關(guān)鍵詞：摩擦材料原料，特種纖維，碳纖維予氧絲， 摩擦磨損
提要：用多種特種纖維代替石棉，研制無石棉摩擦材料。對于摩擦材料的安全性，舒適性和耐磨性，有著十分重要的作用，本文作者通過十多年的努力，研究和開發(fā)了多種特種纖維，用于無石棉摩擦材料，取得了較好的效果。

概況：

由于石棉的危害眾所周知，近二十年來，尋找石棉代用品為世人關(guān)注，特別在汽車摩擦材料中，隨著汽車工業(yè)和城市化的迅速發(fā)展，石棉粉塵對環(huán)境的污染令人擔(dān)憂。由于作為石棉代用品的一些主體纖維，例如，鋼纖維，玻璃纖維，硅灰石纖維等，都有一些不可克服的缺陷，需要一些其他纖維或材料來彌補。華東特種纖維制造有限公司多年來為開發(fā)特種纖維代替石棉，開發(fā)了目前歐美等發(fā)達(dá)國家比較通用的多種纖維。如碳纖維予氧絲，纖維素纖維，巖石棉等用于摩擦材料。代替了進口。取得了良好的社會效益。表1是幾種代用纖維的概況。

表1：無石棉纖維的一般概況

纖維名稱	外觀	密度	在摩擦材料中作用	價格
碳纖維予氧絲	黑色短纖維	1.35	提高耐磨性和摩擦穩(wěn)定性降低噪音	60-80
纖維素纖維	白色短纖維	1.4	改善混料工藝，摩擦性能和噪音[1]	7-10
粘膠纖維	黑色或灰色短纖維	1.4	精制纖維素，性能優(yōu)于纖維素纖維	7-10
涂膠巖石棉	灰黃或紫色短纖維	2.7	改善摩擦磨損性能，降低噪音[2]	4-6
涂膠硅酸鋁纖維	灰色微球狀短纖維	2.8	改善摩擦性能用于鼓式剎車片	6-10
麻纖維	灰黃色短纖維	1.4	增強，降低噪音。	6-8
黃銅纖維	黃色短纖維	8.2	摩擦磨損性能，導(dǎo)熱性	15-20
紫銅纖維	紫色短纖維	8.9	摩擦磨損性能，導(dǎo)熱性	28-32
鋼纖維	灰黑色短纖維	7.8	增強，導(dǎo)熱性	4.8-6
芳倫纖維	黃色纖維漿粕	1.45	增強，耐磨性，噪音	200-300

2：試驗的基本配方：

將有關(guān)特種纖維制造盤式剎車片，其基本配方如下：
碳纖維予氧絲 3-6%
纖維素纖維或黏膠纖維 2-5%
巖石棉 3-10%
銅纖維 3-15%
鋼纖維 10-20%
黏合劑 5-15%
硫化物 5-20%
高碳材料 10-30%
用于城市公共汽車的鼓式剎車片，基本配方見圖1

3：試驗方法和試驗結(jié)果：

除按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB 5763 –1998進行摩擦磨損試驗外，盤式剎車片按照德國大眾VW TL-110進行了臺架試驗。盤式剎車片的試驗結(jié)果見圖2，城市公共汽車的試驗結(jié)果見圖3

4：試驗結(jié)果討論：

4.1關(guān)于盤式剎車片：

目前歐洲，美國的盤式剎車片向著無石棉，鋼纖維含量比較少或沒有，有機黏合劑比較少的陶瓷型方向發(fā)展。而且要求比較高的氣孔率和比較高的制動效能從表3 可見，國外剎車塊的氣孔率一般在10%以上。幾個大公司的盤式剎車片雖然在定速摩擦系數(shù)試驗機試驗?zāi)Σ料禂?shù)比較低，但是在臺架試驗上多比較高，一般在0.38以上。如美國BENDEX剎車片，在定速試驗機上摩擦系數(shù)0.24，CHASE SAE J661a 的試驗的摩擦系數(shù)編碼為EE，在臺架試驗中，其摩擦系數(shù)為0.4-0.45，而在大轉(zhuǎn)動慣量的試驗中，在衰退恢復(fù)和效能試驗時都達(dá)到0.6以上。說明定速試驗機的試驗和臺架試驗的摩擦性能根本就沒有可比性。要在臺架試驗上有比較高和穩(wěn)定的摩擦系數(shù)，同時又要比較耐磨和噪音比較小。特種纖維在配方中的作用就特別重要。關(guān)于特種纖維的摩擦磨損的基礎(chǔ)試驗在以前的文章中已經(jīng)有比較詳細(xì)的論述[3]。在盤式剎車片的壓制中，混合料的成分，工藝狀態(tài)和壓制工藝的多種作用使材料有比較好的性能，如足夠的強度，氣孔率，合適的硬度。表面粗糙度。碳纖維予氧絲，纖維素纖維，黏膠纖維，麻纖維等有機纖維由于價格比較低和對改善混合料的工藝也有比較好的作用。特別是粘膠纖維耐溫性接近300度在此溫度下直接炭化，對調(diào)整材料的摩擦性能和氣孔率，防止有些材料的玻璃化都有比較好的作用。涂膠的巖石棉等由于其已經(jīng)充分粉碎易于分散，比較低的熔點能起到一定的高溫?zé)o機黏合劑作用，比較好的摩擦性能，因此，在歐美的摩擦材料制造商也非常重視。雖然象銅粉，銅纖維在摩擦材料中也廣泛使用，但因為其比重大，例如紫銅纖維，其單位體積的價格接近芳倫而超過碳纖維予氧絲。（國外碳纖維予氧絲和芳倫的價格接近）。有些公司認(rèn)為，碳纖維予氧絲的作用無法用其他纖維取代。從試驗結(jié)果看，加有多種特種纖維的摩擦材料，有比較低的比重，比較高而穩(wěn)定的摩擦系數(shù)，氣孔率，耐磨性接近或優(yōu)于國外的盤式剎車片。用于實際裝車試驗，同樣也顯示出很很好的性能和使用壽命。

表2：含有特種纖維的盤式剎車片與國外OE件的外觀和定速試驗機的摩擦磨損比較

樣品名稱	外觀和成分評估	平均摩擦系數(shù)	體積磨損率	線性磨損mm	體積磨損%	總重量磨損克	重量磨損%
USBXFF 1156E	表面特別粗糙，疏松，氣孔率高，表面刺手.	0.24	0.25	0.17	3.4%	0.53	3.20%
USPATENT TQ104	無鋼纖維，細(xì)黃銅末多，石墨較多，磁鐵不吸	0.32	0.16	0.13	2.6%	0.48	3.40%
TEXTAR 429 GF	表面比較疏松，側(cè)面細(xì)微裂紋多.銅含量高	0.34	0.37	0.38	7.6%	1.12	7.4%
US ABEX6044	鋼纖維含量較高，定速樣品試驗后側(cè)表面發(fā)蘭.	0.26	0.15	0.09	1.8%	0.32	1.90%
JURID 526FF	含有鋼纖維，銅末	0.32	0.24	0.23	4.6%	0.9	5.6%
US KH5066 FF	玻纖含量高，無鋼纖維，臺架試驗后表面有裂紋。	0.36	0.31	0.3	6.0%	0.85	6.40%
US BPI-0508FF	陶瓷型，鋼纖維或鐵粉含量很少，紫銅纖維含量較高	0.33	0.19	0.17	3.8%	0.62	4.20%
日本NKP-3GG	銀灰蛭石，粗銅末含量高，不含被磁鐵吸的金屬	0.32	0.22	0.18	3.6%	0.6	4.30%
國產(chǎn)雅閣	鋼纖維，銅纖維，碳纖維，特種纖維等	0.36	0.17	0.21	4.2%	0.46	3.50%
國產(chǎn)奧迪	鋼纖維，銅纖維，碳纖維，特種纖維等	0.33	0.2	0.17	3.4%	0.53	4.20%

注：體積磨損率單位10-7cm3/Nm為各溫度的平均值，線性磨損和重量磨損為每次試驗的總和.
表3盤式剎車片物理性能和臺架試驗（TL-110）結(jié)果比較

樣品名稱	密度	氣孔率%	μm1	μm2	μmax	μmin	PW
USBXFF 1156E	3.4	19.6	0.4	0.45	0.5	0.29	11
US PATENT TQ104	2.4	11.8	0.25	0.34	0.51	0.22	5.8
ABEX6044	2.7	9.6	0.32	0.44	0.54	0.24	16.2
BPI-0508FF 09PO	2.5	17.2	0.29	0.38	0.42	0.25	7.3
KH5066 FF	2.2	12.9	0.3	0.34	0.4	0.19	7.3
日本NKP-3GG	2.3	18.1	0.38	0.42	0.46	0.23	10.2
國產(chǎn)雅閣	2.2	15.6	0.43	0.43	0.52	0.32	5.3
TEXTAR 429GF*	2.8	18	0.42	0.42	0.52	0.32	15.4
JURID 526FF*	2.6	12	0.35	0.37	0.48	0.29	17
國產(chǎn)奧迪*	2.1	17.5	0.4	0.43	0.53	0.29	6.4
μm1第一次循環(huán)試驗的平均摩擦系數(shù)  μm2第二次循環(huán)試驗的平均摩擦系數(shù)（摩擦系數(shù)為80Km/h，6Mpa各次制動的平均值）
μmax試驗全過程最大摩擦系數(shù)  μmin試驗全過程最小摩擦系數(shù)
PW：全試驗過程盤式剎車片的總重量磨損（克）星號為用奧迪制動鉗，其他用雅閣制動鉗。

4.2；關(guān)于鼓式剎車片：

鼓式剎車片由于原料的用量比較大，因此對于原材料的成本要求就希望更低一些。由于城市公共汽車對摩擦材料的安全性，舒適性，和耐磨性要求都比較高。城市交通繁忙，制動頻繁，要求噪音比較小，又要粉塵少。從定速摩擦磨損試驗的結(jié)果看。國產(chǎn)的含有多種特種纖維的鼓式剎車片顯示了比較好的摩擦磨損性能。摩擦性能穩(wěn)定，熱衰退小。耐磨性好。與國外幾個著名公司的無石棉鼓式剎車片比較，其性能比較接近或超過。性能優(yōu)于國內(nèi)的石棉片的原裝件。類似的配方在臺架試驗和公共汽車的裝車試驗都有比較好的結(jié)果，在制動比較多的交通地段的東風(fēng)153型的公共汽車剎車片每一萬公里磨損1毫米多一些。此類剎車片一般由于配方體系不同與常規(guī)的石棉和鋼纖維含量比較多的配方，一般比重比較低1.7-2.，由于鋼纖維比較少或不含鋼纖維，特殊的配方體系使制動噪音也比較小。在此類配方中，特種纖維同樣起到十分重要的作用。如碳纖維予氧絲，粘膠纖維，涂膠硅酸鋁，巖石棉纖維等。

4.3關(guān)于碳纖維予氧絲：

碳纖維予氧絲比較柔軟，而且無任何毒性和污染，而玻璃纖維，硅灰石纖維，碳纖維等都比較硬，與皮膚接觸有時發(fā)癢，有些國家盤式剎車片不允許有玻璃纖維。而碳纖維予氧絲以其特有的優(yōu)點避免了前三種纖維的缺點，與粘膠纖維相比，雖然黏膠纖維，纖維素纖維也是沒有污染的綠色原料，但是，粘膠纖維比較容易高溫炭化，因此碳纖維予氧絲更耐磨。由于碳纖維予氧絲主要成分為碳，目前，高碳型摩擦材料是現(xiàn)代摩擦材料的發(fā)展方向。由于碳纖維予氧絲是化工產(chǎn)品，不同于天然石墨，人造石墨，和焦碳，后者由于本身或加工過程混進了雜質(zhì)，使材料的摩擦磨損性能不穩(wěn)定。例如，含有氧化硅，碳化硅，以及硬礦物粒子的粗顆粒。影響摩擦系數(shù)，磨損和對偶的磨損。特別是在高比壓和高溫的時候。而碳纖維予氧絲中無此類雜質(zhì)。雖然，芳倫作為代用纖維的確十分優(yōu)良，但是由于其價格比較高，有很多工廠都有一些用不起。如，碳纖維予氧絲，耐溫性為500度左右。賦予材料很好的耐磨性。碳纖維予氧絲化學(xué)性能穩(wěn)定。對降低噪音和提高材料的摩擦穩(wěn)定性均有較好的作用，而價格僅為芳倫的三分之一，目前，沒有一種纖維能完全取代石棉，因此多種纖維的復(fù)合是必然趨勢。多種特種纖維的開發(fā)成功，使制造高質(zhì)量低成本的無石棉摩擦材料變?yōu)榭赡?，以彌補如鋼纖維，玻璃纖維，硅灰石的某些方面的性能不足，如玻璃纖維，雖然強度比較高，但混料工藝性能比較差，高溫耐磨性不好，與黏合劑結(jié)合不好，對對偶磨損大，由于材料表面容易玻璃化，產(chǎn)生制動噪音年。鋼纖維容易生銹，剎車片如果摩擦系數(shù)比較高，很容易損傷對偶，有時制動效能不好，和產(chǎn)生噪音。硅灰石雖然摩擦性能比較好，但需要表面處理，同時磨損有時也比較大一些。

4．4關(guān)于特種纖維的工作機理：

隨著摩擦材料黏合劑用量的減少，要求摩擦材料的纖維和填料在一定的溫度下也能夠起到無機黏合劑的作用，眾所周知：摩擦材料的主要黏合劑酚醛樹脂一般在300度以上就開始分解，因此，普通的摩擦材料配方300度以上磨損是比較高的。巖石棉和銅纖維等由于其軟化溫度比較低，在一定的溫度區(qū)段可以減少摩擦材料和對偶的磨損。耐溫性比較好的硅酸鋁，石棉等無此作用。同樣，高熔點的填料也無此作用，此類材料可以作為支撐的骨架。有多種特種纖維復(fù)合的配方在臺架試驗顯示了好的摩擦性能和低的磨損，特別是在 高溫是，在定速摩擦試驗機上磨損比普通的石棉片小得多，一些盤式剎車片，由于特種纖維與無機黏合劑，潤滑劑等的復(fù)合作用，顯示了很好的耐磨性，臺架試驗機上也有類似的結(jié)果，見表2，3。，由于無機黏合劑在摩擦材料高溫制動時形成表面層的動態(tài)燒結(jié)不同與在一定氣氛和一定溫度的靜態(tài)燒結(jié)，例如：粉末冶金和陶瓷的燒結(jié)。它是有很多種不同熔點和不同溫度下起不同作用的纖維和無機物，碳的復(fù)合作用，包刮物理作用和化學(xué)反應(yīng)。以前用石棉摩擦材料，一般石棉含量25-50%，特種纖維一般用量多比較少，特種纖維的使用，可以彌補此類如鋼纖維，硅灰石，玻璃纖維等主體纖維在摩擦磨損性能方面的不足，在這里，多種纖維的復(fù)合使用十分重要，不要希望用一種纖維去解決所有的問題。對于其機理目前有關(guān)文章研究都比較少，目前，摩擦材料向少鋼纖維，少黏合劑的陶瓷型的方向發(fā)展，因此，研究此類纖維在一定溫度下的變化是比較重要的，比如，碳纖維予氧絲，銅纖維，陶瓷纖維，黏膠纖維等。其融化，炭化，在表面層的作用，對摩擦材料的衰退和恢復(fù)，制動性能，制動過程摩擦系數(shù)的穩(wěn)定性等。因此，在這方面的機理尚需進一步試驗研究。務(wù)必引起摩擦材料的開發(fā)人員的重視。

4.5：關(guān)于無石棉摩擦材料的成本：

摩擦材料的質(zhì)量與成本在摩擦材料的競爭中十分重要。特種纖維的使用，使無石棉摩擦材料有比較好的摩擦磨損性能和用較低的成本生產(chǎn)出質(zhì)量高的摩擦材料。比較低成本的無石棉盤式剎車片每公斤原材料的成本可以在4-12元，鼓式剎車片的成本可以降低到3.5-10元。這樣，可以提高 企業(yè)的競爭能力.。

5：結(jié)論：

5.1:用特種纖維制造摩擦材料，對開發(fā)摩擦材料的配方引進新的思路.
5.2:碳纖維予氧絲等特種纖維對提高摩擦材料的摩擦磨損性能，作用是明顯的。
5.3:特種纖維的使用，可以降低成本，具有較好的市場競爭能力。
5.4:對于其機理需要進一步的試驗研究。

參考文獻：

[1] 徐仁泉：纖維素纖維在無石棉摩擦材料材料在的運用。
[2] 周曉東：巖石棉在摩擦材料中的運用。
[3] 徐仁泉等：摩擦材料中石棉代用品的試驗研究 摩擦磨損1990 ，摩擦材料論文選集（1993年）

本論文發(fā)表于《摩擦密封材料》二00二年（第3期）（′2002（北京）國際摩擦與密封材料技術(shù)暨產(chǎn)品展示會論文集）