陶瓷颗粒增强树脂基摩擦材料的制备及性能研究*

王晓芳，徐子山，何宇阳，朱文婷

（咸阳师范学院 化学与化工学院，陕西 咸阳 712000）

近年来，随着工业迅猛发展，对制动材料的性能要求越来越高[1-3]。传统树脂型摩擦材料由于高温阶段出现严重的“热衰退”现象，已不能满足科技发展需求[4,5]。因此，研究开发具有优异综合性能的新型树脂基摩擦材料迫在眉睫。研究表明，摩擦材料中填料种类与含量对制动系统的安全使用发挥着重要作用[6]。如王占红等研究粉煤灰增强树脂基摩擦材料的磨屑形状及成分表明，添加适量粉煤灰可有效改善摩擦材料的摩擦磨损性能[7]。郑开魁等研究La2O3改性树脂基制动材料的摩擦学性能揭示出，制动材料中添加适量La2O3可提高摩擦因数，降低其磨损率，同时还可增加摩擦因数的稳定性[8]。

二氧化硅陶瓷颗粒来源广泛，具有化学性质稳定、耐高温、抗腐蚀、绝缘性好及价格低廉等特点，在材料领域受到广泛重视[9,10]。因此，本研究针对传统树脂基摩擦材料高温摩擦因数低、磨损率大、易产生热衰退等问题，拟将SiO2陶瓷颗粒引入到摩擦材料配方中，研究SiO2陶瓷颗粒含量对树脂基摩擦材料性能的影响规律，期望得到一种具有优异摩擦磨损性能的摩擦材料。

1 实验部分

1.1 原料及实验配方

试验配方中粘结剂包括酚醛树脂（7% 200目，山东圣泉公司）和丁腈橡胶（5% 200目，南京迈润橡塑有限公司）；35%混杂纤维（包括铜纤维5%、矿物复合纤维20%及硅酸铝纤维10%，～0.5mm，河北灵寿县信德矿业加工厂）；53%的填料（包括石墨、云母、BaSO4、硅藻土、蛭石、SiO2等原料，200～325目，河北玖矿矿产品有限公司；配方采用减少蛭石（40目 河北灵寿县石创矿产品加工厂）含量的同时相应增加SiO2（600目 武汉吉业升化工有限公司）含量，成分含量见表1。

表1 摩擦材料试样原料配方（质量分数%）Tab.1 Raw material formula of friction material（mass fraction）

1.2 样品制备工艺

依据配方，采用WT2003K型电子天平（河北双鑫试验仪器有限公司）精确称取原料190g，利用6202型高速混料机（北京环亚天元机械技术有限公司）混合，经XLB-D400×400型平板硫化机（西安裕华橡胶机械厂）在15MPa、160℃静压10min，后将摩擦材料试样在YJ101-00AS型烘箱（东莞市友佳仪器设备有限公司）内进行热处理3h待用。

1.3 性能测试

1.3.1 摩擦磨损性能 采用XD-MSM型定速摩擦试验机（咸阳新益摩擦密封设备有限公司），依据GB5763-2008汽车用制动器衬片（三类标准）的规定进行。具体方法为：测定材料从室温升至300℃的摩擦因数和磨损率，测试过程中每50℃记录一次数值。

1.3.2 物理力学性能测试 根据JC/T685-1998摩擦材料密度实验方法，利用阿基米德原理测定摩擦材料样品的密度；采用XHRD-150型电动塑料洛氏硬度计（莱州华银试验仪器有限公司）测定摩擦材料样品的硬度；根据GB5763-2008，利用2BC1251型摆锤冲击试验机（深圳三思纵横有限公司）测定试样的耐冲击性能。

2 结果与讨论

2.1 摩擦性能分析

图1为试样的摩擦系数随测试温度变化曲线。

图1 摩擦材料试样摩擦系数随温度变化曲线Fig.1 Variation curves of friction coefficient with temperature for friction material samples

由图1可知，（1）试样1在100～300℃试验条件下，摩擦系数由0.47骤减至0.16，表明试样的摩擦性能和耐热性能欠佳；（2）加入SiO2颗粒，随着测试温度增加，试样摩擦系数下降幅度减小，表明摩擦系数稳定性有所改善；（3）试样2在200℃以前，摩擦系数均保持在0.45以上，当温度在200～300℃时，摩擦系数显著降低，表明样品的耐高温性能不理想。试样3在100～300℃测试温度范围内，摩擦系数值较为平稳，表明试样的耐热性优于试样1和试样2。在测试温度范围内，试样4的摩擦系数始终保持在0.35以上且变化幅度不大，表明样品的耐热衰退性能优异。由图1摩擦性能变化可知，在树脂基摩擦材料配方中，引入SiO2陶瓷颗粒不仅可以提高树脂基摩擦材料的摩擦系数，还可以改善其热衰退性能，分析原因是由于SiO2颗粒具有粒径小、硬度高、分散性好、耐高温的性能[11]，将其加入到树脂基摩擦材料配方中，可显著改善其摩擦性能和耐热性能。

2.2 磨损性能分析

图2为试样体积磨损率随测试温度变化曲线。

图2 试样磨损率随温度变化曲线Fig.2 Variation curves of wear rate with temperature for samples

由图2可知，（1）测试温度在100～200℃时，各试样的体积磨损率曲线变化平稳，其数值均保持在0.3×10-7～0.7×10-7cm3·（N·m）-1之间，表明SiO2陶瓷颗粒对树脂基摩擦材料的低温磨损性能没有显著影响；（2）测试温度在200～300℃内，试样1的体积磨损率数值迅速增加，在300℃时达到最大值2.0×10-7cm3·（N·m）-1，表明试样1的高温摩擦性能较差。当加入SiO2颗粒之后，试样2～4的磨损率数值虽小幅增加，但增长幅度非常缓慢，磨损率最大值与最小值仅相差0.05×10-7cm3·（N·m）-1，表明试样的高温耐磨损性能显著改善。分析原因是由于SiO2陶瓷颗粒中Si-O键的键能高[12]，化学性能稳定，耐热性优异，将其引入到树脂基摩擦材料配方中，在高温阶段可起到摩擦磨损性能稳定剂的作用。

为了进一步分析SiO2陶瓷颗粒对试验试样磨损性能的影响，测试了平均磨损率随SiO2颗粒含量变化曲线，见图3。

图3 平均磨损率随组份变化曲线Fig.3 Variation curve of average wear rate with components

由图3可知，在100～300℃范围内，添加SiO2陶瓷颗粒后，试样的平均磨损率数值显著降低，各样品表现出优异的耐磨性能，进一步表明，在树脂基摩擦材料配方中引入SiO2颗粒，可以显著改善摩擦材料试样的耐磨损性能。

2.3 物理性能和力学性能分析

图4为各试样的洛氏硬度值随SiO2添加量的变化关系。

由图4可知，未添加SiO2陶瓷颗粒的1#试样平均硬度为64.2 HRM；添加SiO2陶瓷颗粒的2#～4#试样的平均硬度值分别为76.7、81和83.3 HRM。硬度值变化关系表明，随着SiO2添加量增加，试验样品的硬度数值增加，但值得注意的是，各试样的硬度值都在40～90HRM内，表明试验样品的硬度适中。

图4 洛氏硬度值随试样编号变化关系Fig.4 Relationships between rockwell hardness values with samples

图5为试验样品的冲击强度随SiO2颗粒含量变化的测试结果。

图5 抗冲击强度值随试样编号变化关系Fig.5 Relationships between impact strength values with samples

由图5可知，1#试样平均冲击强度为0.762kJ·m-2；2#试样平均冲击强度为0.771kJ·m-2；3#试样平均冲击强度为0.785kJ·m-2；4#试样的平均冲击强度为0.803kJ·m-2。表明摩擦材料的冲击强度随着SiO2颗粒含量的增加而增大。

3 结论

（1）树脂基摩擦材料配方设计中引入适量SiO2陶瓷颗粒不仅会增大摩擦系数，而且会改善摩擦系数的平稳性；

（2）添加SiO2陶瓷颗粒后，摩擦材料的高温耐磨损性能显著改善，表明SiO2颗粒会降低树脂基摩擦材料的磨损率；

（3）SiO2陶瓷颗粒可改变摩擦材料的物理性能和力学性能。