玄武岩纤维汽车刹车片摩擦材料研究

秦永利1吴敏勇2王瑾3

2湖北汇尔杰玄武岩纤维有限公司湖北襄阳441000

3武汉元丰摩擦材料有限公司湖北黄冈438000

摘要：本文研究了玄武岩纤维形态对混料的影响，并研究了玄武岩纤维含量对摩擦系数和磨损量的影响。结果表明选用集束型短切玄武岩纤维有利于改善混料结团问题。随着玄武岩纤维含量的增加，试样的摩擦系数逐渐增大，而试样的磨损量先略微减小后增加。综合考虑对摩擦系数和磨损量的影响，在本文基础配方条件下，玄武岩纤维最佳添加比例为2~6%。

关键词：玄武岩纤维；摩擦材料；刹车片

引言：目前，玄武岩矿物纤维替代石棉已被广泛应用于刹车片摩擦材料。玄武岩矿物纤维是以玄武岩矿石为主要原材料，在1450℃以上高温熔化后采用四轴离心机高速离心成纤维。国内厂家由于不能精密控制纤维长径比和渣球含量，产品稳定性较差，因此高端市场主要被国外Lapinus®纤维有限公司的产品所垄断。

短切玄武岩纤维是以玄武岩矿石为主要原材料，在1450~1500℃高温熔化后通过铂铑合金拉丝漏板快速拉制成连续纤维，然后根据用途切成一定长度。短切玄武岩纤维制备过程中无渣球产生，纤维直径、长度可调节，产品稳定性好。短切玄武岩纤维应用于刹车片摩擦材料领域具有以下优点：（1）强度高，增强效果好；（2）热稳定性好，有利于解决热衰退问题；（3）绿色环保，耐腐蚀性能优异；（4）价格适宜，性价比高。

国内外学者对短切玄武岩短切纤维应用于刹车片摩擦材料有一些探索性的研究，并取得了一些初步的研究成果[1~8]。本文采用国产短切玄武岩纤维作为增强材料，针对汽车刹车片摩擦材料的技术要求开展应用研究。

1 实验部分

1.1 原材料及实验配方

表1 原材料及实验配方如下

序号	原材料	规格	配方1	配方2	配方3	配方4	配方5
1	玄武岩纤维	/	0	2	4	6	8
2	钢纤维	/	30	30	30	30	30
3	芳纶浆粕	/	1	1	1	1	1
4	酚醛树脂	/	5	5	5	5	5
5	丁腈橡胶	/	4	4	4	4	4
6	白氧化铝	325目	4	4	4	4	4
7	人造石墨	/	20	20	20	20	20
8	氧化镁	325目	4	4	4	4	4
9	硫化铁	325目	4	4	4	4	4
10	硫酸钡	325目	28	26	24	22	20

1.2 实验设备及工艺

主要实验设备:高速混料机，自制；平板硫化机（装载模具），最大压力100吨；鼓风烘箱，最高温度250℃。

制备工艺如下: 按表1所示配比称量原材料，混料时先将其他料加入高速混料机混90s，再将短切玄武岩纤维加入混15s; 称量适量的混合料加入模腔进行模压制样，工艺参数为温度160±10℃，压力7.5MPa，保压时间420s；将模压好的刹车片样品放入烘箱进行后固化，后固化工艺为升温至120℃保温1h，升温至160℃保温2h，再次升温180℃保温2h，最后升温至200℃保温2h后取出。

1.3 测试设备及性能测试

测试设备：HY209A型制动片摩擦性能试验机。

测试标准：按照国标GB/T 34007-2017进行盘式制动器摩擦衬片克劳斯摩擦试验。

2 结果与讨论

2.1 玄武岩纤维形态对混料的影响

实验中通过机械搅拌分散的方式进行干法混料，对加料顺序和混料时间进行调控，发现加入短切玄武岩纤维混料时容易产生结团现象。因此对比研究了短切玄武岩纤维形态（即纤维松散程度）对混料的影响，实验情况如图1所示。混料实验结果表明，松散型短切玄武岩纤维在混料时结团严重，而集束型短切玄武岩纤维混料时在其它组分中分散良好，基本无结团现象。

图1 不同形态短切玄武岩纤维混料效果

2.2 玄武岩纤维含量对摩擦系数的影响

研究短切玄武岩纤维添加量为0%，2%，4%，6%，8%对汽车刹车片摩擦材料摩擦系数的影响，实验结果如图2所示。

图2 不同玄武岩纤维含量试样的摩擦系数

从图2可以看出未添加玄武岩纤维的试样摩擦系数最低，随着玄武岩纤维含量的增加试样的摩擦系数逐渐增大。因为玄武岩纤维的主要成分为莫氏硬度较大的SiO2、Al2O3等，加入的短切玄武岩纤维除了起到增强作用外，同时也是一种增摩填料，玄武岩纤维含量增加，相当于分布在材料表面的SiO2、Al2O3等越多，因此摩擦系数越大。此外，图2结果也表明了在本文基础配方条件下，玄武岩纤维含量为2~6%时，摩擦系数较为符合汽车刹车片摩擦材料技术要求。

2.3 玄武岩纤维含量对摩损性能的影响

不同玄武岩纤维含量的试样磨损量如表2所示。

表2 不同玄武岩纤维含量试样的磨损量

纤维含量（%）	0	2	4	6	8
厚度磨损（%）	0.9	0.8	0.9	1.2	1.8
质量磨损（%）	1.1	1.0	1.2	1.5	2.1

由表2可知，随着玄武岩纤维含量的增加，试样的磨损量先略微减小后增加。当玄武岩纤维含量为0~6％时，磨损量均不超过1.5%，满足汽车刹车片磨损量技术要求。当玄武岩纤维含量从6％增加到8％时，磨损量急剧上升。可能是因为玄武岩纤维含量超过了临界值，摩擦过程中断裂的玄武岩纤维起到了磨料作用，使摩擦材料的磨损形式由原来的单一粘着磨损转变为粘着磨损与磨粒磨损复合的磨损形式，从而增加了磨损量。

3 结论

（1）松散型短切玄武岩纤维在混料时容易结团，选用集束型短切玄武岩纤维则有利于改善混料结团问题。

（2）随着玄武岩纤维含量的增加，试样的摩擦系数逐渐增大，而试样的磨损量先略微减小后增加。综合考虑对摩擦系数和磨损量的影响，在本文基础配方条件下，玄武岩纤维最佳添加比例为2~6%。

参考文献

[1] Ashok Kumar I., Jeya Kumar A. A.,Prakash, M. Thermal Characterization of Flax/Basalt Fiber Reinforced Phenol Resin Brake Pad Material: Effective Replacement of Asbestos, Journal of Natural Fibers, 2021, 18, 1384-1394.

[2] Moses A. J., Babu A. S.,Kumar S. A., Analysis of physical properties and wear behavior of phenol formaldehyde–Basalt fiber reinforced brake pad. Materials Today: Proceedings, 2020, 33, 1128-1132.

[3] Zhao, X., Ouyang, J., Yang, H., et al. Effect of Basalt Fibers for Reinforcing Resin-Based Brake Composites. Minerals, 2020, 10, 490.

[4] 熊松炉，陈阳，李振伟，等．玄武岩纤维用于国内摩擦材料的可行性研究［J］．玻璃纤维，2005(6):5-7．

[5] 黄四平, 于占江, 王晓芳, 等. 玄武岩纤维与玻璃纤维对汽车摩擦材料性能影响. 合成材料老化与应用, 2017, 46, 35-39.

[6] 赵世海, 蒋秀明, 淮旭国, 等. 玄武岩纤维增强酚醛树脂基摩擦材料的摩擦磨损性能. 机械工程材料, 2010, 34, 52-55.

[7] 王宏亮. 玄武岩纤维增强聚苯硫醚复合材料摩擦磨损性能的研究. 中国塑料, 2013, 27, 42-44.

[8] 龙春光, 刘成河, 谌磊, 等. 玄武岩短纤维增强聚甲醛复合材料的力学性能和摩擦学性能. 长沙理工大学学报(自然科学版), 2016, 13, 87-92.