摩擦材料概述與合成橡膠在摩擦材料中的應(yīng)用

1、黃山海實(shí)新材料科技有限公司1、摩擦材料概述1.1簡(jiǎn)介 摩擦材料是一種依靠摩擦作用來(lái)執(zhí)引制動(dòng)與傳動(dòng)功能的部件材料，它主要包括制動(dòng)器襯片（俗稱剎車(chē)片）和離合器面片（俗稱離合器片）。剎車(chē)片用于制動(dòng)，離合器片用于傳動(dòng)。 任何機(jī)械設(shè)備與運(yùn)動(dòng)的各種車(chē)輛都必須有制動(dòng)和傳動(dòng)裝置。 應(yīng)用領(lǐng)域：汽車(chē)，火車(chē)，農(nóng)用車(chē)輛，飛機(jī)，艦艇。石油鉆機(jī)，礦大機(jī)械，軌道交通及各類工程機(jī)械，以及自引車(chē)，洗衣機(jī)家用電器。1.2摩擦材料基本組份： 摩擦材料是以高分子聚合物，粘結(jié)劑（樹(shù)脂與橡膠），增強(qiáng)纖維，摩擦系數(shù)調(diào)節(jié)劑（非金屬礦和有機(jī)塊料）三元素復(fù)合而成的功能性材料。 這種材料特點(diǎn)：具有良好的摩擦系數(shù)和耐磨損性能，同時(shí)還具有耐熱性和合適

2、的機(jī)械強(qiáng)度。1.3世界摩擦材料發(fā)展史： 18世紀(jì)自出現(xiàn)動(dòng)力機(jī)械和機(jī)動(dòng)車(chē)輛后，在其傳動(dòng)和制動(dòng)機(jī)構(gòu)中就使用摩擦片。初期的摩擦片采用棉花木頭皮革為基材，浸漬瀝青溶液加工而成。由于棉帶是天然纖維耐溫性有限，到120攝氏度以上會(huì)逐漸焦化，甚至燃燒。隨著車(chē)輛速度和載重量的增大，其制動(dòng)溫度也相應(yīng)增高，人們開(kāi)始尋找耐溫的石棉纖維浸漬用瀝青，油和樹(shù)脂的混合物開(kāi)始應(yīng)用于車(chē)輛和機(jī)械設(shè)備的制動(dòng)與傳動(dòng)，1908年石棉開(kāi)始被廣泛應(yīng)用，其摩擦材料的性能得到很大的提高，石棉本身具有良好的耐熱性，短期可經(jīng)的住700度以上的溫度。20世紀(jì)初化學(xué)家們開(kāi)發(fā)出熱穩(wěn)定性能好的酚醛樹(shù)脂作為粘結(jié)劑并進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用，一些科學(xué)家也開(kāi)始也開(kāi)始用橡膠

3、用混壓工藝加工摩擦材料，由于酚醛樹(shù)脂其耐熱性高于橡膠，以后成為摩擦材料中主要粘結(jié)劑，直至應(yīng)用至今。 1.4摩擦材料的技術(shù)要求 摩擦材料是車(chē)輛和機(jī)械制動(dòng)器和離合器總成中關(guān)鍵安全零部件，應(yīng)滿足以下技術(shù)要求： 1.4.1適宜和穩(wěn)定的摩擦系數(shù) 摩擦系數(shù)是評(píng)價(jià)任何一種摩擦材料的一個(gè)重要的性能指標(biāo)，它不是個(gè)常數(shù)，是受到溫度壓力摩擦速度變化的一個(gè)系數(shù)，同時(shí)也受表面狀態(tài)，環(huán)境及周?chē)橘|(zhì)因素影響而變動(dòng)的一個(gè)系數(shù)。 摩擦溫度高低是影響摩擦系數(shù)的重要因素摩擦材料在摩擦過(guò)程中由于溫度的迅速上升，一般當(dāng)溫度達(dá)200度以后，摩擦材料系數(shù)開(kāi)始下降，當(dāng)其溫度達(dá)到樹(shù)脂和橡膠分解的溫度后，會(huì)產(chǎn)生摩擦系數(shù)突然急劇下降的現(xiàn)象，該現(xiàn)象

4、在業(yè)內(nèi)稱“熱衰退”會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)效能變差，產(chǎn)生制動(dòng)困難的安全問(wèn)題，這是必須避免的。在摩擦材料中通過(guò)提高材料的耐溫性和加入適量耐高溫摩擦系數(shù)調(diào)節(jié)劑以減少和降低“熱衰退”現(xiàn)象。 摩擦系數(shù)通常隨速度的增加而降低，因而在制動(dòng)時(shí)，速度動(dòng)能轉(zhuǎn)化成熱能W=1/2MV。 摩擦材料表面沾水時(shí)，其摩擦系數(shù)也會(huì)下降，當(dāng)表面的水膜消除，恢復(fù)至干燥時(shí)，摩擦系數(shù)會(huì)恢復(fù)正常。 摩擦材料表面沾有油污時(shí)，摩擦系數(shù)會(huì)下降，但要求摩擦材料仍能保持一定的摩擦力?？紫堵矢叩哪Σ敛牧掀淠Σ料禂?shù)下降小。1.4.2良好的耐磨性（較好的使用壽命） 摩擦材料的耐磨性是其使用壽命的反映，是衡量摩擦材料耐用程度的重要技術(shù)指標(biāo)，耐磨性較好，其使用壽命長(zhǎng)。

5、摩擦表面產(chǎn)生的剪切力和工作的溫度是影響磨損的主要因素。當(dāng)摩擦材料的摩擦過(guò)程時(shí)產(chǎn)生的溫度達(dá)到粘結(jié)劑（酚醛樹(shù)脂，丁腈橡膠等）的熱分解溫度范圍時(shí)，有機(jī)粘結(jié)劑如酚醛樹(shù)脂，橡膠產(chǎn)生分解碳化現(xiàn)象，粘結(jié)作用下降，磨損量急劇增大，業(yè)內(nèi)稱之“熱磨損”。 選用合適的減摩填料（無(wú)機(jī)潤(rùn)滑劑，金屬硫化物等）和耐熱性能好的樹(shù)脂，橡膠，能有效的減少材料的磨損，延長(zhǎng)其使用壽命。GTB-5763-2008“汽車(chē)制動(dòng)器襯片檢測(cè)”國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了摩擦、磨損的檢測(cè)方法和譯定指標(biāo)，國(guó)內(nèi)一些汽車(chē)制造廠對(duì)OEM剎車(chē)片的磨損率規(guī)定要求比國(guó)標(biāo)嚴(yán)格從100，150，200,250,300五檔溫度下的磨損率總和不應(yīng)超過(guò)一個(gè)限定值：其體積磨損率V2

6、.010 -7cm3/N.m 1.4.3具有良好的機(jī)械強(qiáng)度和物理性能 摩擦材料在使用，加工裝配成總成時(shí)，有時(shí)需鉆孔，鉚接等機(jī)械加工，因此需承受高溫摩擦工況，剪切力，壓力等外力，故要求其有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，以保證其在使用和加工中不出現(xiàn)破碎，裂縫。對(duì)于鼓式剎車(chē)片需檢測(cè)其抗沖擊強(qiáng)度，靜彎曲強(qiáng)度，對(duì)于盤(pán)式剎車(chē)片需檢測(cè)其與背板的剪切強(qiáng)度，對(duì)于離合器面片需檢測(cè)其抗沖擊，靜彎曲強(qiáng)度，最大名變值及旋轉(zhuǎn)破壞強(qiáng)度。 1.4.4制動(dòng)噪聲低和良好的NVH性能 制動(dòng)噪聲關(guān)系到環(huán)境污染和行車(chē)舒適，一般要求汽車(chē)制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生噪聲 85dB 造成制動(dòng)噪音的原因很多，一般而言，剎車(chē)片與剎車(chē)盤(pán)（鼓）在高速，高比壓對(duì)運(yùn)動(dòng)下的強(qiáng)烈摩擦作用

7、，彼此產(chǎn)生振動(dòng)，產(chǎn)生不同頻率的噪聲。 造成制動(dòng)噪聲的因素大致如下： a、摩擦材料的摩擦系數(shù)設(shè)計(jì)過(guò)高，摩擦系數(shù)5極易產(chǎn)生噪聲 b、制動(dòng)材質(zhì)硬度高 c、高硬度填充料用量多 d、粘結(jié)劑（樹(shù)脂，橡膠）分解，碳化在工作表面形成光亮而硬的碳化膜，又稱釉質(zhì)層，制動(dòng)時(shí)而產(chǎn)生高頻噪音 解決制動(dòng)時(shí)噪音問(wèn)題是一個(gè)系統(tǒng)問(wèn)題。 1.4.5對(duì)偶面磨損小（對(duì)偶：制動(dòng)盤(pán).制動(dòng)鼓） 摩擦材料制品的制動(dòng)及傳動(dòng)功能均需通過(guò)對(duì)偶件在摩擦中實(shí)現(xiàn)。在此摩擦過(guò)程中對(duì)偶件都會(huì)不同程度磨損，要求作為消耗性復(fù)合材料-摩擦材料和對(duì)偶件的磨損要小，在制動(dòng)傳動(dòng)過(guò)程中不應(yīng)出現(xiàn)將對(duì)偶件表面擦傷，形成溝槽等過(guò)度磨損現(xiàn)象。 2.合成橡膠在摩擦材料中的作用和應(yīng)

8、用 2.1與酚醛樹(shù)脂共用作為有機(jī)粘結(jié)劑 摩擦材料所用有機(jī)粘結(jié)劑一般為酚醛樹(shù)脂和合成橡膠，以酚醛樹(shù)脂為主，它們的特性和作用是當(dāng)處于一定加熱溫度下時(shí)，先呈現(xiàn)軟化后變成黏流態(tài)產(chǎn)生流動(dòng)并均勻分布在復(fù)合材料中形成材料的基體或稱連續(xù)相，最后通過(guò)樹(shù)脂固化作用和橡膠硫化作用，將摩擦材料中的增強(qiáng)纖維和摩擦系數(shù)調(diào)節(jié)的各種非金屬礦填料粘結(jié)在一起，形成質(zhì)地致密的有一定強(qiáng)度的摩擦片制品。對(duì)于摩擦材料而言，樹(shù)脂和橡膠的耐熱性是非常重要的性能指標(biāo)，在摩擦片在制動(dòng)與傳動(dòng)工況中，其名稱時(shí)產(chǎn)生的溫度一般處于200700左右，一般增強(qiáng)纖維（無(wú)機(jī)礦物纖維，金屬纖維）和無(wú)機(jī)礦物纖維不會(huì)發(fā)生分解，而對(duì)于樹(shù)脂和橡膠來(lái)說(shuō)已進(jìn)入熱分解區(qū)域，因

9、此摩擦材料各項(xiàng)性能指標(biāo)會(huì)發(fā)生不利的變化，如摩擦系數(shù)磨損，機(jī)械等性能均會(huì)下降。宏觀上反映的三熱現(xiàn)象（熱衰退.熱膨脹.熱龜裂）其根源是由樹(shù)脂和橡膠熱分解所致，因此樹(shù)脂和橡膠的質(zhì)量好壞對(duì)摩擦材料而言十分重要。2.2 合成橡膠（含丁腈橡膠）在摩擦材料應(yīng)用和作用 2.2.1 改性酚醛樹(shù)脂 純酚醛樹(shù)脂存在一些不足，質(zhì)地脆硬，韌性差，用橡膠改性酚醛樹(shù)脂，能降低摩擦材料彈性模量和硬度，提高沖擊強(qiáng)度，為使制動(dòng)舒適，業(yè)內(nèi)生產(chǎn)盤(pán)型剎車(chē)片廠大部分分采用丁腈改性酚醛樹(shù)脂如海沃斯公司生產(chǎn)的“6530”牌號(hào)樹(shù)脂酚醛樹(shù)脂中丁腈膠含量從10%-20%左右，也有5%，也有企業(yè)采用在混料時(shí)加入丁腈膠粉，乳膠進(jìn)行物理共混改進(jìn)。 2.

10、2.2 作為輔助改性劑，降低制品的硬度，彈性模量等 在大部分摩擦材料制品中，合成橡膠作輔助改性劑被復(fù)合使用，目的是降低制品的硬度，彈性模量，提高韌性和沖擊強(qiáng)度等。 但對(duì)有些特殊要求的摩擦材料如軟質(zhì)，本軟質(zhì)制品，有時(shí)橡膠用量高達(dá)8%以上，甚至超過(guò)樹(shù)脂的用量，當(dāng)生產(chǎn)橡膠基產(chǎn)品時(shí)，如橡膠剎車(chē)帶等，如城市公交剎車(chē)片（鼓型）其含膠量達(dá)12%，在制動(dòng)時(shí)剎車(chē)片的噪音大為降低。 在火車(chē)閘瓦和火車(chē)摩擦片的應(yīng)用中，丁腈橡膠與丁腈粉末的使用對(duì)于降低彈性模量十分重要，鐵道部測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中，彈性模量1.0 x103mpa，據(jù)專家記證：彈性模量小可防止摩擦材料傷劃輪箍和制動(dòng)盤(pán)，降低火車(chē)閘瓦，閘片制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生熱斑和“金屬鑲嵌”現(xiàn)

11、象的發(fā)生率。2.2.3 丁腈橡膠有助于提高樹(shù)脂的交聯(lián)度。 專家認(rèn)證在摩擦材料產(chǎn)品中添加5%（WT%）的丁腈橡膠有助于提高樹(shù)脂的交聯(lián)度，提高了摩擦材料熱衰退性，使得低中溫摩擦材料系數(shù)穩(wěn)定，磨耗變小。2.2.4 粉末丁腈橡膠有利于摩擦材料的干法加工工藝 以為大量使用塊膠，需在二輥機(jī)上與樹(shù)脂混煉拉片,粉碎，或通過(guò)密煉機(jī)塑煉而使用于摩擦材料，工藝上不易控制，而且勞動(dòng)強(qiáng)度較大。粉末丁腈橡膠有利于摩擦材料的干法生產(chǎn)工藝，使干法混料變得簡(jiǎn)易，既減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度又使混料變得均勻，摩擦材料性能變得較為穩(wěn)定。 酚醛樹(shù)脂的溶解度參數(shù)：10.5，丁腈-26為9.3.丁腈-4C為9.9，由于溶解度參數(shù)較為接近，二者有很好

12、的相容性，所以能夠改善酚醛樹(shù)脂拉伸強(qiáng)度，沖擊強(qiáng)度，粉末丁腈橡膠對(duì)于降摩擦材料硬度效果顯著，另能穩(wěn)定摩擦磨損性能和降低噪音。 3.摩擦材料發(fā)展趨勢(shì)概述（提綱要點(diǎn)） 31國(guó)際摩擦材料發(fā)展趨勢(shì) 石棉型-無(wú)石棉型（亦稱非石棉型N0 Asbestos）無(wú)石棉型摩擦材料進(jìn)展： 半金屬型（Semi-metallic）-少金屬（Low-metallic）無(wú)金屬NAO型（含有機(jī)基陶瓷型） 摩擦材料汽車(chē)制動(dòng)襯片基本圍繞德系，美系，日系及韓系汽車(chē)配套設(shè)計(jì)，根據(jù)OEM,OES分別采取不同的配方。目前為重點(diǎn)解決NVH問(wèn)題，日本摩擦材料跨國(guó)公司重點(diǎn)研發(fā)有機(jī)基陶瓷型配方，德國(guó)跨國(guó)公司重點(diǎn)研發(fā)?；に嚿俳饘倥浞襟w系，這些配方

13、體系中均含有粉末丁腈膠粉。 配方體系中所有材料應(yīng)符合歐洲REACH法規(guī)要求；禁用鉛，鎘，6價(jià)鉻，貢，砷，銻及其化合物。 美國(guó)出于環(huán)保要求，幾個(gè)州已立法開(kāi)始提出在摩擦材料中逐步減少銅及其化合物的使用直至2025年止，要求銅的含量減至零。 上述發(fā)達(dá)國(guó)家出于環(huán)保提出的新要求，應(yīng)引起我們重視，也是我們業(yè)內(nèi)研發(fā)產(chǎn)品時(shí)要考量的。 3.2. LS配方體系研討 歐洲跨國(guó)公司如德國(guó)公司為主重點(diǎn)研發(fā)少金屬配方體系，其主要特點(diǎn)如下： 鋼纖維含量 20% 其主增強(qiáng)纖維以礦物纖維（無(wú)機(jī)）為主體，輔以少量有機(jī)纖維如纖維素纖維，芳綸纖維素，采用金屬，無(wú)機(jī)和有機(jī)纖維混雜增強(qiáng)體系，另添加金屬和金屬氧化物和有機(jī)彈性體（如粉狀丁腈膠，摩擦粉） 在體系中增加復(fù)合固體潤(rùn)滑劑：極性人造石墨，天然石墨和金屬硫化物等 增添人工合成以丁腈膠為主的彈性顆粒，彈性顆粒中以合成橡膠為主體，輔以少量樹(shù)脂，增強(qiáng)纖維，增摩劑和減摩劑以及無(wú)機(jī)非金屬礦填料，形成其特色的粒化料配方體系，其特點(diǎn)：孔隙率高，制動(dòng)噪音低，耐磨損。在高速制動(dòng)時(shí)，對(duì)速度不敏感，這與德國(guó)公路行車(chē)速度高相關(guān)。3.3. NAO型配方體系研討 以Akebono為代表的日本摩擦材料跨國(guó)公司對(duì)NAO配方體系進(jìn)行了原創(chuàng)性的發(fā)明，