酚醛樹脂基摩擦材料高溫性能的研究進展

工程塑料應 2009年,第37卷,第5酚醛樹脂基摩擦材料高溫摩擦性能的研究進展余大剛林有希(福州大學機械工程及自動化學院,福 分別從有機無機(PF)基摩擦材料高溫摩擦性能的研究進展。在這些改性方法中,由于改性劑與PF分子之間能形成化學鍵氫鍵或范德華力,或直接將PF中易高溫分解的酚羥基反應而生成耐熱性較強的化學鍵,加上改性劑的補強作用,使得PF基摩擦材料的高溫摩擦性能得到顯著提高。酚醛樹脂摩擦材料高溫摩擦性能酚醛樹脂(PF)一直是汽車等行業(yè)摩擦材料的首選,然而在高況下PF中的酚羥基很容易被氧化,從而導致摩料。純PF250,所以普通PF一般只能在250以下才能正常使用,超過30時熱分解就很嚴重。隨著車輛的高速重載化,摩擦制動發(fā)熱使得材料的工作溫度也越來越高,如在高速行駛條件下制動時,盤式制動器襯片的表面溫度可達00以上,因此改善F的高溫摩擦性能也是當前摩擦材料領域研究的熱點之一。結合PF的自身結構和熱分解特點,研究者通過有PF基摩擦材料的高溫摩擦性能,進一步拓寬PF基摩擦材料的應用范圍,筆者現(xiàn)就這方面的研究進展作一綜述。有機物的加入可能會增加材料內(nèi)部的物理或化學交聯(lián)形成織網(wǎng)狀結構,從而改善摩擦材料的高溫摩擦性能。桐油的共扼雙鍵可在酸的催化下與PF上的氫反應,使生成的桐油改性PF性能。等[1用桐油改性PF為基體制作的剎車片的主要性能均符合國家指標,0以上的高溫磨損率遠低于要求。李超等[2用桐油改性F制成的無石棉制動帶的高溫摩擦性能較參考樣有顯著提高,且摩擦系數(shù)恢復性能良好,在00~0下其摩擦系數(shù)為.45~.5,在200~300下摩擦系數(shù)仍可保持在0.40以上腰果殼油內(nèi)含有的酚羥基可以與反應,分子側(cè)基上的柔性脂肪烴基對PF分子有內(nèi)增塑作用,從而改善PF基摩擦材料的脆性,且改性后的PF在摩擦過程中還能產(chǎn)生一種可改善其熱性能、降低磨耗的不易脫落的碳化膜[3。K.Y.Cheol等[4也驗證了這一結論,并進一步腰果殼油含量較低時對其抗熱性有利,含量較高時會使熱性。有關[5還Kevlar漿粕可顯著提高PF摩擦

料的耐磨性,降低其摩擦系數(shù),且Kevlar漿粕的加入可以大硼鉬無機化合物是一種擁有優(yōu)良耐熱性能和摩擦性能的材料,硼鉬的存在可以使F在高溫下易氧化分解的化學鍵形成耐高溫的化學鍵或與摩擦材料中的其它成分產(chǎn)生協(xié)同作用,進而提高摩擦材料的高溫摩擦性能。硼鉬及其酸化物可以與PF基反應,或直接先與苯酚或反應再聚合,從而形成耐熱性較強的BOMoO鍵,提高PF摩擦材料的高溫性能。邱軍等[7證明硼改性PF中,硼含量的增加可以提高PF的熱穩(wěn)定性。而經(jīng)過鉬改性PF作基體的摩擦材料也具有高溫摩擦系數(shù)穩(wěn)定、熱恢復性能好等優(yōu)點,在300下摩擦系數(shù)仍能保持在0.50~0.51,其熱分解溫度高達500以上[89氮化硼也有類似效果,YiGewen等[10的研究結果顯示,六方氮化硼(hBN)的填充體積在10%時可以極大地提高PF基摩擦材料的耐磨性能,且摩擦系數(shù)一直穩(wěn)定在0.43~大改善由鋼纖維增強的 PF基摩擦材料高速下摩擦系數(shù)的穩(wěn)定性。而加入芳族聚酸胺漿粕的PF摩擦材料的摩擦系數(shù)穩(wěn)定性也明顯提高,但芳族聚酸胺漿粕的加入會使摩擦材料的耐磨性降低[6。

0.47,在高于125時耐磨性能較好。這種結果可能與其在摩hBN的體積分數(shù)為12%時摩擦材料在空氣中310以上才開始熱分解,摩擦系數(shù)在250內(nèi)仍保持在0.4~0.5,1.105mm3Nm11晶須因強度高、耐高溫、物理化學性能穩(wěn)定在塑料、金共同使用具有協(xié)同效應,可形成穩(wěn)定轉(zhuǎn)移膜,提高摩擦面的平整度[12等,從而提高材料的摩擦性能。等[13在對比研究碳酸鈣晶須、針狀硅灰石和鈦酸鉀晶須改性的PF基摩擦材料時發(fā)現(xiàn),填充鈦酸鉀晶須的摩擦材料在0~350和恢復過程中,摩擦系數(shù)僅在0.29~0.35范圍內(nèi)變化,且偏差和率最小,分別為0.04和10%。而碳酸鈣晶須和針狀硅灰石填充的摩擦材料,在250以上時摩擦系數(shù)均存在明顯的熱現(xiàn)象,率分別高達36%*(2008J052),福建省教育廳科技項目(JA070)收稿日期200902余大剛,等:酚醛樹脂基摩擦材料高溫摩擦性能的研究進 51%摩擦系數(shù)的衰退偏差分別是0.11和0.34。含鈦酸鉀晶須的PF基摩擦材料的磨損率在試驗范圍內(nèi)變化也很平穩(wěn),在高溫段無上升趨勢,且一直保持在1105~2105/(Nm)以內(nèi),遠低于含碳酸鈣晶須和含針狀硅灰石材料的磨損率。另外石墨和Sb2S3能提高摩擦材料的摩擦學性能和抗衰退性能,但MoS2的耐磨性能下降14。納米材料的尺寸小、比表面積大、有很強的活性,可以和PF形成范德華力或化學鍵,從而提高摩擦材料的耐熱性和蒙脫土是一種天然的由納米厚度的硅酸鹽片層構成的粘土。可將合成PF的單體分散、插層進入層狀硅酸鹽片層中,然后原位聚合,利用聚合時放出的大量熱量,克服硅酸鹽片層間的庫侖力,使其剝離,從而使硅酸鹽片層與聚合物基體以納米尺度相復合。有研究[5表明在插層過程中蒙脫土與PF中的氧可發(fā)生化學反應,生成較強的化學鍵聯(lián)接,P中酚羥基中的氫和蒙脫土表面的氧也可形成鍵能較強的氫鍵,PF分子與硅酸鹽片層還可以形成范德華力,因此用蒙脫土改性PF的摩擦材料的耐高溫和沖擊性能顯著提高,可滿足高速重載汽車和列車剎車材料的要求。16在研究中發(fā)現(xiàn)PF的耐熱性有較大的提高,其摩擦材料的抗熱衰減性能和抗磨損性也較未增強PF摩擦材料強。用納米坡縷石增強PF為結合劑的制動帶(P/TPF)的熱溫度為280左右,而用無坡縷石的PF為結合劑的制動帶TPF的熱衰退溫度為230;P/TPF試樣在各溫度點的摩擦系數(shù)均高于TPF,磨損率也比TPF低。發(fā)等[17采用物理方法在高壓下了PF/累托石(REC)納米復合材料,與純PF用差熱分析方法對比時發(fā)現(xiàn),15.4%,純PF454.4,PFREC納米復合材料的溫度是497.8,比PF43418采用原位聚合結合共混工藝,分散短棒狀介孔MCM41粉末作為填充劑,出具有極好耐熱PFMCM41納米復合材料其熱分解溫度比純PF可提高近100。林榮會1920則發(fā)現(xiàn)與純PF基摩擦材料相比,納米銅改性PF基摩擦材料的耐熱性有較大提高,其初始分解溫度和半分解溫度可分別提高31和46,其摩擦學性能有明顯改善,熱率和磨損率可分別降低約1223。他們還進一步從摩擦系數(shù)的穩(wěn)定性和磨損率兩方面比較了純PF

兩種或兩種以上物質(zhì)的復合改性則可以從多方面改善摩擦材料的性能,有時還因為各改性材料間的協(xié)同作用賦予摩擦材料新的或更優(yōu)異的綜合性能。4.1有機纖維增強往往能提高PF摩擦材料的力學性能及摩擦性能穩(wěn)定性,是摩擦材料改性研究的一大趨勢,然而一般有機纖維的耐熱性不高,很容易在高溫下炭化反而影響摩擦材料的耐熱性能和摩擦性能,因此很多學者在用纖維增強時,會先對增強纖維進行相應處理,以提高纖維增強摩擦材料的耐熱性能。才紅等[21對經(jīng)過和過堿處理的劍麻纖維增強F復合材料性能進行對比研究時發(fā)現(xiàn),經(jīng)過堿處理的劍麻纖維增強F復合材料的體積磨損量是堿處理時的3%,經(jīng)過和堿處理劍麻纖維增強PF復合材料的初始分解溫度和失重率分別為76,.5%和20,.%。等[22研究表明先后經(jīng)過堿、硅烷偶聯(lián)劑和阻燃劑處理后的劍麻纖維制成的摩擦材料,其摩擦磨損性能均有大幅度改善,摩擦系數(shù)增加,穩(wěn)定性增強,磨損量下降。經(jīng)Kvar49增強的聚乙烯(PE)改性PF基摩擦材料的耐磨性能較未增強的PE改性PF基摩擦材料也有顯著提高,也優(yōu)于由EE改性F基摩擦材料[3。而經(jīng)過等離子處理的Kevar纖維增強PF復合材料的摩擦性能會比處理時更優(yōu)越。張力等24則發(fā)現(xiàn)經(jīng)過復合礦物纖維(FKF)改性的無機納米增強PF基摩擦材料的摩擦系數(shù)適宜且穩(wěn)定,受溫度變化的波動較小,保持在0.35~0.45,耐磨性能、耐沖擊粉、硅樹脂等的剎車片具有優(yōu)良的高溫性能,可在350使用,在400高溫下的熱失重率仍不到20%,且在~55N0.37~0.434.2SiOTiOCaCO可明顯改善碳纖維增強的PF 摩擦材料和納米銅改性F基摩擦材料的摩擦性能,發(fā)現(xiàn)納米銅改性PF可顯著改善材料的摩擦磨損性能,尤其是摩擦熱穩(wěn)定性和高溫耐磨性,得出單從摩擦磨損性能角度考慮改性樹脂在摩擦材料中的較佳體積分數(shù)為%。單一物質(zhì)往往只是對摩擦材料某一方面性能的改善 22摩擦材料的摩擦性能,其中納米CaCO3主要提高摩擦材料的耐磨性,而納米SiO則是提高其減摩性能26。SuFenghua等[27經(jīng)納米TiO、納米ZnO增強的PF/玻璃混雜纖維制成的PF基摩擦材料的耐磨性均明顯高于納米TiO2、ZnO增強的PF/玻璃混雜纖維制成的PF基摩擦材料。22SongHaojie等[28已證實少量的納米TiO或經(jīng)三氟酸 物處理的納米TiO2均能提高PF基摩擦材料的減摩耐磨性能但經(jīng)三氟酸化物處理的納米TiO2的效果較前者好得多,且在720N以內(nèi)的負載下,經(jīng)三氟酸化物處理的納米TiO2PF基摩擦材料具有穩(wěn)定且較低的磨損率,而普通納米TiO2改性的PF基摩擦材料的磨損率隨負載的增加明周元康等[29通過對硼酸桐油雙改性PF(BTPF)、 PFNTPFPFTPF 工程塑料應 2009年,第37卷,第5發(fā)現(xiàn),BTPFNTPF耐熱性較強,而NTPF在高溫階段又稍高于BTPF,兩種材料制成的樹脂制動帶在275的摩擦溫度通過無機或有機改 PF分子中在高溫下易分解的酚

[ 邱軍,等同濟大學學報自然科學版,2007,35(3) [8]歐陽兆輝,等化工進展,2005,24(8) [9]工程塑料應用,2002,30(9) [0]YGewen,ealWear,2007,262 2) ]易戈文,等摩擦學學報,2006,26(), 基形成耐熱性能更高的化學鍵,或PF分子與改性劑分子之間形成鍵力較強的化學鍵或氫鍵,以及改性劑自身的補強作用等,可使PF基摩擦材料的耐熱性能大大提高;納米粒子的獨特性能也使經(jīng)過納米改性的PF基摩擦材料獲得更優(yōu)異的性能;復合改性能根據(jù)材料的需要,結合自身的優(yōu)缺點,通過合理設計使各種材料的協(xié)同作用充分發(fā)揮,從而賦予PF基摩擦材料更加優(yōu)良的綜合性能。通過上述改性可克服普通PF的缺陷,得到在高溫下具有優(yōu)良摩擦性能的PF基摩擦材[],等工程塑料應用,2005,35(7)33[2]李超,等工業(yè)大學學報,2006,35( [3]黃伣麗,等化學與粘合,2005,27(4) [4]CheolKY,ealWear,2008,2642042[5]GopalP,ealEnhanceenoFrconandWearPerorance,996,93(2)99 [6]SeongJK,ealTrbologyInernaonal,2000,33(7)

[ S,ealWea,r200,250 [3],等潤滑與密封,2007,32( [4]HyungCM,ealWear,2006,260(78)855[5],等科技信息,2000,224[6],等非金屬礦,2008,3() [7]發(fā),等高壓物理學報,2008,22()57[8]李明天,等材料研究學報,2006,203)343[9]林榮會,等復合材料學報,2004,2( [20]林榮會,等非金礦,2007,30(4) [2]才紅,等工程塑料用,2004,32(3) [22],等材料科學與工程報,2006,24(5) [23]VshwanahB,ealWear,993,67(2) [24]張力,等材料,2007,2( [25]GangulyA,ealMaerSc,2008,3() [ SuFengHua,ealWear,2008,264(78) [ SuFenghua,ealWear,2008,265(34) 3[28]SongHaoJe,ealTrbologyInernaona,l2008,4( [29]周元康,等潤滑與密封,2006,8 RESEARCHPROGRESSINFRICTIONALPROPERTIESATHIGH-TEMPERATUREOFFRICTIONMATERIALSBASEDONPHENOLICRESINYuDagang,LinYouxi,Gao(CollegeoMechancalEngneerngandAuoaon,FuzhouUnversy,Fuzhou350002,ChABSTRACTThefrictionalpropertiesathightemperatureoffrictionmaterialsbasedonorganicmodified,inorganicmodified,nanomaterialmodifie