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海泡石及硅灰石纤维的矿物学特性及其在无石棉刹车片中的应用

由于石棉在环境问题上的争议,开发和研制无石棉刹车片是迫切和必要的。但要找到一种材料,在性能和成本上全面超过石棉纤维,目前可以说还没有。作为材料增强纤维必须具备的条件:①提高材料模量和结构刚度; ②改善材料耐疲劳性能,耐冲击,降低对缺口的敏感性; ③降低材料成本,减轻其自重; ④形貌应具有纤维或针状结构; ⑤从常温至400 ℃以内,热力学性能稳定,结构不会被破坏,有尽可能大的比表面积。我们对硅灰石、海泡石纤维的特性及其在摩擦材料中的应用,进行了研究。
1  海泡石
1.1 物化性能 

      海泡石是含结晶水的镁硅酸盐,具有链状过渡型特征,结构中存在着结合水、沸石水。结构水分布在其Mg2O(H2O) 层的边缘,而沸石水的数量及纤维的排列方式,随温度的升高和失水的多少而不同。海泡石在电镜下观察,呈纤维状或鳞片状、粒状(图1) ;晶体结构是八面体,填充在八面体位置上的Mg 原子可被Fe3+ 、Al3+、Ni2+ 和Na+ 离子类质同象替换。海泡石的晶胞排列,见图3 。海泡石在制作摩阻材料时,随热处理温度的升高,吸附水逐渐缓慢地失去,使其晶体发生初始折叠,体积缩小,从而提高了材料的气孔率。晶道孔隙结构的“分子筛”在860 ℃时,才会遭到破坏。虽然它在240 ℃以下脱去吸附水、430 ℃左右脱去一半结合水,但对材料的摩擦性能没有影响。由此可知,海泡石的热力学性能稳定。

1.2 界面效应 
       海泡石纤维具有高比表面积和孔隙度,据晶格模型计算,内外表面积分别为500m2/ g和400m2/ g 。这些特性能很好地吸附粘接剂,使两者之间发生范德华力物理吸附,表现出良好的浸润性。
1.3 物理力学性能 
       海泡石的微观形貌均呈纤维束状,束径为011~013μm ,平均011μm ,长径比为1∶60~100μm。通过与摩阻材料复合,能充分发挥基体强度,改善基体与界面的关系,提高材料的剪切强度,达到不连续纤维混杂效应的增强效果。材料因而密度小、硬度低、热传导低,制动噪音下降。


2  硅灰石
2.1  物化性能

      硅灰石是一种无穷链状的偏硅酸钙,其化学分子式为CaSiO3 。晶体结构上常有类质同象混入,如Fe 、Mn、Mg 等。晶体结构分析及其电镜图,见图1 。由图1 可知,它的宏观形态为放射状或纤维状的集合体;其晶体结构没有含水通道(图2) 。硅灰石本身无结合水或结构水,它的相转变温度为1200 ℃,常温至800 ℃的范围内热膨胀系数为6.15 ×10-6 ,莫氏硬度4~5 ,密度218 。由上可知,热性能能满足摩阻材料的要求。
2.2  界面效应 
      硅灰石纤维由于本身结构中不含水,表面形态呈针状,比表面积大,和树脂相容性好。据表面化学理论,物质表层上分子能量比其内部分子能量大,当两种物质接触形成界面时,就会发生降低表面能的吸附现象。所以,高比表面积与粘接剂之间发生以共价键为主的化学吸附,即Si-O-Si键的断键处与粘合剂活性官能团发生化学键合,类似低分子聚合反应发生在界面上,形成粘接力较强的界面效应区,赋予材料较高的结构强度。
2.3  物理力学强度 
      采用的硅灰石纤维一般为MW2A 型针状硅灰石,其长径比为10∶1 ,质脆、韧性差、抗冲击强度随用量增加而加大。硅灰石纤维自身增强效果不如与别的纤维混杂增强的效果好,但能满足刹车片使用要求。

 

3  海泡石、硅灰石纤维摩擦材料摩擦学性能实验
       非金属矿物纤维对制动系统的摩擦磨损性能的作用是:当它与金属表面产生高速滑动时,应考虑纤维的密集度、排列方式、基体与纤维的粘附、对环境的敏感性以及温度的作用等。通过以上分析,这两种纤维制备刹车片是可行的,并已得到实验验证。
       我们对不同温度下材料的摩擦系数、磨损率、冲击强度、硬度进行了试验。实验材料配比,见表1 ;其摩擦磨损性能,见表2 。


       实验结果表明,这两种纤维只要与其它材料合理搭配,是完全可以制备摩阻材料的。分析可知,树脂和纤维用量对刹车片的性能影响很大。纤维含量的增加,对降低材料的磨损和提高中低温摩擦系数,提高其冲击强度有显著作用。材料中纤维与填料的交互作用非常明显,海泡石型的摩擦系数略优于硅灰石型的,摩擦特性曲线也较平稳,这是由于硅灰石纤维本身结构不含水,摩擦特性不是缘自于“水气膜”,而是因纤维本身的大小以及与它形成集团颗粒的大小所致。
      硅灰石型的摩擦系数对速度的影响较小,冲击强度略差,硬度略高,但作为替代石棉的纤维有它自身的优点。硅灰石纤维稳定性好,表面温度可维持450 ℃左右,短时间内能承受800 ℃高温,热传导性低,由它制成的衬片有良好的耐久性,磨损小,制动过程噪音小;海泡石纤维制备的摩阻材料密度小,硬度低,可改善制动片与对偶的贴合面积;而其良好吸附性对摩擦表面层的“自洁”作用,则是其独特的摩擦特性。

4  结论
       海泡石和硅灰石纤维符合制备摩阻材料的基本条件,能开发出环境友好的无石棉摩阻材料。海泡石、硅灰石纤维价廉,但韧性比石棉稍差,使用中材料有时会出现热龟裂,如能解决热疲劳和热应力的影响,将会提高此类刹车片的使用寿命。
 

作者:郝华伟(南海市和顺奔路达汽车配件有限公司,广东南海 528241)


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