碳纖維/碳基濕式摩擦材料的摩擦學性能

李 輝， 杜建華， 王浩旭， 蔣守林

(1. 陸軍裝甲兵學院科研學術處， 北京 100072； 2. 杭州前進齒輪箱集團股份有限公司， 浙江 杭州 311203)

濕式摩擦材料是汽車傳動、制動的關鍵材料，廣泛應用于各種公路車輛、工程機械以及坦克裝甲車輛傳動系統[1-3]。目前，應用較多的濕式摩擦材料有紙基摩擦材料[4]、樹脂基摩擦材料[5]和濕式銅基粉末冶金摩擦材料等[6]。但隨著傳動系統能量密度的增大，上述材料容易出現磨損率過高、摩擦材料脫層、掉塊和黏著損傷等失效現象[6-8]。因此，提高濕式摩擦材料的摩擦磨損和耐熱性能已成為研究熱點[9]。如：宋曉東等[7]通過在紙基摩擦材料中添加短切碳纖維，使得其摩擦因數穩定，耐熱系數顯著提高，最高可達9.5×104J2/(cm4·s)；張兆民等[10]采用濕法工藝制備碳布增強樹脂基摩擦材料，其耐熱系數達9.3×104J2/(cm4·s)；杜建華等[11]分別利用納米AlN和納米石墨制備增強銅基粉末冶金摩擦材料，發現其摩擦磨損性能更為穩定，耐熱系數分別提高了18%和25%。然而，上述研究未能改變基體材料的本質屬性，不能突破耐熱性能瓶頸，以致于無法滿足高能量密度傳動系統的使用要求。

將碳基材料應用于濕式摩擦工況，可很好地發揮其耐高溫、耐磨損的特性。如：張明瑜等[12]聯合運用化學氣相滲透工藝(Chemical Vapor Infiltration, CVI)與樹脂浸漬碳化工藝制備了濕式C/C摩擦材料，其摩擦因數為0.07～0.13，耐熱性能良好；WANG等[13]采用化學氣相沉積工藝(Chemical Vapor Deposition,CVD)制備了C/C-SiC摩擦材料，其摩擦因數穩定且體積磨損率幾乎為0。盡管濕式C/C與C/C-SiC摩擦材料的摩擦磨損和耐熱性能相當優異，但其制備工藝復雜，成本高，成型厚度大，限制了其在濕式離合器中的廣泛應用。鑒于此，筆者采用樹脂浸漬碳化工藝制備了一種新型碳纖維/碳基(Carbon Fiber reinforced/Carbon-based，CF/C)濕式摩擦材料，并對其摩擦磨損性能、耐熱性能以及磨損機理進行了分析，以期為濕式摩擦材料的制備和應用提供參考。

1 實驗部分

1.1 試樣制備

采用PAN基碳纖維(日本東麗公司，規格T300)多維結構織物、雙氰胺改性酚醛樹脂以及無水乙醇(分析純)為原料制備CF/C濕式摩擦材料。

樹脂浸漬碳化工藝過程為：首先，對碳纖維多維結構織物進行處理，以去除其表面漿料，處理溫度為800 ℃，時長為1.5 h；然后，采用稀釋后的雙氰胺改性酚醛樹脂溶液浸漬碳纖維多維結構織物，800 ℃下經20 h高溫碳化處理后得到CF/C濕式摩擦材料，其密度為1.75 g/cm3；最后，與鋼質芯板結合，制備出CF/C摩擦片。圖1為CF/C摩擦片結構，其中：摩擦片外徑Φ145 mm，內徑Φ122 mm，芯板厚度為1.5 mm。

圖1 CF/C摩擦片結構

對偶片為65Mn鋼，制備時淬火溫度為810～850 ℃，回火溫度為480～520 ℃，金相組織為回火馬氏體，硬度為30～37 HRC，表面粗糙度為1.5 μm[6]。

1.2 性能評價

利用美國Greening公司生產的M1080型SAE No.2試驗機(如圖2所示)測試CF/C濕式摩擦材料的摩擦磨損和耐熱性能，其摩擦方式為環-環摩擦，潤滑油為N32號潤滑油。

圖2 M1080型SAE No.2試驗機

1)磨合試驗

在壓力為0.5 MPa、轉速為1 000 r/min工況下進行200次磨合試驗，以保證摩擦片與對偶片充分接觸。

2)摩擦磨損試驗

依據表1所示參數進行摩擦磨損試驗，在穩定工況下進行1 500次摩擦接合，記錄摩擦扭矩與摩擦因數。通過測量磨損前后摩擦片厚度，計算體積磨損率Δw，即

(1)

式中:A為摩擦接觸面積(mm2)；Δh為磨損前后厚度差(mm)；I為轉動慣量(kg·m2)；n為摩擦接合次數；ω為轉動角速度(rad/s)。

表1 摩擦磨損試驗參數

3)耐熱性能試驗

當轉速為2 370 r/min時，壓力從2.0 MPa開始，每0.2 MPa進行20次摩擦接合，得到摩擦因數隨壓力的變化曲線；當壓力為2.0 MPa時，轉速從2 370 r/min開始，每300 r/min進行20次摩擦接合，直至摩擦副失效，得到摩擦因數隨轉速的變化曲線。根據摩擦副失效前一個工況的制動時間與制動能量，計算材料耐熱系數Q，即

(2)

式中:E為單位滑磨功(J/cm2)；W為一次接合滑磨功(J)；P為單位滑摩功率(J·cm-2·s-1)；Δt為打滑時間(s)。

1.3 形貌分析

采用美國FEI公司Quanta 650型掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope,SEM)觀察摩擦材料磨損前后的表面形貌，以分析其磨損機理。

2 結果與分析

2.1 摩擦因數

在1 500次摩擦接合試驗中，CF/C濕式摩擦材料摩擦因數變化曲線如圖3所示?？梢钥闯觯赫麄€試驗過程的摩擦因數穩定，平均摩擦因數約為0.107，波動范圍小于4%，說明其摩擦性能穩定。這是因為CF/C濕式摩擦材料具有疏松多孔的結構，使得滑摩過程中潤滑油浸潤較充分，利于摩擦因數穩定在較低水平。

圖3 摩擦因數變化曲線

圖4、5分別為CF/C濕式摩擦材料摩擦因數隨轉速和壓力的變化曲線?？梢钥闯觯寒斵D速由2 500 r/min增至5 500 r/min時，摩擦因數由0.107降至0.086，降幅為19.6%；當壓力由2.0 MPa增至4.0 MPa時，摩擦因數由0.107降至0.088，降幅為17.8%。這是因為:隨轉速和壓力的增加，制動能量增大，摩擦生熱量增加，潤滑油溫度升高后黏度降低。

圖4 摩擦因數隨轉速變化曲線

圖5 摩擦因數隨壓力變化曲線

2.2 扭矩曲線

ZHANG等[14]將濕式摩擦接合過程劃分為流體擠壓階段(Ⅰ)、粗糙峰混合接觸階段(Ⅱ)和壓緊階段(Ⅲ)。圖6對比了相同工況(采用1.2節中的摩擦磨損試驗工況)下， CF/C濕式摩擦材料和紙基摩擦材料(杭州紅旗摩擦材料有限公司生產，型號HQ-10)的扭矩變化曲線?？梢钥闯觯杭埢Σ敛牧系慕雍吓ぞ剌^大，在壓緊階段(Ⅲ)出現明顯的“公雞尾”現象，說明其制動平穩性較差，制動時可能會引起振動或噪音；CF/C濕式摩擦材料的接合扭矩較小，3個階段摩擦扭矩曲線均較平滑，表現出較好的制動平穩性。

圖6 相同工況下不同摩擦材料扭矩變化曲線

2.3 體積磨損率

在1 500次摩擦接合試驗中，每500次測量1次摩擦片厚度(共3次)，進而計算CF/C濕式摩擦材料的體積磨損率，其變化曲線如圖7所示?？梢钥闯觯撼跏俭w積磨損率較大，為8.4×10-8cm3/J；500次摩擦接合試驗后，體積磨損率降低且穩定在較低水平，為2.2×10-9cm3/J。

圖8為摩擦磨損試驗前后CF/C濕式摩擦材料的表面微觀形貌對比?？梢钥闯觯翰牧嫌墒杷啥嗫捉Y構變得密實，纖維絲束之間的縫隙被壓緊(圖8(a)中虛線部分)；纖維束搭接處有部分碳纖維被磨斷(圖8(b)中虛線部分)。結合圖7可知：試驗初期，材料的疏松結構被壓縮，使得摩擦片厚度減小，初期體積磨損率較大；試驗后期，材料的結構緊實無變化，纖維束搭接處的碳纖維被磨損，使得摩擦片厚度減小，后期體積磨損率較??；材料的實際體積磨損率為試驗后期體積磨損率，即2.2×10-9cm3/J(初期為壓縮，并非磨損)。

圖7 CF/C濕式摩擦材料的體積磨損率變化曲線

圖8 CF/C濕式摩擦材料磨損前后表面微觀形貌

2.4 耐熱性能

耐熱性能試驗中，當轉速增加至5 500 r/min時，對偶片發生翹曲變形，摩擦副失效。不同材料耐熱系數對比如圖9所示?？梢钥闯觯篊F/C濕式摩擦材料的耐熱系數為1.05×105J2/(cm4·s)，高于碳纖維增強紙基摩擦材料(9.5×104J2·cm-4·s-1)[7]以及經納米改性的銅基粉末冶金摩擦材料(3.6×104J2·cm-4·s-1)[11]。這是因為碳纖維和碳基體均為熱的良導體，且均為耐熱性材料。上述結果表明:CF/C濕式摩擦材料可滿足高能量密度傳動系統的使用要求。

圖9 不同材料耐熱系數對比

2.5 磨損機理

圖10為耐熱性能試驗后對偶片表面典型微觀形貌?？梢钥闯觯簩ε计砻娌煌瑓^域出現了明顯的犁溝、碳纖維碎屑和龜裂裂紋。結合圖8可知：CF/C濕式摩擦材料的磨損主要發生在碳纖維絲束凸起部位，部分碳纖維被磨斷，形成磨粒，在對偶片表面產生犁溝作用；此外，對偶表面出現熱疲勞裂紋，這是因為多次重復制動造成摩擦副的冷熱交替，并產生大量的熱量積累。因此，CF/C濕式摩擦片與65Mn鋼對偶片組成的摩擦副磨損機理為磨粒磨損、犁溝磨損和熱疲勞磨損。

圖10 耐熱性能試驗后對偶片表面典型微觀形貌

3 結論

采用樹脂浸漬碳化工藝制備的CF/C濕式摩擦材料的綜合摩擦磨損性能優于紙基摩擦材料、樹脂基摩擦材料和銅基粉末冶金摩擦材料，且耐熱性能優異，能夠滿足高能量密度傳動系統的使用要求。CF/C濕式摩擦片與65 Mn鋼對偶片組成的摩擦副磨損機理為磨粒磨損、犁溝磨損和熱疲勞磨損。

CF/C濕式摩擦材料的疏松結構使得其初期壓縮量較大，對其在濕式離合器中的應用造成影響。針對這一問題，下一步將優化制備工藝，提高材料的抗壓縮變形能力。

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