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摩擦材料是一種應(yīng)用在動力機(jī)械上，依靠摩擦作用來執(zhí)行制動和傳動功能的部件材料，廣泛應(yīng)用于動力機(jī)械和交通工具的傳動、制動、轉(zhuǎn)向等關(guān)鍵部件。在汽車上應(yīng)用的摩擦材料主要為制動摩擦片和離合器片，二者分別關(guān)系到汽車的運(yùn)行安全和效率，是汽車運(yùn)行安全的關(guān)鍵和核心材料。

制動摩擦材料是由粘結(jié)劑、增強(qiáng)纖維、摩擦性能調(diào)節(jié)劑和填料等構(gòu)成的具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的多元型復(fù)合材料。成分的配比、材料的結(jié)構(gòu)與生產(chǎn)的工藝均會對制動摩擦材料的性能產(chǎn)生顯著的影響。

1.粘結(jié)劑摩擦材料所用的有機(jī)粘結(jié)劑為酚醛類樹脂和合成橡膠，而以酚醛類樹脂為主

2.增強(qiáng)纖維纖維增強(qiáng)材料構(gòu)成摩擦材料的基材，它賦予摩擦制品足夠的機(jī)械強(qiáng)度

3.摩擦性能調(diào)節(jié)劑調(diào)節(jié)和改善制品的摩擦性能、物理性能與機(jī)械強(qiáng)度

4填料.改善制品密度、外觀質(zhì)量及制動噪音，降低生產(chǎn)成本

增強(qiáng)纖維是摩擦材料中的重要組分，直接影響摩擦材料的摩擦穩(wěn)定性、耐磨性等指標(biāo)。

從本世紀(jì)20年代到80年代，石棉由于具有質(zhì)輕、價廉、分散性好、摩擦磨損性能好、增強(qiáng)效果好等特點，使之在摩擦材料中得到了廣泛的應(yīng)用。70年代，人們研究發(fā)現(xiàn)加工和制動塵埃中的細(xì)小石棉纖維被吸入肺內(nèi)后，會引起一種叫做石棉肺的疾病，甚至?xí)?dǎo)致肺癌，石棉被證實屬致癌物質(zhì)。隨后許多國家頒布相關(guān)法令，禁止在摩擦材料中使用石棉，并相繼展開了石棉代用纖維的研究。

必要性

玻璃纖維、鋼纖維和碳纖維等逐漸成為石棉代用纖維，但上述纖維材料存在著與樹脂浸潤效果不佳、粘結(jié)性較差、銹蝕、震顫、制造工藝復(fù)雜、硬度高、易傷對偶盤、易產(chǎn)生高分貝噪音、成本高等問題，成為制約摩擦材料性能提升和產(chǎn)品升級換代的瓶頸問題。

研發(fā)綠色環(huán)保、低成本、高性能的增強(qiáng)纖維成為制動摩擦材料研究領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)的亟需。

國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

K. Sudhakar介紹了一種黃麻纖維增強(qiáng)摩擦材料，該材料硬度的變化可以歸因于核桃殼粉含量的變化。

當(dāng)鼓溫低于黃麻纖維熱分解溫度時，黃麻纖維具有降低和穩(wěn)定摩擦系數(shù)的作用，但過多的纖維并不利于摩擦系數(shù)的穩(wěn)定。

北京化工大學(xué)索寶霆等人以天然植物纖維苧麻為增強(qiáng)體，研究了苧麻纖維含量對材料摩擦因數(shù)和磨損率的影響。

結(jié)果表明苧麻纖維能降低摩擦材料在中、高溫下的磨損率。

主要研究內(nèi)容及創(chuàng)新點

仿生摩擦材料設(shè)計總述

本研究團(tuán)隊針對天然纖維增強(qiáng)摩擦材料的技術(shù)特點，進(jìn)行了仿生摩擦材料設(shè)計研究，其研究目的為：

優(yōu)化材料成分和生產(chǎn)工藝不能完全滿足摩擦材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計為進(jìn)一步提高制動材料性能探索出新的途徑利用天然植物纖維是當(dāng)代摩擦材料的重要發(fā)展趨勢

作物廢棄秸稈纖維提取與處理

采用簡單高效的堿-鹽處理方法實現(xiàn)對天然纖維的提純和強(qiáng)化實現(xiàn)纖維結(jié)構(gòu)改性，改善界面結(jié)合，替代高強(qiáng)度纖維、提升摩擦材料性能

天然纖維結(jié)構(gòu)化仿生設(shè)計

通過造粒技術(shù)構(gòu)建纖維仿生結(jié)結(jié)合第二粘結(jié)劑技術(shù)降低樹脂用量和摩擦材料熱衰退

仿生結(jié)構(gòu)纖維、造粒及多尺寸預(yù)制顆粒共混提高了耐磨性，摩擦行為更為平穩(wěn)。

仿生摩擦材料的耐磨機(jī)理

天然纖維的結(jié)構(gòu)仿生化和造粒技術(shù)的應(yīng)用，能夠有效改善摩擦材料中纖維與基體之間的兼容性和界面結(jié)合力

在磨損面容易形成摩擦膜，減少摩擦材料的磨損率，磨損表面相對光滑，制動更為平穩(wěn)，壽命得以延長。

關(guān)鍵技術(shù)

本研究團(tuán)隊進(jìn)行了天然纖維增強(qiáng)摩擦材料的系列研究，包括玉米秸稈纖維、竹纖維、黃麻纖維、松針纖維、藤纖維等，具體涉及：

天然纖維改性處理技術(shù)纖維結(jié)構(gòu)仿生化技術(shù)仿生造粒技術(shù)

關(guān)鍵技術(shù)1—天然纖維改性處理技術(shù)

a. 增強(qiáng)纖維與摩擦基體通過界面結(jié)合力結(jié)合；b. 摩擦基體隨即產(chǎn)生萌芽裂紋，裂紋逐漸沿垂直于界面方向發(fā)展，增強(qiáng)纖維將起到阻止裂紋發(fā)展作用；c. 因界面剪切以及纖維和基體的橫向收縮，裂紋向界面方向發(fā)展;d. 裂紋發(fā)展到一定程度后，裂紋將重新按原方向發(fā)展，當(dāng)受力增大時，界面將繼續(xù)解離；e. 破裂的纖維一端將從裂紋一側(cè)基體處撥出，纖維阻止裂紋發(fā)展能力降低，導(dǎo)致復(fù)合材料整體破裂。

纖維與基體之間的界面結(jié)合強(qiáng)度對纖維增強(qiáng)摩擦材料的物理力學(xué)性能以及纖維的增強(qiáng)效率均有著十分重要的影響。

纖維表面改性方法：植物纖維具有較強(qiáng)的極性，使其與非極性樹脂間的界面粘合性、界面潤濕性較差，從而成為影響植物纖維增強(qiáng)復(fù)合材料性能的關(guān)鍵因素。目前，研究者們通過各種物理或化學(xué)改性方法，以期降低植物纖維的極性，使之與樹脂基體產(chǎn)生良好的界面結(jié)合強(qiáng)度，從而改善復(fù)合材料的力學(xué)性能。

1：堿化處理堿法處理使植物纖維中的部分果膠、木素、半纖維素及其它低分子雜質(zhì)等被溶解，在纖維表面形成許多空腔，使表面變得粗糙同時也使纖維原纖化，即纖維束變小，長徑比增大，與基體的有效接觸面積增加。

2：物理改性包括①拉伸、壓延、熱處理、混紡等；②放電技術(shù)

3：偶聯(lián)劑改性包括乙?；幚怼ⅠR來酸酐接枝共聚物改性、硅烷偶聯(lián)劑改性等

本研究團(tuán)隊選擇以堿處理和鹽處理結(jié)合的方式進(jìn)行纖維改性，以玉米秸稈為例：

試驗結(jié)果：用1%NaOH處理10min、20min、30min

01

玉米秸稈纖維抗拉強(qiáng)度： ** .90MPa

玉米秸稈纖維彈性模量：67.86MPa

02

玉米秸稈纖維抗拉強(qiáng)度：92.87MPa

玉米秸稈纖維彈性模量：26.38MPa

03

玉米秸稈纖維抗拉強(qiáng)度：191.13MPa

玉米秸稈纖維彈性模量：36.49MPa

04

玉米秸稈纖維抗拉強(qiáng)度：133.46MPa

玉米秸稈纖維彈性模量：44.81MPa

試驗結(jié)果：用30%NaCl處理12h

經(jīng)NaOH和NaCl處理后，玉米秸稈纖維的抗拉強(qiáng)度提高195.8%，彈性模量提高14.5%！

試驗結(jié)果：玉米秸稈纖維處理前后的微觀形態(tài)結(jié)構(gòu)變化

未處理的纖維具有較光滑的外表面，并且表面附著一些雜質(zhì)顆粒；經(jīng)堿鹽處理后，纖維表面出現(xiàn)一些微孔結(jié)構(gòu)以及節(jié)點結(jié)構(gòu)。這些變化主要是由于纖維表面的一些雜質(zhì)（如果膠、蠟質(zhì)、油脂、木質(zhì)素等）被去除，暴露在纖維表面的纖維素含量增加，從而提高了纖維-基質(zhì)的界面結(jié)合強(qiáng)度。

試驗結(jié)果：摩擦材料摩擦性能

添加玉米秸稈纖維的摩擦材料具有更高且穩(wěn)定的摩擦因數(shù)；添加6 wt.%玉米秸稈纖維的摩擦材料（樣品FC-6）具有最低的衰退率和最高的恢復(fù)率。

試驗結(jié)果：摩擦材料磨損性能

玉米秸稈纖維的添加有效降低了摩擦材料的磨損率；與未添加玉米秸稈纖維的樣品相比，添加纖維的摩擦材料的磨損率降低了10.2% ～37.3%。

綜合考慮摩擦材料的整體性能，6 wt.% 為纖維的最優(yōu)含量，該樣品的摩擦因數(shù)為0.405 ～0.489， 衰退率為7.8%，恢復(fù)率為106.5%，磨損率（350℃時）為0.427×10-7 cm3(N·m)-1 。

試驗結(jié)果：磨損表面及機(jī)理分析

FC-0：未添加玉米秸稈纖維的樣品，磨損表面出現(xiàn)大量的磨屑、犁溝、剝落坑、微裂紋，其主要磨損機(jī)制包括磨粒磨損、粘著磨損以及疲勞磨損。

FC-6：玉米秸稈纖維的添加有效阻止了材料的大片剝落，磨損表面出現(xiàn)較多且穩(wěn)定的次要接觸區(qū)，同時纖維-基體之間的界面結(jié)合性良好，這解釋了該摩擦材料優(yōu)異的耐磨性能。

關(guān)鍵技術(shù)2—纖維結(jié)構(gòu)仿生化技術(shù)

模仿天然生物材料特殊精巧的結(jié)構(gòu)特征或者從中得到啟發(fā)而制備出類似天然生物材料結(jié)構(gòu)特征的材料的仿生設(shè)計，稱為結(jié)構(gòu)仿生。

例如，仿蜂巢建筑材料，仿竹材復(fù)合材料，仿貝殼珍珠層陶瓷材料。

試驗結(jié)果：啞鈴型纖維間距對增強(qiáng)摩擦材料摩擦性能的影響

在 100℃和 150℃時，啞鈴型纖維增強(qiáng)摩擦材料摩擦因數(shù)大于平直纖維增強(qiáng)摩擦材料的摩擦因數(shù)，并且啞鈴間距為15mm時摩擦因數(shù)最大。在 200℃和 250℃時，平直纖維增強(qiáng)摩擦材料摩擦因數(shù)最大，啞鈴間距為5mm 時摩擦因數(shù)最小。在 300℃和 350℃時，平直纖維增強(qiáng)摩擦因數(shù)最大，啞鈴間距為 15mm 時摩擦因數(shù)最小。但是區(qū)別不明顯，說明啞鈴間距對摩擦因數(shù)影響較小。試驗結(jié)果：啞鈴型纖維間距對增強(qiáng)摩擦材料摩擦性能的影響

與平直纖維相比，啞鈴型黃麻纖維增強(qiáng)摩擦材料具有較低的磨損率。

在整體來看，啞鈴間距為15mm 的啞鈴纖維增強(qiáng)摩擦材料磨損率最低，表現(xiàn)出最優(yōu)的耐磨性能。

不同間距啞鈴黃麻纖維增強(qiáng)摩擦材料的磨損率曲線

黃麻纖維設(shè)計成啞鈴型結(jié)構(gòu)后有效彌補(bǔ)了黃麻纖維與基體相容性差這一缺點。在界面粘接強(qiáng)度較低情況下，啞鈴形纖維更有利于載荷傳遞，因此能充分發(fā)揮纖維的增強(qiáng)效果。

此外，用啞鈴形纖維增強(qiáng)的摩擦材料基體所受徑向應(yīng)力較均勻，從而減小出現(xiàn)臨界主裂紋的幾率，同時黃麻強(qiáng)度較大，端部啞鈴結(jié)構(gòu)處理纖維拔出阻力較大，從而有利于摩擦材料強(qiáng)度的提高。

仿生螺旋型纖維：頭發(fā)從外到里依次為毛表皮、毛皮質(zhì)和毛髓質(zhì)。毛表皮在最外層保護(hù)毛皮質(zhì)減少外界的腐蝕和磨損，毛皮質(zhì)由數(shù)根外纖維組成，外纖維由數(shù)根大纖維以螺旋的形式交織在一起組成。大纖維又由多跟螺旋狀小纖維編織構(gòu)成，而小纖維由許多螺旋狀的原纖維組成。

這種內(nèi)螺旋套外螺旋的結(jié)構(gòu)形成的角蛋白具有超強(qiáng)強(qiáng)度和超高的柔韌性，從而賦予了頭發(fā)卓越的力學(xué)性能。受此啟發(fā)，將纖維進(jìn)行結(jié)構(gòu)仿生，制備成仿螺旋型增強(qiáng)體。

試驗結(jié)果：仿生螺旋型纖維的力學(xué)性能螺旋纖維斷裂負(fù)荷隨螺旋升角減小先增大后減小，峰值在66°左右。在 66°時螺旋型黃麻纖維表現(xiàn)出最佳抗拉性能。隨著螺旋升角的減小試樣斷裂伸長率的連線呈下降趨勢，呈類似拋物線型。

螺旋纖維螺旋升角對增強(qiáng)摩擦材料摩擦性能的影響

在 100℃和 150℃時螺旋型黃麻纖維起到了增加摩擦因數(shù)的作用。在 200℃和 250℃時，平直黃麻纖維摩擦因數(shù)最高，并且螺旋型黃麻纖維增強(qiáng)摩擦材料螺旋升角越小摩擦因數(shù)越低，但是并不顯著。在 300℃和 350℃時平直黃麻纖維摩擦因數(shù)最高，螺旋升角越小的摩擦材料摩擦因數(shù)越小，350℃螺旋纖維增強(qiáng)摩擦材料摩擦因數(shù)下降較明顯。在 100℃和 150℃時，螺旋升角為 55°和 66°的耐磨性能最高。在 200℃和 250℃時，不同螺旋升角黃麻纖維增強(qiáng)摩擦材料耐磨性能相似。在 300℃和 350℃時螺旋升角為 66°的螺旋纖維增強(qiáng)摩擦材料耐磨性能最為優(yōu)異。

整體來說螺旋升角為 66°的螺旋纖維增強(qiáng)摩擦材料耐磨性能最好，并明顯高于平直纖維摩擦材料。

關(guān)鍵技術(shù)3—仿生造粒技術(shù)

造粒技術(shù)是各類粉體、顆粒、溶液或熔融原料在一定外力作用下互相聚集，制成具有一定形狀、大小或強(qiáng)度固體顆粒單元的操作過程。

研究表明，造粒技術(shù)在摩擦材料行業(yè)里應(yīng)用，能夠減少纖維偏析、提高制品的孔隙率、降低噪聲和減少配副表面的磨損，而且還具有凈化生產(chǎn)環(huán)境、減少摩擦材料粉塵對工作人員的傷害、便于裝運(yùn)等優(yōu)點。

造粒機(jī)理：將混合均勻后的粉體物料放入造粒機(jī)中適當(dāng)?shù)財嚢?，隨著造粒劑的加入，粉體物料的濕度逐漸增大，液體和固相體互相密切接觸，產(chǎn)生粘結(jié)力而形成團(tuán)粒。主要途徑包括干混合預(yù)先成核、團(tuán)粒的核化和成長、微分空穴填充、粘結(jié)和破碎、包圍和磨碎、捏合和撕分、滾制和墩圓。

類細(xì)胞結(jié)構(gòu)摩擦材料的仿生來源：細(xì)胞是生命活動的基本結(jié)構(gòu)和功能的單位，除了病毒以外，所有生物體都是由細(xì)胞構(gòu)成。人體細(xì)胞都由細(xì)胞膜、細(xì)胞質(zhì)、細(xì)胞核三部分所組成。

通過造粒后的顆?？梢钥醋魇悄Σ敛牧系幕締挝?。每個顆粒都含有所有的成分且成分含量和整體一樣。通過兩次造粒后，形成了類似細(xì)胞結(jié)構(gòu)的顆粒。

單體分層結(jié)構(gòu)顆粒模型：顆粒內(nèi)部由增強(qiáng)纖維、樹脂粘結(jié)劑、摩擦性能調(diào)節(jié)劑組成，在顆粒外部包覆一層第二粘結(jié)劑。由于顆粒內(nèi)部成分按一定配比后，經(jīng)過混料機(jī)混合，成分分布均勻。其中第二粘結(jié)劑均勻地分散在顆粒外部。

通過二次造粒得到每一個小顆粒都具有類似細(xì)胞膜和細(xì)胞核的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，因此稱此顆粒為類細(xì)胞結(jié)構(gòu)摩擦材料顆粒。

采用類細(xì)胞結(jié)構(gòu)制備摩擦材料從摩擦材料細(xì)小顆粒結(jié)構(gòu)上作改變從而改變摩擦材料整體的摩擦磨損性能。

本實驗選用以酚醛樹脂為第一粘結(jié)劑，硫磺和鉛粉、硫磺和錫粉為第二粘結(jié)劑。一次造粒后的顆粒表面較粗糙，第二粘結(jié)劑容易包覆在其表面。將一次造粒后經(jīng)顆粒分級，選取粒徑為1mm～10mm 范圍內(nèi)的不同粒徑混合顆粒，再與一定量的第二粘結(jié)劑入三維振動篩。

啟動振動篩直至每個顆粒外都包覆著一層淡黃色的粉末，即得到具有類細(xì)胞結(jié)構(gòu)的摩擦粒。

造粒顆粒直徑對摩擦材料摩擦性能的影響

1.實驗分組2.直徑均勻的顆粒 3.混合顆粒4.最終顆粒

造粒試樣的摩擦因數(shù)比未造粒試樣的摩擦因數(shù)高且穩(wěn)定；造粒摩擦材料的平均摩擦因數(shù)提高了17.85%～23.9%，其中提高效果最好的是3～5 mm和5～8mm顆粒所壓制的摩擦材料，8～10mm和不同粒徑混合顆粒所壓制的摩擦材料次之。

經(jīng)過造粒的試樣的磨損率都遠(yuǎn)比未造粒試樣的磨損率低。造粒工藝試樣的磨損率比未造粒試樣的磨損率降低8.62%～61.27%。磨損效果最好的是1～10mm和8～10 mm顆粒所壓制的摩擦材料，3～5mm顆粒所壓制的摩擦材料次之。

摩擦材料磨損表面及磨損機(jī)理分析

采用不同直徑用造粒壓制成的摩擦材料的摩擦學(xué)性能有所差別。摩擦材料中原料的顆粒本身如果較大，就會導(dǎo)致摩擦材料用造粒不能代表摩擦材料的基本組分，從而削弱了造粒的效果。

當(dāng)摩擦材料用造粒的直徑過大時，相對較小直徑的顆粒，顆粒之間接觸面積較小，從而顆粒之間的粘結(jié)力較小，在摩擦顆粒之間的粘結(jié)容易被破壞，使顆粒脫落，從而使磨損率增大，影響摩擦材料的摩擦性能。

采用造粒技術(shù)的摩擦材料的摩擦學(xué)性能優(yōu)于未造粒的摩擦材料的摩擦學(xué)性能，采用造粒技術(shù)制備的摩擦材料改變了物料之間的物理結(jié)構(gòu)使相互結(jié)合方式改變，每一個顆粒自己抱成團(tuán)，連接比較緊密，不易磨損，從而導(dǎo)致采用造粒技術(shù)的摩擦材料試樣的摩擦性能優(yōu)于未造粒的摩擦材料的摩擦學(xué)性能。

創(chuàng)新點

1采用混料造粒技術(shù)進(jìn)行顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計，研究了摩擦材料的摩擦磨損性能及其失效機(jī)理，提出了使用類細(xì)胞結(jié)構(gòu)的顆粒制備具有穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的仿生摩擦材料，并探討了其結(jié)構(gòu)對與調(diào)節(jié)和控制摩擦材料的摩擦學(xué)性能的作用機(jī)理。實現(xiàn)了摩擦材料由單純材料設(shè)計向材料與結(jié)構(gòu)耦合設(shè)計發(fā)展。

2運(yùn)用第二粘結(jié)劑技術(shù)，降低了摩擦材料中樹脂的含量，減弱了酚醛樹脂在制動過程中引起的摩擦材料的熱衰退。對新型摩擦材料的表面形貌和磨損機(jī)理進(jìn)行了分析，得出幾種摩擦材料的磨損形式主要是黏著磨損和磨粒磨損。

3確定了顆粒的最優(yōu)直徑，制備處理具有優(yōu)異摩擦學(xué)性能的摩擦材料，顆粒包覆技術(shù)的運(yùn)用，減輕了摩擦材料材料制備過程中的粉塵污染。探索其摩擦學(xué)性能、機(jī)械性能、耐熱性及導(dǎo)熱性等主要性能的交互作用的宏觀與微觀機(jī)制和協(xié)同效應(yīng)及機(jī)理。

經(jīng)濟(jì)及社會效益

1經(jīng)濟(jì)效益按照本研究成果生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)摩擦片，可以估算出每組摩擦片（8 片）的材料和制造成本為70 元。而市場銷售的中檔摩擦片的價格在 150 元/組左右，扣除利稅和運(yùn)輸成本（按 30%計算）。對比兩種摩擦片的生產(chǎn)成本可以看出，本研究中的摩擦片生產(chǎn)成本每組降幅達(dá) 33.3%。

2社會效益研制出高性能的汽車摩擦材料，對我國汽車工業(yè)的發(fā)展將起重要的推進(jìn)作用。采用造粒技術(shù)作為制取汽車摩擦材料的方法，能發(fā)揮其性價比優(yōu)勢，在省材、節(jié)能、降耗、防污染、減低噪聲、防震等方面發(fā)揮重大作用，特別是材料所具有的優(yōu)良的摩擦學(xué)指標(biāo)將為汽車行駛的安全性提供有力的保障，為汽車高效的動力傳動提供可靠的支持。