ZnO晶须对碳纤维增强纸基摩擦材料性能的影响

费 杰， 张 浩， 董立社， 张立洁， 黄剑锋， 罗 丹

(1.陕西科技大学 材料科学与工程学院， 陕西 西安 710021； 2.陕西汉德车桥有限公司， 陕西 西安 710201)

ZnO晶须对碳纤维增强纸基摩擦材料性能的影响

费 杰1， 张 浩1， 董立社2， 张立洁1， 黄剑锋1， 罗 丹1

(1.陕西科技大学 材料科学与工程学院， 陕西 西安 710021； 2.陕西汉德车桥有限公司， 陕西 西安 710201)

以ZnO晶须作为材料改性剂，制备了不同晶须含量的碳纤维增强纸基摩擦材料.通过测试不同晶须含量样品的孔隙率、粗糙度以及微观形貌，研究材料结构随晶须含量的变化规律；测试样品的力学性能和摩擦学性能，探究了材料性能随晶须含量变化的关系.结果表明：ZnO晶须可以改善纸基摩擦材料的均匀性，随着晶须含量的增加，材料孔隙率先上升后下降，样品剪切强度随晶须含量增加而上升.当晶须含量在20%～30%之间时，样品具有最佳综合性能.

碳纤维； ZnO晶须； 纸基摩擦材料； 孔隙率

0 引言

纸基摩擦材料是一种工作于润滑油条件下的摩擦材料，广泛应用于工程机械变速箱、轿车自动变速器和摩托车离合器中.与铜基湿式摩擦材料相比，具有摩擦系数高、传扭能力强、制动平稳、使用寿命长等突出优点[1-4].

碳纤维具有密度低、硬度大、轴向强度高、尺寸稳定性好等诸多优异性能而逐渐应用于纸基摩擦材料中.然而，由于碳纤维相对于芳纶纤维柔韧性较差，不同取向的碳纤维接触、搭接，在纸基摩擦材料中形成大量大小不一的孔隙，使纸基摩擦材料的均匀性较差，导致纸基摩擦材料稳定性下降.为此，我们前期对比微米级与毫米级碳纤维增强纸基摩擦材料的摩擦学性能，发现微米级碳纤维明显优于毫米级碳纤维的性能，说明孔隙结构对该类摩擦材料摩擦学性能具有极为重要影响[5].

四针状ZnO晶须由于其良好的耐磨性和较高的强度和硬度，广泛用作复合材料增强改性剂.此外，独特的立体四针状结构使其能够更容易均匀分散在材料基体中.因此，将其加入纸基摩擦材料中，适当填充孔隙，可制备出均匀性良好的湿式摩擦材料.

基于此，本文将ZnO晶须添加到碳纤维增强纸基摩擦材料中，制备出不同晶须含量的纸基摩擦材料，研究了样品力学性能和摩擦学性能的变化规律，结果将为该类摩擦材料的设计提供指导.

1 实验部分

1.1 原材料和样品制备

增强纤维：PAN基短切碳纤维，长度为800～1 000μm，直径5～8μm；芳纶纤维，长度2～4 mm；纤维素纤维，长度2～5 mm；四针状ZnO晶须，根部直径，2～5μm，针状体长度，30～100μm.粘结剂：丁腈橡胶改性的酚醛树脂；溶剂：分析纯无水乙醇等.

将短切碳纤维、芳纶纤维、纤维素纤维、ZnO晶须和水按一定比例混合制备出均匀分散的摩擦材料浆液，采用摩擦材料预制体成型器得到摩擦材料预制体，然后烘干，浸渍改性酚醛树脂乙醇溶液.在硫化机上成型出纸基摩擦材料样品.本文中制备了不同ZnO晶须含量的样品，其配比如表1 所示.所使用四针状ZnO晶须的微观形貌及尺寸如图1所示.

表1 各样品原材料配比(%)

(a)放大500倍照片 (b)放大2 000倍照片图1 四针状ZnO晶须的SEM照片

1.2 实验方法

采用美国麦克仪器公司全自动压汞法孔径分析仪AutoPoreⅣ 9510测试样品的孔隙率和孔径分布.

采用CFT-Ⅰ型多功能材料表面性能综合测试仪测试样品的动摩擦系数和磨损率.

采用美国FEI公司Q45型扫描电子显微镜(SEM)观察样品的表面形貌.

采用济南中路昌试验机公司的WDW-50H型万能试验机测试样品的剪切性能和压缩回弹性能.

2 结果与讨论

2.1 不同晶须含量样品的结构及微观形貌

图2为不同ZnO晶须含量样品的微观形貌照片.从图2可见，碳纤维在材料中均匀分散，形成许多大小不一的孔隙.在ZnO晶须含量较低样品中，晶须主要分布在纤维间较小孔隙中，随着含量增加，晶须主要堆积并填充在材料较大的孔隙中.晶须对材料孔隙的填充可以改善孔径分布，提高材料的均匀性，有利于润滑油在材料内部流动和改善摩擦面润滑状态.

(a)晶须含量0%的样品 (b)晶须含量10%的样品

(c)晶须含量20%的样品(d)晶须含量30%的样品图2 不同ZnO晶须含量样品的微观形貌照片

孔隙率和孔结构是纸基摩擦材料的一项重要指标，一方面通过影响润滑油在摩擦材料中的流动状态，减少摩擦材料的热磨损，另一方面影响摩擦材料表面的润滑状态，进而影响摩擦材料的摩擦系数及其稳定性[6,7].

图3 (a) 和(b) 分别为不同ZnO晶须含量样品的孔隙率和孔径分布图，表2为样品的孔隙结构参数.可以看出，样品的孔隙率随着ZnO晶须含量的增加呈现出先增大后减小的趋势.当ZnO晶须含量从0%增加到10%，孔隙率从37.8% 增长到40.3%，ZnO晶须含量从10%增加到40%，孔隙率下降至33.2%.同时看出，随着晶须含量的增加，材料孔径分布的范围变得更宽，材料多孔结构的均匀性更好.这是由于，当添加少量晶须时，晶须主要分布在纤维间较小孔隙中，由于ZnO晶须的支撑作用，使小孔隙在制备过程中得以保留.当晶须含量超过10 %时，ZnO晶须逐渐堆积填充在较大的孔隙中，导致材料的孔隙率下降.

(a)孔隙率随渗透压力变化的曲线图

(b)不同孔隙直径大小的分布曲线图图3 不同ZnO晶须含量样品 孔隙率和孔径分布

CP⁃0CP⁃10CP⁃20CP⁃30孔隙率/%37．840．335．933．2体密度/(g/mL)1．4061．4541．5631．598

粗糙度是表征材料表面特性的重要参数，材料表面的粗糙峰在滑动过程中产生的犁沟效应是产生摩擦力的重要因素之一[8,9].图4和表3分别为不同ZnO晶须含量样品的三维表面轮廓图和粗糙度参数.从图中可以看出，随着晶须含量的增加，材料的表面粗糙度呈现出先减小后增加的趋势.一方面，ZnO晶须填充了材料表面的孔隙，使得材料表面趋于平整，表面粗糙度下降.另一方面，随着ZnO晶须含量增加，晶须不可避免的沉积在材料表面，使得材料的表面粗糙峰增加，导致材料粗糙度的上升.两种因素共同作用，导致了材料表面粗糙度的变化趋势.

(a)ZnO晶须含量为0%的样品

(c)ZnO晶须含量为20%的样品

(d)ZnO晶须含量为30%的样品图4 不同ZnO晶须含量样品的三维轮廓图

CP⁃0CP⁃10CP⁃20CP⁃30Ra5．0953．8262．4545．557Rc22．36416．05311．6421．739Rq7．0575．1393．3326．993

2.2 晶须含量对样品力学性能的影响

压缩性能是纸基摩擦材料主要性能之一.在湿式离合器等接合-分离过程中，纸基摩擦材料产生形变，同时润滑油从材料内部挤出和重新吸入，从而影响摩擦材料的热磨损行为.因此，具有良好的压缩性能是保证材料的摩擦性能和耐热性的重要的条件之一[10,11].图5所示为不同晶须含量样品的压缩率.由图5可知，在200 N载荷下，样品CP-20、CP-30的压缩率仅为14%和12.7%，而CP-0的压缩率为26.2%，相同的载荷下，样品CP-20与CP-30的压缩率远远小于样品CP-0，这是因为，晶须有效填充于较大孔隙中，使得样品多种尺寸的孔隙能发挥更好分散应力的作用，从而有效提高了材料的抗压能力.这表明ZnO晶须的加入将有利于提高摩擦材料的抗压缩性能并改善材料的摩擦磨损性能.

图5 不同ZnO晶须含量样品的压缩率

在湿式离合器和制动器结合-分离过程中，纸基摩擦材料受到剪切力作用，从而产生材料的层间破损，具有良好的抵抗剪切作用的能力是保证纸基摩擦材料使用寿命的必要条件之一.图6所示为不同ZnO晶须含量样品的剪切强度柱状图.由图6可知，不添加晶须样品的剪切强度仅为2.23 MPa，当样品中晶须含量提高到30%时，剪切强度为5.05 MPa，强度提高接近一倍，可见晶须的加入具有明显的颗粒增强效果，可大幅度改善复合材料的界面结合状态，有利于提升复合材料的摩擦磨损性能.

2.3 晶须含量对样品摩擦学性能的影响规律

图7所示为不同ZnO晶须含量样品的摩擦系数随速率变化趋势.由图7可以看出，随着速率的增加，样品的摩擦系数减小，这是由于，在较高的速度下，摩擦副表面的粗糙峰之间难以形成有效的犁沟效应，从而降低了摩擦材料与对偶间的摩擦系数[12,13].添加ZnO晶须样品的摩擦系数随晶须含量的增加而上升，对于添加ZnO晶须的样品，随着晶须含量的增加，粗糙峰数量增加，导致犁沟效应的增强；同时，材料孔隙率降低，使孔隙中挤出的润滑油相应的减少，摩擦面的润滑状态变差.两种影响因素共同作用，最终导致了摩擦系数的上升.此外，样品CP-30的摩擦系数(0.10～0.14)高于CP-0(0.08～0.12)，说明当晶须含量为30%时，添加ZnO晶须的样品具有比未添加ZnO晶须样品更高的摩擦系数.

图6 不同ZnO晶须含量样品的剪切强度

图7 摩擦系数随速度变化的曲线图

图8所示为不同ZnO晶须含量样品在摩擦速率为500 t/min和载荷为150 N条件下长时间持续摩擦的磨损率.由图中可见，材料的磨损率随着ZnO晶须的含量增加先下降后上升，同时样品CP-20 的磨损率(1.51×10-5mm3/(N·m))比CP-0(3.02×10-5mm3/(N·m))降低50%.对比不同ZnO晶须含量样品的粗糙度可见，样品的磨损率与粗糙度呈同步变化的趋势.这是因为，在湿摩擦条件下，润滑油膜的存在，使得因实际接触产生的粘着作用较小，摩擦力主要由表面粗糙峰嵌入导致的犁沟效应产生[14,15].当粗糙度增加时，则犁沟效应变得更加严重，相应的磨损加剧，导致磨损率上升.值得注意的是，未添加ZnO晶须样品CP-0的粗糙度比CP-30低，却表现出较高的磨损率.这是因为，ZnO晶须增强了材料的剪切强度，使材料在相同条件下，能够抵抗粗糙峰犁沟力的作用，从而使材料具有更低的磨损率.

图8 不同ZnO晶须含量样品的磨损率图

图9所示为不同ZnO晶须含量样品磨损后微观形貌的背散射SEM照片.由图9可见，样品表面存在碳纤维拔出和纵向磨痕的磨损现象.这说明材料的主要磨损形式是碳纤维的剥离和犁沟效应导致的磨粒磨损.同时，随着ZnO晶须含量的增加，纤维拔出的现象明显减少，同时磨损表面变得更加光滑致密，并且在部分区域形成了摩擦膜，这使得材料的摩擦性能在摩擦过程中变得更加稳定，从而大幅度改善摩擦材料的耐磨损性能.

(a)晶须含量0%的样品 (b)晶须含量10%的样品

(c)晶须含量20%的样品 (d)晶须含量30%的样品图9 不同ZnO晶须含量样品 磨损形貌照片

图10为样品CP-20磨损后的高倍率背散射SEM照片.由图10可清晰看到，ZnO晶须在摩擦过程中的磨平现象，而晶须周围的碳纤维和树脂没有被磨平的痕迹.由此可以推断，在磨损过程中，ZnO晶须充当了粗糙峰的作用并首先被磨平，同时由于四针状ZnO晶须的特殊三维立体形貌及其周围碳纤维的结合效果使ZnO晶须不易从材料基体中脱落出来，从而避免了严重磨粒磨损的产生.以上现象表明，ZnO晶须能明显改善材料磨损过程，并有效保护材料基体.

图10 样品CP-20放大1 000倍 的磨损形貌照片

3 结论

本文研究了ZnO晶须对碳纤维增强纸基摩擦材料结构、力学和摩擦学性能的影响规律.研究结果表明，随着ZnO晶须含量的增加，纸基摩擦材料的孔隙率呈下降趋势，孔径分布更加均匀；材料的剪切强度和摩擦系数呈上升趋势，其中晶须含量为30%的样品剪切强度和摩擦系数最高.样品磨损率随晶须含量的增加呈先下降后上升的趋势，含量为20%的样品磨损率最低.ZnO晶须能有效改善碳纤维增强纸基摩擦材料的力学和摩擦学性能，当晶须含量在20%～30%之间时，样品具有最佳的综合性能.

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【责任编辑：蒋亚儒】

Properties of carbon fiber reinforced paper based friction material modified by ZnO whisker

FEI Jie1， ZHANG Hao1, DONG Li-she2， ZHANG Li-jie1,HUANG Jian-feng1, LUO Dan1

(1.School of Materials Science and Engineering, Shaanxi University of Science & Technology， Xi′an 710021, China; 2.Shaanxi Hande Axle Co., Ltd., Xi′an 710201, China)

The ZnO whisker was employed as modifier for improving the homogeneity of paper based friction material.In order to study the change of material structure,we tested the porosity,roughness and SEM of samples with different ZnO whisker content.The mechanical and tribological properties of the samples were tested under different condition to explore the relationship between the properties and whiskercontent.The results indicated that the ZnO whisker can improve the inhomogeneity of the paper based friction material.With the increase of the content of the ZnO whisker,the porosity increased and then decreased.The shear strength ofsamples increased with the increase of whiskercontent.In summary,the optimum contentwith the best comprehensive performance of ZnO whisker should be between 20%～30%.

carbon fiber; ZnO whisker; paper based friction material; porosity

2016-11-29

国家自然科学基金项目(51672166)； 陕西省科技厅青年科技新星计划项目(2014KJXX-68)

费 杰(1981-)，男，河南太康人，副教授，博士，研究方向：摩擦材料、碳基复合材料

1000-5811(2017)01-0045-05

TB332

A