汽车用碳纤维复合摩阻材料的摩擦磨损特性研究

原作者:[标签:作者] 添加时间:2007-07-02 原文发表:2007-07-02 人气:2

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摘要：研究了汽车用碳纤维复合摩阻材料在实际工况下的摩擦磨损特性，分析了碳纤维含量及碳纤维的强度、表面状态等对磨损机制的影响。实验研究结果表明，碳纤维复合摩阻材料的磨损性能、工作寿命与抗热衰退性能均明显高于传统的石棉摩阻材料。
关键词：碳纤维摩阻材料摩擦磨损特性

前言

用传统的石棉摩阻材料制成的汽车制动器衬片，不但污染环境有致癌作用，而且工作寿命低，其在250℃以上工作时有热衰退现象。因此，近二十年来世界各国都对石棉摩阻材料的生产与使用加以限制，并致力于研究新一代摩阻材料来取代石棉摩阻材料。本研究工作在采用正交设计优化了碳纤维复合摩阻材料的基础上，针对汽车制动器衬片的实际工况，研究了碳纤维复合摩阻材料的摩擦磨损特性及磨损机制。本研究结果为研制碳纤维复合材料汽车用制动衬片打下了基础。

1 实验材料、内容及方法

1.1 实验材料的成分设计与制备

实验材料系用碳纤维作增强纤维，改性酚醛树脂作粘接剂并辅有各种性能调节剂与填料的多元组分体系。在材料成分配方设计中，采用了L16（45）正交优化设计方法，并经多轮实验后，确定了碳纤维复合摩阻材料的经济实用型配方（见表1）：

表1 实验用碳纤维复合摩阻材料的成分

注：碳纤维分别选用吉林炭素厂与辽源市碳纤维厂生产的高碳纤维、低碳纤维与预氧纤维，并按不同强度的碳纤维组分进行实验。

按上述配方（其中碳纤维的强度不同），将各组分经过均匀混料、干燥处理后，用热模压成型压制成碳纤维复合材料汽车制动衬片试样[2]。

1.2 摩擦磨损实验

在MM－200 磨损实验机上进行磨损实验，实验参数为：

摩擦压力F=200kN
转速n=400 rad/s
摩擦配副为直径φ40mm，材质为HT400 的磨轮。

采用感量万分之一的精密天平称量试样的磨损量。在JSM－5310 型扫描电子显微镜上观察磨损面的表面形貌。

磨损实验结果处理后的数据见表2：

表2 磨损实验结果处理

图1 与图2 为碳纤维表面经过改性处理与未经改性处理的SEM 照片。

图1 经表面处理的碳纤维摩阻材料的SEM 照片图2 未经表面处理的碳纤维摩阻材料的SEM 照片

1.3 在D－MS 实验机上进行热衰退实验

在300℃实验温度条件下，分别按摩擦系数和磨损率进行实验分析各组分的影响次序。实验结果见表3。

表3 碳纤维不同表面状态时的热衰退实验结果

2 实验结果与分析

2.1 碳纤维对摩阻材料摩擦磨损特性的影响

2.1.1 碳纤维含量对摩擦磨损特性的影响

碳纤维含量是影响本摩阻材料摩擦磨损性能的重要因素。实验结果表明：当碳纤维含量较低时（15%~19%）摩擦系数与磨损率随碳纤维含量的增加而减少；而当碳纤维含量较高（19%~25%）时摩擦系数与磨损率都随着碳纤维含量的增加而增大。

出现第一种现象是因为碳纤维属“乱层石墨”式结构，其本身具有良好的自润滑性能，能起一定的减摩作用，致使摩擦系数减小[5]。在滑摩时，发生在摩擦界面上因碳纤维引起的犁削阻力较小，故此时碳纤维的减摩作用明显，因而会呈现随碳纤维含量增加摩擦系数与磨损率随之减小的现象。

出现第二种现象是因为当碳纤维含量相当高时，由于碳纤维比强度、比模量很高，故滑摩时的犁削阻力相当大，远远超过了碳纤维的减摩作用，从而呈现出摩擦系数随碳纤维含量的增加而增大的现象。同时，当犁削阻力大于碳纤维机体的结合强度时就会发生磨损，故随着碳纤维含量的继续增加，磨损率也会增大。

2.1.2 碳纤维表面状态对摩擦磨损特性的影响

对碳纤维需进行表面处理，以达到强化与粘接剂改性酚醛树脂的润湿与粘接的目的。

将对碳纤维进行表面改性处理的与未经处理的试样进行对比实验。碳纤维进行表面改性处理的工艺是：将碳纤维置于50％的硝酸水溶液中处理24h 后取出，用水冲洗干净并作干燥处理后，再进行混料。

碳纤维与基体的粘接力在很大程度上取决于其表面性质。未经表面改性处理的碳纤维，由于其表面惰性，与粘接剂的相溶性差，致使摩阻材料的抗剪强度低，当对碳纤维进行表面改性处理后，会使其表面的沉积物减小，表面粗糙度增大，进而提高强度并增大摩擦系数，有利于提高锚固作用。图3 与图4 为碳纤维表面经改性处理与未经改性处理的摩擦材料的摩擦系数和磨损率对比。

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