中材装备制造 高岭土公司
技术装备研发 装备制
一文了解摩擦材料中的20余种非金属矿物原料
来源:中国粉体网 黑金 2018-02-27 16:45  点击:
  
摩擦材料在运动机械和装备中起传动、制动、减速、驻车等作用,广泛应用于汽车、火车、飞机、矿山、冶金、化工、电力、工程机械等,其中在汽车工业消耗量占80%以上。
 
 
 
摩擦材料是典型的复合材料,通常由粘结组分(橡胶或树脂材料)、增强组分(有机或无机纤维)和填料组分(以矿物粉体为主)组成,其中矿物类原料既可发挥增强功能,也可起填料作用,且占比最大,对摩擦材料的性能以及使用效能的影响也最显著,是摩擦工程领域重点关注的对象。
 
按摩擦材料中矿物原料的作用,可分为矿物增强原料、矿物增阻(增摩)原料和矿物减阻(减摩)原料。
 
一、摩擦材料中的矿物增强原料
 
摩擦材料中的增强材料主要赋予摩擦制品高的机械强度,使其能够承受摩擦制品生产过程中机械加工所施加的负载力以及使用过程中由于制动所产生的冲击力、剪切力、压应力,避免发生断裂和破损。
 
摩擦材料对增强材料的基本要求包括:增强效果显著;耐热性好;摩擦系数恰当且稳定;硬度适中;工艺可操作性好。用作增强材料的矿物通常是纤维状矿物,主要有纤维状海泡石、针柱状硅灰石、纤水镁石、石棉等。
 
海泡石
 
海泡石是一类富镁的含水层链状硅酸盐矿物,有淋滤—热液型和沉积型两种成因,前者多呈纤维状,后者多为细粒状—片状,用作摩擦增强材料的纤维状海泡石属于前者。
 
海泡石具有较大的比表面积具有强吸附能力,这使得其能与摩擦材料中的树脂和填料产生很好的界面效应,在混合搅拌过程中能很好的吸收粘结剂,表现为良好的浸润性,并能与填料均匀混合。此外海泡石的孔结构可以将高聚物粘结剂受热分解产生的小分子气体聚集在孔道内,而不是聚集在摩擦表面,有利于减少摩擦材料的热衰退。
 
硅灰石
 
硅灰石是一种具有链状结构的钙硅酸盐矿物。硅灰石作为摩擦材料中的增强矿物,由于其自身韧性较差,故增强作用不及其他纤维明显,但与其他纤维混合使用时增强效果更好。
 
该矿物质地坚硬(硬度大),在摩擦材料中的添加量通常不超过15%,否则其产品使用过程中会产生较大噪音。这种矿物还具有增摩作用,对摩擦材料的常温和高温摩擦系数都有提高,且制品的摩擦系数随其添加量的增加而提高。
 
水镁石
 
水镁石是具有层状结构的氢氧化物矿物;纤水镁石是水镁石的纤维状变种。纤水镁石是天然无机纤维中抗碱性最优者,但在草酸、柠檬酸、乙酸、Al(OH)3溶液中可以部分被溶解,在强酸中可全部溶解;在潮湿或多雨气候下,易受大气中的CO2、H2O侵蚀,故其制品的表面需有防水保护层进行保护。纤水镁石的许多物理性能与温石棉类似,作为摩擦材料中的增强和阻燃组分具有良好表现,添加量最多达40%。
 
石棉
 
石棉是具有纤维结构、可以劈分成极细而又柔韧的纤维状含羟基的镁硅酸矿物的总称。作为摩擦增强材料的石棉有蓝石棉(角闪石石棉)和温石棉(纤蛇纹石石棉)两类,它们都是硅酸盐矿物,但前者属于链状结构的闪石族,后者属于层状结构的蛇纹石类。
 
石棉良好的纤维柔韧性、好的化学稳定性以及优良的力学和热学性能,是其作为摩擦增强材料的关键。此外,石棉摩擦材料具有耐高温、摩擦系数高、硬度低、强度高、价格便宜等特点。
 
二、摩擦材料中的矿物增阻原料
 
增阻矿物原料大多具有较高的摩擦系数,同时具有较高的硬度(莫氏硬度在3~9)和剪切强度,主要发挥提高制品摩擦阻力和强度的作用。
 
重晶石
 
作为摩擦材料,重晶石的摩擦系数较高且稳定,磨耗小,摩擦噪音低;在高温下能形成稳定的摩擦界面,可以防止摩擦副表面擦伤,使摩擦副表面更光洁。
 
萤石和冰晶石
 
萤石和冰晶石矿物学特征
 
 
虽然萤石和冰晶石的硬度不高,但它们作为摩擦材料都具有良好的增阻效果。特别是冰晶石,它分别在570、730和990℃存在明显的相变或熔融吸热反应,作为摩擦材料具有提高制品高温稳定性的显著作用。萤石熔体的粘度较低,对其他颗粒填料具有胶结作用,也可以提高摩擦材料的高温耐磨性。
 
辉锑矿
 
辉锑矿属于硫化物矿物,化学式:Sb2S3;在摩擦材料中,熔融后的Sb主要起粘结剂作用,可减少有机粘结剂用量。在盘式刹车片中添加硫化锑,可以降低树脂用量以及摩擦系数的热衰退,制品的高温磨损率低,硬度较低,制动噪声低。
 
 
赤铁矿、磁铁矿、铬铁矿、钛铁矿和金红石
 
赤铁矿、磁铁矿、铬铁矿、钛铁矿和金红石的矿物学特征
 
 
这几种矿物的硬度都处于中等水平,它们具有提高摩擦制品摩擦性能的作用,但其表现不尽相同。赤铁矿利于摩擦制品耐高温性的保持,多用于重载汽车的鼓式刹车片,添加量<5%。磁铁矿可提高制品的摩擦性能,并有着色作用,多用于盘式刹车片,添加量一般在4%~12%。铬铁矿具有较好的低温和高温增阻作用。金红石可以提高摩擦制品的抗高温粘附能力和抗磨能力。此外,这些矿物在自然界中广泛分布,选矿提纯工艺成熟,成本较低,也是它们作为摩擦材料的优势。
 
锆石与刚玉
 
锆石与刚玉矿物学特征
 
 
研究发现,锆石粒度和形貌会明显影响摩擦性能,表现在:细颗粒锆石的摩擦系数较粗颗粒大;在高温下,粗颗粒锆石的抗热震性;大颗粒锆石对摩擦副的磨损率大于小颗粒者。刚玉属于氧化物矿物,不仅硬度高,其耐磨性能也好。化学性质稳定,常温下不溶于水,不受酸碱腐蚀。
锆石和刚玉都属于硬质填料,少量添加即可产生良好的增阻效果,不仅摩擦系数高,且制动噪声低。
 
蛭石
 
蛭石是一种具有层状结构的含水镁铝硅酸盐矿物。作为摩擦材料,膨胀蛭石有很好的吸音性能,可降低制动噪声,可降低制品密度,常用于制备盘式刹车盘。
 
沸石
 
沸石是一族具有架状结构的含水的碱或碱土金属铝硅酸盐矿物,化学成分变化大。在摩擦材料中添加沸石,可以充分吸收高温下树脂热分解释放的气态或液态水分子、摩擦产生的热量以及噪声,具有显著降低热衰退以及摩擦噪声的作用。
 
硅藻土
 
硅藻土是一种生物成因的硅质沉积岩,主要由地质演化历史时期形成的硅藻遗体组成。作为摩擦材料的填料,硅藻土可有效降低摩擦噪音和制品的热衰退。
 
增阻(增摩)矿物(岩石)原料种类繁多,除上述重点介绍的几种外,其他还包括长石类矿物、铝矾土、石灰岩、白云岩等。增阻(增摩)矿物(岩石)原料的表面改性技术,是提高其在树脂、橡胶等高分子基体中均匀分散并与基体材料有效结合的关键,也是该领域长期面临的技术问题和重点研发方向。
 
三、摩擦材料中的矿物减阻原料
 
摩擦材料中使用的减阻(减摩)矿物填料主要是具有层状结构、硬度较低的矿物,如石墨、辉钼矿(MoS2)、滑石、蛇纹石和类水滑石等。其中,石墨、辉钼矿、滑石已得到广泛应用,而蛇纹石和类水滑石是极具应用前景的矿物减摩材料。
 
石墨
 
石墨是碳的结晶矿物之一。层状结构,结构层由碳原子组成六方环,层内碳原子之间以共价键结合(强键),层之间以分子键为主(弱键),这决定了其矿物呈片状形态和较低的硬度等特点。
 
石墨的摩擦系数在润滑介质中<0.1,且鳞片越大,摩擦系数越小,润滑性能越好。将石墨与Sb2S3搭配用作刹车片材料,摩擦稳定性会明显提高。
 
滑石
 
滑石作为摩擦材料中的填料,能够很好地吸附树脂(与树脂具有良好的结合能力),可以提高块状摩擦材料的强度,并具有明显的减磨作用。但在970℃左右,滑石发生分解反应,生成3MgSiO4和SiO2混合体,可以提高摩擦材料的强度和硬度,表现出良好的增强、增阻作用。
 
辉钼矿
 
辉钼矿是层状结构硫化物矿物。常温下,辉钼矿的剪切强度极低,摩擦系数低(0.03~0.15)。温度高于350℃(空气中)时,辉钼矿将发生如下氧化反应,形成MoS3,并放出SO2气体,质量损失率达20%,且摩擦系数升高。在惰性气体保护下或真空中,辉钼矿的摩擦系数开始明显变大。因此,辉钼矿常被用作高温摩擦调节剂,但其价格高,多用于高档摩擦材料制品中。
 
叶蛇纹石
 
叶蛇纹石是含羟基的层状结构硅酸盐矿物。叶蛇纹石纳米层状结构以及弱的层间结合力,使其表现出良好的润滑性能。它在高温下的相变产物(镁橄榄石和顽辉石)具有高硬度和较高强度。高温相变产生SiO2也对提高摩擦材料的强度具有促进作用。因此,叶蛇纹石作为摩擦材料在低温和高温阶段都有良好表现,是优良的摩擦调节剂。同时,叶蛇纹石的硬度又明显高于石墨、滑石、辉钼矿等,其增强、减摩效果更好。
 
类水滑石
 
类水滑石,又称类水滑石化合物或层状双金属氢氧化物,是一种由带正电荷的金属氢氧化物层板和层间填充带负电荷的阴离子构成的层状化合物,具有强的吸附能力和结构记忆性能,作为催化材料、离子交换材料、吸附材料和环境材料等具有显著的应用价值。
 
近年来,类水滑石作为减摩材料的研究受到高度重视,陆续开展了Mg-Al类水滑石、Co-Al类水滑石、Cu-Mg-Al类水滑石以及Ni-Mg-Al类水滑石减摩材料制备工艺及其摩擦性能评价,发现它们可以显著降低Fe基摩擦副的摩擦系数、磨损和表面温度。
 
小结
 
科学技术的进步促进了汽车工业的飞速发展,摩擦材料的工作条件越来越苛刻。摩擦材料正向少、无纤维型方向发展;高性能、环保型摩擦材料将会有广阔的市场前景。未来对摩擦材料中的矿物原料的需求会逐渐增加,要求也会越来越高。这对矿物摩擦材料加工产业既是机遇,同时也是挑战。


对技术是否有兴趣?
  有兴趣,只是了解。
  有兴趣,希望合作。
  没兴趣。
    

相关文章

交通路线

苏州中材非矿设计研究院