系数γ来描述，具体计算见式(1)、式(2)。

式中：μavg为各试验温度下摩擦系数的平均值；μmax为摩擦系数的最大值；S为摩擦系数的标准差。

利用图1 的试验结果计算出摩擦稳定系数和变化系数，结果见图2。

图2 不同芳纶浆粕含量试样的摩擦稳定系数和变化系数

从图2 可以看出，随着芳纶浆粕含量的增加，摩擦稳定系数呈现先升高后降低的趋势，而摩擦变化系数则先降低后升高。在芳纶浆粕含量达到2%时，摩擦稳定系数最大，摩擦变化系数最小，表现出较好的摩擦稳定性。由此表明，适量的芳纶浆粕可以有效地改善材料的摩擦稳定性，而过量的芳纶浆粕反而会导致摩擦稳定性下降。

(3)磨损性能。

摩擦材料的磨损率可以用于描述材料的磨损寿命，也是衡量摩擦材料性能的重要指标之一。图3 给出了试验材料的磨损率随温度的变化情况。

图3 不同芳纶浆粕含量试样的磨损率

从图3 可以看出，芳纶浆粕使得材料的磨损率普遍降低，各试样的磨损率变化趋势都类似，随温度升高呈现先下降后上升的趋势，在150℃时磨损率比较低。其中，芳纶浆粕含量较低的P1 和P2 试样的磨损率，在各温度下都保持较低的水平；而芳纶浆粕含量较高的P3 和P4 试样，在较高温度区(200～350℃)的磨损明显加剧。可见在中低温区(100～200℃)，芳纶浆粕对于降低材料磨损率的效果更加显著。

图4 不同芳纶浆粕含量试样的总磨损率

图4 给出了不同芳纶浆粕含量试样，经过100～350℃摩擦试验后的总磨损率。由图4 可知，随着芳纶浆粕含量的增加，材料的总磨损率先降低后上升，在芳纶浆粕含量为2%时最低。表明适量的芳纶浆粕可以提高摩擦材料的耐磨性，而当含量过多时，耐磨性反而下降。这是由于被粘结树脂很好束缚的芳纶浆粕，可以在摩擦表面建立较好的摩擦层，有效减少表面磨损[14]。而当芳纶浆粕含量过高时，粘结树脂不能对芳纶浆粕形成很好的束缚，并且影响了树脂对其它组分材料的粘结，在摩擦过程中，材料的脱落加剧而磨损严重。

2．3 磨损表面形貌

图5 为不同试样在350℃进行摩擦试验后的磨损表面形貌。未加入芳纶浆粕的P0 试样表面磨损较为严重(图5a)，表面仅有小块的摩擦层出现，但都存在严重的破损(图5d)。P2 试样的磨损表面形貌如图5b 显示，摩擦表面整体较为平整光滑，有较大块的摩擦层。在摩擦过程中摩擦材料主要承受剪切应力作用，材料脱落形成磨屑，在压力作用下形成摩擦层。大块稳定的摩擦层有利于稳定材料的摩擦系数，降低磨损率。在干摩擦磨损过程中，摩擦界面的摩擦层破坏是不可避免的[15]，摩擦层是处于破损又再生的动态变化过程。由图5e 可以看到摩擦层均匀且致密，同时周围有磨屑在继续形成摩擦层，这种摩擦层状态，使得P2 试样具备良好的摩擦稳定性和耐磨性。在加入过量芳纶浆粕的P4 试样的摩擦表面，几乎没有发现摩擦层(图5c)，可以观察到的是一些碳纤维和芳纶纤维从基体中拔出(图5f)。尽管芳纶浆粕有助于形成摩擦层，但当芳纶浆粕没有被粘结树脂很好地束缚时，反而加剧了材料脱落和纤维拔出，导致难以形成比较稳定的摩擦层。

图5 不同试样的摩擦磨损表面形貌

3 结论

(1)芳纶浆粕可以有效提高摩擦材料的力学性能，随着芳纶浆粕含量增加，材料的冲击强度和硬度不断增大。

(2)芳纶浆粕对材料的摩擦磨损性能具有影响。芳纶浆粕含量较低时，对摩擦系数影响较小，当质量分数超过2%时，使材料摩擦系数显著升高。芳纶浆粕含量对材料摩擦稳定性和耐磨性的影响呈现先提高后降低的趋势，适量的芳纶浆粕可以获得较好的摩擦系数稳定性和较低的磨损率。

(3)芳纶浆粕有助于摩擦材料在摩擦过程中形成较稳定的摩擦层，但过量的芳纶浆粕会损害树脂对组分的粘结作用，导致纤维拔出，不利于摩擦层的形成。