椰纤维增强树脂基摩擦材料摩擦磨损性能测试及分析

摘要：本实验制备了由椰纤维为增强纤维的树脂基摩擦材料，使用定速摩擦试验机测试其摩擦磨损性能，并采用模糊综合评价法对摩擦因数及磨损率进行了分析。结果表明，质量含量为6%加捻椰纤维增强摩擦材料的摩擦磨损性能较好。

关键词：摩擦材料；椰纤维；模糊综合评价法；摩擦磨损

中图分类号：TQ172文献标识码：A

摩擦材料是一种应用于制动和转动机械上的复合材料，本文以摩擦材料目前存在的稳定性能和环保角度为出发点，提出将椰纤维加入到制动摩擦材料中，即环境友好型摩擦材料，环境友好型摩擦材料是添加对环境无污染，可再生天然植物纤维的复合材料[1-4]，本文采用天然环保可再生的椰纤维作为增强纤维，结合试验与理论研究分析椰纤维摩擦材料的摩擦磨损性能。

1试验材料及方法

1.1试验材料及处理方法

椰纤维中纤维素和木质素的含量约占77%～99%，通过提取加工后纤维含量较高，椰纤维力学性能良好，摩擦磨损特性较稳定。提取加工后的椰纤维会呈现出淡黄色，直径大约在250μm左右，图1是在试验所用椰纤维照片。

图1椰纤维照片

为了使椰纤维的综合性能最好，先将椰子表壳晒干后用机械方法捶打使椰纤维初步散开，然后将散开的椰纤维浸没在2wt%的氢氧化钠溶液中，煮4～5h，然后中和酸，用清水反复冲洗，将椰纤维梳理成条，晒干后，在烘干机内烘干备用[5]。

椰纤维的结构如图2，椰纤维中空，呈圆形，具有细胞聚集螺旋结构。实验中采用未加捻椰纤维和加捻椰纤维2种纤维为增强纤维，其他的原材料之间的配方比例不变。椰纤维含量分别为质量分数的3%，6%和9%。加捻纤维采用纤维编织机编制。将试样编号Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6、Y7（分别为无椰纤维试样、含3%未加捻椰纤维试样、含6%未加捻椰纤维试样、含9%未加捻椰纤维试样、含3%加捻椰纤维试样、含6%加捻椰纤维试样、含9%加捻椰纤维试样）。

图2椰纤维结构

1.2试样制备

1.2.1摩擦材料的制备

将粘结剂，椰纤维和摩擦性能调节剂混合，热压成型，热处理固化，然后机械剪切成所需试样。

混料按照配方称取各种原料，置于混料机中，设定转速为576r/min，桶体转速120r/min。搅拌3min后，暂停1min，共3次的间歇搅拌法。

1.2.2压制、热处理及机加工

称取70g混合均匀的原料，在160℃，50MPa压力下保压30s后放气，此过程反复进行3次，从第4次热压开始，在设定的保压时间内进行保压保温。得到尺寸为55mm×55mm×8mm的方块形试样。热压后为了保证树脂充分固化，试样需经过热处理。处理工艺如图3所示。为了保证试验研究数据具有可对比性，所有试样应采用同组配料，试样加工处理过程一致及试样大小要相同。

图3摩擦材料热处理过程图

1.3摩擦磨损试验

根据GB5763-2008中第4类盘式制动器用衬片规定的摩擦性能测试方法进行摩擦磨损试验，采用吉林省旺达机械有限公司生产的JF150D型定速摩擦性能试验机。摩擦磨损试验中的试样的大小为25mm×25mm×6mm，加压为0.98MPa。圆盘的转速为7.6m/s。升温过程，从100～350℃，测试试样每个温度点（100℃、150℃、200℃、250℃、300℃、350℃）的摩擦系数和体积磨损率，每个温度点的转数为5000r；降温过程，从300℃降温至100℃，每个温度点（300℃、250℃、200℃、150℃、100℃）摩擦圆盘转数为1500r，测量每个温度点试样的摩擦系数。

2结果与分析

2.1温度对椰纤维增强树脂基摩擦材料摩擦磨损性能的影响

2.1.1摩擦因数

不同含量椰纤维试样在不同温度（升温和降温）下对摩擦因数的影响如图4所示。从图4中可以看出摩擦因数的变化与温度变化成非线性关系，Y3、Y4、Y6、Y7摩擦材料摩擦因数比Y1、Y2、Y5摩擦材料略高，随着温度的升高摩擦因数先下降后升高，当温度到达350℃时摩擦因数最低，这是因为当温度升高时树脂出现热衰退现象，椰纤维碳化，树脂基体和其他填料的结合松散，有颗粒脱落到摩擦表面，导致摩擦系数的降低。随着温度继续升高，颗粒被磨成粉末添加到摩擦表面，形成摩擦膜，因此摩擦因数升高。后半段为恢复过程摩擦因数曲线图，从图中可以看出除Y6试块的摩擦因数随着温度的降低而降低，Y1、Y2、Y5试样的摩擦因数变化巨大，但当温度下降到100℃时Y3、Y4、Y6、Y7椰纤维增强摩擦材料摩擦因摩擦因数远高于Y1、Y2、Y5摩擦材料，说明含有一定含量的椰纤维对摩擦材料的摩擦因数有一定影响。其中Y6摩擦材料的摩擦因数与其他6个摩擦材料相比较为平缓。

图4摩擦因数随温度变化曲线

2.1.2体积磨损率

图5为椰纤维增强摩擦材料的磨损率随温度的变化曲线图，从图中可以看出椰纤维增强摩擦材料的磨损率大体上呈现随温度的升高而升高的趋势，当温度到达350℃时磨损率达到最高（除Y4、Y5试样），这是因为随着温度的升高酚醛树脂出现热衰退效应并且椰纤维碳化，致使材料基体内部有颗粒脱落，使得摩擦表面粗糙度增加，使得摩擦表面粘着磨损和微切削磨损严重导致磨损率增大。随着摩擦过程的继续，温度继续升高磨屑研磨殆尽并且填充到摩擦表面的孔隙中，使得摩擦表面粗糙度下降，并形成新的摩擦膜，且新形成摩擦膜主要由脱落的碳化生物纤维粉末组成，更耐高温，因此随着温度继续升高磨损率减缓或下降。无椰纤维摩擦材料的磨损率与添加椰纤维摩擦材料相比变化较大，也更不平稳，其中Y6摩擦材料的磨损率与其他6个摩擦材料相比较为平缓。

图5磨损率随温度变化曲线图

2.2模糊综合评价方法

具有优良性能的摩擦材料必须具有相对稳定的摩擦因数和较低的磨损率，因此本文运用模糊综合评价法来评价椰纤维增强摩擦材料的摩擦因数和磨损率[5，6]。

2.2.1对于摩擦稳定性能的评价

摩擦材料升温过程中的摩擦系数为μf，降温过程中的摩擦系数为μr，μf与μr差值的绝对值越小越好。将μf-μr进行归一化处理以便更好的比较。定义Qi为摩擦系数权重，代表着摩擦系数离较好摩擦系数值的远近程度。取各个温度下的模糊综合评价平均值。按照得到的平均值Δμ来断定摩擦系数稳定性能。摩擦稳定性评价值通过公式（1）和（2）所得。得出Δμ值越大，试样的摩擦稳定性越好，反之说明性能较差。

2.2.2对于耐磨性能的评价

在不同温度下各试样应采用统一标准进行对比，令V来表示各配方试样的磨损率。即各温度下磨损率与国家标准GB5763-2008允许各个温度下最大磨损率值之比的和的平均值来表示，见公式为式（3）。其中V值越小，则该配方的摩擦磨损性能越好。最后，将V进行归一化处理，当V为最小值Vmin时，V等于1；当V为最大值Vmax时，V等于0当V在最大值与最小值之间时，V值则处于[0，1]之间。计算公式为式（4）。

Δμ=∑5i=1Qi×（μf-μrmax-μf-μri）（μf-μrmax-μf-μrmin）+Q6n（1）

Q=1.00，μ∈[0.35，0.45]

0.75，μ∈[0.30，0.35）∪（0.45，0.50]

0.50，μ∈[0.25，0.30）∪（0.50，0.55]

0.25，μ∈[0.20，0.25）∪（0.55，0.60]

0.00，μ∈[0.00，0.20）∪（0.6，X]（2）

V=∑6j=1（V（T）/S（T））n（3）

V=1-V-VminVmax-Vmin（4）

式中，Δμ为试样的摩擦稳定性；V为试样的磨损率；Qi为试样在某温度下μf与μr对应的权重，Qi按式（2）计算得出；i为100℃、150℃、200℃、250℃和300℃；Q6为350℃时μf的权重；n为温度数量6；V（T）代表当温度为T时的磨损率；S（T）代表国家标准GB5763-2008所规定温度T时试样的最大磨损率。为了对椰纤维摩擦材料配方的摩擦性能（摩擦系数和磨损率）进行综合评价。设F为评价各配方的综合摩擦性能指标，1为试样整体摩擦性能，0.7为试样摩擦系数的影响因数（因为摩擦系数为摩擦磨损性能的主要因素），0.3为试样磨损率的影响因数。按式（5）计算综合摩擦磨损性能评价值F。F值越大摩擦磨损性能越好。

F=0.7μ+0.3V（5）

2.3椰纤维增强摩擦材料的模糊综合评价结果分析

由以上公式计算得到椰纤维摩擦材料的摩擦性能评价如下所示：表1试验计算结果表

无Y1Y2Y3Y4Y5Y6μ0.770.570.660.740.540.790.74V00.8710.870.870.840.93F0.5390.660.7620.7790.6390.8050.797

通过对试验结果进行分析可见，加捻椰纤维（含量6%）增强摩擦材料（即配方Y6）的摩擦磨损性能较好。

3结论

3.1通过对椰纤维增强摩擦材料升温降温过程中摩擦因数的变化分析，说明加入一定椰纤维对于摩擦因数有影响并能提高摩擦因数的稳定性。

3.2通过模糊综合评价法综合评价Y1到Y7，最终得到结论Y6号配方综合摩擦磨损性能最好，说明Y6号有较好的摩擦因数稳定性及恢复性，较低的磨损率，并且在实验过程中未出现噪声及膨胀现象。

参考文献

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