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纸基摩擦材料的界面结合性能及其摩擦、磨损性能的研究

钟林新  
【摘要】:纸基摩擦材料是一种在油中工作的新型摩擦材料,具有摩擦系数高,动、静摩擦系数接近、结合平稳柔和、噪音小、对偶损伤小、成本低廉等一系列优点,因而近年来在交通运输机械、建筑矿山机械等各类车辆与工程机械的自动变速器和制动器中逐渐得到应用。影响纸基摩擦机械性能因素众多,其中,纤维与树脂之间的界面结合性能是影响材料力学性能、摩擦及磨损性能的重要因素之一。界面结合强度的提高对于改善纸基摩擦材料的力学性能、摩擦及磨损性能具有重要意义。本文对纸基摩擦材料的界面结合性能进行研究,探讨剑麻纤维、芳纶纤维与酚醛树脂之间的界面结合性能及其对复合材料力学性能、摩擦及磨损性能的影响。同时,本文还探讨了纸基摩擦材料的磨损机制,为制备高性能纸基摩擦材料提供相关的依据与参考。 论文首先研究了组分及材料结构对纸基摩擦材料摩擦、磨损性能的影响。研究表明,随着芳纶纤维含量增加,纸基摩擦材料的动摩擦系数升高,静摩擦系数则先升高后下降。随着填料含量增加,纸基摩擦材料的动、静摩擦系数升高。芳纶纤维及填料含量的增加均能有效减少纸基摩擦材料的磨损;但填料含量的增加也导致对偶磨损增加。随着成型压力增加,纸基摩擦材料结构变得致密,内部树脂被更多地挤出至材料表面,内部树脂减少而表面树脂增加,材料的透气度下降,并最终导致纸基摩擦材料拉伸强度和层间结合强度下降。成型压力增加使得材料的静摩擦系数上升,而动摩擦系数和磨损率下降。 通过磨损表面形貌及热衰退分析,论文对纸基摩擦材料的磨损机制进行研究。结果表明,在剪切力及压力的反复作用下,摩擦材料表面的纤维发生严重磨损,并产生磨屑;其中,植物纤维的磨损更为严重。材料磨损表面发生界面分离,甚至发生纤维的脱落。摩擦时产生的纤维磨屑及填料磨粒镶嵌于植物纤维中或陷于材料的孔隙中,不会对材料的磨损性能造成明显影响。热分析表明,反复的摩擦使得热性能较差的植物纤维发生显著的热降解,使得材料的热性能下降。这些结果表明,纸基摩擦材料的磨损机理主要为粘着磨损和疲劳磨损。 论文采用化学处理作为植物纤维表面改性方式以研究纤维表面特性对纤维/树脂界面结合性能的影响。结果表明,烧碱-蒽醌剑麻浆纤维表面存在一层由颗粒状和非颗粒状组成的木素,其含量高达51%,而抽出物含量仅为2%。纤维表面木素的存在不利于纤维/树脂之间的界面结合,因而复合材料的拉伸强度、层间结合强度较低而磨损较高。二氧化氯处理后,纤维表面的木素含量显著下降,暴露出更多的纤维素微细纤维,纤维/树脂之间的界面结合性能得到改善,复合材料的拉伸强度、层间结合强度提高,磨损下降。碱处理、漆酶处理及漆酶/碱处理均能明显降低纤维表面的木素含量,其中漆酶—碱处理效果比单独碱处理和漆酶处理好,接近二氧化氯处理的效果。 论文研究了植物纤维微纤维化及其对纸基摩擦材料界面结合性能的影响。植物纤维经过微纤维化之后,纤维与树脂之间触面积增加,界面区域得以扩展,两相之间的机械互锁力得到提高,裂纹的产生与扩展得到有效抑制,因而纸基纸基摩擦材料界面结合强度提高,应力能够更有效地传递,材料的压缩性能、拉伸性能、层间结合性能及磨损性能得到明显改善。 进一步研究表明,随着微纤维化程度的提高,纤维的长度和力学性能下降。当微纤维化主要局限于细胞壁S1或S2外层时,纤维力学性能变化不大而纤维/树脂之间的界面结合强度得到明显改善,因而材料的力学性能提高。过高的微纤维化严重破坏S2层,导致纤维力学性能恶化,材料的力学性能下降。因而,微纤维化为植物纤维复合材料界面强度的提高提供一种有效的方式。芳纶纤维微纤维化亦能提高纸基复合材料的界面结合强度,从而改善纸基复合材料的力学性能。 对纸基摩擦材料摩擦、磨损性能研究结果表明,在低微纤维化时,材料的透气度下降不明显,材料中的填料含量及界面结合强度得到有效提高,因而材料的动、静摩擦系数较高,磨损率较低。纤维高微纤维化时,材料透气度明显下降,摩擦材料与对偶之间形成的润滑油膜不能得到有效抑制或破坏,并导致润滑油热交换能力不足,动、静摩擦系数降低,材料热衰退加剧,磨损率增加。


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