碳酸钙晶须代替石棉对橡胶基摩擦材料性能的影响_

目前，国际上已禁止在摩擦材料中使用石棉纤维，取而代之的材料主要有无机晶须、天然植物纤维、矿物纤维和有机纤维等。

碳酸钙晶须具有制备工艺较为简单、可操作性强和成本低廉等优点，适合于大规模生产，且在使用过程中不会造成污染，属于绿色环保型材料。碳酸钙晶须具有良好的物理性能、力学性能、抗热衰退与热恢复性能以及较高的耐磨性、耐热性，除此之外还具有优异的高温摩擦磨损性能。

碳酸钙晶须在摩擦材料方面的应用研究进展：

栗利涛等研究了碳酸钙晶须在鼓式刹车片中的作用，并认为当加入碳酸钙晶须的质量分数为15%时，纯酚醛树脂基摩擦材料的摩擦磨损性能最好；
李钧等发现，当添加碳酸钙晶须的质量分数为5%时，PP/芳纶浆粕复合材料具有优异的耐磨性能、拉伸性能、弯曲性能；
林有希等通过研究碳酸钙晶须含量对聚醚醚酮复合材料摩擦磨损性能的影响后发现，当添加碳酸钙晶须的质量分数为15%时，复合材料具有最低的磨损量。

1碳酸钙晶须增强橡胶基摩擦材料试验

　　
随摩擦复合材料的基体材料不同，则碳酸钙晶须的最佳使用量就不同。采用半湿密炼工艺和热压成型方法制备碳酸钙晶须增强橡胶基摩擦材料，并考察碳酸钙晶须含量对其力学性能和摩擦磨损性能的影响。

表1 制备橡胶基摩擦材料的配方（质量分数）

2碳酸钙晶须对橡胶基摩擦材料性能的影响

（1）对物理与力学性能的影响

图1 碳酸钙晶须添加量对橡胶基摩擦材料硬度和密度的影响

由图1可以看出，随着碳酸钙晶须添加量的增加，橡胶基摩擦材料的硬度呈递减的趋势，硬度降低的主要原因是碳酸钙晶须长度仅为20-30μm，且其莫氏硬度较低，随着晶须含量的增加，割裂了钢纤维、其他纤维与黏结剂之间直接的结合，材料产生孔隙的可能性增大，使得晶须与黏结剂的结合性能下降。

随着添加碳酸钙晶须的质量分数由0增加至25%，橡胶基摩擦材料的密度呈现逐渐下降的趋势，且碳酸钙晶须的添加量越大，密度下降的越明显。这说明碳酸钙晶须的添加量越多，造成的团聚现象越明显，晶须之间的间隙越大，故而密度越小。

图2 碳酸钙晶须添加量对橡胶基摩擦材料抗拉强度和冲击强度的影响

利用二次回归方程，对抗拉强度和冲击强度的试验数据进行拟合。由图2可以看出，橡胶基摩擦材料的抗拉强度和冲击强度均随着碳酸钙晶须添加量的增加而逐渐减小，且抗拉强度的变化比较平稳。

碳酸钙晶须含量高易造成团聚，这是抗拉强度与冲击强度随着碳酸钙晶须添加量增加而减小的原因。随着碳酸钙晶须添加量增加，其与黏结剂的结合性能降低，造成材料内部的孔隙率逐渐增大，从而使抗拉强度与冲击强度逐渐减小。因此，改善碳酸钙晶须的表面润湿性是提高摩擦材料力学性能的一种有效方法。

（2）对摩擦磨损性能的影响

图3 碳酸钙晶须添加量对橡胶基摩擦材料摩擦因数和磨损量的影响

由图3（a）可以看出，当制动转速为3300r/min时，随着添加碳酸钙晶须的质量分数由0增加至25%，橡胶基摩擦材料的摩擦因数先增大后降低，当质量分数为5%时，摩擦因数达到最大值（0.44）。当制动转速为4200r/min时，摩擦因数的变化趋势与转速为3300r/min时的基本相同，但曲线的变化更加平缓，当添加碳酸钙晶须的质量分数为5%时，摩擦因数达到最大值（0.38）。当制动转速为5400r/mm时，随着添加碳酸钙晶须的质量分数由0增加至25%，橡胶基摩擦材料摩擦因数的变化趋势与前两个转速下的大致相同，即均随碳酸钙晶须添加量的增加而先增大再减小，但从整体来看，摩擦因数的变化同样较为稳定。

由图3（b）可以看出，在不同的制动转速下，随着碳酸钙晶须添加量增加，橡胶基摩擦材料的磨损量均呈明显下降的趋势。高的碳酸钙晶须含量会导致树脂基摩擦材料整体的密度降低，孔隙度适宜，而气孔对橡胶、树脂等有机原料在高温下分解出的分子具有吸附作用，加之碳酸钙晶须本身具有较高的强度和稳定性，所以树脂基摩擦材料的磨损量会随着碳酸钙晶须添加量的增加而降低。

此外随着制动转速增大，磨损量逐渐增大。这是因为随着制动转速增大，摩擦后温度升高，故工作温度也是影响材料磨损量的重要因素之一。当温度达到有机黏结剂的分解温度时，橡胶和树脂会出现热分解、碳化等现象，从而导致摩擦材料的磨损量增大，这种现象也被称作“热磨损”现象。

由于碳酸钙晶须属于单晶材料，其热分解温度为640°C，高温性能稳定，抗热衰退与热恢复性能较好，高温摩擦磨损性能优越，故在中高制动转速下的摩擦因数变化十分平稳，这有效解决了摩擦材料的高温热衰退问题。

对偶件的磨损情况也是摩擦材料研究中需要注意的问题。摩擦材料本身的性能优异，但若对偶件的磨损过大也得不偿失。由图4可知，随着添加碳酸钙晶须的质量分数增加至10%及以上，对偶件的磨损量几乎均低于0.05g，说明试验制备的树脂基摩擦材料对偶件的损伤很小。

图4 碳酸钙晶须添加量对对偶件磨损量的影响

　　
通过对碳酸钙晶须增强橡胶基摩擦材料的力学性能和摩擦磨损性能进行分析可以看出，当添加碳酸钙晶须的质量分数为15%时，摩擦材料的综合性能最好。

（3）对磨损表面形貌的影响

图5 不同橡胶基摩擦材料试样磨损后的表面SEM形貌

　　
从图5中可以看出，碳酸钙晶须在各试样中均匀分布，通过右上角或左上角的局部放大图可以看到，碳酸钙晶须与黏结剂之间结合得并不紧密，有较大的空隙。正是由于碳酸钙晶须与黏结剂之间结合得并不紧密，有空隙，才使得碳酸钙晶须增强橡胶基摩擦材料的硬度、密度、冲击强度、抗拉强度等力学性能与非碳酸钙晶须增强橡胶基摩擦材料的相比有所下降，而且随着碳酸钙晶须质量分数的增加，碳酸钙晶须增强橡胶基摩擦材料的力学性能下降得更大，进一步证实了摩擦材料的性能测试结果。

另外，随着碳酸钙晶须添加量增大，在摩擦过程中碳酸钙晶须裸露出表面的面积相对增大，由于碳酸钙晶须具有较好的高温热稳定性，故而在制动过程中充当了“负荷传递”和“裂纹桥接”的作用，提高了摩擦因数的稳定性。