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第２６卷第４期 ２００６年０８月 矿 冶 工 程 ＭＩＮＩＮＧ ＡＮＤ ＭＥＴＡＬＬＵＲＧＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｖ０】．２６ Ｎｏ４ Ａｕｇｕｓｔ ２００６ 基体共混改性对树脂基摩阻材料摩擦磨损性能的影响① 尹斌，滕杰，陈振华 （湖南大学材料科学与工程学院，湖南长沙４１００８２） 摘要：研究了树脂基摩阻材料的基体共混改性对树脂基摩阻材￥４／喷射沉积铝基复合材料摩擦副在干摩擦状态下摩擦磨损性能 的影响，着重探讨了腰果壳油改性酚醛树脂与丁腈橡胶（ＮＢＲ）的比例对摩擦副的影响，在此基础上制备出了用于１：１台架制动试验 的树脂基闸片。结果表明：对于铝基复合材料，树脂基摩阻材料腰果壳油改性酚醛树脂与丁腈橡胶的最佳比例为１：１，同时，１：１台 架试验结果表明所制备的树脂基摩阻材料可以很好地适用于铝基复合材料制动盘，满足２００ ｋｍ／ｈ高速列车的制动要求。 关键词：摩阻材料；铝基复合材料；干摩擦；基体改性 中图分类号：ＴＢ３３２ 文献标识码：Ａ 文章编号：０２５３—６０９９（２００６）０４—００７２—０４ Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ Ｍａｔｒｉｘ Ｍｏｄｉｉｆｃａｔｉｏｎ ｏｎ Ｆｒｉｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｗｅａｒ ｏｆ Ｒｅｓｉｎ Ｍａｔｒｉｘ Ｆｒｉｃｔｉｏｎ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ＹＩＮ Ｂｉｎ，ＴＥＮＧ Ｊｉｅ，ＣＨＥＮ Ｚｈｅｎ—ｈｕａ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｕｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００８２，Ｈｕｎａｎ，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｍａｔｉｒｘ ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｒｅｓｉｎ ｍａｔｉｒｘ ｆｉｒｃｔｉｏｎ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｏｎ ｆｉｒｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｗｅａｒ ｏｆ ｆｉｒｃｔｉｏｎ ｃｏｕｐｌｅ，ｗｈｉｃｈ ｗａｓ ｃｏｍｐｏｓｅｄ ｏｆ ｒｅｓｉｎ ｍａｔｒｉｘ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ ａｌｕｍｉｎｕｍ ｍａｔｒｉｘ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ｗｅｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ ｕｎｄｅｒ ｄｒｙ ｓｌｉｄｉｎｇ．Ｅｍｐｈａｓｉｓ ｗａｓ ｐｕｔ ｏｎ ｔｈｅ ｒａｔｉｏ ｏｆ ｃａｓｈｅｗ—ｍｏｄｉｆｉｅｄ ｒｅｓｉｎ ｔｏ ｒｕｂｂｅｒ（ＮＢＲ）．Ｔｈｅ １：１ ｓｉｚｅｄ ｒｅｓｉｎ—ｂａｓｅｄ ｂｒａｋｅ ｐａｄ ｗａｓ ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅｓｅ ｓｔｕｄｙ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｂｅｓｔ ｒａｔｉｏ ｏｆ ｒｅｓｉｎ ｔｏ ｒｕｂｂｅｒ ｉｓ １：１ ａｓ ｆｏｒ ａｌｕｍｉｎｕｍ ｍａｔｉｒｘ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ．Ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ １：１ ｓｉｚｅｄ ｂｒａｋｉｎｇ ｔｅｓｔ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｒｅｓｉｎ—ｂａｓｅｄ ｆｉｒｃｔｉｏｎ ｐａｄ ｃａｎ ｂｅ ｗｅｌｌ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ａｌｕｍｉｎｕｍ ｍａｔｉｒｘ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ｒｏｔｏｒ，ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｂｒａｋｉｎｇ ｄｅｍａｎｄ ｏｆ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｔｒａｉｎ ａｔ ｔｈｅ ｓｐｅｅｄ ｏｆ ２００ ｋｍ／ｈ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｍａｔｅｒｉａｌｓ；ａｌｕｍｉｎｕｍ ｍａｔｒｉｘ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ；ｄｒｙ ｓｌｉｄｉｎｇ；ｍａｔｉｒｘ ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ 目前，随着交通运输车辆向轻量化、低能耗方向不 兼有高耐热性、优异耐磨性和较低弹性模量 Ｊ。 断发展，对制动材料提出了更高的要求，传统的列车制 但目前有关树脂基摩擦材料的研究大都针对铸 动盘材料如铸铁、铸钢或锻钢在大制动功率下存在热 铁、铸钢等制动盘，针对摩擦对偶为铝基复合材料制动 容量不足、导热性差、易龟裂等缺点ｌ１ ，此外，铁基材 盘的研究尚未见报道。为此，作者考察了树脂基摩阻 料密度大，不利于车辆减重，了列车速度的提 材料基体改性以及基体成分相对含量对铝基复合材料 高 “ 。由于颗粒增强铝基复合材料具有如下的优 制动盘／树脂基摩阻材料摩擦副摩擦磨损性能的影响。 点：低的密度（为铸铁的１／３），良好的导热性以及优良 的耐磨性能，在制动材料方面的应用有着广阔的前景， １ 材料制备与试验方法 得到了世界各国的广泛关注和研究 。树脂基摩阻 １．１材料制备 材料自身ｊ生能对整个磨擦副产生重要影响，通常对其 树脂基摩阻材料基体采用腰果壳油改性酚醛树脂 进行增韧改性，降低材料的硬度和模量，从而改善磨擦 和丁腈橡胶，增强体为钢纤维和硅灰石纤维，填料由重 副的磨擦磨损性能。目前，主要增韧方法有：接枝共 晶石、铬铁矿等组成。其具体成分及配比（质量分 聚、嵌断共聚和共混改性。在摩擦材料制备中应用最 数，％）为：腰果壳油改性酚醛树脂（济南圣泉一海沃 多的增韧方法是共混改性，即在热固性酚醛树脂中引 斯公司，一０．０７４ ｍｍ）１０％～１５％，粉末丁腈橡胶 入分散的橡胶相，以适量的柔软的橡胶与刚性硬质的 （ＮＢＲ）（兰州石化研究院，一０．２５０ ｍｍ）５％～１０％，钢 树脂进行共混改性，构成所谓高分子合金，从而使基体 纤维（南阳军龙公司ＤＦ００—３．５型，一０．１８０ ｍｍ）２５％ ①收稿日期：２ｏｏ６－ｏｌ－０６ 基金项目：国家８６３计划资助项目（２００３ＡＡ３３１１９０） 作者简介：尹斌（１９６１一），女，湖南长沙人，工程师，主要研究方向为喷射沉积及复合材料。 维普资讯 http://www.cqvip.com
第４期 尹斌等：基体共混改性对树脂基摩阻材料摩擦磨损性能的影响 ～３５％，硅灰石纤维（黄石鑫溢矿产公司，长径比＞ １８）５％～１０％，重晶石（市售，一０．０６３ ｍｍ）１０％～ ２０％，铬铁矿（市售，一０．０６３ ｍｍ）８％～１０％，其他填 料１０％～２５％。在研究酚醛树脂与丁腈橡胶的相对 比例对摩擦副的摩擦磨损性能影响时，保持酚醛树脂 和丁腈橡胶的总体含量不变。 摩阻材料制备采用二次压制工艺 制备。首先 将原料按照配比称量，在Ｖ型混料机上混合２ ｈ，混合 均匀后，将预混料在９０℃预热１０ ｍｉｎ，并在热辊机上 预压成厚度为２～４ ｍｍ的薄片，预压温度为１３０℃。 待预压的薄片冷却后，破碎成小块进行热模压。热模 压温度为１６５℃，压制压力为５０ ＭＰａ，保压时间为６０ ｓ／ｍｍ。将热模压后的试样进行后续热处理，热处理制 度为１２０℃Ｘ １ ｈ＋１５０℃Ｘ ２ ｈ＋２００℃Ｘ １０ ｈ。 铝基复合材料采用多层喷射共沉积技术 制备， 其基体合金名义成分为Ａ１．２０％Ｓｉ．１％Ｍｇ．３％ｃｕ． ０．５％Ｍｎ，ＳｉＣ增强颗粒的体积分数为１５％，平均粒径 １４ ｍ。 参照ＧＢ１０３３—８６，采用浸渍法测量摩擦材料试样 的密度；采用ＨＢＲＶＵ一１８７．５型布洛维光学硬度计测 量布氏硬度，压头 ５ ｍｍ，加载载荷为６１３ Ｎ，载荷保 持时间６０ Ｓ；参照ＧＢ／Ｔ １０４３—９３，在ＣＢＪ一１１Ｊ型悬 臂梁简支梁冲击试验机上测试冲击强度。 １．２摩擦磨损试验 摩擦磨损试验在如图１所示的ＭＭ１０００惯性制动 试验机上进行，通过实验来考察摩擦副的制动摩擦系 数、磨耗及制动力矩平稳性。试验采用的转动惯量为 ０．１ ｋｇ／ｍ ，制动初速度为６５００ ｒ／ｍｉｎ，制动压力为０．５ ＭＰａ。铝基复合材料和摩阻材料均为环状试样，试样 尺寸均为外径７５ ｍｍ，内径５３ ｍｍ。试验前铝基复合 材料和摩阻材料试样依次采用２４０、３８０、６００、１２００号 水磨金相砂纸打磨。随后上机磨合至表观接触面积达 到９０％以上，进入正式试验。正式试验每组制动１０ 次，每次制动后将试样冷却至室温，再进行下一次制动。 采用感量为０．１ｍｇ的电子天平测量铝基复合材料试 柄 图１ ＭＭ１０００惯性制动试验机原理图 样的磨耗量，树脂基摩阻材料试样的磨耗量用厚度减 小量来表示。 在ＭＭ１０００试验结果基础上，制备出用于１：１台 架制动试验的树脂基复合材料闸片，并进行台架制动 试验。 ２实验结果与分析 ２．１力学性能 表１给出了腰果壳油改性酚醛树脂与丁腈橡胶不 同比例时树脂基摩阻材料的力学性能。腰果壳油改性 酚醛树脂与丁腈橡胶比值简称Ｒ。从表１可以看出， 当Ｒ值为∞时，也即基体为纯腰果壳油改性酚醛树 脂，材料的硬度和密度均最大，冲击强度最小。随着基 体中丁腈橡胶含量的增加，摩阻材料的密度和硬度均 呈下降趋势，而其冲击强度增加。有关橡胶增韧的机 理已有较多的研究＿９ Ｊ，增韧作用主要是通过裂纹银纹 化以及橡胶粒子的空洞化来实现。文献［１０］表明共 混体系形态结构为海岛结构，即酚醛树脂形成连续相， 而丁腈橡胶形成分散相。由于橡胶具有高弹性，在材 料受到外力时能分散、均衡应力，并阻止裂纹延伸，从 而提高了材料的韧性和抗冲击强度。 表１ 不同Ｒ值时树脂基摩阻材料的力学性能 ２．２摩擦磨损性能 在树脂基摩阻材料中，为增加摩阻材料的韧性，改 善摩擦副的贴合性，从而达到提高摩擦副摩擦系数的 平稳性，常常在基体中加入一定量橡胶。当摩擦对偶 为铸铁时，橡胶与树脂的比例一般为１／３～１／５ 。 表２给出了不同Ｒ值时摩擦副的摩擦磨损性能。由 表可看出随着基体中丁腈橡胶含量比例的增大，摩擦 副的摩擦系数逐渐增大，而摩阻材料和铝基复合材料 的磨损量均呈现出先减小后增加的趋势。当Ｒ为１ 时，摩擦副两种材料的磨损量最低，而其摩擦系数适 中。当Ｒ值为∞时，即基体为纯腰果壳油改性酚醛树 脂时，摩阻材料硬度高、脆性大，磨损严重，同时造成铝 基复合材料的磨损加剧，划盘现象严重。当Ｒ为０ 时，即基体为纯丁腈橡胶时，基体耐热性不够，制动过 程中基体软化厉害，附盘现象严重，两种材料的磨损都 较大。 维普资讯 http://www.cqvip.com
７４ 矿冶工程 第２６卷 图２为不同尺值时摩擦副的典型ＭＭ１０００制动曲 线。从图中可以看出随基体中丁腈橡胶比例的增大， 其ＭＭ１０００制动曲线的平稳程度先增大，当Ｒ为１时， 曲线最为平稳，而随着丁腈橡胶的进一步增加，曲线平 稳程度急剧下降。当摩阻材料的基体为纯腰果壳油改 性酚醛树脂或丁腈橡胶的比例较低时，摩阻材料的硬 度较高、韧性差，在与铝基复合材料摩擦制动过程中， 容易剥落，造成摩擦副的磨损量增加。而当基体为纯 丁腈橡胶或橡胶的比例较高时，摩阻材料的耐热性不 足，动过程中摩阻材料软化较为严重，其摩擦层出现大 块剥落，粘附在铝基复合材料的摩擦面上，摩擦系数波 动很大。当Ｒ为１时，摩阻材料既可获得较高的韧 性，又能保证一定的耐热性，摩擦过程中可以形成稳定 的摩擦层。 表２不同Ｒ值时摩擦副的摩擦系数和磨损率 注：表中数据为ＭＭ１０００试验数据，取制动１Ｏ次的平均值，当基体为 纯丁腈橡胶时，摩擦系数过大，磨损严重，未完成一组实验。 暑 Ｚ ＼ 需 制动时间ｔ／ｓ 图２不同Ｒ值时摩擦副的典型ＭＭ１０００制动曲线 Ａ：Ｒ＝ ；Ｂ：Ｒ＝２；Ｃ：Ｒ＝１；Ｄ：Ｒ＝０．５；Ｅ：Ｒ＝０ 图３为树脂基摩阻材料的摩擦层形貌。从图３ （ａ）可看出摩擦层上有一定的沟槽，并分布着一些已 经剥落的填料颗粒，其主要原因为铝基复合材料表面 上的微凸体对摩阻进行犁削，属于磨粒磨损。图３（ｃ） 所示的摩擦层出现了大块的剥离，即图中的“低凹”部 分，增强纤维裸露出来，其原因为基体耐热性不足，在 制动产生的热作用下，摩阻材料粘附在铝基复合材料 上，属于粘着摩擦磨损。而图３（ｂ）摩擦面较为光滑、 完整，并无剥落的填料颗粒以及大块剥离现象出现。 摩擦形貌在一定程度上解释了ＭＭ１０００制动曲线的平 稳性问题。 图３摩阻材料的摩擦层形貌 （ａ）Ｒ＝ ；（ｂ）Ｒ＝１；（ｃ）Ｒ＝Ｏ 按基体中酚醛树脂与橡胶比例为１：１制备出了如 图４（ａ）所示的树脂基复合材料闸片，并与图４（ｂ）所 示的铝基复合材料制动盘配副进行了１：１台架制动试 验，台架制动试验是按照实际使用中车辆组装制动系 统的惯量模拟实际工况在惯性力矩试验台上进行的制 动试验。通过台架试验，可以研究树脂基闸片材料的 各项制动特性如瞬时摩擦系数、制动距离、表面温度和 磨损量等。由于台架试验结果通常接近实际应用时的 结果，进行台架试验是评定所制备的制动闸片能否装 车应用的重要环节。本次台架试验模拟轴重２１ ｔ，摩 擦半径为４６６ ｍｍ，紧急制动压力１７ ｋＮ，常规制动压力 ８．５ ｋＮ。 一 （ａ） （ｂ） 图４用于台架试验的制动盘和闸片 （ａ）树脂基复合材料闸片；（ｂ）铝基复合材料制动盘（‘ｐ外１ ０８５ ｍｍ× ‘Ｐ ８０５ ｍｍ×５２ ｍｍ） 表３给出了台架试验结果，由表可看出，在不同制 动压力和制动初速度下，摩擦副的摩擦系数始终在 维普资讯 http://www.cqvip.com
第４期 尹斌等：基体共混改性对树脂基摩阻材料摩擦磨损性能的影响 ７５ ０．３５±０．０５范围内，其制动距离符合要求。另外，闸 片的磨损量为０．１８ ｃｍ ／ＭＪ，小于设计所要求的０．５ ｃｍ ／ＭＪ。 表３ １：１台架试验结果 ３结 论 １）通过共混改性提高了树脂基摩阻材料的韧性， 降低了其硬度，制备出了与铝基复合材料相适应的树 脂基摩阻材料。 ２）当树脂基摩阻材料基体中酚醛树脂与丁腈橡 胶的比例为１：１时，树脂基摩阻材料具有适中的硬度 和韧性，此时摩擦副的摩擦磨损性能最佳。 ３）当树脂基摩阻材料基体由酚醛树脂向丁腈橡 胶逐渐转变时，其磨损由磨粒磨损向粘着磨损转变。 ４）１：１台架试验结果表明所制备的树脂基复合材 料闸片与铝基复合材料制动盘摩擦副的摩擦磨损性能 满足了２００ ｋｍ／ｈ高速列车的要求。 参考文献： ［１］齐海波，樊云昌，籍凤秋．高速列车制动盘材料的研究现状与发 展趋势［Ｊ］．石家庄铁道学院学报，２００１，１４（１）：５２—５７． ［２］ 戴雅康．高速列车摩擦制动材料的现状与发展［Ｊ］．机车车辆工 艺，１９９４，２：１—８． ［３］Ｚｅｕｎｅｒ Ｔ．高速列车使用铝基复合材料制动圆盘［Ｊ］．国外机车 车辆工艺，１９９９（２）：１９—２１． ［４］迁村太朗．铝合金盘形制动器［Ｊ］．国外机车车辆工艺，１９９５ （４）：１９—２３． ［５］Ｈｉｒｏａｋｉ Ｎａｋａｎｉｓｈｉ，Ｋｅ ｉ Ｋａｋｉｈａｒａ，Ａｋｉｎｏｒｉ Ｎａｋ￣ａｍａ，ｅｔ ａ１．Ｄｅｖｅｌ— ｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ａｌｕｍｉｎｕｍ ｍｅｔａｌ ｍａｔｒｉｘ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ（Ａ１一ＭＭＣ）ｂｒａｋｅ ｒｏｔｏｒ ａｎｄ ｐａｄ［Ｊ］．ＪＳＡＥ Ｒｅｖｉｅｗ，２００２，２３：３６５～３７０． ［６］ 沈仲英．粉末丁腈橡胶在摩擦材料中的应用［Ｊ］．非金属矿，１９９５ （５）：５１ ［７］刘耀宗，陈刚，滕杰，等．树脂基摩擦材料二次压制工艺研究 ［Ｊ］．非金属矿，２００４，２７（６）：５３—５５． ［８］ Ｃｈｅｎ Ｚｈｅｎｈｕａ，Ｔｅｎｇ Ｊｉｅ，Ｙａｎ Ｈｏｎｇｇｅ，ｅｔ ａ１．Ａ Ｎｏｖｅｌ Ｓｐｒａｙ Ｄｅｐｏｓｉ— ｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ａｌｌｏｙ ａｎｄ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ａｌｌｏｙ Ｍａｔｉｒｘ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｒｉｎｇｓ ｗｉｔｈ Ｌａｒｇｅ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓ［Ｊ］．Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｆｏｒｕｍ，２００５，４７５—４７９：２７９９—２８０２． ［９］ 殷敬华，韩艳春，安立佳等译．聚合物共混改性：组成与性能 ［Ｍ］．北京：科学出版社，２００４． ［１０］ 瞿雄伟，王晓平．汽车制动用无石棉摩擦材料．中国塑料，１９９７， １１（２）：１６． ［１１］ 顾澄中，胡福增，吴叙勤．摩阻材料中基体树脂的共混改性研究 ［Ｊ］．非金属矿，１９９５，１４（２）：５８—６０． ［１２］ 庄光山，王成国，王海庆等．橡胶改性酚醛树脂摩擦材料的研究 ［Ｊ］．橡胶工业，２００３，５０（７）：４０７—４１０．
