海泡石及硅灰石纖維的礦物學特性及其在無石棉剎車片中的應用
海泡石加工設備 立磨
由于石棉在環境問題上的爭議，開發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。作為材料增強纖維必須具備的條件：①提高材料模量和結構剛度; 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形貌應具有纖維或針狀結構; ⑤從常溫至400 ℃以內,熱力學性能穩定,結構不會被破壞,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用,進行了研究。
1 海泡石
1.1 物化性能
海泡石是含結晶水的鎂硅酸鹽,具有鏈狀過渡型特征,結構中存在著結合水、沸石水。結構水分布在其Mg2O(H2O) 層的邊緣，而沸石水的數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) ;晶體結構是八面體,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。晶道孔隙結構的“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,海泡石的熱力學性能穩定。
1.2 界面效應
海泡石纖維具有高比表面積和孔隙度,據晶格模型計算，內外表面積分別為500m2/ g和400m2/ g 。這些特性能很好地吸附粘接劑，使兩者之間發生范德華力物理吸附，表現出良好的浸潤性。
1.3 物理力學性能
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。通過與摩阻材料復合,能充分發揮基體強度,改善基體與界面的關系,提高材料的剪切強度,達到不連續纖維混雜效應的增強效果。材料因而密度小、硬度低、熱傳導低,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,其化學分子式為CaSiO3 。晶體結構上常有類質同象混入,如Fe 、Mn、Mg 等。晶體結構分析及其電鏡圖,見圖1 。由圖1 可知,它的宏觀形態為放射狀或纖維狀的集合體;其晶體結構沒有含水通道(圖2) 。硅灰石本身無結合水或結構水,它的相轉變溫度為1200 ℃,常溫至800 ℃的范圍內熱膨脹系數為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
硅灰石纖維由于本身結構中不含水,表面形態呈針狀,比表面積大,和樹脂相容性好。據表面化學理論,物質表層上分子能量比其內部分子能量大,當兩種物質接觸形成界面時,就會發生降低表面能的吸附現象。所以,高比表面積與粘接劑之間發生以共價鍵為主的化學吸附,即Si-O-Si鍵的斷鍵處與粘合劑活性官能團發生化學鍵合,類似低分子聚合反應發生在界面上,形成粘接力較強的界面效應區,賦予材料較高的結構強度。
2.3 物理力學強度
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 ,質脆、韌性差、抗沖擊強度隨用量增加而加大。硅灰石纖維自身增強效果不如與別的纖維混雜增強的效果好,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性能實驗
非金屬礦物纖維對制動系統的摩擦磨損性能的作用是:當它與金屬表面產生高速滑動時,應考慮纖維的密集度、排列方式、基體與纖維的粘附、對環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,并已得到實驗驗證。
我們對不同溫度下材料的摩擦系數、磨損率、沖擊強度、硬度進行了試驗。實驗材料配比,見表1 ;其摩擦磨損性能,見表2 。
實驗結果表明,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,提高其沖擊強度有顯著作用。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略優于硅灰石型的,摩擦特性曲線也較平穩,這是由于硅灰石纖維本身結構不含水,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顆粒的大小所致。
硅灰石型的摩擦系數對速度的影響較小,沖擊強度略差,硬度略高,但作為替代石棉的纖維有它自身的優點。硅灰石纖維穩定性好,表面溫度可維持450 ℃左右,短時間內能承受800 ℃高溫,熱傳導性低,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,則是其獨特的摩擦特性。
4 結論
海泡石和硅灰石纖維符合制備摩阻材料的基本條件,能開發出環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熱龜裂,如能解決熱疲勞和熱應力的影響,將會提高此類剎車片的使用壽命。海泡石加工設備當采用立磨機為宜，出粉細度適于制造解決熱疲勞和熱應力剎車片，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。