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《哈尔滨工业大学》 2007年
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酚醛树脂制动材料的制备与摩擦磨损性能研究

章少阳  
【摘要】: 现代汽车制动系统中高质量的刹车材料必须具备可靠性、安全性、舒适性和耐磨性,合适而稳定的摩擦系数是关键。刹车材料的磨损是一个复杂性课题,建立刹车材料磨损方程具有重大的理论意义和现实价值。制动盘和制动鼓的轻型化是当今世界最热门的研究课题,碳化硅颗粒增强铝金属基复合材料(SiC particle-reinforced aluminum metal matrix composites, SiCP/Al-MMCs)是传统灰铸铁材料可能的替代品。 研究了刹车材料成分的摩擦磨损性能。利用D-MS定速试验机研究了复合材料性能。当树脂和钢纤维的质量比是1:4时,有较好的摩擦、磨损和加工成型性能,本文选择此比例作为基础配方之一。六钛酸钾晶须比重晶石的摩擦和磨损性能更好,这与它的稳定的化学结构和晶须特性有关;黄铜纤维是很好的摩擦材料成分,但较昂贵;氧化铁黑是一种低温下温和的增摩材料,而氧化铝是一种高低温适用的高效增摩材料;当焦炭、石墨和三硫化二锑的质量比是5:3:3时,出现的摩擦系数互补性能最佳,这可归因于低温条件下焦炭和石墨的润滑和高温条件下三硫化二锑的润滑协同作用的结果。这些研究为面料配方的确定提供重要的实验和理论依据。 利用上面的实验结果,经正交实验设计和蔡氏试验机测试,综合评价后按质量百分比筛选出最佳半金属盘式刹车材料面料配方:10份树脂、40份钢纤维、4份铜粉、7份六钛酸钾晶须、10份重晶石、2份氧化铝、5份氧化铁黑、10份焦炭、6份石墨、6份三硫化二锑。它的摩擦系数随温度、载荷和速度变化较小,平均摩擦系数是0.444,磨损也较小。再选择合适的原材料通过正交实验设计,用剪切强度试验机测试底料和钢背的粘结性能,筛选出最佳半金属盘式刹车材料底料配方:10份树脂、29.5份钢纤维、7.4份硅灰石、8.4份焦炭、5.3份氧化铁黑、2.1份亚麻、36.8份岩棉。它的30℃和200℃的剪切强度分别是4.7 N·mm-2和2.8 N·mm-2,30℃的剪切残留物面积是99%。 建立了汽车制动过程中刹车材料磨损方程。由方程得到的磨损图和可接受的制动次数图能方便地评价刹车材料每次制动磨损和使用寿命。把前面研制的配方制成产品,惯性台架测试表明它的摩擦性能在Volkswagen公司所要求的离散带范围内,说明配方具有很大的实际使用价值。产品经三个不同城市桑塔纳出租车装车路试,结果表明平均每次制动质量磨损随平均制动初速度增加,而平均名义比磨损率先减小后增加,这些发现与方程分析预言是一致的。三个平均名义比磨损率值都包括在实际比磨损率允许值范围内,这进一步证明了方程的可靠性。 探索了SiCP/Al-MMCs和相应刹车材料的摩擦和磨损性能。选择两种不同尺寸的SiCP(3.5μm和34μm,25 vol.%)增强Al-MMCs,分别制成两个可用于Chase机测试的制动鼓。当相同的刹车材料与含大尺寸SiCP的制动鼓进行摩擦试验时,比含小尺寸SiCP的制动鼓显示了更好的摩擦和磨损性能。分析发现摩擦性能强烈地依赖于SiCP的尺寸,而磨损取决于摩擦膜的厚度和SiCP的拔出,这意味着后者更适合制造制动盘(鼓)。另外,摩擦系数都随载荷和速度增加而减少,并在二个不同温度177℃和316℃下渐渐相聚。高温下都发生摩擦衰退,但冷却后又能很快恢复。比磨损率也都随载荷和速度增加而减少,但随温度增加而增加。 探索了改进后的SiCP/Al-MMCs和相应刹车材料的摩擦和磨损性能。仍然采用34μm SiCP,但它的含量由25 vol.%提高到30 vol.%,并依次增加刹车材料中硬度最大的硅酸锆(ZrSiO4)颗粒含量(0、4、8和12 mass%)。试验发现:摩擦系数有了明显提高,并随ZrSiO4增加。当ZrSiO4达到8 mass%时,刹车材料有较好的摩擦性能和最好的磨阻。当ZrSiO4达到12 mass%,温度是316℃,载荷从669 N增加到1069 N时,摩擦是减小的,但从1069 N增加到1469 N时摩擦是温和地增加的。虽然它的摩擦水平最好,但过度磨损的危险也在增加。提出的摩擦模型能较好地解释与ZrSiO4在刹车材料摩擦表面和摩擦膜中含量存在着密切关系的这些摩擦和磨损特性。
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TB302.3

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