酚醛樹(shù)脂基摩擦材料高溫性能的研究進(jìn)展

工程塑料應(yīng) 2009年,第37卷,第5酚醛樹(shù)脂基摩擦材料高溫摩擦性能的研究進(jìn)展余大剛林有希(福州大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院,福 分別從有機(jī)無(wú)機(jī)(PF)基摩擦材料高溫摩擦性能的研究進(jìn)展。在這些改性方法中,由于改性劑與PF分子之間能形成化學(xué)鍵氫鍵或范德華力,或直接將PF中易高溫分解的酚羥基反應(yīng)而生成耐熱性較強(qiáng)的化學(xué)鍵,加上改性劑的補(bǔ)強(qiáng)作用,使得PF基摩擦材料的高溫摩擦性能得到顯著提高。酚醛樹(shù)脂摩擦材料高溫摩擦性能酚醛樹(shù)脂(PF)一直是汽車等行業(yè)摩擦材料的首選,然而在高況下PF中的酚羥基很容易被氧化,從而導(dǎo)致摩料。純PF250,所以普通PF一般只能在250以下才能正常使用,超過(guò)30時(shí)熱分解就很嚴(yán)重。隨著車輛的高速重載化,摩擦制動(dòng)發(fā)熱使得材料的工作溫度也越來(lái)越高,如在高速行駛條件下制動(dòng)時(shí),盤(pán)式制動(dòng)器襯片的表面溫度可達(dá)00以上,因此改善F的高溫摩擦性能也是當(dāng)前摩擦材料領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。結(jié)合PF的自身結(jié)構(gòu)和熱分解特點(diǎn),研究者通過(guò)有PF基摩擦材料的高溫摩擦性能,進(jìn)一步拓寬PF基摩擦材料的應(yīng)用范圍,筆者現(xiàn)就這方面的研究進(jìn)展作一綜述。有機(jī)物的加入可能會(huì)增加材料內(nèi)部的物理或化學(xué)交聯(lián)形成織網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),從而改善摩擦材料的高溫摩擦性能。桐油的共扼雙鍵可在酸的催化下與PF上的氫反應(yīng),使生成的桐油改性PF性能。等[1用桐油改性PF為基體制作的剎車片的主要性能均符合國(guó)家指標(biāo),0以上的高溫磨損率遠(yuǎn)低于要求。李超等[2用桐油改性F制成的無(wú)石棉制動(dòng)帶的高溫摩擦性能較參考樣有顯著提高,且摩擦系數(shù)恢復(fù)性能良好,在00~0下其摩擦系數(shù)為.45~.5,在200~300下摩擦系數(shù)仍可保持在0.40以上腰果殼油內(nèi)含有的酚羥基可以與反應(yīng),分子側(cè)基上的柔性脂肪烴基對(duì)PF分子有內(nèi)增塑作用,從而改善PF基摩擦材料的脆性,且改性后的PF在摩擦過(guò)程中還能產(chǎn)生一種可改善其熱性能、降低磨耗的不易脫落的碳化膜[3。K.Y.Cheol等[4也驗(yàn)證了這一結(jié)論,并進(jìn)一步腰果殼油含量較低時(shí)對(duì)其抗熱性有利,含量較高時(shí)會(huì)使熱性。有關(guān)[5還Kevlar漿粕可顯著提高PF摩擦

料的耐磨性,降低其摩擦系數(shù),且Kevlar漿粕的加入可以大硼鉬無(wú)機(jī)化合物是一種擁有優(yōu)良耐熱性能和摩擦性能的材料,硼鉬的存在可以使F在高溫下易氧化分解的化學(xué)鍵形成耐高溫的化學(xué)鍵或與摩擦材料中的其它成分產(chǎn)生協(xié)同作用,進(jìn)而提高摩擦材料的高溫摩擦性能。硼鉬及其酸化物可以與PF基反應(yīng),或直接先與苯酚或反應(yīng)再聚合,從而形成耐熱性較強(qiáng)的BOMoO鍵,提高PF摩擦材料的高溫性能。邱軍等[7證明硼改性PF中,硼含量的增加可以提高PF的熱穩(wěn)定性。而經(jīng)過(guò)鉬改性PF作基體的摩擦材料也具有高溫摩擦系數(shù)穩(wěn)定、熱恢復(fù)性能好等優(yōu)點(diǎn),在300下摩擦系數(shù)仍能保持在0.50~0.51,其熱分解溫度高達(dá)500以上[89氮化硼也有類似效果,YiGewen等[10的研究結(jié)果顯示,六方氮化硼(hBN)的填充體積在10%時(shí)可以極大地提高PF基摩擦材料的耐磨性能,且摩擦系數(shù)一直穩(wěn)定在0.43~大改善由鋼纖維增強(qiáng)的 PF基摩擦材料高速下摩擦系數(shù)的穩(wěn)定性。而加入芳族聚酸胺漿粕的PF摩擦材料的摩擦系數(shù)穩(wěn)定性也明顯提高,但芳族聚酸胺漿粕的加入會(huì)使摩擦材料的耐磨性降低[6。

0.47,在高于125時(shí)耐磨性能較好。這種結(jié)果可能與其在摩hBN的體積分?jǐn)?shù)為12%時(shí)摩擦材料在空氣中310以上才開(kāi)始熱分解,摩擦系數(shù)在250內(nèi)仍保持在0.4~0.5,1.105mm3Nm11晶須因強(qiáng)度高、耐高溫、物理化學(xué)性能穩(wěn)定在塑料、金共同使用具有協(xié)同效應(yīng),可形成穩(wěn)定轉(zhuǎn)移膜,提高摩擦面的平整度[12等,從而提高材料的摩擦性能。等[13在對(duì)比研究碳酸鈣晶須、針狀硅灰石和鈦酸鉀晶須改性的PF基摩擦材料時(shí)發(fā)現(xiàn),填充鈦酸鉀晶須的摩擦材料在0~350和恢復(fù)過(guò)程中,摩擦系數(shù)僅在0.29~0.35范圍內(nèi)變化,且偏差和率最小,分別為0.04和10%。而碳酸鈣晶須和針狀硅灰石填充的摩擦材料,在250以上時(shí)摩擦系數(shù)均存在明顯的熱現(xiàn)象,率分別高達(dá)36%*(2008J052),福建省教育廳科技項(xiàng)目(JA070)收稿日期200902余大剛,等:酚醛樹(shù)脂基摩擦材料高溫摩擦性能的研究進(jìn) 51%摩擦系數(shù)的衰退偏差分別是0.11和0.34。含鈦酸鉀晶須的PF基摩擦材料的磨損率在試驗(yàn)范圍內(nèi)變化也很平穩(wěn),在高溫段無(wú)上升趨勢(shì),且一直保持在1105~2105/(Nm)以內(nèi),遠(yuǎn)低于含碳酸鈣晶須和含針狀硅灰石材料的磨損率。另外石墨和Sb2S3能提高摩擦材料的摩擦學(xué)性能和抗衰退性能,但MoS2的耐磨性能下降14。納米材料的尺寸小、比表面積大、有很強(qiáng)的活性,可以和PF形成范德華力或化學(xué)鍵,從而提高摩擦材料的耐熱性和蒙脫土是一種天然的由納米厚度的硅酸鹽片層構(gòu)成的粘土?？蓪⒑铣蒔F的單體分散、插層進(jìn)入層狀硅酸鹽片層中,然后原位聚合,利用聚合時(shí)放出的大量熱量,克服硅酸鹽片層間的庫(kù)侖力,使其剝離,從而使硅酸鹽片層與聚合物基體以納米尺度相復(fù)合。有研究[5表明在插層過(guò)程中蒙脫土與PF中的氧可發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成較強(qiáng)的化學(xué)鍵聯(lián)接,P中酚羥基中的氫和蒙脫土表面的氧也可形成鍵能較強(qiáng)的氫鍵,PF分子與硅酸鹽片層還可以形成范德華力,因此用蒙脫土改性PF的摩擦材料的耐高溫和沖擊性能顯著提高,可滿足高速重載汽車和列車剎車材料的要求。16在研究中發(fā)現(xiàn)PF的耐熱性有較大的提高,其摩擦材料的抗熱衰減性能和抗磨損性也較未增強(qiáng)PF摩擦材料強(qiáng)。用納米坡縷石增強(qiáng)PF為結(jié)合劑的制動(dòng)帶(P/TPF)的熱溫度為280左右,而用無(wú)坡縷石的PF為結(jié)合劑的制動(dòng)帶TPF的熱衰退溫度為230;P/TPF試樣在各溫度點(diǎn)的摩擦系數(shù)均高于TPF,磨損率也比TPF低。發(fā)等[17采用物理方法在高壓下了PF/累托石(REC)納米復(fù)合材料,與純PF用差熱分析方法對(duì)比時(shí)發(fā)現(xiàn),15.4%,純PF454.4,PFREC納米復(fù)合材料的溫度是497.8,比PF43418采用原位聚合結(jié)合共混工藝,分散短棒狀介孔MCM41粉末作為填充劑,出具有極好耐熱PFMCM41納米復(fù)合材料其熱分解溫度比純PF可提高近100。林榮會(huì)1920則發(fā)現(xiàn)與純PF基摩擦材料相比,納米銅改性PF基摩擦材料的耐熱性有較大提高,其初始分解溫度和半分解溫度可分別提高31和46,其摩擦學(xué)性能有明顯改善,熱率和磨損率可分別降低約1223。他們還進(jìn)一步從摩擦系數(shù)的穩(wěn)定性和磨損率兩方面比較了純PF

兩種或兩種以上物質(zhì)的復(fù)合改性則可以從多方面改善摩擦材料的性能,有時(shí)還因?yàn)楦鞲男圆牧祥g的協(xié)同作用賦予摩擦材料新的或更優(yōu)異的綜合性能。4.1有機(jī)纖維增強(qiáng)往往能提高PF摩擦材料的力學(xué)性能及摩擦性能穩(wěn)定性,是摩擦材料改性研究的一大趨勢(shì),然而一般有機(jī)纖維的耐熱性不高,很容易在高溫下炭化反而影響摩擦材料的耐熱性能和摩擦性能,因此很多學(xué)者在用纖維增強(qiáng)時(shí),會(huì)先對(duì)增強(qiáng)纖維進(jìn)行相應(yīng)處理,以提高纖維增強(qiáng)摩擦材料的耐熱性能。才紅等[21對(duì)經(jīng)過(guò)和過(guò)堿處理的劍麻纖維增強(qiáng)F復(fù)合材料性能進(jìn)行對(duì)比研究時(shí)發(fā)現(xiàn),經(jīng)過(guò)堿處理的劍麻纖維增強(qiáng)F復(fù)合材料的體積磨損量是堿處理時(shí)的3%,經(jīng)過(guò)和堿處理劍麻纖維增強(qiáng)PF復(fù)合材料的初始分解溫度和失重率分別為76,.5%和20,.%。等[22研究表明先后經(jīng)過(guò)堿、硅烷偶聯(lián)劑和阻燃劑處理后的劍麻纖維制成的摩擦材料,其摩擦磨損性能均有大幅度改善,摩擦系數(shù)增加,穩(wěn)定性增強(qiáng),磨損量下降。經(jīng)Kvar49增強(qiáng)的聚乙烯(PE)改性PF基摩擦材料的耐磨性能較未增強(qiáng)的PE改性PF基摩擦材料也有顯著提高,也優(yōu)于由EE改性F基摩擦材料[3。而經(jīng)過(guò)等離子處理的Kevar纖維增強(qiáng)PF復(fù)合材料的摩擦性能會(huì)比處理時(shí)更優(yōu)越。張力等24則發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)復(fù)合礦物纖維(FKF)改性的無(wú)機(jī)納米增強(qiáng)PF基摩擦材料的摩擦系數(shù)適宜且穩(wěn)定,受溫度變化的波動(dòng)較小,保持在0.35~0.45,耐磨性能、耐沖擊粉、硅樹(shù)脂等的剎車片具有優(yōu)良的高溫性能,可在350使用,在400高溫下的熱失重率仍不到20%,且在~55N0.37~0.434.2SiOTiOCaCO可明顯改善碳纖維增強(qiáng)的PF 摩擦材料和納米銅改性F基摩擦材料的摩擦性能,發(fā)現(xiàn)納米銅改性PF可顯著改善材料的摩擦磨損性能,尤其是摩擦熱穩(wěn)定性和高溫耐磨性,得出單從摩擦磨損性能角度考慮改性樹(shù)脂在摩擦材料中的較佳體積分?jǐn)?shù)為%。單一物質(zhì)往往只是對(duì)摩擦材料某一方面性能的改善 22摩擦材料的摩擦性能,其中納米CaCO3主要提高摩擦材料的耐磨性,而納米SiO則是提高其減摩性能26。SuFenghua等[27經(jīng)納米TiO、納米ZnO增強(qiáng)的PF/玻璃混雜纖維制成的PF基摩擦材料的耐磨性均明顯高于納米TiO2、ZnO增強(qiáng)的PF/玻璃混雜纖維制成的PF基摩擦材料。22SongHaojie等[28已證實(shí)少量的納米TiO或經(jīng)三氟酸 物處理的納米TiO2均能提高PF基摩擦材料的減摩耐磨性能但經(jīng)三氟酸化物處理的納米TiO2的效果較前者好得多,且在720N以內(nèi)的負(fù)載下,經(jīng)三氟酸化物處理的納米TiO2PF基摩擦材料具有穩(wěn)定且較低的磨損率,而普通納米TiO2改性的PF基摩擦材料的磨損率隨負(fù)載的增加明周元康等[29通過(guò)對(duì)硼酸桐油雙改性PF(BTPF)、 PFNTPFPFTPF 工程塑料應(yīng) 2009年,第37卷,第5發(fā)現(xiàn),BTPFNTPF耐熱性較強(qiáng),而NTPF在高溫階段又稍高于BTPF,兩種材料制成的樹(shù)脂制動(dòng)帶在275的摩擦溫度通過(guò)無(wú)機(jī)或有機(jī)改 PF分子中在高溫下易分解的酚

[ 邱軍,等同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)自然科學(xué)版,2007,35(3) [8]歐陽(yáng)兆輝,等化工進(jìn)展,2005,24(8) [9]工程塑料應(yīng)用,2002,30(9) [0]YGewen,ealWear,2007,262 2) ]易戈文,等摩擦學(xué)學(xué)報(bào),2006,26(), 基形成耐熱性能更高的化學(xué)鍵,或PF分子與改性劑分子之間形成鍵力較強(qiáng)的化學(xué)鍵或氫鍵,以及改性劑自身的補(bǔ)強(qiáng)作用等,可使PF基摩擦材料的耐熱性能大大提高;納米粒子的獨(dú)特性能也使經(jīng)過(guò)納米改性的PF基摩擦材料獲得更優(yōu)異的性能;復(fù)合改性能根據(jù)材料的需要,結(jié)合自身的優(yōu)缺點(diǎn),通過(guò)合理設(shè)計(jì)使各種材料的協(xié)同作用充分發(fā)揮,從而賦予PF基摩擦材料更加優(yōu)良的綜合性能。通過(guò)上述改性可克服普通PF的缺陷,得到在高溫下具有優(yōu)良摩擦性能的PF基摩擦材[],等工程塑料應(yīng)用,2005,35(7)33[2]李超,等工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2006,35( [3]黃伣麗,等化學(xué)與粘合,2005,27(4) [4]CheolKY,ealWear,2008,2642042[5]GopalP,ealEnhanceenoFrconandWearPerorance,996,93(2)99 [6]SeongJK,ealTrbologyInernaonal,2000,33(7)

[ S,ealWea,r200,250 [3],等潤(rùn)滑與密封,2007,32( [4]HyungCM,ealWear,2006,260(78)855[5],等科技信息,2000,224[6],等非金屬礦,2008,3() [7]發(fā),等高壓物理學(xué)報(bào),2008,22()57[8]李明天,等材料研究學(xué)報(bào),2006,203)343[9]林榮會(huì),等復(fù)合材料學(xué)報(bào),2004,2( [20]林榮會(huì),等非金礦,2007,30(4) [2]才紅,等工程塑料用,2004,32(3) [22],等材料科學(xué)與工程報(bào),2006,24(5) [23]VshwanahB,ealWear,993,67(2) [24]張力,等材料,2007,2( [25]GangulyA,ealMaerSc,2008,3() [ SuFengHua,ealWear,2008,264(78) [ SuFenghua,ealWear,2008,265(34) 3[28]SongHaoJe,ealTrbologyInernaona,l2008,4( [29]周元康,等潤(rùn)滑與密封,2006,8 RESEARCHPROGRESSINFRICTIONALPROPERTIESATHIGH-TEMPERATUREOFFRICTIONMATERIALSBASEDONPHENOLICRESINYuDagang,LinYouxi,Gao(CollegeoMechancalEngneerngandAuoaon,FuzhouUnversy,Fuzhou350002,ChABSTRACTThefrictionalpropertiesathightemperatureoffrictionmaterialsbasedonorganicmodified,inorganicmodified,nanomaterialmodifie