礦物材料具有無毒、耐熱性及化學穩定性好、無污染等優異的物理化學性質,且部分材料具有天然的纖維狀、層狀等特殊形貌結構,對摩擦材料的性能具有顯著影響,是當前摩擦科學和工程領域關注的重點對象。
目前,摩擦材料用礦物材料主要包括:石墨、滑石、云母、硅灰石、重晶石、海泡石、膨脹蛭石、水鎂石、鋯石、剛玉、沸石、硅藻土、輝鉬礦、葉蛇紋石、類水滑石等。
1、石墨
石墨是摩擦材料中最常用的層狀減摩調控礦物材料,是樹脂基摩擦材料中必不可少的摩擦性能調節劑,不僅可以維持摩擦材料高而穩定的摩擦系數、良好的導熱性能、降低其磨損率,還可以加速分散復合材料表面的摩擦熱,提高摩擦材料的熱穩定性。石墨與Sb2S3結合使用時,對摩擦材料的摩擦穩定性及抗熱衰退性能效果更佳。
2、滑石
滑石是層狀結構的硅酸鹽礦物,作為摩擦材料中礦物減摩調控填料,具有明顯的減摩效果,另外它與樹脂具有良好的粘合能力,也可以提高塊狀樹脂基摩擦材料的強度。
3、云母
云母粉在摩擦材料表面易形成潤滑性能良好的固體潤滑膜,有利于提高材料的耐磨性能。
4、硅灰石
硅灰石具有針狀特性及低熱膨脹性、優良的抗熱沖擊性,是短纖維石棉的理想代用品。高摩擦系數硅灰石替代石棉制備的摩擦材料主要應用在剎車片、閥塞、汽車離合器等領域。針狀硅灰石粉部分取代石棉的制動補片綜合性能良好。
粉末狀的硅灰石可以提高復合材料的摩擦系數并降低磨損率,纖維狀的硅灰石有助于復合材料形成光滑的接觸平臺,減少磨損。
5、重晶石
重晶石作為摩擦材料用礦物增摩調控材料,不僅能夠提高和穩定摩擦系數,還能降低磨損和制動噪音。重晶石在高溫下能夠形成相對穩定的摩擦界面,可防止摩擦對制動盤表面的擦傷,使摩擦副表面更加光潔。
6、海泡石
海泡石是一種富鎂的纖維狀硅酸鹽粘土礦物,在摩擦材料中加入海泡石膠體代替石棉作增強基料,可使其具有韌性好,抗拉和抗彎度大,沖擊強度高,抗高溫衰退性好,磨損小,特別是高溫磨損小。
7、蛭石
膨脹蛭石憑借其優異的物理化學性能以及無污染的特點,可以作為降噪減震和環保的礦物調控原料用于摩擦材料中。特別是在盤式制動片中,膨脹蛭石可以明顯地降低制動噪聲和制品密度,減少摩擦材料制品表面的靜電粘結物,并增加制品彈性。
8、水鎂石
具有板狀晶形的水鎂石結構發生畸變時會變成纖維狀的水鎂石纖維。水鎂石纖維具有撓性和柔性,彈性模量為13800MPa,抗拉強度約為900MPa,屬于中等強度纖維材料。因其含有一定量的結晶水,在阻燃、抵抗明火和耐高溫火焰方面作用顯著。水鎂石纖維在天然礦物纖維中的抗堿性能最優,但抗酸性能差,易受酸雨等惡劣天氣影響。水鎂石纖維易研磨成細粒,在摩擦材料中的添加量最多可達40%。并且水鎂石纖維的許多物理性能與溫石棉類似,作為摩擦材料中的增強和阻燃組分具有良好的表現。
9、鋯石和剛玉
鋯石和剛玉的硬度很大,屬于硬質填料,增摩效果良好。在摩擦材料中添加少量鋯石或剛玉,就可發揮良好的增摩效果,并且制動噪聲也較低。
10、沸石和硅藻土
作為摩擦材料用礦物摩擦性能調控原料,沸石和硅藻土具有優異的吸附性能,可以充分吸收制品在高溫下分解的小分子物質(氣態或液態水分子)、制動摩擦時在摩擦副表面產生的熱量以及制動噪音,能明顯改善熱衰退造成的不利影響并降低摩擦噪聲。
11、輝鉬礦
輝鉬礦是層狀結構的硫化物礦物,化學式為MoS2。常溫下,輝鉬礦的摩擦系數低(0.03~0.15);溫度高于350℃時,會在空氣氛圍中氧化分解生成MoS3和SO2氣體,導致摩擦系數增大。因此,輝鉬礦常被用作高溫增摩調節劑。但是輝鉬礦價格昂貴,作為摩擦性能調節劑多用于高檔摩擦材料制品中。
12、葉蛇紋石
葉蛇紋石在高溫下的相變產物鎂橄欖石(在793℃)和頑輝石+鎂橄欖石(在831℃)在摩擦材料中具有增強和減摩的作用。近年來,葉蛇紋石(含羥基的層狀結構硅酸鹽礦物)與橡膠或者樹脂制成的復合減摩材料開始被嘗試用于鐵路輪軌減摩-修復領域,效果良好。
13、類水滑石
類水滑石作為層狀雙金屬氫氧化物,在對摩擦材料進行減摩調控方面也受到了越來越多的關注。類水滑石具有明顯的熱失重和吸熱反應,可以吸收摩擦熱。在高溫下,類水滑石發生相變,逐漸向尖晶石類礦物轉變,對摩擦材料制品的物理力學性能具有增強作用。類水滑石作為潤滑減摩、修復調控材料具有良好的應用前景。
參考資料:[1] 趙曉光,歐陽靜,張毅,等.礦物基摩擦材料的研究進展[J].材料導報,2019,33(6):1860-1868.
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