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编织密度对碳布增强树脂基摩擦材料湿式摩擦学性能影响

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Influence of Braiding Count on Tribological Properties of CarbonFabric/Phenolic Composite under 0il.1ubricated ConditionZhang Zhaomin Fu Yewei Zhang Xiang Zhu Wenting Ning Manxia(State Key Laboratory of Solidifcation Processing,Northwestern Polytechnical University,Xian Shaanxi 710072,China)Abstract:Three kinds of carbon fabric/phenolic composites were prepared using the wet impregnation process,withdifferent braiding count carbon fabric as reinforcement respectively.The tribological properties of the carbon fabric compos。

ites were investigated on an inertia wet friction tester and the worn surface morphology was analyzed by scanning electronmicroscope.The results show that with the braiding count of carbon fabric increasing,the braking time is prolonged and thefriction torque is decreased,while the braking process become more stable;the dynamic friction coeficient and the staticfriction coefficient are decreased while the wear rate is increased.The dynamic friction coeficient is decreased along withthe increasing of braking pressure and rotating speed,the static friction coefficient decreased along with the increasing ofbraking pressure.The breakage and removal of carbon fibers along with resin peeling of from the surface are obviouslyfound on the sample with higher braiding count.The carbon fabric/phenolic friction material processed has better heat re。

Keywords:braiding count;carbon fabric;friction material;friction and wear performance湿式摩擦材料是-种在润滑条件下工作的关键功能材料,它具有磨损率低、吸收能高、无污染等优点,因此广泛应用于各类车辆、工程机械、船舶等湿式离合器和制动器中 。然而,车辆的载荷、速度以及传扭能力等差别较大,为了满足湿式离合和湿式制动的不同工况要求,先后发展了橡胶基、纸基、铜基等不同类型的湿式摩擦材料,目前应用较广的是纸基金项目:陕西势技统筹创新工程项目 (2011KTCQOl-06);西北工业大学研究生创业种子基金项目 (Z2012022);东莞市高等院衅研机构科技计划项目 (200910814040)。

收稿 日期:2012-11-19作者简介:张兆民 (1987-),男,硕士研究生,研究方向为湿式摩擦材料 .E.mail:zhaomin345###163.COB。

纸基摩 擦材 料具 有 高而稳 定 的 动摩擦 因数,静/动比接近于1等优点,但在高转速、大压力等极端工况条件下易失效。铜基摩擦材料具有耐热性好、承载能力强等优点,适用于低转速大扭矩工况条件,但其存在动摩擦因数低 (0.06~0.10)而静摩擦因数高 (0.12~0.15),传扭或制动过程不平稳,摩擦面在长时间工作后易发生金属黏连等缺点。

碳纤维布是碳纤维经编织而成,它具有高的比强度和比模量、优异的耐热性能、良好的化学稳定性、自润滑、高耐磨等性能。碳布增强复合材料在碳纤维束与束之间可以形成整体结构,使材料显示出较强的整体性,具有承载能力高、耐冲击、不易破裂与剥离等特点 ,克服了短切纤维 (碳纤维、Kevlar纤维、2013年第5期 张兆民等:编织密度对碳布增强树脂基摩擦材料湿式摩擦学性能影响 65陶瓷纤维)增强聚合物易分层破坏的缺点,作为摩擦衬层材料在苛刻工况条件具有广阔的应用前景。目前针对碳布增强树脂基摩擦材料的研究主要集中在制备工艺 、碳布的表面预处理 、固体颗粒改性 等方面,而关于编织密度对树脂基摩擦材料性能影响的报道较少。

本文作者采用3K平纹碳布作为增强体,研究了其编织密度对碳布增强树脂基摩擦材料湿式摩擦磨损性能的影响规律,以期为碳布增强树脂基摩擦材料的设计和和应用提供理论支持。

1 实验部分1.1 原材料及试样制备本试验分别选用3种不同编织密度的3K平纹碳布为增强体,以腰果壳油改性酚醛树脂为黏结剂制备碳布增强树脂基摩擦材料。首先将碳布在丙酮溶液中浸泡24 h,经蒸馏水清洗后烘干备用~预处理过的碳布在酚醛树脂乙醇溶液中反复浸渍,使树脂含量达到25% (质量分数),并在室温下晾干,然后采用硫化机热压成型出3种碳布增强树脂基摩擦材料,并依次标记为 CF1,CF2,CF3。最后通过机械加工得到6103ram×672.6 mm的环形试样,并将环形试样黏接在环形芯板上进行测试。各试样所用碳布的编织密度参数如表 1所示。

表 1 试样所用碳布编织密度Table 1 The braiding count of samples1.2 试 验 方 法参照 GB/T 13826-2008,采用 QM-1000IIB型湿式摩擦材料试验机 (西安顺通机电研究所生产 )进行摩擦磨损性能测试。试验机 主要指标和结构见文献[13]。试验前先将试样在 N32 机械油中浸泡 24 h,并在主轴转速为 950 r/min,压力为 0.5 MPa下磨合30 min,以使摩擦面和对偶盘接合程度达到80% 以上 。

采用 MM1000.Ⅲ型摩擦性能试验机 (西安顺通机电研究所生产)测试摩擦材料的能量负荷许用值。

测试条件:对偶片采用 45 钢,表面粗糙度为RaO.8m。润滑油为N32 机械油,油温80℃,润滑油流速为10 mL/(min·cm )。主轴惯量为0.136 kg·m ,主轴转速为3 600 r/min,制动过程中通过调整压力使结合时间为 (1.0±0.1)s。试验前先将试样在N32#:/L械油中浸泡 24 h。

采用捷克 VEGA TS 5136XM型扫描电子显微镜(SEM)观察试样的表面形貌。

2 结果与讨论2.1 摩擦力矩曲线在主轴 惯量 为 0.1 kg·m ,制 动压 力为 0.5MPa,主轴转速2 000 r/min条件下 ,不同试样的摩擦力矩曲线如图 1所示∩知,随着碳布编织密度的增大,摩擦制动时间延长,从试样CF1的1.9 s左右延长至试样 CF3的 2.3 s左右 ,增加了约21% ,摩擦力矩值减小;整个制动过程中曲线中间部分更加平直,波动性减小,尾部翘曲幅度降低,这表明摩擦制动过程更加平稳,引起摩擦振颤或噪声的可能性减校这主要是因为随着碳布编织密度的增大,碳纤维之间的孔隙变小,树脂在碳布表面分布量增加,在摩擦制动过程中更加容易形成固体润滑膜,从而降低了摩擦力矩并使制动过程更加平稳。

Braking tim e tls图 1 不同编织密度试样的摩擦力矩曲线Fig 1 Friction torque cue$of diferent samples2.2 动摩擦因数图2所示为在主轴惯量为 0.10 kg·m 、主轴转速为2 000 r/rain条件下试样动摩擦因数随压力的变化曲线∩以看出,随着制动压力从0.5 MPa增加到1.5 MPa,试样 CF1的动摩擦因数从 0.155减 至0.138,降低 了 11%;试样 CF2的动摩擦因数从0.136减至 0.129,降低 了 5%,降幅与 CF1相 比减小了55%,这表明随着碳布编织密度的增大,动摩擦因数减小,且制动压力对动摩擦因数的影响减弱。

然而试样 CF3的动摩擦因数随着制动压力的增大呈先增大后减小的趋势,虽然制动压力增大,制动时间相应减少,但制动过程中摩擦表面润滑油量较多,表面油膜润滑的作用更加明显,因此造成动摩擦因数减小;但同时制动压力的增大使试样与对偶盘之间的实际接触面积增大,随着碳布编织密度的增大,这种影响逐渐加强,二者同时作用导致试样CF3的动摩擦因数增大。

润滑与密封 第38卷Braking pressurep/M Pa图2 动摩擦因数随制动压力变化曲线Fig 2 The relationship between dynamic friction coeficientand braking pressure图3所示为在主轴惯量为 0.10 kg·m ,制动压力为1.0 MPa条件下试样动摩擦因数随主轴转速的变化曲线∩以看出:当转速从 1 000 r/min增加到3 000 r/min时,试样 CF1的动摩擦 因数从 0.147减至0.135,降低了8%;试样 CF2的动摩擦因数从0.138减至0.119,降低了14%;而试样 CF3的动摩擦因数则从 0.128降至0.105,降低了18%。随着转速的增加,摩擦材料所需吸收的制动能量增加,制动时间延长,摩擦表面瞬时温度升高,导致润滑油黏度降低,动摩擦因数减校同时,随着碳布编织密度的增大,试样的动摩擦因数随转速增大而降低的幅度增大,这是由于随着编织密度增大,试样的孑L隙率减小,导致所存储的润滑油减少,在摩擦制动过程中摩擦表面温升幅度增大,因此动摩擦因数降幅增大。

1 000 2000 3000Rotating speedn/(r·rain )图3 动摩擦因数随主轴转速变化曲线Fig 3 Th e relationship between dynamic friction coeficientand rotating speed从图2和图3均可以看出,在相同测试条件下,随编织密度增大材料的动摩擦因数减校这是由于碳布编织密度增大,碳纤维束与束之间的孔隙减小,排列更紧密,在浸渍树脂后,摩擦材料表面更加平整,其与对偶盘之间的机械啮合作用减弱,制动过程中扭矩减小,降低了动摩擦因数。同时由于碳纤维具有乱层石墨结构,其良好的自润滑作用能够降低摩擦过程中材料的动摩擦因数。

图4所示为在主轴惯量为0.1 kg·m ,制动压力为 1.0 MPa,转速为2 000 r/min条件下,连续 500次循环制动过程中动摩擦因数的变化趋势∩以看出,随着碳布编织密度的增大,试样的动摩擦因数减小且动摩擦因数随制动循环次数的波动性变校试样CF1在前100次制动过程中,动摩擦因数随制动次数的增加而减小,随后趋于稳定。这是因为随着制动次数的增加,试样 CF1表面较少的树脂较易剥落,较多的碳纤维与对偶盘发生接触 ,碳纤维的自润滑性导致其与对偶盘的啮合力减小,从而导致动摩擦因数的减小 ;而经过多次循环制动后 ,摩擦表面状态达到稳定状态,动摩擦因数也趋于平稳。随着碳布编织密度的增大,纤维束之间的排布更为紧密,孑L隙变小,浸渍树脂后碳布表面的粗糙度减小,机械啮合作用减弱,动摩擦因数减小,同时波动性降低。

Number of braking cycles图4 动摩擦因数随制动次数的变化趋势Fig 4 Th e variation of dynamic friction coeficientin 500-cycle braking2.3 静摩擦因数静摩擦因数是摩擦试验机在 150 r/min的转速下 ,稳定运转30 s后停转并施加压力,拖动主轴使摩擦副打滑测得的。图5所示是不同试样的静摩擦因数随制动压力的变化曲线,可以看出,随着制动压力的增大,静摩擦因数变校这是因为制动压力的增大导致摩擦副在静止加压后,从材料孔隙中挤出的润滑油增多,摩擦副更容易打滑。另外从图5中还可以看出在相同的压力条件下,试样 CF1的静摩擦因数最大,试样 CF3的静摩擦因数最小,这是因为随着编织密度增大,浸渍树脂后碳布表面的粗糙度减小,在摩擦副从静止加压到转动过程中,摩擦材料与对偶盘之间的机械啮合作用减弱,摩擦副更容易打滑 ,静摩擦因数减校; 铷 。 枷皇 hO O 0 O葺 州lJ 0 口0 J 昌日目 盆O O O 0 O O 0 葛 州lJ o 置0 J 昌爵目 0润滑与密封 第 38卷最为优异,能量负荷许用值 c。达到 93 722,而试样CF1的耐热性能较差,能量负荷许用值 c 为73 493。

从不同编织密度试样磨损表面的SEM照片可以看出,试样 CF2中碳纤维与树脂基体结合最好,碳纤维排列紧密有序,酚醛树脂均匀分散其中,其比试样 CF1和CF3具有更好的耐热性能。碳布编织密度提高,碳纤维排布更加紧密,孑L隙变小,使试样 CF3表层碳纤维间隙中有较多树脂存在,在摩擦过程中,这些树脂容易脱落,造成磨损率增大,同时这些树脂在脱落过程中吸收部分能量,使试样 CF3的耐热性能较试样 CFI要高。

在图8中,将 3种不同编织密度碳布摩擦材料的能量负荷许用值与某型纸基摩擦材料的能量负荷许用值对比发现3种碳布摩擦材料的 C 值均大于纸基摩擦材料的C 值,这说明相较纸基摩擦材料而言,制备的碳布增强树脂基摩擦材料具有更优异的耐热性能,能够更好地满足高速、重载机械设备的湿式离合器和制动器对摩擦材料的要求。

3 结论(1)随着碳布编织密度的增大,摩擦制动时间延长,摩擦力矩值变小,整个制动过程中的曲线波动变小,摩擦制动过程更加平稳。

(2)随着碳布编织密度的增大,动摩擦因数减小;动摩擦因数均随制动压力和主轴转速的增大而减小,且随着碳布编织密度增大,制动压力对试样动摩擦因数的影响减弱,但主轴转速对试样动摩擦因数的影响增强;在循环制动过程中,编织密度较大的试样表现出较好的制动稳定性。

(3)静摩擦因数随碳布编织密度增大而减小,随制动压力的增大而减校(4)编织密度较大的试样,磨损后试样表面发生较多的纤维断裂、拔出及树脂脱黏现象,造成试样表面有较多的碳纤维及树脂磨屑存在,进-步加剧材料的磨损,增大磨损率。制备的3种碳布摩擦材料比纸基摩擦材料具有更优异的耐热性能。

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