基于纳米坡缕石改性PF的高性能制动件的研制及其摩擦学性能

摘要

现代车辆和机械装置制动系统中高质量的摩擦制动件必须具备可靠性、安全性、舒适性、以及环保性，其中合适而稳定的摩擦系数、良好的耐磨性和优良的柔韧性、抗高温衰退能力和强度是关键性指标。酚醛树脂（PF）作为汽车制动器的粘接剂，其性能的好坏对摩擦制动件的摩擦学性能具有重要的影响。随着现代车辆向着高速重载方向的发展，摩擦材料的应用环境变得越来越苛刻，对耐热性和其它性能提出了更高的要求，普通PF作为粘合剂已不适应现代车辆高速重载的发展需求，因此如何提高PF的耐热性等性能成为制造良好摩擦材料的关键。
　　贵州坡缕石作为本地区优势资源，长期以来仅简单作为塑料、摩擦材料填料等直接的低挡次的初级利用。
　　本文针对贵州坡缕石的物理化学特点，查阅、分析了大量国内外相关文献，在选用酚醛树脂（PF）作为基体树脂研制开发了纳米坡缕石(简称纳米P)改性PF的高性能制动件，本文根据国内外摩擦材料研究及应用情况，主要从坡缕石的提纯、纳米坡缕石的制备、纳米坡缕石的修饰和在PF中的分散改性、纳米坡缕石改性PF摩擦制动件的制备及摩擦性能对比研究和两种摩擦标准的转换等方面进行了研究，并获得初步成功。论文涉及材料学、高分子化学、摩擦学等诸多方面，研究内容富有创新性。
　　本文的主要研究内容和成果有：
　　(1)用于摩擦材料基体树脂复合改性的坡缕石矿物的提纯及其纳米粒子的制备及其修饰工艺。先是通过正交试验法确定和优化坡缕石矿物提纯的主要工艺参数，然后将提纯所得高纯度坡缕石矿物分别应用干式、湿式、干-湿式和湿-干式球磨法制备纳米坡缕石粒子。并借助XRD,SEM,红外光谱分析IR等现代化的测试手段，对纳米坡缕石粒子的形成过程的组织结构演变及坡缕石粉体的形貌进行了表征和测试。研究表明：干-湿法为球磨工艺为最佳工艺。通过优化提纯工艺可将纯度为50.2％的坡缕石提纯到96.96％，提纯效果明显。采用“超声分散辅助修饰”和“在线修饰”的纳米坡缕石，在聚合物中的分散效果良好。
　　(2)改性树脂效果的对比研究。分别按照纳米P添加量范围为预聚物质量的0～1.3％的5种投入量，用原位法制备了纳米坡缕石改性PF（S-PTPF），并对五种改性PF的耐热性进行了对比研究。结果表明当纳米P复合的树脂在占预聚物质量分数的1.0％时分散性最好，S-PTPF热失重率最大可降低7％。当纳米P质量分数为1.3％时耐热性能提高变得不显著性；制备了硼酸-桐油改性树脂(BTPF)，并对PTPF1.0、BTPF和PTPF0.0（TPF）进行了耐热性对比研究。TG曲线表明三种改性PF的起始热分解温度分别为420℃、400℃、380℃，其耐热性依次降低；对纯PF、PTPF0.0、PTPF1.0的机械冲击强度进行了试验，测试结果为PTPF1.0的抗冲击强度远高于纯PF和桐油改性PF的抗冲击强度，说明当纳米P粒子含量为1％时在三组试样中抗冲击强度最大；按照纳米纳米P添加量范围为预聚物质量的0.7％的投入量，用共混法制备了纳米P改性PF（M-PTPF），并与原位法制备的纳米P改性PF（S-PTPF）和纯桐油改性PF(TPF)进行了耐热性对比分析，可看出用共混法制备的M-PTPF树脂无机纳米P也有较好的分散性，在600℃热失重比TPF低6％，耐热性明显比TPF高，与原位法的S-PTPF相近，但相对原位法，共混法制备工艺简单，可拓宽对纳米坡缕石投入量的范围，适于树脂的规模生产。
　　（3）不同改性树脂编织型摩擦材料的制备及摩擦性能研究。根据纳米P粒子占预聚物含量在0.3～1.3％百分比制备出P0.0、P0.3、P0.7、P1.0、P1.3五组编织型摩擦试样，并进行了摩擦性能对比实验研究。运用现代测试方法对其摩擦系数、磨损情况进行分析表明，当纳米P占预聚物含量在0.3～1.3％所制备的PTPF用于编织摩擦材料其抗热衰能力提高30～50℃。抗磨损均明显提高。当含量为1.0％时，磨损率最低，高温耐磨能力比P0.0提高9～15％且摩擦系数稳定性好，具有良好的综合摩擦性能；制备了P0.0、SP、MP和BP四组编织型摩擦试样并进行了实验研究分析。通过SEM、TG曲线、摩擦磨损曲线等可知，四组摩擦试样的耐热性和热稳定性均得到不同程度的提高。SP摩擦材料的热稳定性最好，高温制动能力最强，BP次之，P0.0最差。摩擦系数和磨损率方面，SP、BP、MP的摩擦系数十分稳定，SP、BP、MP的磨损率随温度变化趋势基本一致。P0.0磨损率随温度升高而加剧，大大高于SP、BP、MP同温度下的磨损率；在试验机上对P0.0、P0.3、P1.0编织型摩擦材料试样进行拉伸试验,试验结果显示在树脂中添加纳米P可以显著增加编织型摩擦材料的拉伸强度，坡缕石含量为1％时拉伸强度为最大值39.04MPa。
　　（4）半金属摩擦制动件的制备方法及其性能研究。分别通过半金属摩擦制动件的干法和湿法制备工艺制备了纳米坡缕石复合改性PF摩擦材料试样，并研究了其工艺特点。对比树脂含量分别为17％、20％、23％时的摩擦性能可知，当树脂含量为20％时，湿法制备的摩擦制动件摩擦系数和磨损率指标最优；通过干、湿法对比分析，在摩擦系数方面，湿法工艺的摩擦系数比较稳定，而干法生产的摩擦系数波动性较大。在磨损率方面，整体上看两种方法生产的磨损率随温度升高的变化趋势基本一致，但干法生产的制动件磨损率略高；通过在半金属改性PF中添加坡缕石含量分别为0g、5g、10g制备出的摩擦试样进行了冲击强度试验，试验结论是纳米坡缕石对半金属摩擦制动件的冲击强度影响比较明显。在工艺和其他配方相同的情况下，其添加量存在一个最佳用量，低于或超出该用量，冲击强度都会降低。
　　（5）通过建立蔡斯摩擦试验机试样摩擦系数与D-MS定速式摩擦试验机摩擦试样摩擦系数之间的BP神经网络模型，实现两者之间的数据转换。通过D-MS定速式摩擦试验机摩擦试样摩擦系数对蔡斯摩擦试验机试样摩擦系数进行了预测，将预测结果与实际试验结果进行比对，发现预测结果与实际试验结果趋势一致，误差在允许范围内。表明通过BP神经网络模型建立两者之间的数据转换关系具有可行性。

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第一章 绪论

1.1 摩擦材料及其制品概述

1.2 无机矿物复合酚醛树脂及其摩擦材料研究现状

1.3 论文的研究意义、特色、创新和研究内容

第二章 纳米坡缕石粉体制备及其表面改性

2. 1 纳米坡缕石粉体的制备

2.2 纳米坡缕石微粒的表面修饰

2.3 本章小结

第三章 酚醛树脂的纳米坡缕石改性

3.1 原位法制备桐油、纳米坡缕石粒子改性的 PF（S-PTPF）

3.2 纳米坡缕石共混制备改性的 PF（M-PTPF）

3.3 热塑性 PF 的纳米坡缕石改性（S-PPPF）

3.4 本章小结

第四章 基于纳米坡缕石粒子复合改性的PF摩擦材料的研制

4.1 编织型摩擦制动带的研制

4.2 半金属摩擦制动件的研制

4.3 本章小结

第五章 摩擦材料性能测试分析

5.1 摩擦材料的摩擦磨损试验标准、计算和数据处理

5.2 编织型摩擦材料摩擦磨损等性能测试分析

5.3 编织型摩擦材料力学性能测试分析

5.4 半金属摩擦材料性能测试分析

5.5 半金属摩擦材料力学性能测试分析

5.6 本章小结

第六章 摩擦材料性能测试两种测试标准的对比转换

6.1 摩擦材料试验标准的概述及对应关系转换的意义

6.2 GB5763-98 和蔡斯 SAEJ661 测试标准、测试指标的原理及其特点

6.3 神经网络模型及其 MATLAB 工具箱

6.4 神经网络仿真

6.5 试验结果分析

6.6 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 主要研究结论

7.2 工作展望

致谢

参考文献

附 录 I 读博期间成果

附 录 II 摩擦磨损原理

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