唐明,林有希

(福州大学机械工程及自动化学院,福建福州350108)

0 引言

自从20世纪60年代提出摩擦学这个概念,这门学科就一直备受关注,也使其成为发展最快的学科之一。制动摩擦学作为摩擦学研究领域里的重要分支,其发展也极其迅速[1]。随着科学技术的发展,对交通运输工具和动力装置的速度、安全和舒适等的性能的要求越来越高,这就对制动机械装置和制动材料提出了更高的要求,这就要求制动材料在不同的速度、温度、压力和环境下有足够大的摩擦系数并且能够保持稳定的摩擦系数[2]。同时还要求摩擦材料具有良好的耐磨性和抗粘着性,不易损伤金属对偶件,摩擦振动小,制动过程中产生的噪音小等特点。

树脂基复合材料具有较高的摩擦系数,可有效的起到传动和制动的作用,因而广泛应用于汽车制动、建筑以及其他工程机械领域。在树脂基摩擦材料中使用的各种成分中,粘合剂树脂的性能严重影响材料的制动性能,如制动材料的抗衰退性能,踏板的感觉,耐磨损性和噪声等。这主要是因为树脂的物理和化学性能影响摩擦过程中材料的摩擦学特性[3-5]。因此研究在不同工作条件下材料的摩擦磨损性能有利于全面认识材料的性能,有利于选择合适的制动材料。

本文主要综述了近年来有关树脂基复合材料的摩擦磨损特性的一些研究成果,对树脂基复合材料的的一些摩擦学性能进行评述。

1 影响树脂基复合材料摩擦学性能的主要因素

树脂基复合材料在摩擦磨损过程中影响其性能的因素很多,如滑动速度、制动正压力、温度、对偶材料以及材料的表面改性等。

1.1 滑动速度

在一般情况下,摩擦材料表面的相对滑动速度越大,摩擦系数就越小。但是滑动速度与摩擦系数之间具体的关系,目前还没有统一的理论。王乙潜[6]等人认为,滑移速度对PTFE复合材料的磨损和摩擦的影响主要表现在它对界面温度的贡献,当超过临界界面温度(靠近软化温度)时,磨损很快。随着摩擦速度的提高,摩擦表面温度增加,在对偶件表面会熔化或软化,并形成熔化膜。摩擦系数回升的快慢取决于熔化膜的粘度、厚度、速度、接触面积等因素。在很高滑动速度下,树脂基复合材料表面产生极为强烈的摩擦热,这将从本质上改变滑动的表面状态[2]。同样较高的速度下摩擦层之间的剪切作用频率增加,摩擦层的形成与破坏频率增加而加剧材料的磨损,同时也导致制动过程的不稳定。

研究表明在较小的PV值下,碳颗粒增强树脂及材料的摩擦系数较大[7],这主要是接触表面的微凸体的机械作用强烈,而粗糙变形引起的剪切应力很小可以忽略。当PV值变大时,摩擦会出现波动并且摩擦系数减小。但在一定的PV值下,复合材料的摩擦性能趋于稳定,这主要是摩擦过程中在接触表面第三体的形成,第三体摩擦层的有机润滑起到很重要的作用。

树脂基复合材料与SiC增强的铝基复合材料对磨时,随着滑动速度的增加摩擦系数有所下降。在低速下铝基复合材料磨损表面有相当粗糙和很深的滑动痕迹,但在高速下,磨损表面则相对光滑。磨损完的复合材料表面含有氧、镁、硅、铝、硫、钙、铁、锰、锌、铜、钡和碳等。这是在制动过程中转移膜的形成引起的。在较高速度下表面层的碳含量减少,这是因高速下引起滑动表面温度升高,导致树脂等有机物分解,碳可能会被氧化成气体离开表面[8]。

1.2 制动压力

聚合物基的复合材料的摩擦主要来自粘着、变形和弹性粘滞,而粘着源于范德华力和氢键这些弱键合力。根据聚合物的粘着分析,发现表面粗糙度和载荷都对摩擦系数产生影响。在中等表面粗糙度的聚合物表面上增大压力,微凸体的弹性变形很大,使接触表面上的单个微凸体产生整体变形,接触区近似于一个大尺寸单个微凸体的接触[9]。由实验可得材料的摩擦系数随着制动压力的增加而减小,这一方面是压力增大,增加了摩擦材料的实际接触面积,材料摩擦表面的紧密贴合相互作用加剧,对运动的抵抗作用下降。另一方面,当制动压力增大时,树脂基复合材料的摩擦系数随着压力的增加而减小,这是因为压力增加后,聚合物与对磨面的接触面积增大,生热大,增加了聚合物的粘附能力,更容易产生转移膜,形成聚合物跟聚合物之间的摩擦从而减小了摩擦系数[10]。

研究表明在较低的压力下,树脂基复合材料的磨屑也是颗粒状。材料磨损随着制动压力的增大,磨损也增大,在较大的压力下,磨屑颗粒承受的剪切和挤压作用也大,容易破坏摩擦层。同时由于摩擦热的增加,聚合物集体软化,复合材料里的硬质材料容易脱落,同样也加剧材料的磨损。

在SiC和SiO2以及Al2O3颗粒增强的复合材料中,制动压力对材料的摩擦磨损性能影响最大。复合材料的磨损随着制动压力的增加而增加,这主要是制动压力的增加加剧了摩擦面之间的磨粒磨损。增强颗粒的硬度不同,制动压力对其的影响程度也不同[11]。

1.3 温度

制动的过程就是将物体的运动动能转化成热能以及其他能量的过程,其中主要的热能传到制动材料里,就会引起摩擦副温度的升高,影响摩擦副表层的结构和性能。

材料的摩擦系数通常会随滑动温度的改变而改变,因为材料的弥合性和抗变形性会随着温度的变化呈一定的函数关系变化。在制动过程中,树脂基材表面的闪点温度比表面温度高得多,树脂作为一种高聚物对温度很敏感,随着温度的升高会从玻璃相转变为橡胶相,因此摩擦面间的粘着作用会加强,使得摩擦系数增加,若温度进一步升高,会使复合材料的力学性能下降,从而降低摩擦系数。接触表面温度的增加会加剧复合材料与对偶件的粘着磨损,同时也减小复合材料基体的粘结作用。

对偶盘是灰铸铁的铜纤维复合材料在高温下可以保持较高的摩擦系数,而铝纤维的复合材料的摩擦系数则有所下降。这有两个因素,一是铜纤维的导热性较好,二是在高温下接触表面形成氧化铜可以改善复合材料的热衰退[12]。

钢纤维增强和MoS2作润滑相的树脂基复合材料,在低温时主要是粘着磨损和磨粒磨损,复合材料中的钢纤维和对偶铸铁中的铁原子易发生粘着,粘着点会被反复剪切粘着。在高温下树脂的热分解使其粘结作用大大减小,造成颗粒脱落,表面膜破裂,降低摩擦的稳定性,同时加剧磨损量[13]。

温度的升高也会导致复合材料表面涂层的失效,在低温下涂层能很好的发挥作用,而高温下涂层软化甚至破裂,加剧接触表面的磨损和破坏。表面温度随着滑动速度的增加而升高,温度引起表面摩擦性能的变化,所以研究接触表面的温度对材料摩擦性能的影响有很大的意义。

1.4 对偶材料

在制动过程中,由于摩擦材料和摩擦对偶之间发生的变化相当复杂,既有物理变化,又有化学变化,从而导致摩擦副中的两元件材料性能也发生一定的变化,尤其是两元件接触面是变化最剧烈的地方。所以对偶材料的不同,对树脂基复合材料的摩擦学性能有很大的影响。另外对磨面的粗糙度、硬度等也对聚合物的制动性能影响很大。研究表明灰铸铁对偶件中的金相组织不同,对摩擦材料的性能也有一定的影响,摩擦盘中存有10%的铁素体,会降低摩擦系数,且产生粘结现象。对于一些粘结现象严重的摩擦材料,就会产生较大的磨损。

研究表明,树脂基金属纤维增强材料的对偶材料是铝基复合材料时,摩擦系数对滑动速度的敏感性没有灰铸铁材料时强烈。摩擦系数的变化主要由施加的制动压力引起,由此可以看出金属纤维摩擦材料与铝基复合材料之间的相互作用与它与灰铸铁的相互作用是不同的。同时含有铝纤维的树脂基材料在与铝基复合材料对磨时,表现出高的摩擦系数,这是由于同种金属相容性的磨损机制[12]。

当对偶面粗糙度过大时,接触表面的粗糙峰在相互啮合、碰撞以及弹塑性变形过程中,会增加表面的犁沟效应,增加树脂基材料的磨损,同样的粗糙度大引起的摩擦热就大,摩擦热过大,容易引起树脂基复合材料表面的热熔,从而使摩擦系数增加。但当粗糙度过小时,复合材料与对偶面之间的分子力作用反而增大摩擦系数[14]。

1.5 材料的表面改性

树脂基复合材料的主要磨损机理有磨粒磨损、粘着磨损以及疲劳磨损。磨粒磨损是由复合材料中的硬质颗粒及增强颗粒和粗糙对磨面引起,所以提高接触表面强度和硬度的处理,可以提高材料的摩擦磨损性能。粘着磨损主要分子间的作用力与接触表面的材料有关,所以任何可以提高材料的润滑性能和交联反应的技术,如表面热处理、化学处理和表面涂层等均可改善其粘着磨损性能。疲劳磨损主要接触表面在承受表接触应力的作用时,使表面材料疲劳断裂形成点蚀或剥落。采用渗碳和渗氮等表面强化技术可以提高表面的硬度,减小疲劳磨损。

纳米ZrO2与碳纤维以及石墨涂层的环氧树脂基材料,可以发挥协同作用,显著降低树脂涂层的摩擦系数和磨损率。碳纤维起力学支撑、网状束缚基体材料,可以阻止摩擦过程中基体表面磨屑和纳米粒子的流失,同时涂层中的纳米ZrO2可以提高石墨转移膜的承载能力以及和对偶面的粘结强度[15,16]。

C.Weiss,H.Muenstedt研究发现[17]等离子处理,电晕放电和表面蚀刻等表面处理方法可以提高PEEK(聚醚醚铜)的表面能和润湿性,同时也提高基体的粘结性。氧等离子处理会使聚合物表面产生氧基团,氩等离子处理值在表面产生自由基,这是由于聚合物分子与有铜原子之间形成不同的化学键(即二次键,共价键)导致表面化学组合屋的改变。氧、氩等离子处理可以减小复合材料表面的粗糙度,但铬硫酸腐蚀会导致表面粗糙度的增加。

2 树脂基材料的摩擦磨损机理

摩擦是发生在两个物体之间的相对运动,摩擦产生的热和热点、振动和噪声等会导致材料的弹性或塑性变形,在摩擦材料表面产生刮痕、摩屑和摩擦层,以及发生各种物理化学反应。材料在摩擦过程中摩擦力主要取决于法向载荷、滑动速度、滑动距离、接触面温度和表面粗糙度。在摩擦过程中摩擦热也会引起接触面温度的变化。温度的变化改变了摩擦过程中表面相互作用的形式,进而也会使摩擦系数发生变化[18,19]。

摩擦材料与对偶件产生的摩擦力会导致材料接触表面的变形、粘着点撕裂、表面硬质点和磨屑在接触表面产生犁沟作用。而这些作用的严重程度和材料的表面形貌、制动过程、所用的材料和制动环境因素有很大的关系[20]。当摩擦材料在较高的速度下制动时,摩擦材料的接触表面产生的摩擦热会更大,相对应的摩擦磨损作用也会更强烈。

在树脂复合材料的制动过程中,可以观察到树脂基聚合物复合材料的磨损和其他材料一样,涉及几种材料的去除机理,如粘着磨损,磨粒磨损和疲劳。如果配合表面比较光滑,在接触面上会发生粘着磨损。许多聚合物的磨损是从聚合物向硬质材料的转移开始的,转移层被剥落后就变成磨粒。在磨合初期,这种转移和剥落慢慢达到稳定状态,这时的磨损较低[21]。当树脂基聚合物与对偶表面发生滑动摩擦时,那么主要的磨损机理就是磨粒磨损,疲劳磨损机理主要出现在硬质的聚合物与平滑表面的摩擦中。在这机理中,树脂基的微凸体主要产生弹性变形,当变形过量时容易引起裂纹,裂纹的扩展和交错就会产生磨粒。

研究表明各种改性树脂基复合材料有更好的摩擦学性能,这些特性影响在恶劣工作条件下例如摩擦表面温度超过400℃时的材料性能。即摩擦材料有更好的热稳定性能,而且可以在更短的时间内磨合。同时改性树脂粘结剂的粘结强度也对材料的磨损有一定的影响。例如腰果壳油和双马来酰亚胺改性的酚醛树脂,可以显著提高树脂的热稳定性和改善树脂的高温摩擦学性能,抑制复合材料的热衰退性能[22]。使用硼钼无机化合物对酚醛树脂进行改性,硼钼元素会以结合键的形式存在于树脂中,与材料的其他成分进行协调作用,稳定复合材料的摩擦系数,并降低耐磨性[23]。

纤维在摩擦材料中起到骨架的作用,对材料进行增强。在摩擦过程中,纤维可能被剥离、拉拔和剪切,因此增强纤维在制动中可以提供一定的摩擦力矩[24]。所以纤维对材料摩擦磨损性能的影响因素主要是纤维本身的性质以及纤维与粘结基体的界面强度。因此当纤维含量增加时,摩擦力矩也会增大,同时摩擦系数也增大。但是当纤维的含量超过一定的限额时,粘结剂树脂就不能充分、均匀、完全包覆纤维,纤维和树脂基体的粘结力就会下降。这样纤维就很容易被剥离和拉拔。而靠纤维提供的摩擦力矩就会下降,从而使摩擦系数减小,磨损增加。所以摩擦材料中纤维的含量要控制在一定的范围内。同时纤维的不同位向材料的摩擦性能也有很大的差别,纤维垂直于摩擦表面时摩擦材料的摩擦系数最大,平行于摩擦表面但与运动方向垂直时次之,纤维既与摩擦表面平行又与运动方向平行时,摩擦系数最小[12,25]。

研究表明剑麻和钢纤维混杂增强的改性酚醛树脂复合材料,钢纤维增加了复合材料的导热性能,剑麻纤维具有较好的耐磨性。但随着剑麻纤维的增加会使复合材料的热稳定性降低,在摩擦表面出现疲劳磨损[25,26]。铜纤维增强摩擦具有铁富集的作用,即在摩擦过程中在材料的表面上会形成富铁贫铜的表面层,摩擦材料中的铜元素能从摩擦材料的磨损表面转移到对偶件的表面,使得对偶件的表面具有一定量的铜,这对稳定摩擦副的摩擦系数和提高材料的耐磨性有很大的影响[27]。碳纤维有一定的自润滑作用,碳纤维增强的摩擦材料具有很好的摩擦学性能,例如摩擦系数随温度的变化平稳,高温时摩擦系数仍能保持较高,同时磨损小。

3 结语

目前关于树脂基复合制动材料的研究很多,主要讨论了树脂基复合材料的摩擦磨损性能,分析了影响材料摩擦磨损性能的主要因素,同时也讨论了不同改性的树脂以及增强纤维对材料性能的影响。通过分析得出:影响材料性能的因素有很多,提高树脂基材料的热衰退性能对提高材料摩擦磨损性能有重要意义。当然符合材料的摩擦学行为是多变量的函数,材料的性能不仅仅由材料的内部性质决定,很大程度上还要由材料工作的环境决定。如高速下材料的诸多摩擦学问题,不同材料处理方式对材料的影响等。就目前的研究状况,树脂基复合材料的研究可以从以下几方面展开:1)恶劣条件下摩擦材料性能的影响。2)高速高温以及重载下材料的热衰退机理研究。3)不同材料配方对材料性能的影响。

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