海泡石及硅灰石纖維的礦物學(xué)特性及其在無石棉剎車片中的應(yīng)用

海泡石加工設(shè)備 立磨

    由于石棉在環(huán)境問題上的爭議，開發(fā)和研制無石棉剎車片是迫切和必要的。但要找到一種材料，在性能和成本上全面超過石棉纖維，目前可以說還沒有。作為材料增強(qiáng)纖維必須具備的條件：①提高材料模量和結(jié)構(gòu)剛度; ②改善材料耐疲勞性能,耐沖擊,降低對缺口的敏感性; ③降低材料成本,減輕其自重; ④形貌應(yīng)具有纖維或針狀結(jié)構(gòu); ⑤從常溫至400 ℃以內(nèi),熱力學(xué)性能穩(wěn)定,結(jié)構(gòu)不會被破壞,有盡可能大的比表面積。我們對硅灰石、海泡石纖維的特性及其在摩擦材料中的應(yīng)用,進(jìn)行了研究。

1 　海泡石

1.1 物化性能　

      海泡石是含結(jié)晶水的鎂硅酸鹽,具有鏈狀過渡型特征,結(jié)構(gòu)中存在著結(jié)合水、沸石水。結(jié)構(gòu)水分布在其Mg2O(H2O) 層的邊緣，而沸石水的數(shù)量及纖維的排列方式,隨溫度的升高和失水的多少而不同。海泡石在電鏡下觀察，呈纖維狀或鱗片狀、粒狀(圖1) ;晶體結(jié)構(gòu)是八面體,填充在八面體位置上的Mg 原子可被Fe3+ 、Al3+ 、Ni2+ 和Na+ 離子類質(zhì)同象替換。海泡石的晶胞排列，見圖3 。海泡石在制作摩阻材料時，隨熱處理溫度的升高,吸附水逐漸緩慢地失去，使其晶體發(fā)生初始折疊,體積縮小,從而提高了材料的氣孔率。晶道孔隙結(jié)構(gòu)的“分子篩”在860 ℃時，才會遭到破壞。雖然它在240 ℃以下脫去吸附水、430 ℃左右脫去一半結(jié)合水，但對材料的摩擦性能沒有影響。由此可知,海泡石的熱力學(xué)性能穩(wěn)定。

1.2 界面效應(yīng)　

       海泡石纖維具有高比表面積和孔隙度,據(jù)晶格模型計算，內(nèi)外表面積分別為500m2/ g和400m2/ g 。這些特性能很好地吸附粘接劑，使兩者之間發(fā)生范德華力物理吸附，表現(xiàn)出良好的浸潤性。

1.3 物理力學(xué)性能　

       海泡石的微觀形貌均呈纖維束狀,束徑為011～013μm ,平均011μm ,長徑比為1∶60～100μm。通過與摩阻材料復(fù)合,能充分發(fā)揮基體強(qiáng)度,改善基體與界面的關(guān)系,提高材料的剪切強(qiáng)度,達(dá)到不連續(xù)纖維混雜效應(yīng)的增強(qiáng)效果。材料因而密度小、硬度低、熱傳導(dǎo)低,制動噪音下降。

2 　硅灰石

2.1 　物化性能

      硅灰石是一種無窮鏈狀的偏硅酸鈣,其化學(xué)分子式為CaSiO3 。晶體結(jié)構(gòu)上常有類質(zhì)同象混入,如Fe 、Mn、Mg 等。晶體結(jié)構(gòu)分析及其電鏡圖,見圖1 。由圖1 可知,它的宏觀形態(tài)為放射狀或纖維狀的集合體;其晶體結(jié)構(gòu)沒有含水通道(圖2) 。硅灰石本身無結(jié)合水或結(jié)構(gòu)水,它的相轉(zhuǎn)變溫度為1200 ℃,常溫至800 ℃的范圍內(nèi)熱膨脹系數(shù)為6.15 ×10-6 ,莫氏硬度4～5 ,密度218 。由上可知,熱性能能滿足摩阻材料的要求。

2.2 　界面效應(yīng)　

      硅灰石纖維由于本身結(jié)構(gòu)中不含水,表面形態(tài)呈針狀,比表面積大,和樹脂相容性好。據(jù)表面化學(xué)理論,物質(zhì)表層上分子能量比其內(nèi)部分子能量大,當(dāng)兩種物質(zhì)接觸形成界面時,就會發(fā)生降低表面能的吸附現(xiàn)象。所以,高比表面積與粘接劑之間發(fā)生以共價鍵為主的化學(xué)吸附,即Si-O-Si鍵的斷鍵處與粘合劑活性官能團(tuán)發(fā)生化學(xué)鍵合,類似低分子聚合反應(yīng)發(fā)生在界面上,形成粘接力較強(qiáng)的界面效應(yīng)區(qū),賦予材料較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

2.3 　物理力學(xué)強(qiáng)度　

      采用的硅灰石纖維一般為MW2A 型針狀硅灰石,其長徑比為10∶1 ,質(zhì)脆、韌性差、抗沖擊強(qiáng)度隨用量增加而加大。硅灰石纖維自身增強(qiáng)效果不如與別的纖維混雜增強(qiáng)的效果好,但能滿足剎車片使用要求。

3 　海泡石、硅灰石纖維摩擦材料摩擦學(xué)性能實(shí)驗(yàn)

       非金屬礦物纖維對制動系統(tǒng)的摩擦磨損性能的作用是:當(dāng)它與金屬表面產(chǎn)生高速滑動時,應(yīng)考慮纖維的密集度、排列方式、基體與纖維的粘附、對環(huán)境的敏感性以及溫度的作用等。通過以上分析,這兩種纖維制備剎車片是可行的,并已得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

       我們對不同溫度下材料的摩擦系數(shù)、磨損率、沖擊強(qiáng)度、硬度進(jìn)行了試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)材料配比,見表1 ;其摩擦磨損性能,見表2 。

       實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,這兩種纖維只要與其它材料合理搭配,是完全可以制備摩阻材料的。分析可知,樹脂和纖維用量對剎車片的性能影響很大。纖維含量的增加,對降低材料的磨損和提高中低溫摩擦系數(shù),提高其沖擊強(qiáng)度有顯著作用。材料中纖維與填料的交互作用非常明顯,海泡石型的摩擦系數(shù)略優(yōu)于硅灰石型的,摩擦特性曲線也較平穩(wěn),這是由于硅灰石纖維本身結(jié)構(gòu)不含水,摩擦特性不是緣自于“水氣膜”,而是因纖維本身的大小以及與它形成集團(tuán)顆粒的大小所致。

      硅灰石型的摩擦系數(shù)對速度的影響較小,沖擊強(qiáng)度略差,硬度略高,但作為替代石棉的纖維有它自身的優(yōu)點(diǎn)。硅灰石纖維穩(wěn)定性好,表面溫度可維持450 ℃左右,短時間內(nèi)能承受800 ℃高溫,熱傳導(dǎo)性低,由它制成的襯片有良好的耐久性,磨損小,制動過程噪音小;海泡石纖維制備的摩阻材料密度小,硬度低,可改善制動片與對偶的貼合面積;而其良好吸附性對摩擦表面層的“自潔”作用,則是其獨(dú)特的摩擦特性。

4 　結(jié)論

       海泡石和硅灰石纖維符合制備摩阻材料的基本條件,能開發(fā)出環(huán)境友好的無石棉摩阻材料。海泡石、硅灰石纖維價廉,但韌性比石棉稍差,使用中材料有時會出現(xiàn)熱龜裂,如能解決熱疲勞和熱應(yīng)力的影響,將會提高此類剎車片的使用壽命。海泡石加工設(shè)備當(dāng)采用立磨機(jī)為宜，出粉細(xì)度適于制造解決熱疲勞和熱應(yīng)力剎車片，這是一個新型材料。隨著汽車擁有量的增加，此材料必會得到廣泛推廣。