摩擦材料综述

1 文献综述 1.0摩擦材料简介 摩擦材料是一类应用在各种交通工具（如汽车，火车，摩托车，飞机，轮船，自行车等）及各类动力机械（如石油钻机，拖拉机，电梯，挖掘机，坦克等）上，依靠摩擦作用来完成制动和传动功能的部件材料，它主要包括用于制动的制动器衬片(俗称刹车片)和用于传动的离合器面片(俗称离合器片)。 它是所有车辆和大部分动力机械组成的不可或缺部件，发挥着不可替代的作用。在使用上要求其要有一定的摩擦系数，足够的机械强度、稳定性，低的制动噪音，以及较低的磨损率以并很好的耐高温性能。一般的单一材料往往不能达到性能要求，故决定它是必须是一类由增强纤维、粘结剂、摩擦性能调节剂和填料等原材料混合压制成型的三元复合材料。这不仅克服了单一的原料缺陷，而且可以通过不同原料之间的性能偶合来发挥单一组分本身没有的性能。 它的主体复合成分为粘结剂(树脂与橡胶)、增强纤维和摩擦性能调节剂三大类以及其他的钢背等附件，摩擦材料的制备方法分为干式和湿式两种。干式制备的摩擦材料主要采用无石棉的有机材料和烧结摩擦材料；湿式制备的摩擦材料主要有纸基摩擦材料、石墨基摩擦材料和烧结摩擦材料。

1．1摩擦材料组成

1.1.1 增强纤维 增强纤维是一类常见的增强体材料，增强纤维的使用主要使制动材料具有一定的强度和韧性，耐得住冲击、剪切、拉伸等机械作用而不会出现了裂纹、断裂、崩溃等损伤。因此应有足够的强韧性，良好的摩擦磨损性能，与树脂的分散黏附能力好，耐热性好。 摩擦材料按增强纤维出现次序可分为先期使用的石棉材料增强纤维和后期兴起的无石棉摩擦材料。 石棉材料因具有良好的分散性和结合性，有较高的比模量，耐磨并且在高温环境下力学性能不衰退等优良特性并且由于其分布广，成本低廉、价格便宜，性价比高起初被公认为最理想的增强材料被广泛应用于摩擦材料及其他行业，但石棉纤维会被无限分割成非常细小的人肉眼观察不到的纤维很容易被人通过呼吸 2

系统吸收沉积在肺部，引发肺部疾病乃至癌变。因此石棉已被国际癌症研究中心确定为致癌物。现石棉原料已被好多国家限制使用并逐渐被其他的一些人工合成的矿物纤维，有机纤维，金属纤维，陶瓷纤维所替代。 无石棉摩擦材料研究始于上世纪80年代中期，至1989年国内已有多家厂商和科研单位相继推出无石棉摩擦材料，主要集中于轿车用盘式刹车片，其构成多数以别的纤维作为石棉的替代物。1990年杭城摩擦材料有限公司从德国Pagod公司引进上海大众汽车公司桑塔纳轿车配套的720GG无石棉盘式刹车片生产技术，这是我国首次从国外引进的无石棉摩擦材料生产技术。总的来说，我国的汽车工业起步较晚，摩擦材料的发展也相对滞后，研发部门也不健全缺乏资金投入和协作，未能与汽车主管部门及主要汽车制造厂家取得共识，致使无石棉、低噪声的新型摩擦材料的研制开发工作受到制约，落后于国外。【1】

1.1.2目前主要使用的非石棉增强纤维主要有以下数种： （1）碳纤维 碳纤维是一种新型纤维材料，它是由有机纤维或低分子烃气体原料加热至1500 ℃所形成的纤维状材料，碳含量在90%以上。由于碳纤维既具有碳素材料固有本质,又具有金属材料的导电和导热性、陶瓷材料的耐热和耐腐蚀性、纺织纤维的柔软可编性以及高分子材料的轻质、易加工性能,是一种多能和一材多用的功能材料和结构材料。因此广泛应用于航天、航空、军工、汽车、医疗、化工、文化体育用品等领域。按原料分类碳纤维可分为聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维、胶粘基碳纤维和酚醛树脂碳纤维。目前，主要为聚丙烯腈基碳纤维和沥青基碳纤维，其它碳纤维很少。沥青基碳纤维又分为通用型沥青基碳纤维和高性能沥青基碳纤维两种。 碳纤维有如下优良特性： 比重轻； 比模量高； 耐磨、耐疲劳、减振吸能等物理机械性能优异； 耐酸、碱和盐腐蚀，可形成多孔、表面活性强的活性碳纤维； 热膨胀系数小，导热性好；高温环境下性能不衰退； 具有润滑性，不沾润在熔融金属中，可使磨损率降低；如此的优良特性在摩擦材料领域表现出了非常大的开发应用前景，碳纤维的使用在很大程度上提高了摩擦材料的综合性能，常加入到树脂、金属或陶瓷、碳、水泥等基体中，构成碳纤维增强复合材料，是一种极为有用的结构材料。 虽然碳纤维有很多的优点，但目前阶段由于其生产条件苛刻，工艺复杂，价格昂贵，故在目前只在飞机的传制动部件以及部分高配制轿车和部分赛车的摩擦材料构件的生产制造中应用。其他方面的应用尚处于研究阶段。【2】

（2）海泡石纤维 海泡石纤维是一种稀有非金属矿，是我国新兴矿种之一，经多年地质探测证 3

实，探明储量在1000万吨以上。我国的海泡石矿藏主要分布于湖南、陕西、江苏、河北、天津等地。其结构分散性良好，而且取向随机，具有良好的填充性，已被广泛应用于各个各个领域。海泡石按其形态分为α海泡石和β海泡石两种，前者成大束的纤维状晶体产出，即通常成为纤维状海泡石，后者呈土状产出，是由非常细且短的纤维或纤维状集合体组成。由于产地不同，海泡石矿物有白、黄、灰等数种颜色，纯净的海泡石多呈现白色至浅白灰色，粉末状的海泡石质轻，易浮于水面，溶于水中后吸水迅速成絮凝状，且吸水量较大，润湿的海泡石具有极强的粘结性。【7】 海泡石纤维具有优良的摩擦性能，主要得益于海泡石纤维独特的结构。其一是海泡石具有良好的耐热性能，在高温下其结构仍能保持稳定。在250℃高温下纤维结构依然稳定，耐温达1500-1700℃道孔隙结构的“分子筛”在860℃时，才会遭到破坏。由此可知，海泡石的热力学性能稳定。其二是由于其具有极大的表面积和极强的吸附能力会充分的和其他的复合组分结合在结合界面上形成很强的结合力。 海泡石所特有的结构决定它有很好的吸附性能、流变性能和催化性能。吸附剂的吸附能力与其表面积大小有直接关系，经计算海泡石的表面积可达到900m2 / g，其中内表面积为500 m2 / g，外表面积为400 m2 / g，如此大的比表面积是海泡石有较强吸附能力的直接原因。α海泡石纤维具有极大的比表面积和孔隙率(比表面积为203. 3~362. 8 m2 / g ,孔隙率为32. 18 %~46. 87 %) ,因而具有很强的吸附能力；且海泡石的微观形貌成束状，每束直径为0.1~0.3微米，平均0.2微米，长径比为1:60~100微米，通过于摩阻材料复合，能充分发挥基体强度，改善基体于界面的关系，提高材料的剪切强度，达到不连续纤维混杂效应的增强效果。材料因密度小，硬度低，对对偶损伤小，热传导低，制动噪音小。同时,海泡石纤维能在极性溶剂、液态树脂中高度分散,形成纤维网状结构,在复合材料中起到了随机增强的作用；再者，海泡石纤维与粘结剂界面上的物理吸附和化学键合(以共价键方式联结) 增强了界面上的粘结力，提高了这种摩擦材料的整体强度。当摩擦材料的基体受热分解时，海泡石能吸附分解产生的水和小分子化合物及气体，避免因混合摩擦而产生的热衰退现象；海泡石的价格约为钢纤维、碳纤维、玻璃纤维价格的1/ 6 左右，可与各种填料和粘结剂充分混合，制造同一规格的摩擦片可节省原料近40 % ，因此成本大大降低。 （3）陶瓷纤维 陶瓷纤维具有强度高，耐化学腐蚀，耐高温等特性。是一种较为理想的摩擦材料增强纤维，但它目前还是存在自身的一些缺陷，在制动时会产生较大的噪音，对对偶材质的损伤也较其他矿物纤维和有机纤维大。还有待继续改进，一下以硅酸盐纤维为例做以介绍，硅酸盐纤维是一种人造陶瓷纤维，它的渣球含量非常低， 4

在质量要求高，并要求低噪音、低磨损（摩擦材料与盘/鼓）的摩擦材料中，这一点是很重要的。 纤维耐温高，最高耐温在1000℃，具有良好的热稳定性，可减少摩擦片的热衰退现象；佷低的热传导率可防止急刹车时出现的超高温对制动管和刹车油的影响。比重小，比表面积大；表面吸附性强；纤维强度高，其增强效果可满足盘式刹车片和鼓式刹车片的基本要求。硅酸盐纤维全面通过放射性测试，绝无石棉成分，完全符合绿色环保要求。 硅酸盐纤维有以下优良特性： 1）耐磨 良好的耐磨性，表明产品使用寿命长，也是衡量摩擦材料耐用程度的重要技术经济指标，与半金属配方相比，使用寿命可以提高1.5倍以上。 2）具有良好的机械强度和物理性能 硅酸盐纤维具有的强度﹑韧性等特点，从而使制品在恶劣的刹车条件下也能具有非常好的强度特性。 3）有良好的性能价格比和市场竞争力 硅酸盐纤维比表面积大﹑吸附性强﹑具有很好的填料保持能力，在摩擦材料中有极佳的纤维分布性，在单位体积上大大的节省了成本。 4）制动舒适﹑环保 良好的制动性能及理化机械性能等特点，使刹车时脚感舒适；全面通过放射性测试，绝无石棉成分，完全符合日益提高的环保要求。 （4）金属纤维 在摩擦材料生产研发领域中，金属纤维同有机和无机纤维一样具有独特的性能和广泛的用途。金属纤维具有良好的导热和耐高温性能，而且制造方法较简单，成本价格便宜。但相对于其他纤维材料，其有质硬，易损伤对偶盘且易生锈等本质缺陷。然而缺点归缺点，不会在较大程度上影响其使用。以金属纤维为填充剂的复合材料在民用行业如电子、化工、机械、纺织、食品、医药部门开拓了广阔的应用前景。在民用工业上应用金属纤维复合材料也势在必行。金属纤维作为一种新兴的纤维材料已经受到各行各业的重视。 金属纤维在外观上看有多种多样。按材质分有不锈钢、碳钢、铸铁、铜、铝、镍、铁铬铝合金、高温合金等。按形状分为长纤维、短纤维、粗纤维、细纤维、钢绒、异型纤维等。 金属纤维的生产方法有传统的拉丝切断法、还有熔抽法、集束拉拔法、刮削法、切削法等。 目前纤维最小的直径达0.5微米，最长可达几十米甚至几百米。 目前各国生产的金属纤维、碳钢纤维居多，其次是不锈钢、铝、黄铜