摩擦材料是典型的復合材料,通常由粘結材料(橡膠或樹脂)、增強材料(有機或無機纖維)和填料(以礦物粉體為主)組成,其中礦物材料既可發揮增強功能,也可起填料作用,且占比最大,對摩擦材料使用效能的影響也最顯著,是摩擦工程領域重點關注的對象。
石英、長石、滑石、云母、螢石、硅藻土、重晶石、蛭石、沸石、冰晶石等等非金屬礦物是摩擦材料行業主要的增阻礦物材料,對摩擦材料的摩擦系數、磨損量、熱穩定性、強度等具有顯著影響。
1、常用的增阻礦物材料
礦物填料在摩擦材料中主要起調節摩擦系數、硬度、密度和密實度,同時改善制品的制動噪音,改變其外觀特征并降低成本的作用。
摩擦材料中常用作填料的非金屬礦物種類繁多,包括石英、長石、滑石、云母、蛭石、鋯石、沸石、蛇紋石、重晶石、石墨、白云石、石膏、菱鎂礦、剛玉、螢石、冰晶石等。此外,摩擦材料中也使用一些巖石填料,如陶土、硅藻土、石灰石、鋁礬土等。
?。?)重晶石
重晶石屬于硫酸鹽礦物,相對密度4.3-4.5g/cm3,是非金屬礦物中密度最大的礦種,具低磨損性,化學性質穩定,在高溫下具有非常低的質量損失和較低的熱膨脹率,在500-1300℃范圍內的質量損失率僅為0.5%,線性膨脹系數為20×10-6(1/℃)。
作為摩擦材料,重晶石的摩擦系數較高且穩定,磨耗小,摩擦噪音低;在高溫下能形成穩定的摩擦界面,可以防止摩擦副表面擦傷,使摩擦副表面更光潔。
我國是重晶石生產大國,生產量約占全球總產量的1/3。2014年,全球約生產重晶石915萬噸,其中約2.7%被用作礦物填料。
(2)螢石和冰晶石
螢石和冰晶石都屬于氟化物礦物,雖然其硬度不高,但作為摩擦填料都具有良好的增阻效果。特別是冰晶石,其分別在570℃、730℃和990℃存在明顯的相變或熔融吸熱反應,作為摩擦材料具有提高制品高溫穩定性的顯著作用。螢石熔體的粘度較低,對其他顆粒填料具有膠結作用,也可以提高摩擦材料的高溫耐磨性。
我國是螢石生產、消費與出口大國,每年的螢石生產量約400萬噸、國內消費量約600萬噸。
?。?)鋯石與剛玉
鋯石屬于島狀硅酸鹽礦物,其線性熱膨脹系數低至5.0×10-6(1/℃),且耐熱震動,穩定性良好;鋯石的抗壓強度高,易與其他填料以及有機或無機粘合劑相容,其次圓形外表僅需少量的粘合劑即可達到高強膠結,并獲得良好的光滑度。研究發現:鋯石粒度和形貌會明顯影響摩擦性能,表現在:細顆粒鋯石的摩擦系數較粗顆粒大;在高溫下,粗顆粒鋯石的抗熱震性;大顆粒鋯石對摩擦副的磨損率大于小顆粒者。
剛玉屬于氧化物礦物,不僅硬度高,其耐磨性能也好,研磨硬度是石英的8.33倍;剛玉的抗折強度很高,熱膨脹系數為5.4-6.2×10-6(1/℃),導熱性能良好。
鋯石和剛玉都屬于硬質填料,少量添加即可產生良好的增阻效果,不僅摩擦系數高,且制動噪聲低。
?。?)蛭石
蛭石是一種具有層狀結構的含水鎂鋁硅酸鹽礦物,膨脹蛭石不燃燒;在約1000℃高溫條件下使用,其性能不會改變;蛭石能經受多次凍融交替作用而不破壞,強度無明顯下降;膨脹蛭石能在-30℃的低溫下保持體積密度和強度不變,也不發生任何變形。
作為摩擦材料,膨脹蛭石有很好的吸音性能,可降低制動噪聲和制品密度,常用于制備盤式剎車盤。
研究發現,在汽車制動片中添加蛭石,時速在20-40km/h時,摩擦系數隨蛭石添加量增加而增大;時速在60-120km/h區間時,摩擦系數隨蛭石添加量增加呈現出先增加后減少的變化。添加5%-10%蛭石時,摩擦系數增高;蛭石添加量超過10%時,摩擦系數隨時速增大而降低。隨蛭石添加量增加,磨損率出現先降低后增加的變化。時速高于100km/h后,磨損率變化顯著。蛭石添加量在5%左右時,摩擦系數相對穩定,磨損率也較低。
?。?)沸石
沸石是一族具有架狀結構的含水的堿或堿土金屬鋁硅酸鹽礦物,在摩擦材料中添加沸石,可以充分吸收高溫下樹脂熱分解釋放的氣態或液態水分子、摩擦產生的熱量以及噪聲,具有顯著降低熱衰退以及摩擦噪聲的作用。
(6)硅藻土
硅藻土是一種生物成因的硅質沉積巖,作為摩擦材料的填料,硅藻土的吸水、吸熱特點突出,可有效降低摩擦噪音和制品的熱衰退。
增阻(增摩)礦物(巖石)原料種類繁多,除上述重點介紹的幾種外,其他還包括長石類礦物、鋁礬土、石灰巖、白云巖等。長石類礦物摩擦系數較高(0.6左右),增阻效果顯著,但需合理控制添加量和粒度,否則制品的制動噪音較高。石灰巖和白云巖作為增阻原料的最大優勢是其價格較便宜、來源廣泛。
2、增阻礦物材料的發展方向
目前,使用的增阻(增摩)礦物中,螢石、冰晶石等在高溫工況下具有良好的摩擦學表現,但它們在高溫下分解會釋放Cl2或SO2等對環境有一定污染的氣體,性能優異、環保、經濟價值好的增阻(增摩)礦物原料將是是未來發展的方向。
隨著我國逐步進入汽車社會以及工業化程度的提高,對高性能增阻(增摩)礦物原料的需求會逐漸增加,要求也會越來越高。這對礦物摩擦材料加工產業既是機遇,同時也是挑戰,未來該產業領域應該高度關注以下三個方面的問題。
(1)圍繞提高傳統礦物增阻材料性能和使用效能的目標,加快表面改性、粒度精準控制等新技術的研發以及裝備的技術配套與升級。
?。?)深化礦物摩擦增阻材料成分-結構-性能-使用效能內在關系及其綜合效益的分析研究,不斷發掘新的礦物增阻原料,最大程度地滿足摩擦材料領域對新材料的多樣化需求。
?。?)積極研發綜合功能好、增阻效果突出、環境友好的新材料及其加工技術,真正實現這一產業的綠色發展。
資料來源:摩擦材料中增阻礦物原料的作用及其機理
編輯整理:中國粉體技術網
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