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(duì)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(duì)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(bǔ)。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(guó)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(jìn)口。取得了良好的社會(huì)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(jià)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(qiáng)，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(qiáng)，導(dǎo)熱性 | 4.8-6 |
| 芳倫纖維 | 黃色纖維漿粕 | 1.45 | 增強(qiáng)，耐磨性，噪音 | 200-300 |
2：試驗(yàn)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(yàn)方法和試驗(yàn)結(jié)果：
除按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 5763 –1998進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)外，盤式剎車片按照德國(guó)大眾VW TL-110進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)。盤式剎車片的試驗(yàn)結(jié)果見圖2，城市公共汽車的試驗(yàn)結(jié)果見圖3
4：試驗(yàn)結(jié)果討論：
4.1關(guān)于盤式剎車片：
目前歐洲，美國(guó)的盤式剎車片向著無石棉，鋼纖維含量比較少或沒有，有機(jī)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(dòng)效能從表3 可見，國(guó)外剎車塊的氣孔率一般在10%以上。幾個(gè)大公司的盤式剎車片雖然在定速摩擦系數(shù)試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)?zāi)Σ料禂?shù)比較低，但是在臺(tái)架試驗(yàn)上多比較高，一般在0.38以上。如美國(guó)BENDEX剎車片，在定速試驗(yàn)機(jī)上摩擦系數(shù)0.24，CHASE SAE J661a 的試驗(yàn)的摩擦系數(shù)編碼為EE，在臺(tái)架試驗(yàn)中，其摩擦系數(shù)為0.4-0.45，而在大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的試驗(yàn)中，在衰退恢復(fù)和效能試驗(yàn)時(shí)都達(dá)到0.6以上。說明定速試驗(yàn)機(jī)的試驗(yàn)和臺(tái)架試驗(yàn)的摩擦性能根本就沒有可比性。要在臺(tái)架試驗(yàn)上有比較高和穩(wěn)定的摩擦系數(shù)，同時(shí)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(yàn)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(qiáng)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(jī)纖維由于價(jià)格比較低和對(duì)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(duì)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(diǎn)能起到一定的高溫?zé)o機(jī)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?yàn)槠浔戎卮?，例如紫銅纖維，其單位體積的價(jià)格接近芳倫而超過碳纖維予氧絲。（國(guó)外碳纖維予氧絲和芳倫的價(jià)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(yàn)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(guó)外的盤式剎車片。用于實(shí)際裝車試驗(yàn)，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(guó)外OE件的外觀和定速試驗(yàn)機(jī)的摩擦磨損比較
| 樣品名稱 | 外觀和成分評(píng)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(yàn)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(tái)架試驗(yàn)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(guó)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(guó)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(yàn)的總和.
表3盤式剎車片物理性能和臺(tái)架試驗(yàn)（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(guó)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(guó)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(yàn)的平均摩擦系數(shù) μm2第二次循環(huán)試驗(yàn)的平均摩擦系數(shù)（摩擦系數(shù)為80Km/h，6Mpa各次制動(dòng)的平均值） | |||||||
| μmax試驗(yàn)全過程最大摩擦系數(shù) μmin試驗(yàn)全過程最小摩擦系數(shù) | |||||||
| PW：全試驗(yàn)過程盤式剎車片的總重量磨損（克）星號(hào)為用奧迪制動(dòng)鉗，其他用雅閣制動(dòng)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(duì)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(duì)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(dòng)頻繁，要求噪音比較小，又要粉塵少。從定速摩擦磨損試驗(yàn)的結(jié)果看。國(guó)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(guó)外幾個(gè)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(guó)內(nèi)的石棉片的原裝件。類似的配方在臺(tái)架試驗(yàn)和公共汽車的裝車試驗(yàn)都有比較好的結(jié)果，在制動(dòng)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(dòng)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(shí)發(fā)癢，有些國(guó)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(diǎn)避免了前三種纖維的缺點(diǎn)，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(jìn)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(duì)偶的磨損。特別是在高比壓和高溫的時(shí)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(jià)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(duì)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(jià)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(shì)。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)榭赡埽詮浹a(bǔ)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(qiáng)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(duì)對(duì)偶磨損大，由于材料表面容易玻璃化，產(chǎn)生制動(dòng)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(duì)偶，有時(shí)制動(dòng)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(shí)磨損有時(shí)也比較大一些。
4．4關(guān)于特種纖維的工作機(jī)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(jī)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(duì)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(diǎn)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(tái)架試驗(yàn)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(yàn)機(jī)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(jī)黏合劑，潤(rùn)滑劑等的復(fù)合作用，顯示了很好的耐磨性，臺(tái)架試驗(yàn)機(jī)上也有類似的結(jié)果，見表2，3。，由于無機(jī)黏合劑在摩擦材料高溫制動(dòng)時(shí)形成表面層的動(dòng)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(diǎn)和不同溫度下起不同作用的纖維和無機(jī)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(bǔ)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(duì)于其機(jī)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(duì)摩擦材料的衰退和恢復(fù)，制動(dòng)性能，制動(dòng)過程摩擦系數(shù)的穩(wěn)定性等。因此，在這方面的機(jī)理尚需進(jìn)一步試驗(yàn)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(jìng)爭(zhēng)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(jìng)爭(zhēng)能力.。
5：結(jié)論：
5.1:用特種纖維制造摩擦材料，對(duì)開發(fā)摩擦材料的配方引進(jìn)新的思路.
5.2:碳纖維予氧絲等特種纖維對(duì)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。
5.4:對(duì)于其機(jī)理需要進(jìn)一步的試驗(yàn)研究。
參考文獻(xiàn)：
[1] 徐仁泉：纖維素纖維在無石棉摩擦材料材料在的運(yùn)用。
[2] 周曉東：巖石棉在摩擦材料中的運(yùn)用。
[3] 徐仁泉等：摩擦材料中石棉代用品的試驗(yàn)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(guó)際摩擦與密封材料技術(shù)暨產(chǎn)品展示會(huì)論文集）