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天然纤维增强仿生--汽车制动摩擦材料

    九和 2022-10-31

摩擦材料是一种应用在动力机械上,依靠摩擦作用来执行制动和传动功能的部件材料,广泛应用于动力机械和交通工具的传动、制动、转向等关键部件。在汽车上应用的摩擦材料主要为制动摩擦片和离合器片,二者分别关系到汽车的运行安全和效率,是汽车运行安全的关键和核心材料。


制动摩擦材料是由粘结剂、增强纤维、摩擦性能调节剂和填料等构成的具有复杂结构的多元型复合材料。成分的配比、材料的结构与生产的工艺均会对制动摩擦材料的性能产生显著的影响。

1.粘结剂摩擦材料所用的有机粘结剂为酚醛类树脂和合成橡胶,而以酚醛类树脂为主


2.增强纤维纤维增强材料构成摩擦材料的基材,它赋予摩擦制品足够的机械强度


3.摩擦性能调节剂调节和改善制品的摩擦性能、物理性能与机械强度


4填料.改善制品密度、外观质量及制动噪音,降低生产成本


增强纤维是摩擦材料中的重要组分,直接影响摩擦材料的摩擦稳定性、耐磨性等指标。


从本世纪20年代到80年代,石棉由于具有质轻、价廉、分散性好、摩擦磨损性能好、增强效果好等特点,使之在摩擦材料中得到了广泛的应用。70年代,人们研究发现加工和制动尘埃中的细小石棉纤维被吸入肺内后,会引起一种叫做石棉肺的疾病,甚至会导致肺癌,石棉被证实属致癌物质。随后许多国家颁布相关法令,禁止在摩擦材料中使用石棉,并相继展开了石棉代用纤维的研究。

必要性


玻璃纤维、钢纤维和碳纤维等逐渐成为石棉代用纤维,但上述纤维材料存在着与树脂浸润效果不佳、粘结性较差、锈蚀、震颤、制造工艺复杂、硬度高、易伤对偶盘、易产生高分贝噪音、成本高等问题,成为制约摩擦材料性能提升和产品升级换代的瓶颈问题。


研发绿色环保、低成本、高性能的增强纤维成为制动摩擦材料研究领域和产业的亟需。


国内外研究现状


K. Sudhakar介绍了一种黄麻纤维增强摩擦材料,该材料硬度的变化可以归因于核桃壳粉含量的变化。


当鼓温低于黄麻纤维热分解温度时,黄麻纤维具有降低和稳定摩擦系数的作用,但过多的纤维并不利于摩擦系数的稳定。


北京化工大学索宝霆等人以天然植物纤维苎麻为增强体,研究了苎麻纤维含量对材料摩擦因数和磨损率的影响。


结果表明苎麻纤维能降低摩擦材料在中、高温下的磨损率。


主要研究内容及创新点


仿生摩擦材料设计总述


本研究团队针对天然纤维增强摩擦材料的技术特点,进行了仿生摩擦材料设计研究,其研究目的为:


优化材料成分和生产工艺不能完全满足摩擦材料产业发展需求仿生结构设计为进一步提高制动材料性能探索出新的途径利用天然植物纤维是当代摩擦材料的重要发展趋势

作物废弃秸秆纤维提取与处理


采用简单高效的碱-盐处理方法实现对天然纤维的提纯和强化实现纤维结构改性,改善界面结合,替代高强度纤维、提升摩擦材料性能

天然纤维结构化仿生设计


通过造粒技术构建纤维仿生结结合第二粘结剂技术降低树脂用量和摩擦材料热衰退

仿生结构纤维、造粒及多尺寸预制颗粒共混提高了耐磨性,摩擦行为更为平稳。


仿生摩擦材料的耐磨机理


天然纤维的结构仿生化和造粒技术的应用,能够有效改善摩擦材料中纤维与基体之间的兼容性和界面结合力


在磨损面容易形成摩擦膜,减少摩擦材料的磨损率,磨损表面相对光滑,制动更为平稳,寿命得以延长。


关键技术


本研究团队进行了天然纤维增强摩擦材料的系列研究,包括玉米秸秆纤维、竹纤维、黄麻纤维、松针纤维、藤纤维等,具体涉及:


天然纤维改性处理技术纤维结构仿生化技术仿生造粒技术

关键技术1—天然纤维改性处理技术


a. 增强纤维与摩擦基体通过界面结合力结合;b. 摩擦基体随即产生萌芽裂纹,裂纹逐渐沿垂直于界面方向发展,增强纤维将起到阻止裂纹发展作用;c. 因界面剪切以及纤维和基体的横向收缩,裂纹向界面方向发展;d. 裂纹发展到一定程度后,裂纹将重新按原方向发展,当受力增大时,界面将继续解离;e. 破裂的纤维一端将从裂纹一侧基体处拨出,纤维阻止裂纹发展能力降低,导致复合材料整体破裂。


纤维与基体之间的界面结合强度对纤维增强摩擦材料的物理力学性能以及纤维的增强效率均有着十分重要的影响。


纤维表面改性方法:植物纤维具有较强的极性,使其与非极性树脂间的界面粘合性、界面润湿性较差,从而成为影响植物纤维增强复合材料性能的关键因素。目前,研究者们通过各种物理或化学改性方法,以期降低植物纤维的极性,使之与树脂基体产生良好的界面结合强度,从而改善复合材料的力学性能。

1:碱化处理碱法处理使植物纤维中的部分果胶、木素、半纤维素及其它低分子杂质等被溶解,在纤维表面形成许多空腔,使表面变得粗糙同时也使纤维原纤化,即纤维束变小,长径比增大,与基体的有效接触面积增加。


2:物理改性包括①拉伸、压延、热处理、混纺等;②放电技术


3:偶联剂改性包括乙酰化处理、马来酸酐接枝共聚物改性、硅烷偶联剂改性等


本研究团队选择以碱处理和盐处理结合的方式进行纤维改性,以玉米秸秆为例:


试验结果:用1%NaOH处理10min、20min、30min

01


玉米秸秆纤维抗拉强度: ** .90MPa


玉米秸秆纤维弹性模量:67.86MPa


02


玉米秸秆纤维抗拉强度:92.87MPa


玉米秸秆纤维弹性模量:26.38MPa


03


玉米秸秆纤维抗拉强度:191.13MPa


玉米秸秆纤维弹性模量:36.49MPa


04


玉米秸秆纤维抗拉强度:133.46MPa


玉米秸秆纤维弹性模量:44.81MPa


试验结果:用30%NaCl处理12h


经NaOH和NaCl处理后,玉米秸秆纤维的抗拉强度提高195.8%,弹性模量提高14.5%!


试验结果:玉米秸秆纤维处理前后的微观形态结构变化


未处理的纤维具有较光滑的外表面,并且表面附着一些杂质颗粒;经碱盐处理后,纤维表面出现一些微孔结构以及节点结构。这些变化主要是由于纤维表面的一些杂质(如果胶、蜡质、油脂、木质素等)被去除,暴露在纤维表面的纤维素含量增加,从而提高了纤维-基质的界面结合强度。


试验结果:摩擦材料摩擦性能

添加玉米秸秆纤维的摩擦材料具有更高且稳定的摩擦因数;添加6 wt.%玉米秸秆纤维的摩擦材料(样品FC-6)具有最低的衰退率和最高的恢复率。


试验结果:摩擦材料磨损性能

玉米秸秆纤维的添加有效降低了摩擦材料的磨损率;与未添加玉米秸秆纤维的样品相比,添加纤维的摩擦材料的磨损率降低了10.2% ~37.3%。


综合考虑摩擦材料的整体性能,6 wt.% 为纤维的最优含量,该样品的摩擦因数为0.405 ~0.489, 衰退率为7.8%,恢复率为106.5%,磨损率(350℃时)为0.427×10-7 cm3(N·m)-1 。


试验结果:磨损表面及机理分析

FC-0:未添加玉米秸秆纤维的样品,磨损表面出现大量的磨屑、犁沟、剥落坑、微裂纹,其主要磨损机制包括磨粒磨损、粘着磨损以及疲劳磨损。


FC-6:玉米秸秆纤维的添加有效阻止了材料的大片剥落,磨损表面出现较多且稳定的次要接触区,同时纤维-基体之间的界面结合性良好,这解释了该摩擦材料优异的耐磨性能。


关键技术2—纤维结构仿生化技术


模仿天然生物材料特殊精巧的结构特征或者从中得到启发而制备出类似天然生物材料结构特征的材料的仿生设计,称为结构仿生。


例如,仿蜂巢建筑材料,仿竹材复合材料,仿贝壳珍珠层陶瓷材料。


试验结果:哑铃型纤维间距对增强摩擦材料摩擦性能的影响


在 100℃和 150℃时,哑铃型纤维增强摩擦材料摩擦因数大于平直纤维增强摩擦材料的摩擦因数,并且哑铃间距为15mm时摩擦因数最大。在 200℃和 250℃时,平直纤维增强摩擦材料摩擦因数最大,哑铃间距为5mm 时摩擦因数最小。在 300℃和 350℃时,平直纤维增强摩擦因数最大,哑铃间距为 15mm 时摩擦因数最小。但是区别不明显,说明哑铃间距对摩擦因数影响较小。试验结果:哑铃型纤维间距对增强摩擦材料摩擦性能的影响

与平直纤维相比,哑铃型黄麻纤维增强摩擦材料具有较低的磨损率。


在整体来看,哑铃间距为15mm 的哑铃纤维增强摩擦材料磨损率最低,表现出最优的耐磨性能。


不同间距哑铃黄麻纤维增强摩擦材料的磨损率曲线


黄麻纤维设计成哑铃型结构后有效弥补了黄麻纤维与基体相容性差这一缺点。在界面粘接强度较低情况下,哑铃形纤维更有利于载荷传递,因此能充分发挥纤维的增强效果。


此外,用哑铃形纤维增强的摩擦材料基体所受径向应力较均匀,从而减小出现临界主裂纹的几率,同时黄麻强度较大,端部哑铃结构处理纤维拔出阻力较大,从而有利于摩擦材料强度的提高。


仿生螺旋型纤维:头发从外到里依次为毛表皮、毛皮质和毛髓质。毛表皮在最外层保护毛皮质减少外界的腐蚀和磨损,毛皮质由数根外纤维组成,外纤维由数根大纤维以螺旋的形式交织在一起组成。大纤维又由多跟螺旋状小纤维编织构成,而小纤维由许多螺旋状的原纤维组成。


这种内螺旋套外螺旋的结构形成的角蛋白具有超强强度和超高的柔韧性,从而赋予了头发卓越的力学性能。受此启发,将纤维进行结构仿生,制备成仿螺旋型增强体。


试验结果:仿生螺旋型纤维的力学性能螺旋纤维断裂负荷随螺旋升角减小先增大后减小,峰值在66°左右。在 66°时螺旋型黄麻纤维表现出最佳抗拉性能。随着螺旋升角的减小试样断裂伸长率的连线呈下降趋势,呈类似抛物线型。

螺旋纤维螺旋升角对增强摩擦材料摩擦性能的影响


在 100℃和 150℃时螺旋型黄麻纤维起到了增加摩擦因数的作用。在 200℃和 250℃时,平直黄麻纤维摩擦因数最高,并且螺旋型黄麻纤维增强摩擦材料螺旋升角越小摩擦因数越低,但是并不显著。在 300℃和 350℃时平直黄麻纤维摩擦因数最高,螺旋升角越小的摩擦材料摩擦因数越小,350℃螺旋纤维增强摩擦材料摩擦因数下降较明显。在 100℃和 150℃时,螺旋升角为 55°和 66°的耐磨性能最高。在 200℃和 250℃时,不同螺旋升角黄麻纤维增强摩擦材料耐磨性能相似。在 300℃和 350℃时螺旋升角为 66°的螺旋纤维增强摩擦材料耐磨性能最为优异。

整体来说螺旋升角为 66°的螺旋纤维增强摩擦材料耐磨性能最好,并明显高于平直纤维摩擦材料。


关键技术3—仿生造粒技术


造粒技术是各类粉体、颗粒、溶液或熔融原料在一定外力作用下互相聚集,制成具有一定形状、大小或强度固体颗粒单元的操作过程。


研究表明,造粒技术在摩擦材料行业里应用,能够减少纤维偏析、提高制品的孔隙率、降低噪声和减少配副表面的磨损,而且还具有净化生产环境、减少摩擦材料粉尘对工作人员的伤害、便于装运等优点。


造粒机理:将混合均匀后的粉体物料放入造粒机中适当地搅拌,随着造粒剂的加入,粉体物料的湿度逐渐增大,液体和固相体互相密切接触,产生粘结力而形成团粒。主要途径包括干混合预先成核、团粒的核化和成长、微分空穴填充、粘结和破碎、包围和磨碎、捏合和撕分、滚制和墩圆。


类细胞结构摩擦材料的仿生来源:细胞是生命活动的基本结构和功能的单位,除了病毒以外,所有生物体都是由细胞构成。人体细胞都由细胞膜、细胞质、细胞核三部分所组成。


通过造粒后的颗粒可以看作是摩擦材料的基本单位。每个颗粒都含有所有的成分且成分含量和整体一样。通过两次造粒后,形成了类似细胞结构的颗粒。


单体分层结构颗粒模型:颗粒内部由增强纤维、树脂粘结剂、摩擦性能调节剂组成,在颗粒外部包覆一层第二粘结剂。由于颗粒内部成分按一定配比后,经过混料机混合,成分分布均匀。其中第二粘结剂均匀地分散在颗粒外部。


通过二次造粒得到每一个小颗粒都具有类似细胞膜和细胞核的细胞结构,因此称此颗粒为类细胞结构摩擦材料颗粒。


采用类细胞结构制备摩擦材料从摩擦材料细小颗粒结构上作改变从而改变摩擦材料整体的摩擦磨损性能。


本实验选用以酚醛树脂为第一粘结剂,硫磺和铅粉、硫磺和锡粉为第二粘结剂。一次造粒后的颗粒表面较粗糙,第二粘结剂容易包覆在其表面。将一次造粒后经颗粒分级,选取粒径为1mm∼10mm 范围内的不同粒径混合颗粒,再与一定量的第二粘结剂入三维振动筛。


启动振动筛直至每个颗粒外都包覆着一层淡黄色的粉末,即得到具有类细胞结构的摩擦粒。


造粒颗粒直径对摩擦材料摩擦性能的影响


1.实验分组2.直径均匀的颗粒 3.混合颗粒4.最终颗粒


造粒试样的摩擦因数比未造粒试样的摩擦因数高且稳定;造粒摩擦材料的平均摩擦因数提高了17.85%~23.9%,其中提高效果最好的是3~5 mm和5~8mm颗粒所压制的摩擦材料,8~10mm和不同粒径混合颗粒所压制的摩擦材料次之。


经过造粒的试样的磨损率都远比未造粒试样的磨损率低。造粒工艺试样的磨损率比未造粒试样的磨损率降低8.62%~61.27%。磨损效果最好的是1~10mm和8~10 mm颗粒所压制的摩擦材料,3~5mm颗粒所压制的摩擦材料次之。


摩擦材料磨损表面及磨损机理分析


采用不同直径用造粒压制成的摩擦材料的摩擦学性能有所差别。摩擦材料中原料的颗粒本身如果较大,就会导致摩擦材料用造粒不能代表摩擦材料的基本组分,从而削弱了造粒的效果。


当摩擦材料用造粒的直径过大时,相对较小直径的颗粒,颗粒之间接触面积较小,从而颗粒之间的粘结力较小,在摩擦颗粒之间的粘结容易被破坏,使颗粒脱落,从而使磨损率增大,影响摩擦材料的摩擦性能。


采用造粒技术的摩擦材料的摩擦学性能优于未造粒的摩擦材料的摩擦学性能,采用造粒技术制备的摩擦材料改变了物料之间的物理结构使相互结合方式改变,每一个颗粒自己抱成团,连接比较紧密,不易磨损,从而导致采用造粒技术的摩擦材料试样的摩擦性能优于未造粒的摩擦材料的摩擦学性能。


创新点


1采用混料造粒技术进行颗粒内部结构设计,研究了摩擦材料的摩擦磨损性能及其失效机理,提出了使用类细胞结构的颗粒制备具有稳定结构的仿生摩擦材料,并探讨了其结构对与调节和控制摩擦材料的摩擦学性能的作用机理。实现了摩擦材料由单纯材料设计向材料与结构耦合设计发展。


2运用第二粘结剂技术,降低了摩擦材料中树脂的含量,减弱了酚醛树脂在制动过程中引起的摩擦材料的热衰退。对新型摩擦材料的表面形貌和磨损机理进行了分析,得出几种摩擦材料的磨损形式主要是黏着磨损和磨粒磨损。


3确定了颗粒的最优直径,制备处理具有优异摩擦学性能的摩擦材料,颗粒包覆技术的运用,减轻了摩擦材料材料制备过程中的粉尘污染。探索其摩擦学性能、机械性能、耐热性及导热性等主要性能的交互作用的宏观与微观机制和协同效应及机理。


经济及社会效益


1经济效益按照本研究成果生产的优质摩擦片,可以估算出每组摩擦片(8 片)的材料和制造成本为70 元。而市场销售的中档摩擦片的价格在 150 元/组左右,扣除利税和运输成本(按 30%计算)。对比两种摩擦片的生产成本可以看出,本研究中的摩擦片生产成本每组降幅达 33.3%。


2社会效益研制出高性能的汽车摩擦材料,对我国汽车工业的发展将起重要的推进作用。采用造粒技术作为制取汽车摩擦材料的方法,能发挥其性价比优势,在省材、节能、降耗、防污染、减低噪声、防震等方面发挥重大作用,特别是材料所具有的优良的摩擦学指标将为汽车行驶的安全性提供有力的保障,为汽车高效的动力传动提供可靠的支持。


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