纸基摩擦材料研究综述

北京科技大学

材料科学与工程选论

姓名：张欣悦

学号：B20130195

专业：材料科学与工程

班级：2013级博3班

二零一四年九月

纸基摩擦材料研究综述

1 纸基摩擦材料的发展概况

随着机电液一体化技术的飞速发展，各类新型液力驱动的湿式离合器和制动器得到广泛应用，在这种湿式离合器和制动器中是靠多对摩擦片传递扭矩，其中摩擦片大部分是采用纸基摩擦片，摩擦片既是关键零件又是易损件。图1所示是捷达宝来轿车M01自动变速低速档离合器K1的分解图，其摩擦片全部是纸基摩擦片。纸基摩擦片的外观如图2所示。

图1 捷达宝来轿车M01自动变速器离合器K1部件分解示意图

1. 弹性挡圈

2. 压盘

3. 内片

4. 外片

5. 压板

6. 波形弹簧垫圈

7. 弹性挡圈

8. 活塞盖

9. 弹簧

10. 活塞11. 带涡轮轴的离合器壳12. 圆形密封圈13. 活塞环

纸基摩擦材料是20世纪50年代出现的一种多孔的、高弹性的湿式摩擦材料，主要由纤维、粘结剂、摩擦性能调节剂、填料等组成，通常采用类似造纸的工艺生产，因而被称为“纸基”。纸基摩擦材料是一种在油介质中工作的新型摩擦材料，与其他摩擦材料相比，具有摩擦系数高、动/静摩擦系数接近、传送扭矩能力强、结合柔和、噪音小、不伤对偶等一系列优点，因而被广泛采用。纸基摩擦材料主要用于各类车辆和工程机械、机床、船舶、矿山机械等行业湿式离合器和制动器中，特别是作为汽车自动变速器中湿式离合器的摩擦材料，更具有广阔的应用前景。

图2 纸基摩擦材料摩擦片

国外纸基摩擦材料出现于五十年代末，其经历了从石棉纸基片到无石棉纸基材料，从轻载工况到重载工况，从低能量、低功率吸收到高能量、高功率吸收的发展过程，该种材料已广泛应用于汽车、船舶、工程机械、矿山机械等领域的离合器、制动器中。目前，世界上较大的机械传动制造商，在其湿式制动器和离合

器中广泛采用了纸基摩擦材料，如卡特彼勒、东芝、约翰迪尔、通用、克莱斯勒、福特、三菱、小松等。

由于历史原因，我国机械工业和纸基摩擦材料的发展均比较落后。我国改革开放以来，许多单位进口了大量各式各样的主机，或与国外进行合资生产主机，特别汽车和工程机械行业，其湿式离合器和制动器中广泛使用纸基摩擦材料，由于纸基摩擦片是易损件，引进的主机往往因为不得不花大量的外汇、高额的价格进口纸基摩擦片配件，且供货时间得不到保证，在这种情况下，促使我国很多科研院所和企业从事纸基摩擦片的国产化研究工作，且各研制单位在技术上相互封锁。目前，纸基摩擦材料研发开展较好的单位有：清华大学、西安交通大学、华南理工大学、西北工业大学、杭州粉末冶金研究所、武汉材料保护研究所、杭州杭城摩擦材料有限公司、湖北黄石赛福摩擦材料有限公司等。

目前，我国汽车、工程机械中广泛使用的纸基摩擦片还未完全实现国产化，与国外产品仍存在很大差距。主要表现在：

（1）制造技术方面：生产自动化水平低，生产效率低，设备简陋，精度低，质量不高，难以形成规模化，且外观质量差。

（2）材质配方方面：材质配方比较单一，没有形成系列化、标准化，对摩擦磨损机理研究不够。

（3）产品性能方面：产品的稳定性差，热衰退率和磨损率高，产品粘结性能差，使用寿命短。

2 纸基摩擦材料的组成研究

纸基摩擦材料是纤维增强树脂基复合材料，基本组分包括纤维、粘结剂、摩擦性能调节剂和填料，增强纤维、摩擦性能调节剂和粘结剂对材料的摩擦磨损性能和综合性能有着重要影响，这给开发不同性能的纸基摩擦材料提供了空间。研究摩擦材料的组成是优化摩擦材料性能的基础。

2.1 增强纤维

纸基摩擦材料中的纤维可增强摩擦材料的机械强度，同时也对摩擦材料的耐热性能和摩擦磨损性能起着非常重要的作用。纸基摩擦材料中最常用的纤维有芳

纶纤维和酚醛纤维，也有使用碳纤维、玻璃纤维和其他有机合成纤维的，其中芳纶纤维以其高强度、高耐热性、耐磨耐腐蚀、能产生细小分枝、密度小等优点被广泛采用。由于酚醛纤维与粘结剂酚醛树脂结合良好，所以可为摩擦片提供更高的强度。纸基摩擦材料中纤维的含量随摩擦磨损性能参数要求的不同而变化，其含量通常为40% ~ 90%。

用于纸基摩擦材料的增强纤维有天然动植物纤维、天然矿物纤维和人工合成纤维等约200余种。在纸基摩擦材料研究中，早期使用的增强纤维主要是纤维素纤维或石棉纤维。但纤维素纤维耐热性能较差，适用低载荷；石棉纤维较好地解决了载荷适用性问题，但其致癌性使其应用受到了限制。国内纸基摩擦材料用增强纤维从纤维素纤维到Kevlar纤维、碳纤维，以满足摩托车和轻载荷汽车用纸基摩擦材料研究较多，但纤维选择较单一，试验数据积累较少，对混杂纤维影响摩擦磨损的规律认识较浅，尚不能充分发挥纤维性能互补的优势。近20年来国外关于纸基摩擦材料所用增强纤维如表1所示。

表1 国外纸基摩擦材料用纤维

2.2 粘结剂树脂

粘结剂树脂的主要作用是将组分粘结成整体，既赋予摩擦材料整体强度也影响其摩擦磨损性能。长期以来，纸基摩擦材料主要用热塑/固性酚醛树脂作为粘结剂，但普通酚醛树脂硬度大、耐热性差，制约了材料性能的提高。改善途径主要是使用改性酚醛树脂或混合树脂作为粘合剂材料，且以使用腰果壳油改性酚醛树脂和丁腈橡胶改性酚醛树脂居多。国内对粘结剂树脂的研究主要集中在对酚醛树脂改性上，尚没有涉猎到添加硅树脂等领域，致使现行纸基摩擦材料用粘结剂树脂品种单一。国外纸基摩擦材料粘结剂的使用情况如表2所示。

表2 国外纸基摩擦材料粘结剂的使用情况

2.3 调节剂和填料

摩擦性能调剂和填料的作用是调节纸基摩擦材料的摩擦磨损性能，获得较好的综合性能。硅藻土是国外纸基摩擦材料中最常用的填料。硅藻土成本低，自身的多孔结构能促进油在材料内部流动，有利于控制摩擦面的温度。硅藻土的添加

量为5% ~ 25%，也有用20%硅藻土加10%腰果壳粉作为填料的。石墨是国外纸基摩擦材料中常用的摩擦性能调节剂，常为20% ~ 25%。石墨可以控制材料的摩擦性能并提高耐磨性，但采用石墨的形态有所不同，如D. S. Seiz使用粒状石墨，而P. A. Chuluda加入了20% ~ 30%的片状石墨。摩擦性能调节剂和填料还有橡胶颗粒、氧化铝、二氧化硅、焦炭、活性碳等。橡胶颗粒增加摩擦材料弹性，使之与对偶更好地接触。氧化铝和二氧化硅等作为硬质点磨料提高摩擦材料的摩擦因数和耐磨性。加入焦炭和活性碳等可以降低成本，其孔洞使其与树脂粘结得更好，且可以促进油的流动，使摩擦材料更耐热，同时可以提高摩擦材料的摩擦因数和能量吸收率。

同时加入多种摩擦性能调节剂和填料可以获得较好的综合性能。如Matsumoto使用了腰果壳粉、树脂颗粒和橡胶颗粒作为摩擦性能调节剂，并使用硅藻土和粘土作为填料；P. A. Chuluda加入了20% ~ 30%石墨、5% ~ 15%硅藻土，少于5%腰果壳粉、橡胶颗粒以及氧化铝和二氧化硅；S. Makota使用硅藻土和漆酚树脂；I. Yukio采用5%铁粉、3%石墨和25%硅藻土；J. M. Lee使用15%活性碳和23%硅藻土，以及用8% ~ 10%高岭土、17% ~ 19%氧化铝和40% ~ 50%焦炭作为填料。

3 纸基摩擦材料的工艺研究

国外纸基摩擦材料通常采用标准连续造纸机以类似造纸的方式生产，一般使用的造纸机是长网造纸机，纸基摩擦片的生产过程包括造纸、浸渍树脂、热压固化、裁切、粘结钢芯等工序。具体生产工艺根据实际情况下纸基摩擦材料的配方和生产条件的差异以及性能、成本要求的不同而变化，典型的生产过程如图3所示。

图3 纸基摩擦片生产工艺流程示意图

随着对纸基摩擦材料性能要求的提高以及生产条件的改进，其生产工艺也有了进一步发展，国外文献中有关纸基摩擦材料制造工业的发展主要有：一是两次浸渍树脂；二是双层结构的纸基摩擦材料；三是加入水溶性有机聚合物控制摩擦材料孔隙度；四是将摩擦性能调节剂和填料随树脂浸渍加入。

4 纸基摩擦材料的性能研究

纸基摩擦材料需要满足耐热性、孔隙率、机械强度、摩擦磨损性能和性价比等综合性能指标。达到这些极其苛刻甚至相互矛盾的要求是一件极其艰难的工作，不仅需要耗费大量财力，也需要耗费大量的人力和时间，但开发高性能纸基摩擦材料制备技术蕴含着巨大的经济利益，因此，开发高性能纸基摩擦片制备技术抢占市场一直是发达国家重点努力的方向。研究表明，一般纸基摩擦材料的动摩擦系数为0.08 ~ 0.15，静摩擦系数≥0.12，磨损率≤10×10-8 cm3/J。专利公开号CN 1301286 C“碳纤维增强纸基摩擦材料的制备方法”制作的摩擦片动摩擦系数为0.130 ~ 0.145，静摩擦系数为0.147 ~ 0.165，磨损率为≤5.0×10-8 cm3/J；专利公开号CN 101805589 A“一种高性能环保纸基摩擦材料原纸及摩擦片的制作方法”制作的摩擦片动摩擦系数为0.14 ~ 0.17，静摩擦系数为0.15 ~ 0.18，磨损率为1.33 ~ 1.42×10-8 cm3/J。

4.1 结构性能对纸基摩擦材料性能的影响

（1）孔隙率对纸基摩擦材料性能的影响

纸基摩擦材料是一种多孔性材料，这种结构特点使其能够储存作为润滑和冷却用的润滑油。一方面，纸基摩擦材料工作时在压力作用下被压缩，油被挤出，既部分带走了产生的热量而保持较低的温度，又作为润滑油而减少材料的磨损；当分离时，材料又回弹，将润滑油重新吸入孔隙中。另一方面，材料孔隙率及孔隙的大小直接影响接合时润滑油膜的厚薄，从而影响摩擦系数及其稳定性。因此，孔隙结构对摩擦材料的摩擦性能产生重要影响，但不能一味追求纸基摩擦材料的高孔隙率，而应该根据材料的具体要求来设计适当的孔隙率，平衡摩擦系数和磨损性能之间的矛盾。影响纸基摩擦材料孔隙率的因素有：纤维种类、含量及形态、成型压力、树脂种类及含量等。

研究表明，孔隙率高和孔径大的纸基摩擦材料具有高的摩擦因数，孔隙率高的材料在离合器结合过程中所达到的最高温度较低。孔隙率较低的材料，强度较高。碳纤维增强纸基摩擦材料的耐热性和抗热衰退性能明显优于纤维素纤维。

（2）材料压缩回弹性能对材料摩擦性能的影响

由于湿式纸基摩擦材料工作时受压力和剪切力作用，因此，材料的力学性能对其摩擦性能具有重要影响。就目前的研究来看，主要集中于材料的形变性能（如弹性模量、回弹性能、压缩性能等）。影响纸基摩擦材料变形性能的因素有：材料的组成，如纤维种类及形态，树脂的含量及种类，填料的种类及含量，界面间的结合强度，热压压力，孔隙率及孔径大小和载荷等。

纸基摩擦材料的结构变形性能是影响摩擦系数的关键因素。研究表明，纸基摩擦材料的压缩弹性模量越低，摩擦系数就越高；材料的压缩变形越大，压力卸载时残余形变也就越大。残余形变是由材料的塑性形变引起的，因而纸基摩擦材料是一种粘弹性材料，在载荷作用下具有明显的粘弹性形变行为。

进一步研究表明，材料形变大，特别是表面微凸体在压力作用下形变大，摩擦材料与对偶盘的接触点增加，材料与对偶盘的接触面积增加，润滑油膜较薄，摩擦系数增加。形变小的材料由于表面较硬，接合时的接触点较少，润滑油膜较厚，摩擦系数较低。因此，摩擦材料表面与对偶盘的接触点越多（接触面积越大），润滑油膜就越薄，摩擦系数就越高。

但是，Hattori和Kato研究了纸基摩擦材料结构形变和润滑油流体特性的相互作用与摩擦振动关系后指出，提高纸基摩擦材料的弹性模量和润滑油的体积弹

性模量能够减少变速或刹车时的振动，提高摩擦系统的稳定性。因而，摩擦材料变形性能的影响也是两方面的。

4.2 温度对纸基摩擦材料性能的影响

微观摩擦学研究表明，摩擦材料表面存在大量的微凸体，摩擦材料与对偶盘接合时，微凸体先与对偶盘接触，有限的微凸体接触往往导致局部温度很高，如果热量来不及被带走，会使耐热性差的组分发生热分解或碳化，引起材料的热衰退。同时，温度对润滑油的粘度产生重要影响，进而对润滑状态产生影响。因此，温度是影响摩擦磨损性能的重要因素。

大量研究结果表明，温度对材料摩擦性能的影响比较复杂，不能简单归结为一两个因素的相互作用，在这一方面的理论和实验研究还不够系统，需要深入研究才能进一步揭示其影响机理。

5. 纸基摩擦材料的磨损机理

纸基摩擦材料是一种成分复杂的复合材料，在磨擦磨损过程中，各组分相互作用、相互制约，摩擦材料与对偶件间的摩擦可以使其接触表面变形，粘着点撕裂，其作用程度与表面形貌、滑动过程、使用的材料及环境因素等有关，所以磨损过程非常复杂，擦偶件之间的界面处不仅有复杂的物理作用，还有复杂的化学过程。许多研究表明，纸基摩擦材料的磨损形成主要有以下几种：（1）热磨损

纸基摩擦材料虽然是在湿式环境下工作，但高速运转的主动片，在离合器或制动器工作时，主动片与从动摩擦片接合，动能转化化为摩擦材料与其偶件之间因摩擦而产生的热能，致使摩擦瞬间温度升高，从而使摩擦材料中的某些组分发生诸如高温分解、氧化、颗粒化、暴裂融化、蒸发和升华，以及伴随机械力变化的一系列物理和化学的现象，使摩擦材料原子间不断破坏，导致材料磨损。

（2）粘着磨损

摩擦材料与其偶件在压力作用下，表面上微凸体受到应力较大，发生塑性变形，有些接触点的长程范德华力将起作用，出现强烈的短程交互作用力，两个接触面将通过分子间的作用发生粘着，产生粘着磨损，由于在摩擦过程中摩擦表面

瞬间温度可达200 ℃左右，导致有机树脂变软甚至分解，粘接点在剪切力的作用下，会使摩擦表面产生较大的磨屑，甚至使增强纤维从磨擦材料中抽出导致大磨损。

（3）磨料磨损

由于摩擦材料内部含有纤维的填料，在树脂固化后形成颗粒，这些颗料在摩擦材料中起承载作用，并在表面形成一系列的小突起，在摩擦过程中，这些小突起被钢质偶件切割，小突起停留在摩擦材料与偶件之间，促使摩擦材料表面磨损和偶件磨损。

（4）疲劳磨损

在离合器或制动器工作过程中，摩擦材料与其偶件相对滑动，在两者接触区将造成很大的应力和塑性变形，在长期反复的交变应力作用下，摩擦材料及其偶件表面某些薄弱环节处将会引发疲劳裂纹，并逐步扩展，最后将可能以微细薄片形式断裂剥落下来，另外，在每次离合过程中，都伴随着材料表层温度的升高，导致材料的热疲劳，在长期反复热应力作用下，将加速材料表面裂纹的产生与扩展，加速材料的疲劳磨损。

综上所述，在摩擦过程中，材料的磨损可能不止一种磨损机理在起作用，而是几种可能同时作用，并且在不同磨擦阶段，可能会有不同的磨损机理做主导作用，有时可相互转化，同时材料的磨损并不仅限于以上同种，这些都给认识和研究摩擦材料的磨损机理带来一定的难度。

6. 纸基摩擦材料产业前景展望

现代文明的不断发展，使得制造业的发展也开始更多地关注产品制造对环境的影响，希望能够走出一条社会制造同环境保护相结合的新型发展道路。在摩擦材料行业中，湿式纸基摩擦材料，在材料制备初期完全采用湿法造纸工艺生产，是一种绿色材料制备过程，环境污染因素相对较少，其发展符合当今社会可持续发展的理念，响应了国家节能减排和发展低碳科技的方针。相比湿式纸基摩擦材料，铜基摩擦材料的生产过程中不可避免地会产生较大的粉尘污染，对环境的影响不容小视。而同时湿式铜基摩擦材料在生产过程中需要损耗大量的电力资源以及不可再生的金属粉末资源。这就从客观上造成了由于金属粉末原料价格的上涨

而带来湿式粉末冶金摩擦材料成本的必然上升，一方面加重了企业的负担，另一方面也与国家大力提倡的绿色环保、节能减排政策相违背。因此，湿式纸基摩擦材料必将成为湿式摩擦材料乃至整个摩擦材料领域中的一个重要发展方向。

我国工程机械行业在最近几年也取得了快速发展，出现了如柳工、龙工、厦工等大型工程机械制造商。在工程机械变速器和汽车自动变速箱中，具有高性能、高品质的湿式纸基摩擦材料一直扮演着结构性和功能性重要材料的角色，它的性能优劣直接决定着变速装置的传扭品质、传扭平稳性，并决定车辆传扭过程的安全性、稳定性和使用寿命。因此，伴随着我国工程机械行业的快速发展，高品质纸基摩擦材料也必将具有广阔的市场和良好的发展前景。

国外发达国家很早就认识到纸基摩擦材料的重要性，大力发展并形成了许多技术力量雄厚、产品销量良好的大型企业。这些企业也纷纷来中国投资，积极抢占国内工程机械和汽车工业用纸基摩擦材料市场。而国内由于对纸基摩擦材料的认识水平相对较低，行业发展较晚，受到关注程度较低，产品同步开发能力较弱，科研投入小，创新能力不强等原因，一直没有形成能够在高品质纸基摩擦材料领域与国外大型企业相抗衡的企业，湿式纸基摩擦材料发展仍然任重道远。