碳纖維增強(qiáng)酚醛樹(shù)脂基復(fù)合摩擦材料的制備及性能研究.pdf

1、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合摩擦材料是以碳纖維為主要增強(qiáng)纖維的復(fù)合耐摩材料，其在諸多運(yùn)動(dòng)機(jī)械和裝備中起傳動(dòng)、減速、制動(dòng)等作用，廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、賽車、摩托、高速列車等。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合摩擦材料具有力學(xué)性能高、耐熱性好、質(zhì)量輕、膨脹系數(shù)小、耐磨損等優(yōu)點(diǎn)，一直是人們研究的重點(diǎn)。
　　本文分別以3廠家硼改性酚醛樹(shù)脂(FB樹(shù)脂)以及普通酚醛樹(shù)脂為基體，以碳纖維(CF)、陶瓷纖維、芳綸為增強(qiáng)劑，添加碳化硅粉(SiC)、碳酸鈣粉(CaCO3)、石墨、二氧化硅(

2、SiO2)等填料，對(duì)增強(qiáng)劑和填料進(jìn)行硅烷偶聯(lián)劑(KH550)與超聲波復(fù)合處理，利用熱壓成型的方法制備出不同種類的碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合摩擦材料。對(duì)比分析摩擦材料的密度、硬度、壓縮強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度等物理力學(xué)性能，以及摩擦磨損性能和耐熱性能。用掃描電鏡對(duì)摩擦磨損的表面進(jìn)行觀察，分析其磨損機(jī)理。具體研究?jī)?nèi)容如下:
　　(1)對(duì)比分析了3廠家的硼改性酚醛樹(shù)脂和普通酚醛樹(shù)脂為基體摩擦材料性能，結(jié)果表明:不同廠家的酚醛樹(shù)脂基體對(duì)摩擦材料的物理性能

3、、力學(xué)性能、摩擦磨損性能和熱性能有明顯影響;且3廠家硼改性酚醛樹(shù)脂作為基體時(shí)摩擦材料的力學(xué)性能、摩擦磨損性能以及熱性能均優(yōu)于未改性的酚醛樹(shù)脂，其中C廠家硼改性酚醛樹(shù)脂基摩擦材料有最大的硬度、最大的壓縮強(qiáng)度以及最好的沖擊強(qiáng)度，分別為:93.42HRL、118.6MPa、3.46 KJ/m2。200N載荷壓力下，C廠家硼改性酚醛樹(shù)脂制成的復(fù)合摩擦材料有穩(wěn)定的摩擦系數(shù)，為0.65磨損率最低，且高溫下磨損較小。C廠家硼改性酚醛樹(shù)脂制成的復(fù)合摩擦

4、材料有最穩(wěn)定的熱膨脹性能，在200℃時(shí)，其熱膨脹系數(shù)為11.689×10-6/℃，比普通酚醛樹(shù)脂的復(fù)合摩擦材料熱膨脹系數(shù)減小了約38.60％。
　　(2)對(duì)比分析了碳纖維與碳酸鈣配比(2％/21％、4％/19％、6％/17％、8％/15％、10％/13％)對(duì)摩擦材料性能的影響結(jié)果表明:隨著碳纖維含量增加，摩擦材料的密度逐漸減小，當(dāng)碳纖維含量為2％時(shí)，摩擦材料密度較大，為1.733g/cm3，而碳纖維含量為10％時(shí)，摩擦材料密度較小

5、，為1.599 g/cm3;隨著碳纖維含量的增加，材料的硬度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，其中當(dāng)碳纖維含量在8％時(shí)，摩擦材料硬度較大，為79.46HRL，而當(dāng)碳纖維含量在10％時(shí)，摩擦材料硬度較小，為58.93HRL;不同碳纖維含量試樣的壓縮強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度都呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，其中當(dāng)碳纖維含量為6％時(shí)，摩擦材料的壓縮強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度較大，分別為:111MPa和3.87KJ/m2;隨著碳纖維含量的增加，摩擦材料的摩擦系數(shù)有少量變化，而磨損率則

6、是隨著碳纖維含量的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。當(dāng)碳纖維含量在6％時(shí)，摩擦材料摩擦系數(shù)比較大，而且比較穩(wěn)定，200N載荷下僅為0.0087g，高溫下磨損較小。在100℃之前，五種摩擦材料的熱膨脹系數(shù)差距不大，100℃之后碳纖維含量越高，摩擦材料呈現(xiàn)熱膨脹系數(shù)越來(lái)越小的趨勢(shì)。200攝氏度時(shí)，B5的線膨脹系數(shù)為5.089×10-6/℃，而B(niǎo)1的熱膨脹系數(shù)為7.663×10-6/℃。隨著碳纖維含量的增大，復(fù)合摩擦材料的熱性能逐漸增強(qiáng)，當(dāng)碳纖維含

7、量為10％時(shí)，摩擦材料初始分解溫度為390℃，700℃時(shí)的剩余質(zhì)量為75.6％。
　　(3)對(duì)比分析了不同硅烷偶聯(lián)劑處理順序?qū)δΣ敛牧闲阅苡绊懡Y(jié)果表明:由偶聯(lián)劑先處理增強(qiáng)劑與填料的摩擦材料的密度較大，為1.699g/cm3，未用偶聯(lián)劑處理的的摩擦材料密度較小，為1.653 g/cm3;隨著偶聯(lián)劑處理方式不同，摩擦材料硬度、壓縮強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度均均有變化，當(dāng)偶聯(lián)劑先處理增強(qiáng)劑與填料時(shí)，摩擦材料硬度、壓縮強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度均較大，分別為99

8、HRL、146MPa和3.926 kJ/m2;將偶聯(lián)劑先處理增強(qiáng)劑時(shí)，摩擦材料摩擦系數(shù)隨著壓力的增加變化不大，穩(wěn)定性高，其波動(dòng)范圍為0.498～0.481，波動(dòng)幅度Δu為0.017。隨著載荷的增加，摩擦材料的磨損量逐漸升高，四種摩擦材料不同壓力下(100N～200N)下總磨損率分別為:3.48×10-2，2.56×10-2，3.15×10-2，3.37×10-2g，偶聯(lián)劑先處理增強(qiáng)劑的摩擦材料耐磨性能最好，且高溫下的磨損較小。偶聯(lián)劑先處

9、理增強(qiáng)劑的摩擦材料熱膨脹性能最好。200攝氏度時(shí)，C2的線膨脹系數(shù)為5.844×10-6/℃，而C1的熱膨脹系數(shù)為8.711×10-6/℃，C2的線膨脹系數(shù)比C1減小了約32.91％，同時(shí)比C3、C4分別減小約14.45％和25.53％。偶聯(lián)劑先處理增強(qiáng)纖維的摩擦材料耐熱性能較好，其初始分解溫度為362.5℃，700℃的殘余質(zhì)量為75.0％。
　　(4)對(duì)比分析了樹(shù)脂基體含量對(duì)摩擦材料性能影響結(jié)果表明:當(dāng)樹(shù)脂基體含量為10％時(shí)，摩

10、擦材料有較大的密度，為1.723g/cm3，當(dāng)樹(shù)脂基體含量為30％時(shí)，摩擦材料有較小的密度，為1.633 g/cm3;隨著樹(shù)脂基體含量不同，摩擦材料硬度、壓縮強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度均有變化，當(dāng)樹(shù)脂基體含量為25％時(shí)，摩擦材料有較大的硬度、壓縮強(qiáng)度以及沖擊強(qiáng)度，分別為:90.5HRL、146.9MPa、4.028KJ/m2。當(dāng)樹(shù)脂含量為20％時(shí)，此時(shí)樹(shù)脂基體能很好的將其他組分粘結(jié)，此時(shí)摩擦系數(shù)較小，200N載荷下為0.504。當(dāng)樹(shù)脂基體含量繼續(xù)增

11、大時(shí)，材料摩擦系數(shù)變化不大。還可以看出，樹(shù)脂含量為20％和25％的摩擦材料摩擦系數(shù)穩(wěn)定性較高，摩擦系數(shù)隨著載荷的增加變化不大，高溫下的磨損較小。200℃時(shí)五種材料的線膨脹系數(shù)分別為:9.772×10-6/℃、10.021×10-6/℃、18.622×10-6/℃、23.473×10-6/℃、22.168×10-6/℃，線膨脹系數(shù)變化明顯。當(dāng)樹(shù)脂基體含量為10％時(shí)，摩擦材料耐熱性能較好，其初始分解溫度為378.5℃，700℃時(shí)的殘余質(zhì)量為