聚合物基摩擦材料的研究进展
摘要：任何机械设备与运动的各种车辆都必须要有制动或传动装置，而摩擦材料正是这种制动或传动装置上的关键性部件。本文详细介绍了主流摩擦材料产品（聚合物基摩擦材料）的组成：基体、增强体、摩擦性能调节剂和填料及它们改性方面的较新的研究成果，并提出聚合物基摩擦材料的未来发展趋势。
关键词：聚合物基；增强体；改性；填料；摩擦
引言
摩擦材料是一种应用在动力机械上，依靠摩擦作用来执行制动和传动功能的部件材料。摩擦材料的特点是具有良好的摩擦系数和耐磨损性能，同时具有一定的耐热性和机械强度，能满足车辆或机械的传动与制动的性能要求。目前摩擦材料呈现多元化发展，主要有：树脂基、金属基、陶瓷基和C/C复合等4大类。聚合物基摩擦材料以其结构的可设计性，优良的摩擦磨损性能，良好的工艺成为摩擦材料的主流产品[1]。
聚合物基摩擦材料是一种高分子三元复合材料，是物理与化学复合体。它是由高分子粘结剂（树脂与橡胶）、增强纤维和摩擦性能调节剂三大类组成及其它配合剂构成，经一系列生产加工而制成的制品。本文主要从聚合物基摩擦材料的组分（基体、增强剂、摩擦性能调节剂和填料）来介绍其最近的研究进展，并展望了其未来的发展。
1 基体及改性方面的研究
基体不仅可使摩擦材料的各部分有机地粘结在一起，赋予材料一定的结构强度，而且
对材料的摩擦磨损性能、特别是对材料的高温性能具有很大的影响。酚醛树脂由于具有价格低廉、耐热、耐烧蚀、阻燃、燃烧发烟少等优点，在耐热性能、力学性能、成型加工性能和低成本等方面的优势，成为聚合物基摩擦材料最常用的粘结剂。采用不同种类和不同用量的树脂会对材料的摩擦磨损性能、物理力学性能及热性能产生重要影响。现在大多数聚合物基摩擦材料采用含有40%体积分数的有机粘结剂（酚醛树脂加苯乙烯丁二烯橡胶（丁苯橡胶））与不同的酚醛树脂/丁苯橡胶配比制备而成[2]。
1.1 树脂的改性研究
酚醛树脂一直是树脂基摩擦材料的主流产品，但是普通酚醛树脂硬度高、质脆、耐热性低，无法满足树脂基摩擦材料的性能要求，因此必须进行改良。针对柔韧性和耐热性不足，通过不同途径对树脂进行改性，主要有化学改性和物理改性。李屹[3]等研究了硼-桐油改性酚醛树脂的合成工艺,对其物化性能进行了试验研究和分析。研究表明，硼-桐油改性使酚醛树脂的耐热性得到改善，其初始热分解温度达到420℃～450℃，明显优于未经改性的酚醛树脂；相应地摩擦材料的柔韧性也得到改善，同时具有良好的摩擦磨损性能，可作为摩擦材料用树脂的换代产品。林荣会[4]等采用新发明的原位生成法成功地制备了摩擦材料用纳米铜改性酚醛树脂。研究表明，纳米铜的粒径为10~40nm，呈近球形，纳米铜改性酚醛树脂的耐热性有较大提高，与纯酚醛树脂相比，其初始分解温度和半分解温度可分别提高31℃和46℃，纳米铜改性酚醛树脂基摩擦材料的韧性和摩擦学性能有明显改善，与纯酚醛树脂基摩擦材料相比，冲击强度提高44%，热衰退率和磨损率分别降低约50%和2/3。卢荣金[5]等研究甲、乙双组分液体树脂作为粘结剂制备制动摩擦材料的冷压工艺方法,甲组分树脂为硼改性腰果壳油树脂,乙组分树脂为三聚氰胺改性酚醛树脂。该工艺可使模压料在室温下具有良好的成型效果,在固化处理中不使用夹具,可以使成型料具有良好的保型效果。冷压制备的制动摩擦材料具有硬度低、摩擦系数稳定和恢复性好等特点。杜植院[6]等译有机硅树脂与酚醛树脂的共混物作为摩擦材料的黏结剂，研究表明，该共混黏结剂较纯酚醛
树脂黏结剂有更高的耐热性，材料在不同温度下的摩擦系数及磨损率等均比采用纯酚醛树脂时稳定、热衰退较小、磨损率低、冲击强度提高、硬度适中。
1.2 橡胶的改性研究
丁腈橡胶增韧酚醛树脂效果显著，但是由于丁腈橡胶长链的柔性分子，用量过大会导致摩擦材料耐热性下降，制约了聚合物基摩擦材料在车辆高速、重载等方面的应用，因此对丁腈橡胶进行改性以提高它的耐热性是非常必要的。高琳[7]等使用新型过氧化物硫化体系改性丁腈橡胶，研究表明，当硫化剂N，N’-间苯撑双马来酰亚胺(PDM)用量为4份时，丁腈橡胶500℃左右时热失重为50％，比普通硫化体系丁腈橡胶降低了30％左右，耐热性大大提高，同时摩擦磨损实验表明，此时丁腈橡胶硫化胶的摩擦磨损性能优于普通硫化体系丁腈橡胶；与粉末丁腈橡胶增韧改性的酚醛树脂基摩擦材料相比，新型过氧化物硫化体系丁腈橡胶溶液共混改性的酚醛树脂基摩擦材料，摩擦系数提高到0.46磨损量降低了0.006，稳定系数由0.76提高到0.85，物理力学性能也得到提高。黄凯兵[8]等采用BMI改性丁腈橡胶，并将其增韧的酚醛树脂应用于聚合物基摩擦材料,研究表明，溶液法改性丁腈橡胶制得的摩擦材料的摩擦磨损性能，普遍都比未改性的好，其中以8％BMI量改性的较为优良；物理力学性能如缺口冲击强度、压缩强度、硬度、密度等，无明显变化，但吸油率和吸水率明显降低；DSC—TG分析表明，溶液法改性后橡胶的耐热性能有明显改善。
2 增强体
摩擦材料中增强体的作用主要是使材料具有一定的强度和韧性，使材料在承受冲击、剪切、拉伸等机械作用下不至于出现裂纹、断裂等机械损伤。增强纤维通常采用石棉，但由于石棉致癌，国内外开展了代用纤维的研究。目前广泛使用的是金属纤维、有机纤维、玻璃纤维、碳纤维、矿物纤维及混杂纤维。
增强材料如碳纤维经常添加进聚合物材料中，提高其力学性能和热力学性能。A.C.Greco[9]等以随机定向的长编织纤维和短编织纤维增强聚醚醚酮，研究材料的摩擦磨损行为，结果表明，长编织纤维加强的聚醚醚酮在高速滑动摩擦中显示出最低的磨损率。赵世海[10]等以酚醛树脂为基体玄武岩纤维为增强备了玄武岩纤维增强树脂基摩擦材料，研究了树脂含量对其弯曲强度和摩擦磨损性能的影响。研究表明，该摩擦材料的弯曲强度随树脂含量的增加而提高，当树脂含量为35%时开始出现下降趋势；随着树脂含量的增加，摩擦材料的吸水率和磨损率呈下降趋势，当树脂含量为25%时，摩擦因数较高、磨损率和吸水率较低，合适的树脂质量分数为25%~30%。李贺军[11]等制备出几种孔隙率不同的碳纤维增强纸基摩擦材料，研究表明，短切碳纤维在树脂基体中均匀分散，相互桥接，形成了大小不一的贯穿性孔隙；随着孔隙率的增大，摩擦力矩曲线趋于平稳；动摩擦系数升高，静摩擦系数降低，磨损率增大。目前增强纤维的种类很多，但却没有一种纤维能够完全在成本、性能上取代石棉，因此国内外近年来的研究逐渐从单一纤维转向了混杂纤维。两种或两种以上的纤维进行混杂增强，不仅可以充分降低成本，还可以充分发挥每一种纤维的优点，弥补相互的缺陷，使性能更加完善，更加优异。刘震云[12]等用钢纤维、有机纤维、铜纤维、矿物纤维等混杂纤维制成的摩擦材料，混杂纤维的含量以体积分数10％为最佳，质量分数约25％，此时材料有较高的摩擦系数和较低的磨损量，冲击、弯曲及硬度等性能指标都能达到使用要求。
3 摩擦性能调节剂和填料
填料在摩擦材料中主要是对材料的摩擦磨损性能进行多方面调节，通过添加不同的填料来控制、调节摩擦材料制品的硬度、密度、结构密度、制品外观，改善制动噪声，降低成本等。填料不仅可改善摩擦材料的物理力学性能（如导热性、热胀率、密度、强度、刚度及硬度等），而且还可以调节摩擦性能和降低成本等。按照化学成分填料可分为有机填料（如橡胶粉、沥青等）、无机填料（如铬铁矿、石墨、SiO2、BaSO4、MoS2、Al2O3等）、
金属填料（如钢丝、铜屑、铸铁粉、铝粉等）按照对材料摩擦性能的调节作用可分为减摩填料、增摩填料。减摩填料以提高材料的耐磨性、降低摩擦因数、减少制动噪音为目的，主要有石墨、低熔点金属、MoS2等。增摩填料以改善材料的物理力学性能、增加材料摩擦阻力、稳定摩擦因数和提高材料耐磨性为目的，主要有金属粉末及有机摩擦粉。为了提高摩擦材料的综合性能，减摩填料和增摩填料将根据具体使用要求按一定比例混合使用。
填料的种类、大小、形状、数量的选择能对摩擦材料产生重要影响。Mukesh Kumar[13]等通过分别添加了质量分数10%的黄铜、铜粉、铁粉与不添加金属粉末的摩擦材料对比，研究表明，添加了金属粉末的摩擦材料几乎都改善了摩擦性能，铜粉材料表现出最好的摩擦行为，而添加了黄铜粉末和铁粉的材料次之。宋宏、胡以强[14]等通过正交试验研究了铬铁矿粉、石墨、萤石、蛭石填料的不同粒度对摩擦系数、磨损率的影响。研究表明，铬铁矿粉粒度在200~320目，摩擦系数高而稳定，且磨损率低；石墨粒度在100~200目范围内，摩擦系数稳定、高，且低温磨损率低；萤石在200~300目范围内，摩擦系数稳定、高，但其粒度变化对材料的磨损率无明显影响。蛭石在20~40目之间，平均摩擦系数最高；蛭石粒度对摩擦系数、高温磨损率影响显著。大于100目时，摩擦系数稳定，80~40目之间材料的高温磨损率低。
张旻君[15]等通过添加芳纶浆粕纤维和膨胀蛭石,考察低温条件下增强纤维对复合摩擦材料性能的影响.实验结果表明,随着芳纶浆粕纤维含量的增加,洛氏硬度与之近似满足线性关系,冲击强度缓慢提高,摩擦系数及磨损量也增大；随膨胀蛭石含量的增加,其力学性能和摩擦系数均呈峰形变化,分别在2％、3％时达最大值,但磨损量的变化不大。陈震霖[16]等采用不同特性玻璃质刚性填料(玻璃纤维、玻璃纤维粉、5μm和20μm玻璃微珠)填充改性热塑性聚酰亚胺(TPI)，利用MPX-2000摩擦试验机测定了干摩擦、水润滑和油润滑条件下材料的摩擦磨损性能，考察了不同形态、尺度填料的影响，用扫描电子显微镜(SEM)观察磨损表面形貌，分析材料磨损机理.结果表明，大尺寸填料的单位个体与基体的界面面积和结合
强度大于小尺寸填料,其磨损率比小尺度填料的材料低.在水和油起到良好冷却作用后,球形颗粒易出现应力集中,疲劳裂纹向四周扩展、交汇,产生疲劳磨损,其程度随颗粒尺寸增大而提高,表现为20μm玻璃微珠填充材料磨损率最大。
高冬[17]等研究石墨、三硫化二锑(Sb2S3)、焦炭3种减摩填料对树脂基多纤维增强摩擦材料摩擦磨损性能的影响。结果表明：加入3种减摩填料，摩擦材料均能够在较宽的范围内保持摩擦因数的稳定性。其中石墨在低温(100～150℃)下能保持较好的稳定性；Sb2S3在高温(250～300 ℃)下能保持较好的稳定性；焦炭在中低温(150～200 ℃)下能保持较好的稳定性。Xin-Rui Zhang[18]等采用热压成型，分别含短纤维碳、SiO2微粒、石墨颗粒的聚酰亚胺摩擦材料进行摩擦磨损性能研究，实验表明，单独掺入石墨颗粒和短纤维碳能显著提高材料的摩擦性能，单独加入SiO2微粒不利于材料的摩擦性能，而短纤维碳、SiO2微粒、石墨颗粒的混合加入能最有效地提高材料的摩擦磨损性能。
夏园[19]选择了三种减摩填料(石墨、三硫化二锑、焦炭)来制备多纤维增强摩擦材料，得出石墨和焦炭在中低温下能起到稳定摩擦系数的作用，三硫化二锑在高温下能起到稳定摩擦系数的作用。通过正交实验和极差分析，优化得出适合重型汽车制动器摩擦材料的配方为：芳纶浆粕3％，玻璃纤维12％，硅灰石12％，钛酸钾10％，树脂10％，石墨6％，三硫化二锑4％，焦炭6％，其他37％。与前人研究的配方进行比较，结果表明在本试验优化配方下所制的摩擦材料在高温条件下具有摩擦系数稳定、磨损小、恢复性能好等优点，能有效地避免了摩擦磨损性能的热衰退，扩大了高温制动条件范围，很好地满足重型汽车制动性能的要求。通过扫描电镜观测所制备的摩擦材料在不同温度下磨损后的表面形貌，得出加入减摩填料后在低温时使得摩擦材料表面形成了一层致密稳定的摩擦层，随着温度的升高，摩擦表面逐渐变粗糙；在高温时，加入三硫化二锑会氧化成氧化锑，起到增摩作用，提高摩擦材料的摩擦系数，而摩擦材料在温度升高的过程中，摩擦系数会下降，两种作用相互补充，降低了摩擦材料在高温下的热衰退性。所研制出的摩擦材料完全能够满足
重型汽车制动性能的要求，具有足够的机械性能和优越的摩擦磨损性能，并具有热衰退小、恢复性能好，耐磨损、噪声小等优点。
4 结论及展望
聚合物基摩擦材料以其结构的可设计性、优良的摩擦磨损性能、良好的工艺成为汽车摩擦材料的主流产品。但当今发达的制造业技术对摩擦材料提出了更严峻的条件与要求，这就使得原来的产品不足以满足转而需要性能方面更好的摩擦材料。从而，不断发掘新的高性能摩擦材料以及对已有的摩擦材料进行各方面（基体、增强体、摩擦性能调节剂和填料）的改性成为了当今研究的新热点。例如，通过不同的途径改性树脂以提高其耐热性和韧性以及采用高性能纤维和混杂纤维增强将是树脂基摩擦材料的发展趋势。总之，适宜而稳定的摩擦系数，良好的耐磨性，良好的机械强度和物理性能及等是摩擦材料不变的追求，同时，在以人为本的和谐社会里，新型的摩擦材料不仅要满足良好的使用性能及安全性，而且制动噪音低等舒适性方面要求逐渐也被人们所期待。
参考文献：
[1] 刘枫,等.汽车制动器聚合物基摩擦材料的研究现状[J]. 材料开发与应用,2008,23(5):-92.
[2] A. Saffar， A. Shojaei. Effect of rubber component on the performance of brake friction materials[J]. Wear，2012(274):286-297.
[3] 李屹,等.复合改性酚醛树脂及其在摩擦材料中的应用[J].金属矿,2005,28(4):57-58.
[4] 林荣会,等.纳米铜改性酚醛树脂及其应用性能[J].复合材料学报,2004,21(6):114-118.
[5] 卢荣金,胡以强.双组分树脂冷压法制备摩擦材料[J]. 机械工程材料，2003,27(8):34-37.
[6] 杜植院，等. 有机硅/酚醛树脂共混黏结剂在摩擦复合材料中的应用研究[J]. 非金属矿，2005，28(3):57-60.
[7] 高琳. 丁腈橡胶耐热改性及其在聚合物基摩擦材料中的应用研究[D]:[学位论文].长沙：湖南大学，2008.
[8] 黄凯兵，等. BMI改性丁腈橡胶在聚合物基摩擦材料中应用研究[J]. 非金属矿，2007,30(3):58-60.
[9] A.C.Greco，R. Erck, O.Ajayi, G.Fenske. Effect of reinforcement morphology on high-speed sliding friction and wear of PEEK polymers[J]. Wear，2011(271)：2222– 2229
[10] 赵世海，等. 玄武岩纤维增强酚醛树脂基摩擦材料的摩擦磨损性能[J]. 机械工程材料，2010,34(5):52-55.
[11] 李贺军，等. 孔隙率对碳纤维增强纸基摩擦材料摩擦磨损性能的影响[J]. 无机材料学报，2007,22(6):1160-11.
[12] 刘震云，黄伯云，等．增强纤维含量对汽车摩擦材料
性能的影响[J]．纤维复合材料，1999(1)：32—36．
[13] Mukesh Kumar, Jayashree Bijwe. NAO friction materials with various metal powders: Tribological evaluation on full-scale inertia dynamometer[J]. Wear，2010(269):826-837.
[14] 宋宏，胡以强. 几种填料的粒度对摩擦材料性能影响的比较[J]. 非金属矿，2001,24(1):48-50.
[15] 张旻君，等. 增强纤维对复合摩擦材料性能的影响[J]. 材料导报，2011,25(18):96-98.
[16] 陈震霖，等. 填料特性对聚酰亚胺复合材料摩擦学性能的影响[J]. 复合材料学报，2006,23(3):49-53.
[17] 高冬，等. 减摩填料对重型汽车摩擦材料摩擦磨损性能的影响[J]. 润滑与密封，2010,35(10):68-72.
[18] Xin-Rui Zhang, Xian-Qiang Pei, Qi-Hua Wang. Friction and wear studies of polyimide composites filled with short carbon fibers and graphite and micro SiO2[J]. Materials&Design，2009(30):4414-4420.
[19] 夏园. 减摩填料对多纤维增强摩擦磨损材料的性能影响研究[D]: [学位论文].
镇江市：江苏大学，2010.
