目前，國際上已禁止在摩擦材料中使用石棉纖維，取而代之的材料主要有無機(jī)晶須、天然植物纖維、礦物纖維和有機(jī)纖維等。
碳酸鈣晶須具有制備工藝較為簡單、可操作性強(qiáng)和成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，適合于大規(guī)模生產(chǎn)，且在使用過程中不會(huì)造成污染，屬于綠色環(huán)保型材料。碳酸鈣晶須具有良好的物理性能、力學(xué)性能、抗熱衰退與熱恢復(fù)性能以及較高的耐磨性、耐熱性，除此之外還具有優(yōu)異的高溫摩擦磨損性能。
碳酸鈣晶須在摩擦材料方面的應(yīng)用研究進(jìn)展：
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栗利濤等研究了碳酸鈣晶須在鼓式剎車片中的作用，并認(rèn)為當(dāng)加入碳酸鈣晶須的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時(shí)，純酚醛樹脂基摩擦材料的摩擦磨損性能最好；
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李鈞等發(fā)現(xiàn)，當(dāng)添加碳酸鈣晶須的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，PP/芳綸漿粕復(fù)合材料具有優(yōu)異的耐磨性能、拉伸性能、彎曲性能；
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林有希等通過研究碳酸鈣晶須含量對(duì)聚醚醚酮復(fù)合材料摩擦磨損性能的影響后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)添加碳酸鈣晶須的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時(shí)，復(fù)合材料具有最低的磨損量。
1碳酸鈣晶須增強(qiáng)橡膠基摩擦材料試驗(yàn)
隨摩擦復(fù)合材料的基體材料不同，則碳酸鈣晶須的最佳使用量就不同。采用半濕密煉工藝和熱壓成型方法制備碳酸鈣晶須增強(qiáng)橡膠基摩擦材料，并考察碳酸鈣晶須含量對(duì)其力學(xué)性能和摩擦磨損性能的影響。
表1 制備橡膠基摩擦材料的配方（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）
2碳酸鈣晶須對(duì)橡膠基摩擦材料性能的影響
（1）對(duì)物理與力學(xué)性能的影響
圖1 碳酸鈣晶須添加量對(duì)橡膠基摩擦材料硬度和密度的影響
由圖1可以看出，隨著碳酸鈣晶須添加量的增加，橡膠基摩擦材料的硬度呈遞減的趨勢(shì)，硬度降低的主要原因是碳酸鈣晶須長度僅為20-30μm，且其莫氏硬度較低，隨著晶須含量的增加，割裂了鋼纖維、其他纖維與黏結(jié)劑之間直接的結(jié)合，材料產(chǎn)生孔隙的可能性增大，使得晶須與黏結(jié)劑的結(jié)合性能下降。
隨著添加碳酸鈣晶須的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0增加至25%，橡膠基摩擦材料的密度呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)，且碳酸鈣晶須的添加量越大，密度下降的越明顯。這說明碳酸鈣晶須的添加量越多，造成的團(tuán)聚現(xiàn)象越明顯，晶須之間的間隙越大，故而密度越小。
圖2 碳酸鈣晶須添加量對(duì)橡膠基摩擦材料抗拉強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度的影響
利用二次回歸方程，對(duì)抗拉強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。由圖2可以看出，橡膠基摩擦材料的抗拉強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度均隨著碳酸鈣晶須添加量的增加而逐漸減小，且抗拉強(qiáng)度的變化比較平穩(wěn)。
碳酸鈣晶須含量高易造成團(tuán)聚，這是抗拉強(qiáng)度與沖擊強(qiáng)度隨著碳酸鈣晶須添加量增加而減小的原因。隨著碳酸鈣晶須添加量增加，其與黏結(jié)劑的結(jié)合性能降低，造成材料內(nèi)部的孔隙率逐漸增大，從而使抗拉強(qiáng)度與沖擊強(qiáng)度逐漸減小。因此，改善碳酸鈣晶須的表面潤濕性是提高摩擦材料力學(xué)性能的一種有效方法。
（2）對(duì)摩擦磨損性能的影響
圖3 碳酸鈣晶須添加量對(duì)橡膠基摩擦材料摩擦因數(shù)和磨損量的影響
由圖3（a）可以看出，當(dāng)制動(dòng)轉(zhuǎn)速為3300r/min時(shí)，隨著添加碳酸鈣晶須的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0增加至25%，橡膠基摩擦材料的摩擦因數(shù)先增大后降低，當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，摩擦因數(shù)達(dá)到最大值（0.44）。當(dāng)制動(dòng)轉(zhuǎn)速為4200r/min時(shí)，摩擦因數(shù)的變化趨勢(shì)與轉(zhuǎn)速為3300r/min時(shí)的基本相同，但曲線的變化更加平緩，當(dāng)添加碳酸鈣晶須的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，摩擦因數(shù)達(dá)到最大值（0.38）。當(dāng)制動(dòng)轉(zhuǎn)速為5400r/mm時(shí)，隨著添加碳酸鈣晶須的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0增加至25%，橡膠基摩擦材料摩擦因數(shù)的變化趨勢(shì)與前兩個(gè)轉(zhuǎn)速下的大致相同，即均隨碳酸鈣晶須添加量的增加而先增大再減小，但從整體來看，摩擦因數(shù)的變化同樣較為穩(wěn)定。
由圖3（b）可以看出，在不同的制動(dòng)轉(zhuǎn)速下，隨著碳酸鈣晶須添加量增加，橡膠基摩擦材料的磨損量均呈明顯下降的趨勢(shì)。高的碳酸鈣晶須含量會(huì)導(dǎo)致樹脂基摩擦材料整體的密度降低，孔隙度適宜，而氣孔對(duì)橡膠、樹脂等有機(jī)原料在高溫下分解出的分子具有吸附作用，加之碳酸鈣晶須本身具有較高的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，所以樹脂基摩擦材料的磨損量會(huì)隨著碳酸鈣晶須添加量的增加而降低。
此外隨著制動(dòng)轉(zhuǎn)速增大，磨損量逐漸增大。這是因?yàn)殡S著制動(dòng)轉(zhuǎn)速增大，摩擦后溫度升高，故工作溫度也是影響材料磨損量的重要因素之一。當(dāng)溫度達(dá)到有機(jī)黏結(jié)劑的分解溫度時(shí)，橡膠和樹脂會(huì)出現(xiàn)熱分解、碳化等現(xiàn)象，從而導(dǎo)致摩擦材料的磨損量增大，這種現(xiàn)象也被稱作“熱磨損”現(xiàn)象。
由于碳酸鈣晶須屬于單晶材料，其熱分解溫度為640°C，高溫性能穩(wěn)定，抗熱衰退與熱恢復(fù)性能較好，高溫摩擦磨損性能優(yōu)越，故在中高制動(dòng)轉(zhuǎn)速下的摩擦因數(shù)變化十分平穩(wěn)，這有效解決了摩擦材料的高溫?zé)崴ネ藛栴}。
對(duì)偶件的磨損情況也是摩擦材料研究中需要注意的問題。摩擦材料本身的性能優(yōu)異，但若對(duì)偶件的磨損過大也得不償失。由圖4可知，隨著添加碳酸鈣晶須的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加至10%及以上，對(duì)偶件的磨損量幾乎均低于0.05g，說明試驗(yàn)制備的樹脂基摩擦材料對(duì)偶件的損傷很小。
圖4 碳酸鈣晶須添加量對(duì)對(duì)偶件磨損量的影響
通過對(duì)碳酸鈣晶須增強(qiáng)橡膠基摩擦材料的力學(xué)性能和摩擦磨損性能進(jìn)行分析可以看出，當(dāng)添加碳酸鈣晶須的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時(shí)，摩擦材料的綜合性能最好。
（3）對(duì)磨損表面形貌的影響
圖5 不同橡膠基摩擦材料試樣磨損后的表面SEM形貌
從圖5中可以看出，碳酸鈣晶須在各試樣中均勻分布，通過右上角或左上角的局部放大圖可以看到，碳酸鈣晶須與黏結(jié)劑之間結(jié)合得并不緊密，有較大的空隙。正是由于碳酸鈣晶須與黏結(jié)劑之間結(jié)合得并不緊密，有空隙，才使得碳酸鈣晶須增強(qiáng)橡膠基摩擦材料的硬度、密度、沖擊強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等力學(xué)性能與非碳酸鈣晶須增強(qiáng)橡膠基摩擦材料的相比有所下降，而且隨著碳酸鈣晶須質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，碳酸鈣晶須增強(qiáng)橡膠基摩擦材料的力學(xué)性能下降得更大，進(jìn)一步證實(shí)了摩擦材料的性能測(cè)試結(jié)果。
另外，隨著碳酸鈣晶須添加量增大，在摩擦過程中碳酸鈣晶須裸露出表面的面積相對(duì)增大，由于碳酸鈣晶須具有較好的高溫?zé)岱€(wěn)定性，故而在制動(dòng)過程中充當(dāng)了“負(fù)荷傳遞”和“裂紋橋接”的作用，提高了摩擦因數(shù)的穩(wěn)定性。
3結(jié)論
（1）隨著碳酸鈣晶須添加量增大，橡膠基摩擦材料和對(duì)偶件的磨損量均逐漸減小，摩擦材料的摩擦因數(shù)而先增大后降低，當(dāng)加入碳酸鈣晶須的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，摩擦因數(shù)最大，為0.44；隨著制動(dòng)轉(zhuǎn)速增加，摩擦因數(shù)呈下降的趨勢(shì)。
（2）高含量的碳酸鈣晶須導(dǎo)致其與黏結(jié)劑之間的結(jié)合性能下降，從而使得摩擦材料具有較大的孔隙率，因此隨著碳酸鈣含量增加，摩擦材料的硬度、密度、沖擊強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度等力學(xué)性能都有所下降。
（3）制備的碳酸鈣晶須增強(qiáng)橡膠基摩擦材料的摩擦性能穩(wěn)定，碳酸鈣晶須的最佳加入量為15%。
資料來源：碳酸鈣晶須含量對(duì)橡膠基摩擦材料性能的影響，作者：文國富，王秀飛，尹彩流等
編輯：中國粉體技術(shù)網(wǎng)