混杂纤维增强陶瓷基摩擦材料及其性能研究

【摘要】：工业制动、高速列车、风电设备等由于制动失效而产生的事故直接经济损失及重大人员伤亡的相关报道较多,而引起制动失效的主要原因之一与摩擦材料性能的好坏紧密相关,如机械性能、抗热衰退性能和耐磨损性能等。制动摩擦材料是制动装置的关键与核心,具有机械性能高、摩擦稳定性好和耐磨损性高的摩擦材料能为安全制动提供重要的技术保证和不可或缺的技术前提。开展制动摩擦材料的研制,对提高制动装置的技术水平有关键性的作用和重要实际价值。目前,针对半金属等类型的摩擦材料的相关研究较多,并获得了较多成果。然而,迄今为此对于混杂纤维增强陶瓷基摩擦材料的研究甚少。 本文在研究摩擦材料现状和存在问题的基础上,采用多种纤维混杂增强陶瓷基摩擦材料,从陶瓷基摩擦材料中增强纤维的组分出发,结合试验研究和理论分析,系统和深入分析研究了陶瓷基摩擦材料的机械性能和摩擦磨损性能,探讨了其磨损机理,并优化了陶瓷基摩擦材料配方,获得了摩擦性能稳定和高耐磨损性的陶瓷基摩擦材料。对该陶瓷基摩擦材料的研制能大大降低摩擦材料的成本,并具有广阔的应用前景。本文的主要研究工作与创新成果如下： (1)采用廉价、资源广泛的氧化铝、黏土和钾长石为陶瓷复合基体组分,钢纤维为增强纤维,碳化硅、还原铁粉和鳞片石墨为摩擦调节剂,制备出钢纤维增强陶瓷基摩擦材料,并研究了钢纤维含量对陶瓷基摩擦材料的抗热衰退性、恢复性能以及耐磨损性的影响。结果表明,添加钢纤维能够改善陶瓷基摩擦材料的韧性、热稳定性和耐磨损性,认为采用钢纤维作为增强纤维来增强陶瓷基摩擦材料是可行的。但钢纤维与陶瓷材料的相容性存在一定问题,在摩擦过程中会引起钢纤维增强陶瓷基摩擦材料的磨损表面产生微裂纹,加剧其磨损。因此在使用钢纤维作为增强纤维来增强陶瓷基摩擦材料的同时应适当添加与陶瓷材料相容性较好的增强材料。 (2)制出钢纤维／莫来石陶瓷纤维和钢纤维／硅酸铝陶瓷纤维两种组合纤维混杂增强陶瓷基摩擦材料,对比分析了其机械性能和摩擦磨损性能。研究表明,陶瓷基摩擦材料中应包含一定数量的钢纤维可保证其有一定程度的导热性能；钢纤维与莫来石陶瓷纤维或硅酸铝陶瓷纤维都有较好的混杂效应,各种纤维与陶瓷复合基体间的界面结合性能都表现较好,均可以起到协同互补作用的增强效果,提高了陶瓷基摩擦材料的机械性能,为陶瓷基摩擦材料的进一步研制提供了技术方向。 (3)对钢纤维/莫来石陶瓷纤维和钢纤维/硅酸铝陶瓷纤维两种组合纤维混杂增强陶瓷基摩擦材料中陶瓷纤维含量对其性能的影响进行了系统地研究,获得了陶瓷纤维含量对陶瓷基摩擦材料性能的影响规律。结果表明,莫来石陶瓷纤维和硅酸铝陶瓷纤维含量的越大,受摩擦力的持续作用更易断裂脱落,使得陶瓷基摩擦材料的磨损表面粗糙,摩擦副之间的滑动阻力将增大,进而摩擦系数增大,同时降低了陶瓷基摩擦材料的高温耐磨性能。对陶瓷基摩擦材料配方的研制有重要参考价值。 (4)运用黄金分割法、正交设计试验法、灰色相关系数分析法以及模糊综合评价法优选出具有较好综合性能的陶瓷基摩擦材料。研究表明,优选出钢纤维/莫来石陶瓷纤维/硅酸铝陶瓷纤维混杂增强的陶瓷基摩擦材料拥有较高的抗热衰退性能,与由钢纤维/莫来石陶瓷纤维和钢纤维/硅酸铝陶瓷纤维两种组合的纤维混杂增强和仅由钢纤维纤维增强的陶瓷基摩擦材料相比较,三种组合纤维混杂增强陶瓷基摩擦材料的耐磨性能最高。对于三种组合纤维混杂增强的陶瓷基摩擦材料,钢纤维更有利于改善其摩擦学性能。 (5)对优选出的三种组合纤维混杂增强的陶瓷基摩擦材料进行了惯性台架试验,并观察了其磨损表面形貌。结果表明,优选出的陶瓷基摩擦材料具有相对较好的制动性能,其磨损表面并没有出现明显的崩缺,但存在一定程度的黏着对偶制动摩擦盘现象。犁沟痕迹、剥落凹坑是该陶瓷基摩擦材料磨损表面的典型形貌,揭示了其磨损机理,对于完善和开发应用多纤维增强陶瓷基摩擦材料有重要的实际应用价值。