不同方法表面改性碳纤维对复合摩擦材料性能的影响

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

The Influence on Composite Friction M aterial Performance by CarbonFiber with Diflferent Surface M odification M ethodsLi Zhangyi Hu Yiqiang Chen Jiayun din Xin(1.School of Mechanical and Power Engineering，East China University of Science and Technology，Shanghai200237，China；2.Huaqiang Resin Co.，Ltd，Haiyan Zhejiang 3 14300，China)Abstract：The carbon fiber was modifed by the surface treatment method of gas phase，liquid phase and the combiningmethod of gas phase and liquid phase，and the Surface morphology of carbon fiber was observed.Carbon fiber reinforced bo-ron modified resin base friction materials were prepared，and the influence carbon fiber with different surface modificationmethods on composite friction material performances was studied.The results indicate that the carbon fiber surface rough-ness is increased after treating by the three Surface methods，which is helpful for the close integration of carbon fiber andmatrix.The carbon fiber treated by gas phase under 450℃ for 5 h has the best properties.it can replace copper fiber toenhance composite friction materials。

Keywords：surace treatment；carbon fiber；friction and wear performance，随着车辆逐渐向高速、重载、安全舒适等方向发展，对制动摩擦材料的性能要求亦越来越高，特别是对高温制动的稳定性和制动的环保要求 日益突出。传统的石棉摩擦材料在高温制动时易出现摩擦性能热衰退”，产生的石棉粉尘已被证明对人体有致癌危害 。碳纤维具有比强度高、比弹性高、耐热性好、耐磨损等优点，现在已经被广泛应用到航天领域 ，相信不久将会广泛应用到汽车刹车片中。碳纤维虽然性能优越但是很难与基体树脂结合，需要对其进行表面处理，目前主要有空气氧化法、液相氧化法、等离子体氧化法和电化学氧化法等方法 。。 。

在研究的诸多碳纤维表面处理方法中，空气氧化法简单，耗时少，但操作弹性小，氧化反应不易控制。W收稿 日期 ：2012-10-22作者简介：李张义 (1987- )，男 ，硕士研究生 ，研究方向为复合材料摩擦学 .E-mail：lizhangyi1987###126.com。

H Lee等将碳纤维在氧气与氮气的混合气体中进行氧化处理，发现氧化处理前后纤维表面的最大区别是处理后的纤维表面有较多的羰基 。液相氧化主要是采用硝酸、酸性重铬酸钾、次氯酸钠等强氧化性液体，对碳纤维表面进行处理，处理比较温和，不过耗时较长。电化学氧化方法简单易操作 ，处理条件温和并易于控制，处理效果明显。表面涂层处理 ，是对碳纤维表面沉积-层无定性碳来提高其界面黏结性能 ，多采用气相沉积技术，操作较复杂，周期长。本文作者在文献 [9]研究的基础上 ，对碳纤维主要采日气、液相氧化法和两者相结合的表面处理方法，希望能够找到-种最优的表面处理方法，进而最大的发挥碳纤维优秀性能的功效。

1 实验部分1.1 碳纤维的表面处理取长度为 3～5 mm短切碳纤维 ，分别按以下方法进行表面处理 ：70 润滑与密封 第38卷2.2 摩擦学性能分析2.2.1 恒速恒压 实验恒速恒压实验在 XD-MSM定速式摩擦试验机上进行。采用5种碳纤维试样制备的5种摩擦材料试样抑别记为 A1～A5。图 2示出了 5种摩擦材料试样在500 r/min、0.98 MPa条件下的摩擦因数。

0.30.30.20.2圜蜷0.2斟O.2O.2O.2A2A 3A4A5温度f，图2 500 r/min、0.98 MPa条件下5种材料的摩擦因数曲线Fig 2 The friction coeficient CHIVES ofA1～A5 inthe condition of 500 r/min and 0.98 MPa可以看出，采用不同的方法对碳纤维表面进行处理后，制备的5种摩擦材料在 100～350℃的摩擦因数介于0.25～0.31之间，相对都比较稳定，尤其是高温下。但是相对而言，试样 A2的摩擦因数更加稳定，在整个测试过程中摩擦因数曲线波动最校由此可见，采用450℃热空气氧化处理 5 h左右，然后随炉冷却的处理方式达到的效果最好。

图 3示 出了 5种摩擦 材料 试样 在 500 r/min、0.98 MPa条件下的磨损率。

可以看出，材料 A2的总体磨耗最小，其在高温下的总体磨耗也最校由于碳纤维大多具有 乱层石墨”结构，表现出良好的自润滑和减摩性能 ，所以摩擦材料的总体磨耗越小说明其结合得越好，相对而言最大限度地发挥了碳纤维的优秀性能。因此从磨损率也可得出，采用450 oC热空气氧化处理 5 h左右，然后随炉冷却的处理方式达到的效果最好。

2.2.2 变速 变压 实验为了进-步证明上述结论 ，对 5组摩擦材料做了变速变压实验，实验 QDM150可调速调压干式摩擦材料试验机上进行。表 2示出了1 000 r/min、0.98 MPa条件下5种材料的高温摩擦因数。

表 2 1 000 r/min、0.98 MPa条件下 5种材料的高温摩擦因数Table 2 The high temperature friction coeficients of A1～A5 in the condition of 1 000 r/min and 0.98 MPa可以看出，采用不同表面处理的碳纤维制备的摩擦材料 的高温摩擦 因数 比较平稳 ，但是相对 于 500r/min时候偏低。这是由于在 1 000 r/min时刹车片大幅温度上升，在材料表面形成了-层润滑膜，因而摩擦因数有所降低。

5种摩擦材料在高温下的摩擦因数相差不大，从摩擦因数方面看不出5种碳纤维表面处理方法的优劣，因此需要从高温磨损率方面进行区分。图4示出了了 1 000 r/min、0.98 MPa条件下 5种材料 的高温磨损率。

目 2.6Z 2.4j 2.2× 2.01.8糕1.6A1 A2 A3 A4 A5不同表面处理图4 1 000 r/min、0.98 MPa条件下5种材料的总体磨耗曲线Fig 4 Fhe high temperature total ware rate of A1～A5 in thecondition of l 000 r/min and 0.98 MPa鲫 蛐 柏 加 ：211 11 i ； l 1 - 目. 乏. u ×- q 避2013年第 4期 李张义等：不同方法表面改性碳纤维对复合摩擦材料性能的影响 71可以看到，材料A2与 A4的高温总体磨耗最校碳纤维具有储热能力很强、热导率效果好等性能，所以只要其与基体树脂结合得好就越能表现出这些性能，摩擦材料的磨耗也越低。因此从高温抗磨性方面来看，采用450℃热空气氧化处理碳纤维 5 h左右，然后随炉冷却的处理方式，以及450℃热空气氧化处理5 h左右，然后空气冷却再经过 12 h浓硝酸处理这两种方式达到的效果最好。

由于在 1.96 MPa的压力下摩擦材料的摩擦因数相对比较低时也能够达到-个较好的摩擦力，所以基本上不需要考虑摩擦因数的热衰退性能，本文作者主要分析5种摩擦材料的总体磨耗。图5示出了500 r/rain、1.96 MPa条件下 5种摩擦材料的总体磨耗，可见材料A2、A3、A4、3.5相对于A1都有较好的抗磨效果，但材料 A2的抗磨效果最佳。因此，450 oC热空气氧化处理5 h左右，然后随炉冷却的处理方式，对碳纤维表面处理的效果是最好的。

宣3·43.2lz 3.0暑。2.80 2.6- 2·4司 糕 2.22.3 碳纤维与铜纤维增强摩擦材料性能的比较2010年3月 19日，华盛顿州州长签署了关于禁制使用铜作为制动材料组分的法案，该法案将于2014年生效。华盛顿州在美国首先通过法案限制铜在制动材料中的使用，该州将作为模范向全美推广。

这意味着铜纤维将来不能再在制动材料中使用 ，因此本文作者用碳纤维来代替铜纤维进行了2种纤维增强摩擦材料的对比实验。

在表 1配方的基础上，分别用450℃空气热处理5 h然后随炉冷却的碳纤维和铜纤维作为增强材料，制备了2种摩擦材料，并比较其在500 r/min、0.98MPa和 1 000 r/min、0.98 MPa条件下的摩擦磨损性能，结果如表3，4所示。

表 3 500 r/rain、 98 MPa条件下2种材料的摩擦磨损性能Table 3 The friction and wear performances of two diferentmatefis in the condition of500 r/rain and n 98胁 摩擦 摩擦因数，总材料 100℃ 150℃ 200℃25O oC 300℃ 350℃m - 、表 4 1 000 r/min、O 98 MPa条件下 2种材料的摩擦磨损性能Table 4 The friction and wear perform ances of two diferentmatefis in the condition 0f 1 000 r/min and 0.98 MPa摩擦 竺材料 100℃ 15O℃ 200℃ 250℃300℃ 35O℃ m --碳纤 0.246 0.245 0.269 O.271 0.273 0.272 2.196×10-7维基纤 o.289 0.303 0.302 0.274 0.277 0.280 3.356×10-7综合表3，4可知：在定速环境即-般环境下虽然碳纤维的摩擦因数与铜纤维有-定的差距，但是还是维持在-个比较合适的范围之内，而且整个实验过程摩擦因数很平稳。在高速环境下整个制动过程铜纤维的摩擦因数都比碳纤维要高，尤其是在低温状态下，这是由于碳纤维的自润滑现象造成的。在高温时碳纤维与铜纤维的摩擦因数相差不大，这说明碳纤维为主体的混杂纤维增强效果基本上达到了铜纤维为主体的混杂纤维的增强效果。另外，在定速和高速环境下碳纤维增强摩擦材料的总磨耗均低于铜纤维增强摩擦材料，表明碳纤维增强摩擦材料寿命也较高。

3 结论(1)采用不同的表面处理方法对碳纤维进行表面处理，并考察了其对摩擦材料的增强效果，结果表明，采用450 oC热空气氧化处理5 h左右，然后随炉冷却的处理方式，对碳纤维表面的处理效果最好。

(2)碳纤维与铜纤维的对比实验表明，碳纤维在小试实验中基本上可以取代铜纤维作为制动材料的增强材料。

(下转第86页)润滑与密封 第 38卷界润滑条件下 ，发生电化学催化和热摩擦化学反应，生成硫化铁 (FeS)和二硫化钼 (MoS：)混合膜，改善了边界润滑。