課件分析教案

caatr27Vol5No102010文章編號:10003851(2010050079復合增強汽車摩擦吳耀慶,曾鳴*,2,余,范力 中國地質(zhì)大學教育部納米礦物材料及應(yīng)用工程,2中國地質(zhì)大學地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國家,摘要:以玻璃纖維、銅纖維、礦物纖維、芳綸纖維、納米鈦酸鉀晶須和片狀蛭石等復合增強非石棉有機汽車摩擦材料,構(gòu)成具有微米和納米尺度、一維(纖維)和二維(片狀)形態(tài)、無機和有機材質(zhì)的復合增強體系。基于材料的力學和摩擦磨損性能,通過回歸模型分析對復合體系配方進行了優(yōu)化。通過材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和摩擦面的形貌觀察,分析了復合增強體系提高材料力學和摩擦磨損性能的內(nèi)在機制。結(jié)果表明,通過優(yōu)化配方,各增強相之間表現(xiàn)出良好的混合和協(xié)同效應(yīng),優(yōu)化復合增強汽車摩擦材料的沖擊強度為054J/cm2、總磨損率為135!107cm3N?m)、摩擦系數(shù)的變異系數(shù)為5.86%:增強;耐磨損;復合材料;非石棉有機;摩擦號:T 文獻標志碼:PerformancesofmultireinforcedautomotivefrictionWUYaoqing1,ZENGMing*1,2,YULing,FAN (1.EngineeringResearchCenterofNanoGeomaterialsofMinistryofEducation,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,China;2.StateKeyLaboratoryofGeologicalProcessandMineralResources,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,:Theglassfiber,copperfiber,mineralfiber,Kevlar,potassiumtitanatewhiskerandvermiculitewereusedtopreparethemultireinforcednonasbestosorganic(NAO)automotivefrictionmaterials.Themultireinforcedmaterialshavethevariouscharactersofmicroandnanosizedstructures,oneandtwodimensions,inorganicandorganicnatures.Themechanicalandfrictionpropertiesoftheautomotivefrictionmaterialwereinvestigatedtooptimizetheexperimentalcondition.Thereinforcingmechanismwasdiscussedbasedontheenvironmentscanningelectronmicroscopyobservation.TheresearchresultsshowthatthemultireinforcedNAOautomotivefrictionmaterialundertheoptimizedconditionpossesseshigherimpactstrength(0.54J/cm2),betterwear(totalwear:1.35!107cm3/(N?m))andfrictionstability(coefficientofvariation:5.86%),resultingfromthemixandsynergisticeffectofvariousreinforcedmaterials.:reinforcement;wear;composites;nonasbestosorganic;friction隨著汽車工業(yè)和交通的發(fā)展,對保障行駛安全的重要部件###制動摩擦材料的要求逐步提逐漸被半金屬和非石棉有機(NAO)摩擦材料取代。但半金屬摩擦材料存在易生銹、制動噪音和損傷對偶等缺陷而不能廣泛應(yīng)用。因此,NAO摩擦材料足綜合性能的要求,NAO收稿日期200909;收修改稿日期20092

多種原材料組成[1,按功能分為粘接劑、增強材占有重要地位,不但決定摩擦材料的力學強度和摩擦磨損性能[2,還是汽車摩擦材料發(fā)展的主要推動力量,如鋼纖維和銅纖維等金屬纖維的應(yīng)用導致半金屬摩擦材料的誕生,而陶瓷及礦物纖維的應(yīng)用則進一步提高了NAO摩擦材料的性能。在NAO摩擦材料的研究工作中,基金項 高?；緲I(yè)務(wù)費專項資助項目(CUGL090223);教育部留學回國人員科研啟動基金;省教育廳重點研究項( 4);地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國 開放基金項目(GPMR2009通訊作 鳴,博士,留法博士后 導師,目前主要從事高分子復合材料、聚合物摩擦材料研Ealzengng38@63強材料得到應(yīng)用[3,如碳纖維、玻璃纖維、硅酸鋁纖維、陶瓷纖維等無機纖維;鋼纖維、銅纖維等金屬纖維;芳綸、聚丙烯腈等人工合成有機纖維;蛭些優(yōu)異的性能,為NAO摩擦材料的應(yīng)用研究提供了眾多選擇[5,所以一般摩擦材料都是混雜2種以上的纖維、或單一尺度的纖維與片狀材料6等,以滿足摩擦材料綜合性能要求。研究發(fā)現(xiàn),纖維復合的協(xié)同作用比單一纖維更能夠有效降低材料的磨損率[7,且亞微米、納米尺度的增強材料可以更好地提高復合材料的力學性能[89。目前,

型的NAO摩擦材實驗1.1從各類增強材料中優(yōu)選玻璃纖維(Glassfiber、銅纖維Copperfiber、礦物纖維(Mineralfiber)、芳綸纖維(Kevlar)、納米鈦酸鉀晶須(PTV)和片狀蛭石Vermiculite6種材料進行組合試驗使復合材料在尺寸、形態(tài)和材質(zhì)3個方面均構(gòu)成的增強結(jié)構(gòu)。所用增強材料尺寸及性質(zhì)見表1表 增強材料性Table1Propertiesofreinforcing2種增強材料,而對采用多尺度、多形態(tài)的增強材料復合體系的研究尚較

Maer

Leng Dae

S Charac本文作者嘗試以玻璃纖維、銅纖維、礦物纖 料,構(gòu)成具有微米和納米尺度、一維(纖維)和二維片狀)璃纖維為主體形成增強骨架;礦物纖維起應(yīng)力傳遞作用以實現(xiàn)從長纖維到納米增強相的過渡連接;銅纖維除增強作用外兼具導熱作用,防止摩擦面熱量;納米鈦酸鉀晶須具有高比表面積和表面能[10、紅外反射率高的特點[11,可降低摩擦面溫度;蛭石具有特殊的片狀結(jié)構(gòu),片層間熱滲透系數(shù)低,有利于減少材料熱影響層的深度并降低熱磨損[6;芳綸纖維以其較好的柔性將各種增強材料吸附包覆形成結(jié)構(gòu)。通過各種增強組元間的優(yōu)化組合和優(yōu)勢互補,以達到最佳的混合和協(xié)同效應(yīng)。采用回歸建模和內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析,探索增強學及摩擦磨損性能的影響機制,并以此指導新

Glassber 46 Fber InorgancCopperber 35 00300 Fber MealMneralber Fber Inorganc 070 505 Fber OrgancPTV 05030040070NanoberInorgancVercul # Flak Inorgan1.2鑒于各增強組元間的相互作用,采用在多因素6個因素,7個水平,677次試驗的均勻設(shè)計表U7(76)[12,進行7次和沖擊強度、摩擦磨損試試驗。各試樣增強組分含量見表2。試樣中其它組分成分(vol%)為:粘接劑(20%)為酚醛樹脂和丁腈橡膠;填料20~40%)包括硫酸鋇、碳酸鈣和長石粉等;摩擦性能調(diào)節(jié)劑(20%)包括氧化267水平均勻試驗配方Table2Sixfactorandsevenleveluniformdesign(Volumefraction/ X X((b((Mn((PT(cul 06569 2220352434454000632350242568029

X X X 7 2 4 2 7 7 39試樣加工按照商業(yè)汽車摩擦材料的工藝進行,包括:混料、預成型、熱壓和熱處理等過程?；彀?5n;材料混合均勻后,投入預成型模具,在室溫下以0Ma加壓預成型后,放入熱度10?力20Ma下加壓成型,0n,在保壓的前2in內(nèi)卸壓排氣3~510?8h,得到試樣。1 性能測采用咸陽新益摩擦密封材料設(shè)備公司生產(chǎn)的XDMSM型自動控制定速試驗機進行定速試驗,試樣尺寸為25mm25mm6mm,摩擦盤材質(zhì)為珠光體灰鑄鐵,硬度為HB220,500r/min,1MPa。按GB5763-98100、150、、、?的摩擦系數(shù)和磨損率,得到升溫過程中各溫度段材料的摩擦系數(shù)。依照GB5765-86標準采用簡支梁沖擊強度試驗機進行沖擊強度試驗,試樣規(guī)格為75mm!15mm!30mm。采用QUANTA200型環(huán)境掃描電子顯微鏡(ESEM)進行材料剖面和摩擦面的顯微圖像觀察和。結(jié)果與討回歸分析及增強配方的優(yōu)各試樣沖擊強度見圖1所示。增強材料總含量最高的試樣7沖擊強度最高,達到了071Jcm224的強度較高,綸纖維等長纖維含量較高的試樣6的沖擊強度也較高。而增強材料總含量、長纖維含量均較低的試樣 增強試樣沖擊強度F Ipacsrenghresuls ulrenorcedauoo

纖維含量最低的試樣1的沖擊強度最低,僅有/試驗結(jié)果分析求得沖擊強度P所對應(yīng)的回歸方程:^=2.253+0.183X1+0.084X2+0.095X3+0.127X4+0.032X5+0.032X1X (經(jīng)檢驗回歸方程和回歸系數(shù)均顯著回歸模型擬合效果較好。由回歸方程的回歸系數(shù)可知,玻璃X4X3X2納米鈦酸鉀晶須X5的增強作用明顯低于玻璃纖維,片狀蛭石此分析在增強材料中,材料的增強作用與其尺等特點與長纖維形成尺度上的互補以協(xié)同增強而片狀材料與長纖維材料之間則具有維度上的互補效各試樣摩擦系數(shù)和磨損率的列于表3中。定義總磨損率(W)W=%W (式中:WWi分別表示試樣的總磨損率和各測試摩擦系數(shù)的穩(wěn)定性用變異系數(shù)(Cv)來[13SCv=! (式中:Cv為變異系數(shù); 為摩擦系數(shù)的均值;S為標準差。S的計算方法為S (式中:i為各個溫度下的摩擦系數(shù);n為試驗溫度的個數(shù),本處為6。由表3可見,試樣4的變異系數(shù)Cv)最小,其在不同溫度下的摩擦系數(shù)穩(wěn)定性最好,但磨損率W較大。試17的摩擦系數(shù)穩(wěn)定性比試樣4略差,但磨損率卻明顯降低。說明增強材料的不同組合對摩擦系數(shù)的穩(wěn)定性和磨損率的影響具有表 增強試樣摩擦磨損性Table3ExperimentresultsoffrictionandwearpropertiesofmultireinforcedautomotivefrictionmaterialSaFrcacWearWi/(7c3N1CoecenToalwearW00502002503003500050200250300350varaonC/(07c3?1 00000000000050 0000000000006 0000000000008 0000000000005 0000000000007 000000000000700000000000060利用SPSS軟件采用逐步回歸的方法分別求得總磨損率(W)和摩擦系數(shù)的變異系數(shù)(Cv)所對應(yīng)的W=1.271+0.073X1-0.021X2+0.041X-0.028X4-0.021X3X4-0.014X5X (Cv=7.849-0.176X2+0.582X4-0.492X-0.011X6-0.420X3X4+0.471X1X (經(jīng)檢驗,所得回歸方程及回歸系數(shù)顯著,回歸模型擬合效果較好。由方程(5)的回歸系數(shù)可知,X1會在一定程度上導致磨損率的增加,而導熱性和延展性良好的銅纖維X2和X4則能在一定程度上降低材料的磨損率。值得注意的是,礦物纖維X3

0.30?X2?2.40;2.00?X3?14.00;0.30?X4210;100?X5?700;100?X6?700的優(yōu)化工具箱進行帶約束條件的多目標優(yōu)化,從符合條件的優(yōu)化結(jié)果中挑選出相對經(jīng)濟可行量vol分別為:玻璃纖維3%)、銅纖維1%)、礦物纖維(14%)、芳綸纖維(1%)、鈦酸鉀晶須(6%)和蛭石(6。按所得優(yōu)化配方并采用與均勻848實際測試性能結(jié)果和回歸模型表4優(yōu)化增強試樣8性Table4PropertiesofmultireinforcedfrictionmaterialsampleNo.8#芳綸纖維X4協(xié)同作用時,具有較好的抗磨損 用,這是因為韌性的芳綸纖維能在摩擦面上形成轉(zhuǎn)移膜并減小磨粒尺寸[1,彌補礦物纖維脆性高易產(chǎn)生磨粒磨損的缺點,從而實現(xiàn)力學性質(zhì)上的互補,提高了抗磨損能力。而鈦酸鉀晶須X5與片狀蛭石X6也具有一定的協(xié)同效應(yīng),能夠有效降低材回歸方程6的回歸系數(shù)表明X2、鈦酸鉀晶X5和片狀蛭石X6等能在一定程度上起到穩(wěn)定摩擦系數(shù)的作用,礦物纖維X3和芳綸纖維X4組合時,也能在一定程度上穩(wěn)定材料的摩擦系數(shù)。但總體看來,增強材料對摩擦系數(shù)的變異系數(shù)影響較復雜,其具體機制有待進一步研究。利用所求得的回歸方程(1)、(5)、(6)進行配方異系數(shù)和總磨損率。設(shè)定優(yōu)化目標:P&045Jcm2;Cv?6.00%;W?1.50107cm3N?m。增強材料含量vol的約束條件:1.00?X1?7

Proper Tesresul PredcedIpacsrenghP/(J? 0 0CoecenovaraonC/ 5 5ToalwearW/(0c?N1 可以看出,優(yōu)化試樣8各方面實測指標與模型預測值比較接近,說明回歸模型及多目標優(yōu)化方法8054Jcm2,7071J/cm2),高于其它試樣0.36~0.46Jcm2摩擦系數(shù)的變異系數(shù)為586%,摩擦系數(shù)穩(wěn)定性僅次于試樣4;磨損率也屬較低水平。因此,優(yōu)化配方試樣8兼顧了沖擊強度、摩擦系數(shù)穩(wěn)定性和磨損率等面性能的均衡,具有較好的應(yīng)用價值。圖2所示為增強試樣的剖面形貌。從2a可見試樣1中纖維材料含量較低,片狀蛭石呈團簇分布,片層間存在明顯的解理導致力學性能缺陷,故試樣12(b)可見,在試樣4中,隨著纖維比例的提高,多層次的纖維和片狀材料相互交叉,產(chǎn)生尺度和維度上的互補以協(xié)同增強力學性能得以提高。從圖2c)可見,4相比,7具有更加豐富的剖面

層次結(jié)構(gòu),材料組織也更致密,說明試樣7中更高的增強材料總含量和微米級長纖維含量,使增強材料間的互補和協(xié)同作用增強,導致其沖擊強度比試樣4高出約50%。圖2(d)為優(yōu)化增強試樣8的形貌。與試樣7相比,試樣8中纖維總含量圖 增強試樣內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)ESEMFg2 crographsoracuredsuraces ulrenorcedauooverconaeralsa較低,但多種增強組分間具有較好的配合作用,剖為主體,短纖維和片狀材料填充長纖維之間的空隙,從而形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)被認為具有較好的增強作用[15,能防止纖維區(qū)和貧纖維區(qū)的出現(xiàn)并分散外力,而高比表面積和柔韌的芳綸纖維與無機增強相在力學性質(zhì)上的互補,使試樣具備較高的沖擊強度。2e2f分別825和1200倍率下的ESEM形貌?？梢妰?yōu)化后的增強試樣在宏觀和微觀結(jié)構(gòu)上都具備多尺度和度的復合特點,增強相之間在尺度、維度和力學性質(zhì)上產(chǎn)生互補和協(xié)同效應(yīng),材料結(jié)構(gòu)較均勻、致密,試樣的磨擦磨損形貌如圖3所示。由圖3(a)可見,試樣1的摩擦面光滑致密,磨屑較少,纖維狀材料和片狀蛭石深嵌于基體中,基本沒有纖維脫

落造成的孔洞,磨損類型主要為粘著磨損。這是因為試樣1中玻璃纖維含量較低而鈦酸鉀晶須、芳綸纖維和片狀蛭石含量較高,這些材料提高了試樣表面強度,賦予試樣1較好的抗磨損性能。由圖3(b可見,試樣4的摩擦面較粗糙,表面上明顯可見較多的纖維,其中部分已被磨斷,少量纖維高出基體,呈現(xiàn)脫落趨勢,摩擦面上有較多材料脫落形成的缺陷,并被磨屑堆積,磨粒磨損較嚴重。這是因為試樣4中玻璃纖維含量有所提高相比之下片狀蛭石與芳綸纖維等含量不足,導致基體承載能力差,玻璃纖維在摩擦力作用下較易從基體中脫出,在基體上造成孔洞并產(chǎn)生磨屑,導致較高的磨粒磨損。圖3c所示7的摩擦面比較致密,僅有少量纖維脫落的孔洞,大部分纖維與基體材料結(jié)合良好,平行于摩擦面分布。由此可見,試樣7中較高的玻璃纖維含量并未導致磨損的進一步增加,這圖 增強試樣摩擦磨損形貌的ESEMFg3E crographsowornsuraces ulrenorcedauooverconaeralsa較高,使試樣基體強度提高,這在一定程度上對玻璃纖維起到保護作用,防止其被磨斷或從基體脫出,使材料具有較低的磨損率。圖3(d)所示為優(yōu)化試樣8的磨損形貌,摩擦面總體比較光滑,表面凹陷處僅可見少量的磨屑堆積,摩擦面上大部分的增強材料深埋于基體中,磨損類型以粘著為主,伴隨少量的磨粒磨損?？梢娫趦?yōu)化試樣中,采用適當含量的玻璃纖維并配合一定量的抗磨損性能良好的礦物纖維、芳綸纖維、鈦酸鉀晶須和片狀蛭石后,能夠在保證材料沖擊強度的同時獲得較好的抗磨損性能和穩(wěn)定的摩擦系數(shù),從而實現(xiàn)優(yōu)異的綜合性能。結(jié)擴散吸收,材料力學和摩擦磨損性能得以提高。體系具有微米和納米尺度,一維(纖維)和二維片狀)形態(tài),無機和有機材質(zhì)等特點,經(jīng)過優(yōu)參考文獻[]BjweJCoposesasrconaeralsRecendevelopensnnonasbesosberrenorcedrconaerals###Arevew[J]PolyCopos,997,8(3)378BallAOnheporanceoworkhardenngnhedesgnowearressanaerals[J]Wear,983,9(2)20207BjweJ,KuarMOpzaonoseelwoolconensnnonasbesosorganc(NAO)rconcoosesorbescobnaonoheralconducvyandrboperorance[J]Wear,2007,263(7/2)243248ChanD,SachowakGWRevewoauoovebrakerconaerals[J]ProceedngsoheInsuonoMechancalEngneers,ParDJournaloAuoobleEngneerng,2004,28(9)953

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