有色金属材料与工程  2020, Vol. 41 Issue (4): 8-16    DOI: 10.13258/j.cnki.nmme.2020.04.002   PDF    
六钛酸钾晶须对摩擦材料的影响及磨损机制
霍俊昊, 何美凤    
上海理工大学 材料科学与工程学院,上海 200093
摘要:主要研究添加六钛酸钾晶须的摩擦材料的摩擦磨损性能和表面磨损机制。试样中摩擦性能调节剂和改性酚醛树脂等其他材料的含量不变,仅改变六钛酸钾晶须和空间填料硫酸钡的含量,采用JF-645T型热压机压制试样。将制得的试样进行衰退和恢复、剪切强度和硬度等性能测试,场发射扫描电子显微镜(scanning electron microscope, SEM)和能谱仪(energy dispersive spectrometer, EDS)分析材料摩擦表面形貌以及成分。研究发现:六钛酸钾晶须能显著提高材料的摩擦因数(μ)、抗高温衰退性和耐磨性;当材料表面初始凸台被破坏后,适量的六钛酸钾晶须附着于芳纶纤维表面能团聚磨粒和磨屑并促进二次凸台的形成;团聚作用是六钛酸钾晶须在摩擦材料中起到优异性能的根本原因;过量的六钛酸钾晶须(质量分数≥16%)会在混料中直接结团,结团体在接触面剪切力作用下会被轻易拉出表面,增大磨损率。
关键词六钛酸钾晶须    衰退恢复曲线    抗热衰退性    磨损机制    
Effect of Potassium Hexatitanate Whiskers on Friction Materials and Wear Mechanism
HUO Junhao, HE Meifeng    
School of Materials Science and Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China
Abstract: The friction properties and surface wear mechanism of potassium hexatitanate whisker friction materials were studied. The samples were pressed in a JF-645T hot press by just changing the contents of potassium hexatitanate whiskers and space filler barium sulfate with the contents of other materials such as friction modifiers and modified phenolic resins unchanged. The fade and recovery, shear strength and hardness of the samples were evaluated. The morphology and composition of the friction surface were analyzed by scanning electron microscope (SEM) and energy dispersive spectrometer (EDS). The results show that the friction coefficient (μ), high temperature decay resistance and wear resistance of the material were significantly improved by potassium hexatitanate whisker. When the initial plateaus on the material surface are damaged, an appropriate amount of potassium hexatitanate whiskers attached to the surface aramid fiber can agglomerate the abrasive particles and debris and promote the formation of the secondary plateaus. Agglomeration is the fundamental reason why potassium hexatitanate whiskers play excellent performance in friction materials. Excessive potassium hexatitanate whiskers (mass fraction ≥16%) will directly agglomerate in the mixture, and the agglomerates will be easily pulled out of the surface under the shearing force of the contact surface resulting in the increase of wear rate.
Key words: potassium hexatitanate whisker    fade and recovery curve    heat fade resistance    wear mechanism    

汽车制动系统中的摩擦材料被认为是影响机动车整体性能表现的关键因素之一,因为它在制动性能的各个方面均起着至关重要的作用,例如刹车距离、踏板感觉、盘磨损和制动引起的振动等[1]。制动系统的摩擦材料必须具备舒适且稳定的摩擦因数、较低的磨损率和低衰退高恢复性能等[2-3],而单一的摩擦材料是无法满足以上摩擦性能的需求。因此,现代摩擦材料主要包括增强纤维、改性树脂、摩擦性能调节剂和填料4部分,包含10~15种甚至更多种成分[4-5]

聚合物基复合材料因强度高、重量轻、热稳定性和耐磨性好,被广泛应用于汽车刹车片行业。纯聚合物中通常是通过添加金属氧化物粉末、纤维和石墨等材料来提高其耐磨性和抗高温衰退性[6-8],单一纤维及其各种组合在吸收制动界面产生的应力和保持复合材料高温下的完整性方面起着关键作用,但是纤维在摩擦过程中会产生漂浮于空气中的灰尘或者粉末,对人体造成伤害[2, 9],因此寻找新的摩擦材料的呼声越来越高。钛酸钾晶须是一种无机高分子化合物,通用化学式为K2On-TiO2或K2Ti2O2n+1n=2,4,6, $8, \cdots $ )。当n=6时,六钛酸钾晶须(potassium hexatitanate whisker,PTW)具有优良的物理性能、稳定的化学性质和优异的耐腐蚀性能等,含有PTW的摩擦材料摩擦产生的粉尘会迅速沉积在地面,减少环境污少环境污染[9-10]。此外,PTW独特的电性能、热性能以及高性价比,进一步弥补了市场上摩擦材料性能的不足,成为新的研究热点[11]。目前主流研究方向为PTW与芳纶纤维或者碳纤维等纤维材料的协同作用[12-14]以及PTW的结晶度等本身属性对摩擦性能的影响[15]。如Kim等[12]研究发现,芳纶纤维与PTW较强的协同作用使摩擦材料能保持较好的稳定性与较低的磨损率;Zhang等[13]研究指出复合材料中围绕碳纤维的PTW突出部分可以抑制纤维边缘和对应尖端之间的直接刮擦,保护碳纤维免受严重的冲击损坏。几乎没有文章报道含有PTW的摩擦材料的磨损机制以及摩擦机制,本文保持摩擦性能调节剂和改性酚醛树脂等其他材料的含量不变,仅改变PTW和空间填料硫酸钡的含量,讨论PTW对摩擦磨损性能的影响以及研究PTW的磨损机制,绘制摩擦机制图。

1 实验材料和方法 1.1 原材料的选择

实验中主要材料PTW(上海峰竺复合新材料有限公司生产),灰白色;芳纶纤维(江苏新宏泰摩擦材料有限公司),米黄色。表1为PTW物理性能。

表 1 PTW物理性能 Tab. 1 Physical properties of PTW
1.2 配方设计与混料

表2为实验配方设计。

表 2 实验配方 Tab. 2 Test formulas

实验一共包含5组,每组试验均含有17种材料,其中15种材料保持质量分数不变,共计75%,PTW质量分数分别为0%,2%,4%,8%和16%,分别对应试样A0,A1,A2,A3和A4,空间填料硫酸钡质量分数为25%,23%,21%,17%和9%。混料装置为搅拌器(无锡新标粉体机械有限公司,转速2800 r/min),混料时先将增强纤维和腰果壳油改性酚醛树脂混合5 min,以防止纤维结团,再将剩余15种材料单独混合5 min,最后将以上2种已混合好的材料倒入一起再混合15 min,保证材料充分混合均匀。

1.3 试验设备

JF–645T型热压机(吉林省吉大机电设备有限公司)压制刹车片试样;采用自制切割机将试样切割成25.4 mm×25.4 mm×6 mm的样品;JF160–蔡斯试验机(吉林省吉大机电设备有限公司)测试衰退和恢复性能;XJ–A型卧式剪切强度试验机(陕西咸阳新益摩擦密封设备有限公司)测试剪切强度;HR–150B型洛氏硬度计(苏州津工仪器科技有限公司)测试硬度;Quanta450型场发射扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM,美国FEI公司)测试磨损表面和成分。

2 结果与分析 2.1 摩擦磨损性能

摩擦因数(μ)、磨损率和剪切强度是评价制动片性能的重要指标,保持较低的磨损率、合理的μ和较大的剪切强度是制动片性能的基本要求。表3为各组试样物理性能,结果表明:不含PTW的试样A0各项物理性能均最差;试样A1的磨损率和剪切强度表现较突出,试样A4的磨损率虽然比试样A0低,但高于其他含有PTW的试样,原因可能是试样A4含有过量的PTW,导致材料内部发生结团,结团体在发生摩擦时以大颗粒形式脱落,从而增加磨损;试样A1和A3洛氏硬度较大,剪切强度性能最为特殊,但总体呈现随PTW含量增加而增大的趋势;含有PTW的μ标准差均比试样A0的小,说明PTW能稳定μ。综合分析可知,加入适量的PTW能提高试样μ、剪切强度、硬度和降低磨损率,PTW的加入使得摩擦表面出现紧密而稳定的摩擦面,接触面不会被轻易破坏,从而降低磨损率,提高μ

表 3 试样物理性能表征 Tab. 3 Physical characterizations of the samples

JF160–蔡斯摩擦试验机试验主要包括基线试验、第1次衰退、第1次恢复、磨损、第2次衰退、第2次恢复和基线等试验过程。第1次衰退试验载荷660 N,转速411 r/min,起始温度93 ℃,随后每升高28 ℃加载10 s记录μ,直到温度达到289 ℃,第2次衰退温度要达到343 ℃,其余温度同第1次衰退试验;第1次恢复试验载荷和转速保持与衰退试验相同,温度为260,204,149,93 ℃,在每次温度点均加载10 s记录μ,第2次恢复试验的起始温度为316 ℃,其余温度同第1次恢复试验。图1图2分别展示5组试样摩擦磨损性能(包含2次衰退和2次恢复试验)。从图1看出,第1次和第2次衰退试验的曲线走势类似,随温度升高μ先增大后减小,对比不含PTW(见图1a)的结果,其余试样的第1次衰退在每一温度下μ均有升高,尤其是在177 ℃开始,随着温度的升高,试样的μ出现明显的抗热衰退性,而试样A0的μ在261 ℃和289 ℃呈现断崖式的降低,说明PTW在高温时发挥优异的抗热衰退性,见图1(b)(e)。同时相较于试样A0的第1次衰退曲线,其余试样曲线更加平缓;在第2次衰退曲线中,μ的变化幅度增大,含有PTW的试样在345 ℃高温时μ保持稳定,其中试样A3在345 ℃时μ比试样A0的高出0.27。在图2恢复试验阶段,含有PTW的试样均表现出较平稳的性能,不含PTW的试样A0则在第1次和第2次恢复试验阶段出现μ急剧减少的现象,因此含有PTW的试样具有较高的μ和较好的抗高温衰退性。综合以上分析可知,在高温时含有PTW的试样摩擦接触表面产生了致密而稳定的摩擦面,致使在衰退和恢复阶段的表现均优于试样A0的。

图 1 试样衰退试验 Fig. 1 Fading test of the samples

图 2 试样恢复试验 Fig. 2 Recovery test of the samples
2.2 磨损表面SEM分析

接触凸台分为2类:初始磨损凸台和二次磨损凸台。初始磨损凸台起主要承载作用,由制动片摩擦材料的增强纤维等耐磨成分组成,这些突出的硬质相(初始凸台)可以形成二次磨损凸台的生长核位点[4, 16]

理想的制动摩擦材料表面应具有薄的、连贯的和均匀的反向转移摩擦面,在受到进一步剪切时该摩擦面表现出弹性或者塑性生长效果以抵制被破坏,保护主要成分不被轻易剪出[4]图3为不同温度时,试样摩擦面形貌。由图3可知,在343 ℃时随着PTW含量的增加,摩擦面逐渐变小且不规则;图3(c)(e)的摩擦面较小且不规则;图3(d)的摩擦面粗糙且未压实,这种摩擦面会导致更多的磨屑和颗粒被剪切力剪出接触面,不再形成有利于二次磨损凸台生长的成核位点;相反图3(b)存在较大且平整的摩擦面,其表面基本不存在大颗粒碎屑,因此343 ℃时试样A1的磨损率相较于试样A2、A3和A4的较低;图3(a)表明不含PTW的试样A0表面沿着滑动方向出现较厚的斑块,这些斑块在剪切、衰退和恢复过程中被破坏,斑块下存在较多松散小颗粒,这些颗粒极易被剪切出接触表面,不会参与形成二次磨损凸台,因此不含PTW试样的磨损率会高于其他试样,与测得数据相吻合。

图 3 不同含量下的磨损表面 Fig. 3 Wear surfaces of the samples under different contents

图3(b)显示出被剪切和挤压形成的相对理想的摩擦面,且表面不存在较大的颗粒和磨损碎屑,突出的硬质相(附着有PTW的芳纶纤维)阻挡了磨屑离开接触表面,堵塞和堆积的磨屑在高温下熔化(接触过程中的瞬时温度可能在1 000~1 125 ℃[17])。随着制动过程的进行,在滑动方向便会出现塑性流动[18],最终形成理想的薄膜。磨损接触凸台周围的表面被称为“低地”,是一个不规则和粗糙的区域[16, 19]图3(c)(e)显示出大量小颗粒分布在“低地”周围,理想情况下这些颗粒会被压实以形成二次磨损凸台的一部分,但试样A2~A4的磨损率却高于试样A1的,充分说明过量的PTW会导致摩擦面完整性的破坏。

初始磨损凸台主要由芳纶纤维等增强纤维组成,较少含有PTW。图4为343 ℃时试样A1和A4的SEM图和EDS分析。由图4(a)可以看出,初始磨损凸台和二次磨损凸台较为明显地分布在表面,在初始磨损凸台和二次磨损凸台连接区域(圆圈部位)检测到一定含量的PTW;图4(b)显示断裂的树状结构中含有较多的PTW,部分树状结构与芳纶纤维紧密结合,因此很难被拉出;图4(a)(b)显示出附着于芳纶纤维表面的PTW能将颗粒或磨屑团聚在一起,所以磨粒不易被剪切出磨损面从而形成二次磨损凸台,加入适量的PTW可以减少磨损,提高舒适度。对比图3(a)中试样A0的微观结构,不含PTW的摩擦材料很难形成稳定的二次磨损凸台,早期形成的摩擦面不再能提高摩擦性能,相反极易碎裂,最终摩擦面在温度和剪切力等作用下被严重破坏,磨损率达到最高。当配方中填充更多PTW(质量分数为16%)时,如图4(c)所示,较大的磨屑从磨损表面被拉出;EDS分析结果显示,这些磨屑含有大量Ti元素,说明该大磨屑为PTW的团聚体,因此PTW含量过高会导致团聚,致使材料不能充分混合,摩擦过程中容易整体脱落,增大磨损率。

图 4 343 ℃时SEM微观形貌和EDS分析 Fig. 4 SEM images and EDS analysis at 343 ℃

从上述微观形貌分析和EDS的结果来看,PTW的作用机制逐渐明显。当配方中不填充PTW材料时,制动片试样摩擦面无法承受制动时的负荷和温度,从而产生较多的磨损碎片,并在形成新的摩擦面之前被甩出接触面。图5为含有PTW摩擦材料的摩擦机制图。当含有适量PTW时(质量分数为2%~8%),剧烈的磨损使得摩擦接触面在温度和剪切力等作用下产生如图5(b)所示的磨屑和颗粒;芳纶纤维表面附着的PTW可以在一定程度上承受载荷,并保护芳纶纤维免受剪切力的磨损,如图5(c)所示;特别是在二次磨损凸台的形成中,芳纶纤维附近的PTW阻挡了磨屑离开接触表面,在剪切力和温度作用下,它们先成为一种基体,然后逐渐形成稳定的薄膜,如图5(d)所示;如果不含PTW,磨损碎屑则直接被清出磨损面而增大磨损率,但当PTW的质量分数增加到16%甚至更多时,PTW便不再发挥重要作用。因此含有适量的PTW可以降低磨损率并增加μ,过量的PTW只会导致材料内部结团,结团体较为松散,极易脱离制动接触面,增大磨损率。

图 5 含有PTW摩擦材料的摩擦机制图 Fig. 5 Friction mechanism diagrams of the friction material containing PTW
3 结 论

(1)PTW能显著提高摩擦材料的抗高温衰退性、耐磨性和μ等性能。

(2)过量的PTW(质量分数超过16%)会导致内部材料发生结团,结团体在剪切力作用下极易被拉出摩擦接触面,增大磨损率。

(3)含有PTW摩擦材料的磨损机制:初始磨损凸台被破坏时会产生碎屑,附着于芳纶纤维表面适量的PTW能将颗粒或磨屑团聚,促进二次磨损凸台形成。

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