浅谈鼓式刹车片用增强纤维纳凯夫的特性及其增强机理

杜孟子

（黄山菲英汽车零部件有限公司，安徽 合肥 230000）

长期以来，石棉一直是摩擦材料制品的主要成分，直到美国环保署将其列入可致癌物质后，摩擦材料制品的生产企业及相关学者才开始寻找石棉的代替品。由我国南京某纤维厂开发的纳凯夫纤维，形貌和综合性能都与石棉纤维十分相近，已经投入生产，可以成为石棉材料的代替品，用其制作鼓式刹车片。

1 鼓式刹车片用增强纤维纳凯夫的特性分析

1.1 增强纤维纳凯夫概述

增强纤维纳凯夫（NACF），英文全称为NONASBESTOS COMPOSITE FIBER，是由南京高远工贸有限公司旗下纤维厂开发出来的增强纤维产品，具有与石棉相似的综合性能，是特种人造无机纤维和多种功能性材料的复合产物，具有代替石棉材料的能力。在汽车刹车片制作领域，我国从上世纪50年代开始寻找合适的增强纤维材料，在以往生产过程中使用的材料包括保温绝热用的岩棉和矿渣棉等。但由于岩棉和矿渣棉的自身化学成分不够稳定，采用这种材料生产的制品冲击强度较差，一般只有 1．5～2．5J/cm2，而且在工艺混合时会出现严重的结团现象，无法对其进行工业化应用。增强纤维纳凯夫的研发解决了这一问题，将其作为鼓式刹车片的原材料，可以满足鼓式刹车片的性能要求。

1.2 增强纤维纳凯夫的主要特性

增强纤维纳凯夫的基本特性主要表现在以下方面。

（1）由于其主体纤维的圆材料是精选石灰岩、辉绿岩、粉煤灰和石油焦炭等，配方是专门为鼓式刹车片用增强纤维设计的，不仅化学成分稳定，而且具有良好的耐热性能。在生产工艺参数方面，通过对温度参数、体系酸碱度和纤维喷射速度等进行严格控制，同时在出纤环节喷渍了进口硅烷类试剂，使纳凯夫纤维比表面积较大，具有良好的亲和性。

（2）增强纤维纳凯夫在其合成过程中，加入了许多中功能性材料，比如其中一种材料为离子型隔离剂，它的主要功能是对纤维束间的内聚力进行弱化，使其趋近伸直状态，这样在受到外力时不会发生卷曲，具有较好的受力分散性。

（3）纳凯夫纤维的主体纤维临界形态比严格参照6-10石棉进行设计，其68-3纤维和18纤维形貌与6-10石棉形貌十分相似，通过对临界形态比进行调整，纳凯夫纤维系列产品可以适应不同的配方需求。

（4）增强纤维纳凯夫的综合性价比也与6-10石棉相当，在某种石棉配方中，6-10石棉的用量为48份，其均价为2500元/吨，在相同性能的增强纤维纳凯夫配方中，68-3纳凯夫的用量为35份，其均价为3800元/吨，配方中其他材料均不变，则每吨压型料的石棉纤维成本为1200元，每吨压型料的纳凯夫纤维成本为1400元。

（5）从化学组成成分来看，纳凯夫68系列的二氧化硅含量为40%～46%，氧化铝含量为14%～21%，氧化钙和氧化铝含量为25%～27%，三氧化铁含量为4%～6%，水的含量为0，碳含量为6%～8%，氧化钠和氧化钾含量为4%～5%，不含有致癌物质。

（6）从增强纤维纳凯夫的物理性质来看，其外观为灰白色或灰黄色的纤维状材料，平均长度为2．0mm，平均直径为 0．05mm，手感软。其容重为 0．18～0．21g/cm3，湿含量在1．0%以内，800℃/h下的烧失量小于等于15%，熔点为1200～1300℃，使用温度大于等于750℃。

2 鼓式刹车片用增强纤维纳凯夫的增强机理研究

2.1 增强机理

从上述纳凯夫纤维基本特性的分析中可以看出，增强纤维纳凯夫材料具有良好的吸附性和分散性。最重要的是亲和性较好，能够与摩擦材料配方的其他物质具有较强的亲和性，包括各种摩擦性能调节剂、数值和其他纤维材料等。因此纳凯夫纤维具有良好的增强基础，使其能够获得与6-10石棉相似的增强机理。发挥纳凯夫纤维的亲和性优势，同时利用纳凯夫纤维与集体树脂界面之间良好的粘结性，可以利用L/d=σf/2τ对其在集体树脂中的受力情况进行分析。该式中的L是纤维长度，单位为μm，d为纤维直径，单位为μm，L/d即临界形态比。σf是作用在纤维端部的正应力，单位为kg·f/cm2，τ是纤维和基体截面的剪应力，单位为kg·f/cm2。

从该式中可以看出临界形体比L/d与σf是成正比关系的，同时与τ成反比，因此，临界形态比L/d越大，纤维所承受正压力就越大。而剪应力越大，在传递相同正压力时，临界形态比就越小。根据这一原理，只要纳凯夫纤维与基体树脂截面的粘结性良好，即使在纤维较短的情况下，也能够起到良好的增强作用。

相关研究表明，6-10石棉的临界形态比L/d的值为20左右，在传递正应力等于10000kg·f/cm2的条件下，允许的剪应力为500kg·f/cm2，那么石棉长度只要超过0．002mm，就能达到很好的增强效果。从上述68-3纳凯夫纤维的物理性质来看，其平均长度和直径分别为2．0mm和0．05mm，通过计算可以得出，其临界形态比L/d的值为40。因此，将纳凯夫作为增强纤维代替石棉完全可行。

可以通过以下几个配方进行证明，在摩擦材料配方1中，树脂的粘结性为优，树脂质量成分含量为17%，68-3纳凯夫质量成分含量为35%，摩擦性能调节剂的质量成分含量为40%，金属辅纤的质量成分含量为8%。在配方2中，树脂的粘结性为良，质量成分含量为17%，68-3纳凯夫质量成分含量为35%，摩擦性能调节剂的质量成分含量为40%，金属辅纤的质量成分含量为8%。在配方3中，树脂的粘结性为优，质量成分含量为17%，68-3纳凯夫质量成分含量为35%，摩擦性能调节剂的质量成分含量为40%，金属辅纤的质量成分含量为8%。在配方4中，树脂的粘结性为优，质量成分含量为17%，FKF4025质量成分含量为35%，摩擦性能调节剂的质量成分含量为40%，金属辅纤的质量成分含量为8%。通过对其压制品进行冲击强度测试，配方 1 的冲击强度值为 0．30～0．33J/cm2，和配方 2 的冲击强度值为 0．25～0．30J/cm2，配方 3 和配方 4 的冲击强度值为 0．30～0．33J/cm2。试验结果表明，摩擦材料制成品的冲击强度都能够满足要求，纳凯夫纤维制品与石棉纤维制品的综合性质相当。

2.2 应用效果

盘式刹车片由于带有钢背板，所以不需要考虑材料冲击强度的问题，在应用纳凯夫纤维的过程中，以68型纳凯夫作为主体纤维，以18型纳凯夫作为半金属配方辅助纤维，其生产工艺已经较为成熟，从经济性方面考虑，使用纳凯夫纤维比使用昂贵有机纤维材料具有明显的价格优势。但鼓式刹车片与盘式刹车片不同，需要对纳凯夫材料在鼓式刹车片中的具体应用进行分析。具体配方为：（1）粘结剂-1的质量成分含量为16%，粘结剂-2的质量成分含量为3%。（2）68型纳凯夫的质量成分含量为35%，辅助纤维的质量成分含量为6%。（3）有机填料的质量成分含量为6%，无机填料的质量成分含量为20%。（4）增摩剂的质量成分含量为4%，减摩剂的质量成分含量为8%，脱模剂的质量成分含量为0．5%。（5）色料的质量成分含量为0．5%。

经DM-S试验机检测，制成品的冲击强度为0．30～0．33J/cm2。从装车路试情况来看，试验车型为CA151重型汽车，前轮9400N，后轮15000N，经过9500km行驶后，刹车片磨损度为1．0mm。从司机驾驶体验反馈情况来看，制动平稳，刹车灵敏，且无刹车噪音。经过拆检检测，刹车片表面光滑，摩擦膜完好。因此，应用增强纤维纳凯夫制作的鼓式刹车片可以满足刹车片应用需求，使用性能较好。

3 结语

综上所述，增强纤维纳凯夫的特性决定其可以成为石棉的代替品，成为摩擦材料制品的主纤维材料。通过对其增强特性和实际应用效果进行分析，可以得出结论，以增强纤维纳凯夫为主纤维材料的制品具有石棉制品相当的综合性能，能够满足鼓式刹车片的应用需求。