偶联剂改性人造石墨对摩擦材料摩擦磨损性能的影响

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Efect of Coupling Agent Modified Synthetic Graphite on theTribological Behaviors 0f Friction MaterialsWang Qiang Lu Wei Yang Kunpeng Yao Wenjun Shi Yijun Wang Changsong(1.State Key Laboratory of Materials-oriented Chemical Engineering，Nangjing University of Technology，Nanjing Jiangsu210009，China；2.Changshu YuTRone Advanced Wear Materials Technology Co.，Ltd，Changshu Jiangsu 215500，China)Abstract：The synthetic graphite was modifed with three diferent coupling agents，the coupling agent KH-550，KH-560and the coupling agent NDZ-401，and the effects of the coupling agent modifed synthetic graphite on the tribologieal be-haviors and the sensitivity of speed/pressure of phenolic resin matrix friction materials were investigated by XD-MSM con-stant-speed friciton tester and the MPX-2000 friciton tester.The friction sulfaces of the friction materials were analyzedwith Electron Microscope(SEM).The results show that，comparing with unmodifed synthetic graphite，coupling agent mod-ified synthetic graphite can improve the stability of friction coefficient and the stability against speed/ pressure.Th e synthet-ic graphite modified by coupling agent NDZ-401 is good at improving the stability of friction coeficient and the stabilityagainst speed/ pressure of the friction materials，and the synthetic graphite modified by coupling agent KH-560 can improvethe weal"resistance of the friction materials。

Keywords：synthetic graphite；coupling agent；friction material；friction and wear人造石墨，又称为合成石墨 (Synthetic Graphite，简称 SG)，主要是 由粉状的优质煅烧石油焦，在2 500～3 000 oC下石墨化而得到，与天然石墨相比，其纯度高、灰分少、晶型完整且粒径均匀。SG是-种性能优良的摩擦调节剂 ，在刹车片中已得到广泛应用。

研究发现将 SG添加到酚醛树脂基摩擦材料中，基金项目：国家自然科学基金青年基金项目 (51005123)；常熟市领军型创新创业人才计划 (CSRC1 132)。

收稿日期：2012-07-24作者简介：王强 (1984-)，男，硕士研究生，从事摩擦材料研究 .E-mail：wangqiang4466###sina.com。

通讯作者：王昌松 (1975～)，男，副研究员，硕士生导师，研究方向为材料化学工程.E-mail：wcs###njuL edu.cn。

可以有效地降低磨损、减少制动噪声和稳定摩擦因数 ；在中温 (200℃)、高温区 (250-350 oC)具有比天然石墨更好的摩擦稳定性 ；粒径在 80-250m时，可以有效降低摩擦材料的速度/压力敏感性 。但 SG表面张力小 ，导致在摩擦材料中的分散性差，难以被酚醛树脂黏结，从而-定程度上降低了SG在摩擦材料中的性能。

偶联剂可以提高无机材料和有机树脂间界面黏结性能，已在酚醛树脂基摩擦材料中得到应用。如，经KH-550处理的钢纤维可提高摩擦因数稳定性和降低磨损率 ；经KH-570处理的粉煤灰可提高摩擦材料的密度、硬度、抗冲击强度和降低磨损率 ；填充改性钛酸钾晶须可提高摩擦因数稳定性和降低温度敏感性 引。

20 润滑与密封 第 38卷本文作者使用硅烷偶联剂 KH-550、KH-560及钛酸酯偶联剂 NDZ-401分别改性 SG，并考察其填充到摩擦材料中的摩擦磨损性能和速度/压力敏感性。

1 试验部分1.1 SG表面改性处理1.1.1 硅烷偶联剂改性 SG分别称取-定质量的硅烷偶联剂 KH-550和KH-560与水均匀混合，配制成质量分数3%的KH-550和KH-560溶液，调至溶液的pH值为3.5，并不断搅拌溶液40 min，使硅烷偶联剂充分水解～配制好 KH-550和KH-560溶液分别滴加到-定质量的SG(与硅烷偶联剂溶液的质量比为5：1)中，搅拌 5 min。最后，将改性 SG放入干燥箱中在 100℃下干燥 120min，得到硅烷改性 SG。

1.1.2 钛 酸酯偶联 剂改性 SG称取-定质量的钛酸酯偶联剂 NDZ-401与乙醇均匀混合，配制成质量分数 3%的NDZ-401溶液，并不断搅拌40 min～配制好的NDZ-401溶液滴加到-定质量的SG(与钛酸酯溶液的质量比为5：1)中，搅拌5 min。最后，将改性SG放入干燥箱中在100 oC下干燥 120 min，得到钛酸酯改性SG。

1.2 摩擦材料制备选取无石棉摩擦材料配方体系，研究经过不同偶联剂改性后的SG对摩擦材料摩擦磨损性能的影响。

具体配比 (体积分数)和生产商家见表1。其中1 为填充未改性 sG的摩擦材料，2 、3 、4 分别为填充NDZ-401改性 SG、KH-550改性 SG、KH-560改性 SG的摩擦材料。

表 1 实验配比 (体积分数)Table 1 The ingredients of the friction materials %采用热压成型方法制备摩擦试样～各组分放入高速搅拌机中混合均匀；再经热压成型，成型压力为25 MPa，成型温度为 165 oC；然后在200 oC下保温8h，再经机械加工后得到定速摩擦样块 (长25 mm ，宽25 mm，高6 mm)和样环 (外径26 mm，内径22mm)。

1.3 表征方法1.3.1 IR表征使用 KBr压片法对未改性 SG、NDZ-401改性SG、KH-550改性SG、KH-560改性 SG进行红外光谱检测。采用Nicolet Nexus B70型红外光谱仪 (美国尼高力仪器公司)检测，实验条件设置为64 scans，4cm 的分辨率，波数为400～4 000 am～。

1.3.2 摩擦磨损试验(1)定速实验：选用 XD.MSM型定速摩擦机(咸阳新益摩擦密封设备有限公司生产)，按照 GB5763-1998分别考察制备的4种摩擦材料在100，150，200，250，300，350℃这6个温度点下的摩擦磨损性能。

(2)速度/压力敏感性实验：采用 MPX-2000型磨损试验机 (河北宣化试验机有限公司生产)，分别考察制备的4种摩擦材料在压力为50，8O，110，140N，速度为0.50，0.95，1.40 m/s条件下的速度/压力敏感性。

1.3.3 摩擦表面微观形貌表征采用QUANTA-200型环境扫描电子显微镜 (FEI公司)分析摩擦磨损试验后摩擦试样表面的微观形貌。

2 结果与讨论2.1 表面改性 SG的红外光谱分析图1是经不同偶联剂表面改性的SG红外光谱图。1 曲线是未改性 sG红外光谱图，其中 1 071cm 处特征峰为 c-O基团的吸收峰 。1 635和3 440 cm 处特征峰可能是 由KBr吸收 H，O所致 引，2013年第 1期 王 强等：偶联剂改性人造石墨对摩擦材料摩擦磨损性能的影响 212 、3 、4 曲线同样也具有这三个特征峰。

4000 3 000 2 000 1 000 OW avenumberA/cm图1 不同偶联剂改性 SG的红外光谱Fig 1 Infrared spectroscopy of SG modifedby diferent coupling agentTemperature t/C(a1摩擦因数-温度曲线2 曲线是NDZ-401改性sG 红外光谱图，在1 202cm 处特征峰为 O-Ti-P基 团的吸收峰 ；3 、4曲线分别为 KH-550改性 SG和 KH-560改性SG红外光谱图，二者具有相同的特征峰，在2 800 cm 附近和2 950 cm 处特征峰分别为-cH -对称和非对伸缩振动峰 ；2 、3 、4 红外光谱所具有的特征峰是未改.陛SG所不具有的，表明偶联剂已吸附在sG表面。

2.2 填充改性 SG对材料摩擦磨损性能的影响图2(a)示出了定速实验得到的4种摩擦材料的摩擦因数 -温度关系曲线。用 表示曲线中摩擦因数最大值， ； 表示摩擦因数最小值，那么可用波动幅度 △ (△ - i )说明摩擦因数的稳定性。波动幅度 越小，则表示摩擦因数越稳定，受温度影响越校(b)磨损率-温度曲线图2 填充不同偶联剂改性SG对材料摩擦磨损性能的影响Fig 2 Efects of diferent coupling agent on the tribological properties of materials从图2(a)中可看出，填充未改性sG的1 摩擦材料的摩擦因数随温度升高而增加，250 oC后急剧减小 ，摩擦因数波动范围为 0.26～0.37，波动幅度为0.11；2 摩擦材料的摩擦因数先小幅增加，200℃后摩擦因数保持相对稳定，摩擦因数波动范围为0.30～0.33，波动幅度 为 0.03；3 和4 摩擦材料的摩擦因数变化趋势相似，均是先增大，250℃后则相对稳定，摩擦因数波动范围分别为0.28～0.34和0.29～0.35，波动幅度 均为 0.06。比较波动幅度可知，改性 SG可提高摩擦材料摩擦因数的稳定性，其2 摩擦材料的摩擦因数的稳定性最好，与填充未改性sG的1 摩擦材料相比，摩擦因数稳定性提高了-倍以上。由此可见，偶联剂改性的SG有助提高摩擦因数的稳定性，其中以NDZ-401改性 SG性能最优。

磨损率是摩擦材料寿命的-个很重要的衡量标准，磨损率越低，摩擦材料越耐磨，寿命越长。图2(b)示出了4种摩擦材料的磨损率 -温度曲线∩以看出：1 、2 摩擦材料在各个温度段下的磨损率均较高；3 摩擦材料在中、低温段 (100～200 oC)下磨损率较低，但在高温段 (25；0～350 oC)下磨损率较高；4 摩擦材料在不同温度段下磨损率均较低。经统计，1 、2 、3 、4 摩擦材料在试验的6个温度下的总磨损率分别为0.66×10～，0.66×10-，0.6×10- ，0.5×10- cm。/(N·m：l。即4 摩擦材料耐磨性最好，3 摩擦材料其次，I 、2 摩擦材料最差。由此可见，硅烷偶联剂改性的SG有助于提高摩擦材料的耐磨性，其中KH-560改性SG性能最优。

2.3 填充改性 SG对速度/压力敏感性的影响速度/压力敏感性是为考察摩擦材料在不同的速度、压力下的摩擦因数的波动情况。摩擦因数波动幅度越小，摩擦材料抗速度/压 )丁敏感性越强。图3示加 加 ∞O O O O O 0 0 0 0 0 O t.昌. .Z.目u.0×Ja 矗 r润滑与密封 第38卷出了0.5，0.95，1.40 m/s 3种速度下的压力 -摩擦 因数变化曲线。

苫.竺基笤U 自.宝芑。CLoadp/N(c)1.40m/s图3 填充不同偶联剂改性SG对材料速度/压力敏感性的影响Fig 3 Efects of diferent coupling agent modified SG on the sensitivity of speed/pressure of materials从图3(a)可以看出，在低速 (0.50 m/s)下，1 、2 、3 摩擦材料的摩擦因数均随载荷的增加而增加，摩擦因数的波动幅度 分别为0.040、0.029、0.055；4 摩擦材料的摩擦因数随载荷的增加先增加后减小，在110 N处达到最小值0.193，而后随载荷增加而增加，摩擦因数的波动幅度 为0.024。4种摩擦材料抗速度/压力敏感性从好到差的顺序为4 ，2 ，3 ，1 ，且4 和2 波动幅度差异不大。

从图3(b)可以看出，在中速 (0.95 m/s)下，1 摩擦材料的摩擦因数先随着载荷的增加而减小，在110 N处达到最小值0.186，而后随载荷的增加而增加，其波动幅度 为 0.089；2 摩擦材料的摩擦因数随着载荷的增加而略微减小，波动幅度最小，其波动幅度△ 为0.028；3 、4 摩擦材料的摩擦因数先随载荷的增加而增加，在80 N处到达最大值，而后随着载荷的增加而减少，其波动幅度 △ 分别为0.068、0.055。4种摩擦材料抗速度/压力敏感性从好到差的顺序为2 ，4 ，3 ，1 。

从图3(C)可以看出，在高速下 (1.40 nr/s)下，4种摩擦材料的摩擦因数均随着载荷的增加而减少，其波动幅度 分别为 0.048、0.029、0.046、0.042。4种摩擦材料抗速度/压力敏感性从好到差的顺序为2 ，4 ，3 ，1 。

以上分析表明：在不同速度、压力下，4种摩擦材料抗速度/压力敏感性从好到差的顺序为2 ，4 ，3 ，1 。由此可见，偶联剂改性的sG有助于降低摩擦材料的速度/压力敏感性，其中 NDZ-401改性 SG性能最优。

2.4 磨损表面分析图4示出了4种摩擦材料的磨损表面 SEM图。

可见，与1 摩擦材料相比，2 、3 、4 摩擦材料表面的真实接触面积大 (图中标示处)、破损校这可能是由于SG经偶联剂改性，表面张力增加，分散性得以提高，与酚醛树脂的结合强度得以增强，使得摩擦过程中摩擦材料和对偶面均可形成较为完整的转移膜。因而，2 、3 、4 摩擦材料的摩擦因数稳定性、抗磨损性及抗速度/压力敏感性均优于 1 摩擦材料。

2013年第 1期 吕乐华等：石墨含量对石墨/铜复合材料载流摩擦磨损性能的影响 27图 (C)、(d)比较了石墨质量分数为 15%时，不同电流密度下复合材料的SEM形貌，与图 (e)相比，从图 (d)中可见有大量的瘤状物，表明随着电流密度的增大，磨损机制已经发生了变化，主要以电弧烧蚀为主。图 5示出了载流实验过程中产生的电唬图5 摩擦过程中的电弧Fig 5 Electric arc in the experiment3 结论(1)随着石墨含量的增加，石墨/铜复合材料在载流摩擦过程中的摩擦因数逐渐下降，磨损率先下降后升高，石墨质量分数为 12.5%时磨损率最低。随着电流密度的增加，石墨/铜复合材料在载流摩擦过程中的摩擦因数下降，磨损率逐渐增加。

(2)随着电流密度的增加，石墨/铜复合材料的载流效率下降，石墨质量分数为 10%的复合材料的载流效率最高。

(3)石墨/铜复合材料在载流摩擦过程中存在黏着磨损、磨粒磨损和电弧烧蚀，电流密度较大时，电弧烧蚀比较严重。