碳酸鈣晶須對橡膠基摩擦材料性能的影響
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造成污染, 屬于綠色環(huán)保型材料。而且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，在水泥、造紙等行業(yè)應(yīng)用廣泛。目前, 已有人針對碳酸鈣晶須在摩擦材料方面的應(yīng)用進(jìn)行了研究,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，純酚醛樹脂基摩擦材料的摩擦磨損性能最好；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，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；林有希等通過研究碳酸鈣晶須含量對聚醚醚酮復(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，復(fù)合材料具有最低的磨損量。 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。為了得到橡膠基摩擦材料中碳酸鈣晶須的最佳添加量, 采用半濕密煉工藝和熱壓成型方法制備了碳酸鈣晶須增強(qiáng)橡膠基摩擦材料, 研究了碳酸鈣。
1、對物理與力學(xué)性能的影響
圖１ 碳酸鈣晶須添加量對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，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，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，對抗拉強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度的試驗數(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、對摩擦磨損性能的影響
圖3 碳酸鈣晶須添加量對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)制動轉(zhuǎn)速為3300r/min時，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，摩擦因數(shù)達(dá)到最大值（0.44）。當(dāng)制動轉(zhuǎn)速為4200r/min時，摩擦因數(shù)的變化趨勢與轉(zhuǎn)速為3300r/min時的基本相同，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，摩擦因數(shù)達(dá)到最大值（0.38）。當(dāng)制動轉(zhuǎn)速為5400r/mm時，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)的變化趨勢與前兩個轉(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。高的碳酸鈣晶須含量會導(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隨著碳酸鈣晶須添加量的增加而降低。此外隨著制動轉(zhuǎn)速增大，磨損量逐漸增大。這是因為隨著制動轉(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，橡膠和樹脂會出現(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，對偶件的磨損量幾乎均低于0.05g，說明試驗制備的樹脂基摩擦材料對偶件的損傷很小。
圖4 碳酸鈣晶須添加量對對偶件磨損量的影響
3、對磨損表面形貌的影響
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。來源：中國知網(wǎng)
