混杂纤维增强低树脂基摩擦材料性能与耦合机理研究

【摘要】：现代交通运输业的高速发展和节能环保意识的提高,要求摩擦材料反应速度快,且制动衰减低、热稳定性高、耐磨性好、噪音小等。传统摩擦材料性能的不足和高性能摩擦材料成本的制约,促使高性价比的新型摩擦材料应运而生。采用混杂纤维增强树脂基体的方法在提高汽车刹车片摩擦材料性能方面具有显著的实际效果和广泛的应用前景。本文以碳纤维、芳纶纤维、复合矿物纤维和六钛酸钾晶须为增强材料,利用热压成形工艺制备出树脂基摩擦材料试样。采用极差法、定性计算与定量分析三者相结合,研究混杂纤维对树脂基摩擦材料性能的影响,确定混杂纤维合理的用量比。应用黄金分割法优化增强纤维比例并进行正交试验配方设计,使用Matlab软件建立摩擦材料性能优化模型,并结合模糊综合评价法筛选出最优配方。借助扫描电子显微镜观察低树脂基摩擦材料断面和磨损前、后表面及磨屑的微观形貌,结合能谱仪分析磨损后表面的元素组成,探讨其耦合机理,为新型高性能摩擦材料的研制提供一定的理论依据与支持。通过试验研究,得出以下结果与结论:(1)混杂纤维增强低树脂基摩擦材料具有良好的耐磨性和高的热稳定性,洛氏硬度维持在50~60HRB之间,剪切强度均处于12~16 MPa的适宜范围。随着混杂纤维含量从8%增加到10%,摩擦材料的硬度和剪切强度分别升高14.5%、31.2%。(2)当混杂纤维含量为9.4%(碳纤维1.4wt.%、芳纶纤维1.3wt.%、六钛酸钾晶须1.3wt.%和复合矿物纤维5.4wt.%)时,摩擦材料摩擦系数维持在0.38~0.42,磨损率仅为0.12×10~(-7)cm~3/(N·m),F6试样配方为本文优选的最佳配方。(3)六钛酸钾晶须对摩擦材料的洛氏硬度影响最大;芳纶纤维对剪切强度影响最大;碳纤维优异的自润滑性及在摩擦界面形成的“转移膜”,有利于减轻脱落的增强纤维和填料对基体的犁削作用,同时可以导出摩擦产生的高热量,有效地缓解热衰退,对摩擦材料的摩擦系数及磨损率均影响最大。(4)纤维与树脂的交叉耦合效应和各组分间的交联程度以及界面强度共同决定着树脂基摩擦材料的机械物理性能。混杂纤维的协同耦合作用以转移膜的形式改变黏着过程中的摩擦力,影响着摩擦材料的摩擦系数。(5)不同含量的混杂纤维和改性酚醛树脂两者共同作用将摩擦材料的磨损机理由磨粒磨损和热分解磨损转变为多种机理综合的复杂磨损形式;混杂纤维增强树脂基摩擦材料对磨粒磨损较敏感,摩擦表面连续致密的转移膜使黏着磨损起主导作用;磨屑粒径的大小可改善转移膜的自洁性,从而降低磨损率。