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一文了解摩擦材料中的20余種非金屬礦物原料
來源:中國粉體網 黑金 2018-02-27 16:45  點擊:
  
摩擦材料在運動機械和裝備中起傳動、制動、減速、駐車等作用,廣泛應用于汽車、火車、飛機、礦山、冶金、化工、電力、工程機械等,其中在汽車工業消耗量占80%以上。
 
 
 
摩擦材料是典型的復合材料,通常由粘結組分(橡膠或樹脂材料)、增強組分(有機或無機纖維)和填料組分(以礦物粉體為主)組成,其中礦物類原料既可發揮增強功能,也可起填料作用,且占比最大,對摩擦材料的性能以及使用效能的影響也最顯著,是摩擦工程領域重點關注的對象。
 
按摩擦材料中礦物原料的作用,可分為礦物增強原料、礦物增阻(增摩)原料和礦物減阻(減摩)原料。
 
一、摩擦材料中的礦物增強原料
 
摩擦材料中的增強材料主要賦予摩擦制品高的機械強度,使其能夠承受摩擦制品生產過程中機械加工所施加的負載力以及使用過程中由于制動所產生的沖擊力、剪切力、壓應力,避免發生斷裂和破損。
 
摩擦材料對增強材料的基本要求包括:增強效果顯著;耐熱性好;摩擦系數恰當且穩定;硬度適中;工藝可操作性好。用作增強材料的礦物通常是纖維狀礦物,主要有纖維狀海泡石、針柱狀硅灰石、纖水鎂石、石棉等。
 
海泡石
 
海泡石是一類富鎂的含水層鏈狀硅酸鹽礦物,有淋濾—熱液型和沉積型兩種成因,前者多呈纖維狀,后者多為細粒狀—片狀,用作摩擦增強材料的纖維狀海泡石屬于前者。
 
海泡石具有較大的比表面積具有強吸附能力,這使得其能與摩擦材料中的樹脂和填料產生很好的界面效應,在混合攪拌過程中能很好的吸收粘結劑,表現為良好的浸潤性,并能與填料均勻混合。此外海泡石的孔結構可以將高聚物粘結劑受熱分解產生的小分子氣體聚集在孔道內,而不是聚集在摩擦表面,有利于減少摩擦材料的熱衰退。
 
硅灰石
 
硅灰石是一種具有鏈狀結構的鈣硅酸鹽礦物。硅灰石作為摩擦材料中的增強礦物,由于其自身韌性較差,故增強作用不及其他纖維明顯,但與其他纖維混合使用時增強效果更好。
 
該礦物質地堅硬(硬度大),在摩擦材料中的添加量通常不超過15%,否則其產品使用過程中會產生較大噪音。這種礦物還具有增摩作用,對摩擦材料的常溫和高溫摩擦系數都有提高,且制品的摩擦系數隨其添加量的增加而提高。
 
水鎂石
 
水鎂石是具有層狀結構的氫氧化物礦物;纖水鎂石是水鎂石的纖維狀變種。纖水鎂石是天然無機纖維中抗堿性最優者,但在草酸、檸檬酸、乙酸、Al(OH)3溶液中可以部分被溶解,在強酸中可全部溶解;在潮濕或多雨氣候下,易受大氣中的CO2、H2O侵蝕,故其制品的表面需有防水保護層進行保護。纖水鎂石的許多物理性能與溫石棉類似,作為摩擦材料中的增強和阻燃組分具有良好表現,添加量最多達40%。
 
石棉
 
石棉是具有纖維結構、可以劈分成極細而又柔韌的纖維狀含羥基的鎂硅酸礦物的總稱。作為摩擦增強材料的石棉有藍石棉(角閃石石棉)和溫石棉(纖蛇紋石石棉)兩類,它們都是硅酸鹽礦物,但前者屬于鏈狀結構的閃石族,后者屬于層狀結構的蛇紋石類。
 
石棉良好的纖維柔韌性、好的化學穩定性以及優良的力學和熱學性能,是其作為摩擦增強材料的關鍵。此外,石棉摩擦材料具有耐高溫、摩擦系數高、硬度低、強度高、價格便宜等特點。
 
二、摩擦材料中的礦物增阻原料
 
增阻礦物原料大多具有較高的摩擦系數,同時具有較高的硬度(莫氏硬度在3~9)和剪切強度,主要發揮提高制品摩擦阻力和強度的作用。
 
重晶石
 
作為摩擦材料,重晶石的摩擦系數較高且穩定,磨耗小,摩擦噪音低;在高溫下能形成穩定的摩擦界面,可以防止摩擦副表面擦傷,使摩擦副表面更光潔。
 
螢石和冰晶石
 
螢石和冰晶石礦物學特征
 
 
雖然螢石和冰晶石的硬度不高,但它們作為摩擦材料都具有良好的增阻效果。特別是冰晶石,它分別在570、730和990℃存在明顯的相變或熔融吸熱反應,作為摩擦材料具有提高制品高溫穩定性的顯著作用。螢石熔體的粘度較低,對其他顆粒填料具有膠結作用,也可以提高摩擦材料的高溫耐磨性。
 
輝銻礦
 
輝銻礦屬于硫化物礦物,化學式:Sb2S3;在摩擦材料中,熔融后的Sb主要起粘結劑作用,可減少有機粘結劑用量。在盤式剎車片中添加硫化銻,可以降低樹脂用量以及摩擦系數的熱衰退,制品的高溫磨損率低,硬度較低,制動噪聲低。
 
 
赤鐵礦、磁鐵礦、鉻鐵礦、鈦鐵礦和金紅石
 
赤鐵礦、磁鐵礦、鉻鐵礦、鈦鐵礦和金紅石的礦物學特征
 
 
這幾種礦物的硬度都處于中等水平,它們具有提高摩擦制品摩擦性能的作用,但其表現不盡相同。赤鐵礦利于摩擦制品耐高溫性的保持,多用于重載汽車的鼓式剎車片,添加量<5%。磁鐵礦可提高制品的摩擦性能,并有著色作用,多用于盤式剎車片,添加量一般在4%~12%。鉻鐵礦具有較好的低溫和高溫增阻作用。金紅石可以提高摩擦制品的抗高溫粘附能力和抗磨能力。此外,這些礦物在自然界中廣泛分布,選礦提純工藝成熟,成本較低,也是它們作為摩擦材料的優勢。
 
鋯石與剛玉
 
鋯石與剛玉礦物學特征
 
 
研究發現,鋯石粒度和形貌會明顯影響摩擦性能,表現在:細顆粒鋯石的摩擦系數較粗顆粒大;在高溫下,粗顆粒鋯石的抗熱震性;大顆粒鋯石對摩擦副的磨損率大于小顆粒者。剛玉屬于氧化物礦物,不僅硬度高,其耐磨性能也好。化學性質穩定,常溫下不溶于水,不受酸堿腐蝕。
鋯石和剛玉都屬于硬質填料,少量添加即可產生良好的增阻效果,不僅摩擦系數高,且制動噪聲低。
 
蛭石
 
蛭石是一種具有層狀結構的含水鎂鋁硅酸鹽礦物。作為摩擦材料,膨脹蛭石有很好的吸音性能,可降低制動噪聲,可降低制品密度,常用于制備盤式剎車盤。
 
沸石
 
沸石是一族具有架狀結構的含水的堿或堿土金屬鋁硅酸鹽礦物,化學成分變化大。在摩擦材料中添加沸石,可以充分吸收高溫下樹脂熱分解釋放的氣態或液態水分子、摩擦產生的熱量以及噪聲,具有顯著降低熱衰退以及摩擦噪聲的作用。
 
硅藻土
 
硅藻土是一種生物成因的硅質沉積巖,主要由地質演化歷史時期形成的硅藻遺體組成。作為摩擦材料的填料,硅藻土可有效降低摩擦噪音和制品的熱衰退。
 
增阻(增摩)礦物(巖石)原料種類繁多,除上述重點介紹的幾種外,其他還包括長石類礦物、鋁礬土、石灰巖、白云巖等。增阻(增摩)礦物(巖石)原料的表面改性技術,是提高其在樹脂、橡膠等高分子基體中均勻分散并與基體材料有效結合的關鍵,也是該領域長期面臨的技術問題和重點研發方向。
 
三、摩擦材料中的礦物減阻原料
 
摩擦材料中使用的減阻(減摩)礦物填料主要是具有層狀結構、硬度較低的礦物,如石墨、輝鉬礦(MoS2)、滑石、蛇紋石和類水滑石等。其中,石墨、輝鉬礦、滑石已得到廣泛應用,而蛇紋石和類水滑石是極具應用前景的礦物減摩材料。
 
石墨
 
石墨是碳的結晶礦物之一。層狀結構,結構層由碳原子組成六方環,層內碳原子之間以共價鍵結合(強鍵),層之間以分子鍵為主(弱鍵),這決定了其礦物呈片狀形態和較低的硬度等特點。
 
石墨的摩擦系數在潤滑介質中<0.1,且鱗片越大,摩擦系數越小,潤滑性能越好。將石墨與Sb2S3搭配用作剎車片材料,摩擦穩定性會明顯提高。
 
滑石
 
滑石作為摩擦材料中的填料,能夠很好地吸附樹脂(與樹脂具有良好的結合能力),可以提高塊狀摩擦材料的強度,并具有明顯的減磨作用。但在970℃左右,滑石發生分解反應,生成3MgSiO4和SiO2混合體,可以提高摩擦材料的強度和硬度,表現出良好的增強、增阻作用。
 
輝鉬礦
 
輝鉬礦是層狀結構硫化物礦物。常溫下,輝鉬礦的剪切強度極低,摩擦系數低(0.03~0.15)。溫度高于350℃(空氣中)時,輝鉬礦將發生如下氧化反應,形成MoS3,并放出SO2氣體,質量損失率達20%,且摩擦系數升高。在惰性氣體保護下或真空中,輝鉬礦的摩擦系數開始明顯變大。因此,輝鉬礦常被用作高溫摩擦調節劑,但其價格高,多用于高檔摩擦材料制品中。
 
葉蛇紋石
 
葉蛇紋石是含羥基的層狀結構硅酸鹽礦物。葉蛇紋石納米層狀結構以及弱的層間結合力,使其表現出良好的潤滑性能。它在高溫下的相變產物(鎂橄欖石和頑輝石)具有高硬度和較高強度。高溫相變產生SiO2也對提高摩擦材料的強度具有促進作用。因此,葉蛇紋石作為摩擦材料在低溫和高溫階段都有良好表現,是優良的摩擦調節劑。同時,葉蛇紋石的硬度又明顯高于石墨、滑石、輝鉬礦等,其增強、減摩效果更好。
 
類水滑石
 
類水滑石,又稱類水滑石化合物或層狀雙金屬氫氧化物,是一種由帶正電荷的金屬氫氧化物層板和層間填充帶負電荷的陰離子構成的層狀化合物,具有強的吸附能力和結構記憶性能,作為催化材料、離子交換材料、吸附材料和環境材料等具有顯著的應用價值。
 
近年來,類水滑石作為減摩材料的研究受到高度重視,陸續開展了Mg-Al類水滑石、Co-Al類水滑石、Cu-Mg-Al類水滑石以及Ni-Mg-Al類水滑石減摩材料制備工藝及其摩擦性能評價,發現它們可以顯著降低Fe基摩擦副的摩擦系數、磨損和表面溫度。
 
小結
 
科學技術的進步促進了汽車工業的飛速發展,摩擦材料的工作條件越來越苛刻。摩擦材料正向少、無纖維型方向發展;高性能、環保型摩擦材料將會有廣闊的市場前景。未來對摩擦材料中的礦物原料的需求會逐漸增加,要求也會越來越高。這對礦物摩擦材料加工產業既是機遇,同時也是挑戰。


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