特种纤维在摩擦材料中运用的研究

关键词：摩擦材料原料，特种纤维，碳纤维予氧丝， 摩擦磨损
提要：用多种特种纤维代替石棉，研制无石棉摩擦材料。对于摩擦材料的安全性，舒适性和耐磨性，有着十分重要的作用，本文作者通过十多年的努力，研究和开发了多种特种纤维，用于无石棉摩擦材料，取得了较好的效果。

概况：

由于石棉的危害众所周知，近二十年来，寻找石棉代用品为世人关注，特别在汽车摩擦材料中，随着汽车工业和城市化的迅速发展，石棉粉尘对环境的污染令人担忧。由于作为石棉代用品的一些主体纤维，例如，钢纤维，玻璃纤维，硅灰石纤维等，都有一些不可克服的缺陷，需要一些其他纤维或材料来弥补。华东特种纤维制造有限公司多年来为开发特种纤维代替石棉，开发了目前欧美等发达国家比较通用的多种纤维。如碳纤维予氧丝，纤维素纤维，岩石棉等用于摩擦材料。代替了进口。取得了良好的社会效益。表1是几种代用纤维的概况。

表1：无石棉纤维的一般概况

纤维名称	外观	密度	在摩擦材料中作用	价格
碳纤维予氧丝	黑色短纤维	1.35	提高耐磨性和摩擦稳定性降低噪音	60-80
纤维素纤维	白色短纤维	1.4	改善混料工艺，摩擦性能和噪音[1]	7-10
粘胶纤维	黑色或灰色短纤维	1.4	精制纤维素，性能优于纤维素纤维	7-10
涂胶岩石棉	灰黄或紫色短纤维	2.7	改善摩擦磨损性能，降低噪音[2]	4-6
涂胶硅酸铝纤维	灰色微球状短纤维	2.8	改善摩擦性能用于鼓式刹车片	6-10
麻纤维	灰黄色短纤维	1.4	增强，降低噪音。	6-8
黄铜纤维	黄色短纤维	8.2	摩擦磨损性能，导热性	15-20
紫铜纤维	紫色短纤维	8.9	摩擦磨损性能，导热性	28-32
钢纤维	灰黑色短纤维	7.8	增强，导热性	4.8-6
芳伦纤维	黄色纤维浆粕	1.45	增强，耐磨性，噪音	200-300

2：试验的基本配方：

将有关特种纤维制造盘式刹车片，其基本配方如下：
碳纤维予氧丝 3-6%
纤维素纤维或黏胶纤维 2-5%
岩石棉 3-10%
铜纤维 3-15%
钢纤维 10-20%
黏合剂 5-15%
硫化物 5-20%
高碳材料 10-30%
用于城市公共汽车的鼓式刹车片，基本配方见图1

3：试验方法和试验结果：

除按照国家标准GB 5763 –1998进行摩擦磨损试验外，盘式刹车片按照德国大众VW TL-110进行了台架试验。盘式刹车片的试验结果见图2，城市公共汽车的试验结果见图3

4：试验结果讨论：

4.1关于盘式刹车片：

目前欧洲，美国的盘式刹车片向着无石棉，钢纤维含量比较少或没有，有机黏合剂比较少的陶瓷型方向发展。而且要求比较高的气孔率和比较高的制动效能从表3 可见，国外刹车块的气孔率一般在10%以上。几个大公司的盘式刹车片虽然在定速摩擦系数试验机试验摩擦系数比较低，但是在台架试验上多比较高，一般在0.38以上。如美国BENDEX刹车片，在定速试验机上摩擦系数0.24，CHASE SAE J661a 的试验的摩擦系数编码为EE，在台架试验中，其摩擦系数为0.4-0.45，而在大转动惯量的试验中，在衰退恢复和效能试验时都达到0.6以上。说明定速试验机的试验和台架试验的摩擦性能根本就没有可比性。要在台架试验上有比较高和稳定的摩擦系数，同时又要比较耐磨和噪音比较小。特种纤维在配方中的作用就特别重要。关于特种纤维的摩擦磨损的基础试验在以前的文章中已经有比较详细的论述[3]。在盘式刹车片的压制中，混合料的成分，工艺状态和压制工艺的多种作用使材料有比较好的性能，如足够的强度，气孔率，合适的硬度。表面粗糙度。碳纤维予氧丝，纤维素纤维，黏胶纤维，麻纤维等有机纤维由于价格比较低和对改善混合料的工艺也有比较好的作用。特别是粘胶纤维耐温性接近300度在此温度下直接炭化，对调整材料的摩擦性能和气孔率，防止有些材料的玻璃化都有比较好的作用。涂胶的岩石棉等由于其已经充分粉碎易于分散，比较低的熔点能起到一定的高温无机黏合剂作用，比较好的摩擦性能，因此，在欧美的摩擦材料制造商也非常重视。虽然象铜粉，铜纤维在摩擦材料中也广泛使用，但因为其比重大，例如紫铜纤维，其单位体积的价格接近芳伦而超过碳纤维予氧丝。（国外碳纤维予氧丝和芳伦的价格接近）。有些公司认为，碳纤维予氧丝的作用无法用其他纤维取代。从试验结果看，加有多种特种纤维的摩擦材料，有比较低的比重，比较高而稳定的摩擦系数，气孔率，耐磨性接近或优于国外的盘式刹车片。用于实际装车试验，同样也显示出很很好的性能和使用寿命。

表2：含有特种纤维的盘式刹车片与国外OE件的外观和定速试验机的摩擦磨损比较

样品名称	外观和成分评估	平均摩擦系数	体积磨损率	线性磨损mm	体积磨损%	总重量磨损克	重量磨损%
USBXFF 1156E	表面特别粗糙，疏松，气孔率高，表面刺手.	0.24	0.25	0.17	3.4%	0.53	3.20%
USPATENT TQ104	无钢纤维，细黄铜末多，石墨较多，磁铁不吸	0.32	0.16	0.13	2.6%	0.48	3.40%
TEXTAR 429 GF	表面比较疏松，侧面细微裂纹多.铜含量高	0.34	0.37	0.38	7.6%	1.12	7.4%
US ABEX6044	钢纤维含量较高，定速样品试验后侧表面发兰.	0.26	0.15	0.09	1.8%	0.32	1.90%
JURID 526FF	含有钢纤维，铜末	0.32	0.24	0.23	4.6%	0.9	5.6%
US KH5066 FF	玻纤含量高，无钢纤维，台架试验后表面有裂纹。	0.36	0.31	0.3	6.0%	0.85	6.40%
US BPI-0508FF	陶瓷型，钢纤维或铁粉含量很少，紫铜纤维含量较高	0.33	0.19	0.17	3.8%	0.62	4.20%
日本NKP-3GG	银灰蛭石，粗铜末含量高，不含被磁铁吸的金属	0.32	0.22	0.18	3.6%	0.6	4.30%
国产雅阁	钢纤维，铜纤维，碳纤维，特种纤维等	0.36	0.17	0.21	4.2%	0.46	3.50%
国产奥迪	钢纤维，铜纤维，碳纤维，特种纤维等	0.33	0.2	0.17	3.4%	0.53	4.20%

注：体积磨损率单位10-7cm3/Nm为各温度的平均值，线性磨损和重量磨损为每次试验的总和.
表3盘式刹车片物理性能和台架试验（TL-110）结果比较

样品名称	密度	气孔率%	μm1	μm2	μmax	μmin	PW
USBXFF 1156E	3.4	19.6	0.4	0.45	0.5	0.29	11
US PATENT TQ104	2.4	11.8	0.25	0.34	0.51	0.22	5.8
ABEX6044	2.7	9.6	0.32	0.44	0.54	0.24	16.2
BPI-0508FF 09PO	2.5	17.2	0.29	0.38	0.42	0.25	7.3
KH5066 FF	2.2	12.9	0.3	0.34	0.4	0.19	7.3
日本NKP-3GG	2.3	18.1	0.38	0.42	0.46	0.23	10.2
国产雅阁	2.2	15.6	0.43	0.43	0.52	0.32	5.3
TEXTAR 429GF*	2.8	18	0.42	0.42	0.52	0.32	15.4
JURID 526FF*	2.6	12	0.35	0.37	0.48	0.29	17
国产奥迪*	2.1	17.5	0.4	0.43	0.53	0.29	6.4
μm1第一次循环试验的平均摩擦系数  μm2第二次循环试验的平均摩擦系数（摩擦系数为80Km/h，6Mpa各次制动的平均值）
μmax试验全过程最大摩擦系数  μmin试验全过程最小摩擦系数
PW：全试验过程盘式刹车片的总重量磨损（克）星号为用奥迪制动钳，其他用雅阁制动钳。

4.2；关于鼓式刹车片：

鼓式刹车片由于原料的用量比较大，因此对于原材料的成本要求就希望更低一些。由于城市公共汽车对摩擦材料的安全性，舒适性，和耐磨性要求都比较高。城市交通繁忙，制动频繁，要求噪音比较小，又要粉尘少。从定速摩擦磨损试验的结果看。国产的含有多种特种纤维的鼓式刹车片显示了比较好的摩擦磨损性能。摩擦性能稳定，热衰退小。耐磨性好。与国外几个著名公司的无石棉鼓式刹车片比较，其性能比较接近或超过。性能优于国内的石棉片的原装件。类似的配方在台架试验和公共汽车的装车试验都有比较好的结果，在制动比较多的交通地段的东风153型的公共汽车刹车片每一万公里磨损1毫米多一些。此类刹车片一般由于配方体系不同与常规的石棉和钢纤维含量比较多的配方，一般比重比较低1.7-2.，由于钢纤维比较少或不含钢纤维，特殊的配方体系使制动噪音也比较小。在此类配方中，特种纤维同样起到十分重要的作用。如碳纤维予氧丝，粘胶纤维，涂胶硅酸铝，岩石棉纤维等。

4.3关于碳纤维予氧丝：

碳纤维予氧丝比较柔软，而且无任何毒性和污染，而玻璃纤维，硅灰石纤维，碳纤维等都比较硬，与皮肤接触有时发痒，有些国家盘式刹车片不允许有玻璃纤维。而碳纤维予氧丝以其特有的优点避免了前三种纤维的缺点，与粘胶纤维相比，虽然黏胶纤维，纤维素纤维也是没有污染的绿色原料，但是，粘胶纤维比较容易高温炭化，因此碳纤维予氧丝更耐磨。由于碳纤维予氧丝主要成分为碳，目前，高碳型摩擦材料是现代摩擦材料的发展方向。由于碳纤维予氧丝是化工产品，不同于天然石墨，人造石墨，和焦碳，后者由于本身或加工过程混进了杂质，使材料的摩擦磨损性能不稳定。例如，含有氧化硅，碳化硅，以及硬矿物粒子的粗颗粒。影响摩擦系数，磨损和对偶的磨损。特别是在高比压和高温的时候。而碳纤维予氧丝中无此类杂质。虽然，芳伦作为代用纤维的确十分优良，但是由于其价格比较高，有很多工厂都有一些用不起。如，碳纤维予氧丝，耐温性为500度左右。赋予材料很好的耐磨性。碳纤维予氧丝化学性能稳定。对降低噪音和提高材料的摩擦稳定性均有较好的作用，而价格仅为芳伦的三分之一，目前，没有一种纤维能完全取代石棉，因此多种纤维的复合是必然趋势。多种特种纤维的开发成功，使制造高质量低成本的无石棉摩擦材料变为可能，以弥补如钢纤维，玻璃纤维，硅灰石的某些方面的性能不足，如玻璃纤维，虽然强度比较高，但混料工艺性能比较差，高温耐磨性不好，与黏合剂结合不好，对对偶磨损大，由于材料表面容易玻璃化，产生制动噪音年。钢纤维容易生锈，刹车片如果摩擦系数比较高，很容易损伤对偶，有时制动效能不好，和产生噪音。硅灰石虽然摩擦性能比较好，但需要表面处理，同时磨损有时也比较大一些。

4．4关于特种纤维的工作机理：

随着摩擦材料黏合剂用量的减少，要求摩擦材料的纤维和填料在一定的温度下也能够起到无机黏合剂的作用，众所周知：摩擦材料的主要黏合剂酚醛树脂一般在300度以上就开始分解，因此，普通的摩擦材料配方300度以上磨损是比较高的。岩石棉和铜纤维等由于其软化温度比较低，在一定的温度区段可以减少摩擦材料和对偶的磨损。耐温性比较好的硅酸铝，石棉等无此作用。同样，高熔点的填料也无此作用，此类材料可以作为支撑的骨架。有多种特种纤维复合的配方在台架试验显示了好的摩擦性能和低的磨损，特别是在 高温是，在定速摩擦试验机上磨损比普通的石棉片小得多，一些盘式刹车片，由于特种纤维与无机黏合剂，润滑剂等的复合作用，显示了很好的耐磨性，台架试验机上也有类似的结果，见表2，3。，由于无机黏合剂在摩擦材料高温制动时形成表面层的动态烧结不同与在一定气氛和一定温度的静态烧结，例如：粉末冶金和陶瓷的烧结。它是有很多种不同熔点和不同温度下起不同作用的纤维和无机物，碳的复合作用，包刮物理作用和化学反应。以前用石棉摩擦材料，一般石棉含量25-50%，特种纤维一般用量多比较少，特种纤维的使用，可以弥补此类如钢纤维，硅灰石，玻璃纤维等主体纤维在摩擦磨损性能方面的不足，在这里，多种纤维的复合使用十分重要，不要希望用一种纤维去解决所有的问题。对于其机理目前有关文章研究都比较少，目前，摩擦材料向少钢纤维，少黏合剂的陶瓷型的方向发展，因此，研究此类纤维在一定温度下的变化是比较重要的，比如，碳纤维予氧丝，铜纤维，陶瓷纤维，黏胶纤维等。其融化，炭化，在表面层的作用，对摩擦材料的衰退和恢复，制动性能，制动过程摩擦系数的稳定性等。因此，在这方面的机理尚需进一步试验研究。务必引起摩擦材料的开发人员的重视。

4.5：关于无石棉摩擦材料的成本：

摩擦材料的质量与成本在摩擦材料的竞争中十分重要。特种纤维的使用，使无石棉摩擦材料有比较好的摩擦磨损性能和用较低的成本生产出质量高的摩擦材料。比较低成本的无石棉盘式刹车片每公斤原材料的成本可以在4-12元，鼓式刹车片的成本可以降低到3.5-10元。这样，可以提高 企业的竞争能力.。

5：结论：

5.1:用特种纤维制造摩擦材料，对开发摩擦材料的配方引进新的思路.
5.2:碳纤维予氧丝等特种纤维对提高摩擦材料的摩擦磨损性能，作用是明显的。
5.3:特种纤维的使用，可以降低成本，具有较好的市场竞争能力。
5.4:对于其机理需要进一步的试验研究。

参考文献：

[1] 徐仁泉：纤维素纤维在无石棉摩擦材料材料在的运用。
[2] 周晓东：岩石棉在摩擦材料中的运用。
[3] 徐仁泉等：摩擦材料中石棉代用品的试验研究 摩擦磨损1990 ，摩擦材料论文选集（1993年）

本论文发表于《摩擦密封材料》二00二年（第3期）（′2002（北京）国际摩擦与密封材料技术暨产品展示会论文集）