玻璃纤维在摩擦材料应用中应关注的几个问题

摘 要：简要介绍玻璃纤维及各种增强纤维在摩擦材料中的应用情况。结合摩擦材料产品试验情况，对影响玻璃纤维性能的各种因素进行理论分析，给出了玻璃纤维在摩擦材料应用中应密切关注玻璃纤维成分、玻璃纤维浸润剂的类型及涂覆量、玻璃纤维的应用形态等问题，关注这些问题才能使玻璃纤维更好发挥其增强效果。

关键词：玻璃纤维；摩擦材料；玻璃成分；浸润剂；纤维形态

1 前言

玻璃纤维是玻璃在熔融状态下，经离心喷吹或外力拉制而成的纤维状材料。世界玻璃纤维工业化始于美国欧文斯科宁公司玻璃纤维的问世。我国玻璃纤维起步于20世纪50年代，通过几十年的发展，我国玻璃纤维工业取得了非凡成果。特别是进入21世纪后，经过不到10年时间，我国已发展为世界玻纤第一生产大国。

玻璃纤维按照玻璃成分可分为无碱、中碱、高碱、特种玻璃纤维等。目前，在摩擦密封材料的生产中，大多使用无碱和中碱玻璃纤维。

与其他纤维相比，玻璃纤维外表呈光滑圆柱状；玻璃纤维的强度不仅要比块状玻璃的强度高数10倍，而且也远远超过其它天然纤维、合成纤维等材料，是理想的增强材料；玻璃纤维因骨架中无游动的离子，可用作电绝缘材料；成分的不同，又赋予了玻璃纤维优良的耐水性、耐酸性、耐碱性；同时，玻璃纤维因其软化温度高达550～750℃，因此其耐热性能也很好。

2 摩擦材料用增强纤维

2.1 摩擦材料用增强纤维的性能要求

摩擦材料中增强纤维的作用主要是使材料具有一定强度和韧性，耐冲击、剪切、拉伸等机械作用而不至于出现裂纹、断裂、崩缺等机械损伤。因此增强纤维应满足以下性能要求：

（1）具有足够强度和模量以及较好的韧性；

（2）有良好的摩擦性能，在一定的温度范围内具有稳定的摩擦系数及适当的摩擦损耗；

（3）有较高的热分解温度，在一定温度范围内不发生热分解、脱水、相变和较高的高温分解残碳率；

（4）纤维易于分散且与基体有较好的相溶性；五是具有适当的硬度，不产生严重的噪音；六是量广、价廉、无毒性，不污染环境。

2.2 现用增强纤维的性能状况

（1）金属纤维。金属纤维是以钢纤维作为应用主体，已成功地应用于各类金属摩擦材料。钢纤维形状卷曲并带有细小毛刺，能够在摩擦表面形成均匀的网状结构。在制动过程中界面形成类似粉末冶金材料的烧结状态，具有优良的抗热衰退性。然而钢纤维也具有其无法克服的缺陷，如锈蚀问题，制动中易产生噪音问题，容易拉伤对偶问题，其次，因为钢纤维密度较大，和粘合剂的粘结效果不理想等。

（2）无机纤维。无机纤维包括玻璃纤维、岩棉、硅酸铝纤维等人造无机纤维，同时还包括针状硅灰石、海泡石等天然无机纤维。无机纤维具有优良的耐热性，在制动高温下，仍能保持稳定的结构，而不会因失去结晶水导致纤维的分解粉化。但是，无机纤维莫氏硬度较高，容易损伤对偶，同时自身的磨损也较高。另外，因无机纤维较短，容易折断，与粘合剂的粘结性较差，因此会对其增强效果有所影响。

（3）有机纤维。有机纤维包括合成纤维和天然纤维。如碳氢类合成纤维，麻纤维、木纤维、纸浆浆粕等天然纤维。合成纤维有很好的常温强度，天然纤维具有较大的比表面积，微观结构呈分叉纤毛状，纤维多为空心管状结构，因此对填料和粘合剂有良好的吸附作用。但是有机纤维耐热性较差，有的合成纤维受热会发粘、软化，天然纤维受热会分解，所以有机纤维不适合单独用做摩擦密封材料的增强纤维。

3 各种规格摩擦材料产品的研究

作为摩擦材料用的增强纤维，要长期保持其增强效果，除了与其本身的强度有关外，更与其化学稳定性有关。材料的化学稳定性即材料的耐水性、耐酸碱性。针对应用环境的酸碱性应选择相对应的增强纤维。为此我们有代表性的选择了一些摩擦材料产品对其酸碱性进行研究。

3.1 试验依据

根据《道路车辆 制动衬片 摩擦材料产品确定和质量保证》国标草案/ISO 15484：2008中6.2.3 PH值的测试方法进行测试。

3.2 试验样品

用钻头从选用摩擦材料产品中钻取粉末碎屑，作为试验样品。

3.3 试验方法

将粉末试样用甲醇或乙醇浸湿，在蒸馏水中浸泡16～24h后，用PH测定仪测定其水溶液的PH值，便为样品的PH值。

3.4 试验结果

试验结果如表1所示。

4 讨论

4.1 纤维成分对增强性能的影响

不同品种玻璃纤维因成分的不同，导致其性能也有很大差异。据资料介绍中碱玻璃纤维、无碱玻璃纤维受到碱液侵蚀强度下降很快，在80℃碱液中浸泡2天后，强度保留率不到30%。耐碱玻璃纤维在同等条件下强力保留率可达67%以上，另外其强力保留率短时间内下降较快，但是之后逐渐缓慢。从摩擦材料PH值试验结果可以看出，摩擦材料均呈碱性，因而引入的增强纤维应能够耐碱侵蚀，方能更好保持增强性能。由此可以看出耐碱玻璃纤维相对更符合摩擦材料增强要求。

4.2 纤维表面处理剂对增强性能的影响

玻璃纤维生产中，浸润剂具有如下作用：

（1）-保护作用；

（2）粘结-集束作用；

（3）防止纤维表面静电荷的积累；

（4）为玻璃纤维提供进一步加工和应用的特性；

（5）使玻璃纤维获得与基材有良好的相容性、化学吸附性能。浸润剂既能改善玻璃纤维加工性能，又起到玻纤与基体粘结的桥梁作用，同时还可提高复合材料的力学及耐老化作用等。因此在玻璃纤维的应用过程中要关注浸润剂的类型及可燃物含量指标。

4.3 纤维应用形态对增强性能的影响

玻璃纤维单纤维直径越小，其拉伸强度越大，增强效果越好。但生产难度相对较大，不易短切，而且在混料过程中容易起毛、结团，反而影响玻纤的增强效果。短切玻纤的短切长度的大小会影响到混料时间及混料的均匀性。据Broutman和Krock的研究表明只有当玻纤长/径比值超过某一临界值时，基材才能把大部分作用力传递给玻纤，因此玻纤不能太短。但是如果玻纤太长，玻纤在基体中往往是以卷曲状态存在，会形成不相连接的“球”状，在外力作用时，这个“球”就以岛状团块整体与基体脱离，形成缺陷，造成应力集中，很显然这样玻纤也就起不到增强的作用了。实践证明摩擦材料中一般选择3mm～6mm的玻纤作为增强材料最好。另外玻纤纱的应用中，也需要对其形态进行优化，如进行膨体或复合处理，使玻纤纱光滑的表面形态，结构蓬松，比表面积增大，较易捕集粘结剂和其他粉料，而且纤维的弹性也明显提高。由此看来，玻璃纤维应用中采用何种形态对材料的性能有着很大的影响。

5 结论

玻璃纤维在摩擦材料中的应用应密切关注以下几个问题，一是玻璃纤维的成分是否适合，是否能持久的保持增强作用；二是玻璃纤维表面涂覆浸润剂的类型与基体是否相适应，浸润剂的涂覆量是否满足要求。三是玻璃纤维的形态是否合适，如短切纤维的纤维直径，纤维长度，短切率和漏切率，玻纤纱表面的处理等等。

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