酚醛树脂基摩擦材料摩擦振动演化行为规律与机制研究

酚醛树脂基摩擦材料与金属组成的摩擦副经长时间服役容易出现剧烈摩擦振动和辐射高频噪声,可能导致设备停机甚至损坏.本文中针对酚醛树脂基摩擦材料/球墨铸铁摩擦副在往复摩擦试验中的摩擦振动行为演化开展了系统研究.为不干扰摩擦系统,采用了激光多普勒测速仪对摩擦振动进行非接触式高精度测量.试验过程中摩擦系统逐步出现80和800 Hz的振动,与其固有频率重合.通过对周期性摩擦力、振动数据、磨损表面形貌和速度依赖性的综合分析,提出摩擦过程中的“黏-滑”行为是诱导摩擦振动及噪声产生和演化的关键因素.伴随“黏-滑”行为的摩擦功和弹性能变化以及界面间由材料黏着和脱附等行为导致的摩擦力波动分别是诱导摩擦系统产生80 Hz低频振动和800 Hz高频自激振动的主要原因.磨损过程中的材料转移和界面间磨粒堆积会导致高频振动能量逐步增加.本研究中通过揭示酚醛树脂基摩擦材料摩擦振动的产生机理和演化规律,为低噪声摩擦系统界面设计提供了理论参考.

酚醛树脂功能复合材料研究进展

作为人类最早合成的高分子材料之一,酚醛树脂具有耐高温、高强度、抗烧蚀、易加工等优良特性,已被广泛应用于化工机械、轨道交通、建筑建材、电子信息、航空航天等国民经济的重要领域。尽管在20世纪末由于新型高性能高分子材料的不断涌现,酚醛树脂的发展曾受到一定影响,但随着纳米材料与加工技术的不断发展,酚醛树脂所具有的高反应活性、分子可设计性、热稳定性及高残炭等特点,使其可作为一类理想的有机前驱体,通过不同途径制备得到具有不同维度与微观形貌的碳材料,进而在新能源材料及高端电子材料等领域重新焕发生机。本文首先简要介绍了酚醛树脂的基本性质,然后分析了酚醛树脂的国内外行业现状。最后,围绕轨道交通、航空航天、电子信息及能源催化等4个重点领域对新型酚醛树脂的应用需求,梳理了近年来用于制备高性能功能复合材料的酚醛树脂研究进展,特别是对酚醛树脂改性方法、复合材料制备及应用性能进行了分析,为设计开发酚醛树脂基复合材料提供参考。

硼改性酚醛树脂与丁腈橡胶比例对摩擦材料性能的影响

为探究硼改性酚醛树脂与丁腈橡胶的质量比(BPF/NBR)对复合摩擦材料力学性能、耐热性能和摩擦磨损性能的影响,采用不同比例的丁腈橡胶和硼改性酚醛树脂作为复合摩擦材料基体,添加碳纤维、钢纤维、石墨、氧化铝粉和沉淀硫酸钡制成复合摩擦材料。对复合摩擦材料的密度、硬度、压缩强度和摩擦磨损性能进行了测试,用变焦距体视显微镜观察磨损表面,并分析其磨损机理。用差分扫描量热仪对摩擦材料进行耐热性分析。结果表明:BPF/NBR质量比对复合摩擦材料的力学性能、耐磨及耐热性影响较大;当硼改性酚醛树脂与丁腈橡胶质量比为6∶1时,复合摩擦材料有最高的密度、硬度和压缩强度,分别为1.933 g/cm^3、105 HRL和134 MPa;当硼改性酚醛树脂与丁腈橡胶质量比为5∶1时,摩擦材料的磨损量最小;随着BPF/NBR比例增大,复合摩擦材料表面抗犁削作用增强,黏着转移减弱。利用丁腈橡胶二次改性硼改性酚醛树脂能显著提高硼改性酚醛树脂的耐热性能,且硼改性酚醛树脂与丁腈橡胶的最佳比例介于4∶1和5∶1之间。

摩擦材料用改性酚醛树脂的研究进展

酚醛树脂是摩擦材料中最重要的基体材料,但是纯酚醛树脂存在脆性大、耐热性不足等缺陷,因此要对酚醛树脂进行改性以提高其耐热性和韧性。主要介绍了近年来常用的几种化学改性酚醛树脂和物理改性酚醛树脂及其对摩擦材料性能的影响。

复合改性酚醛树脂及其在摩擦材料中的应用

研究了硼桐油改性酚醛树脂的合成工艺,对其物化性能进行了试验研究和分析。研究表明,硼桐油改性使酚醛树脂的耐热性得到改善,其初始热分解温度达到420～450℃,明显优于未经改性的酚醛树脂;相应地摩擦材料的柔韧性也得到改善,同时具有良好的摩擦磨损性能。该树脂可作为摩擦材料用树脂的换代产品。

桐油改性酚醛树脂的制备及其性能

利用桐油改性酚醛树脂（PF）,制备高性能摩阻材料用树脂基体.综合热分析表明改性PF在100～320℃间失重7.30%,320～600℃间失重61.10%,普通PF分别失重15.94%和73.51%;普通PF热分解峰为400～425℃和540～600℃,桐油改性PF热分解峰为400～450℃和560～600℃.桐油改性PF热稳定性能得到很大提高,但耐热性能未有明显改善.FTIR分析表明桐油成为聚合物结构的一部分;力学测试结果表明桐油改性较大程度地改善了PF的韧性;掺杂质量分数40%的桐油改性PF和60%的硼改性PF的试样综合力学性能较好,更适合作为摩阻材料的树脂基体.

亚麻油改性酚醛树脂制备及其耐热性能

利用亚麻油改性酚醛树脂（PF），得到高性能的摩阻材料用树脂基体．综合热分析结果显示改性PF在320～600℃间失重53．11％，普通PF失重73．51％；普通PF热分解峰为400～425℃和540～600℃，而亚麻油改性PF热分解峰为440～470℃和600～660℃，表明亚麻油改性PF的耐热性和热稳定性能均得到很大提高．推导了亚麻油的改性机理和改性PF的结构特征；发现亚麻油参与反应并成为聚合物结构的一部分，亚麻油改性PF固化后的结构特征是互穿聚合物网络（IPN）．

摩擦材料中树脂基体的选用

概述了摩擦材料对树脂基体的性能要求,讨论了硼改性酚醛树脂、三聚氰胺-腰果壳油改性酚醛树脂和开环聚合酚醛树脂的改性方法,并对它们的热性能进行了比较分析,测试了以这三种改性酚醛树脂为基体的摩擦材料的摩擦性能。结果表明,三聚氰胺-腰果壳油改性酚醛树脂为适宜的摩擦材料用基体树脂。

丁腈橡胶对腰果壳油改性酚醛树脂基摩擦材料性能的影响

为使腰果壳油-酚醛树脂基摩擦材料满足重型机械和设备的使用要求,基于干法工艺,采用丁腈橡胶对腰果壳油-酚醛树脂进行共混二次改性,研究不同含量丁腈橡胶对摩擦材料力学性能、耐热性能、摩擦磨损性能的影响。结果表明:丁腈橡胶的加入能够提高摩擦材料的冲击强度,同时降低材料的弹性模量和剪切模量,但随着橡胶含量的增加,摩擦材料的耐热性逐渐下降;丁腈橡胶含量的增加会提升摩擦材料的摩擦因数稳定性并能够保证较高的低温摩擦因数,当橡胶质量分数5%时,摩擦材料表现出最好的抗磨损性能。

纳米铜改性酚醛树脂对摩擦材料摩擦磨损性能的影响

利用DM-S型摩擦材料试验机和XJJ-5型冲击试验机,对纳米铜改性酚醛树脂在干式摩擦材料中的应用进行了研究。结果表明:纳米铜改性酚醛树脂可显著提高摩擦材料的摩擦磨损性能和韧性;另外,纳米铜改性酚醛树脂的含量对摩擦材料的性能影响显著,在本试验条件下,改性树脂在摩擦材料中的较佳含量为33vol%。

摩阻材料用亚麻油改性酚醛树脂的研究

合成了亚麻油改性酚醛树脂（PF），FT—IR谱图说明亚麻油成为PF分子结构的一部分。综合热分析表明改性PF在320℃～600℃间失重53．11％，普通PF失重73.51％；普通PF热分解峰为400℃～425℃和540℃～600℃，而亚麻油改性PF热分解峰在440℃～470℃和600℃～660℃。亚麻油改性PF作基体的摩阻材料的摩擦磨损性能和力学性能测试表明，改性PF的粘接性和韧性均得到提高，摩阻材料摩擦系数大，摩擦性能稳定，磨损率低．冲击强度大，硬度适中，改性PF可作为高性能摩阻材料基体。

纳米粒子对丁腈改性酚醛树脂摩擦磨损性能的影响

采用Al2O3、TiO2、SiO2、SiC四种纳米粒子以及不同百分含量改性丁腈改性酚醛树脂,利用机械共混的方法制备了纳米粒子改性丁腈改性酚醛树脂材料。通过热失重分析表明,A3和T5的耐热性得到了提高,在高温阶段A3又高于T5,说明A3的耐热性最好。摩擦磨损对比试验表明,Al2O3、TiO2纳米粒子可显著提高改性丁腈酚醛树脂的耐热性、增加摩擦系数、降低磨损率;SiO2、SiC纳米粒子对树脂的摩擦磨损性能没有明显改善。

用于摩擦材料的硼-桐油改性酚醛树脂性能的研究

给出了硼－桐油改性酚醛树脂的合成工艺，并对其物理化学性能进行了试验研究和分析。研究表明，硼一桐油改性使酚醛树脂的初始热分解温度达到420-450℃，耐热性优于未经改性的酚醛树脂；其柔韧性得到改善，具有良好的摩擦磨损性能，是高性能树脂的换代产品：

耐热性钼酚醛树脂基摩擦材料的研究

围绕提高摩擦材料的高温摩擦系数,用差热分析和热重分析测试方法分析了钼酚醛树脂的热稳定性,确定了摩擦材料的工艺流程和工艺条件,制备了以钼酚醛树脂为基体的摩擦材料,同时测定了摩擦材料的性能。结果表明,钼酚醛树脂具有良好的热稳定性,热分解温度为522℃,600℃下失重率仅为17.5％,用其制成的摩擦材料的高温摩擦系数稳定,热恢复性好。

蒙脱土插层改性酚醛树脂复合材料及其摩擦磨损性能

利用单体原位插层的方法制备酚醛树脂/蒙脱土复合材料,研究了蒙脱土的有机化改性和不同有机化蒙脱土含量对酚醛树脂耐热性的影响,以及改性后的酚醛树脂对摩擦材料性能的影响,结果表明：经改性的酚醛树脂的耐热性能要明显优于未改性的酚醛树脂,初始分解温度达487.1℃,比未改性的提高了60.9℃,600℃时的质量剩余率达54.84%,提高了38%。100~350℃摩擦系数为0.33~0.40,250℃时未改性树脂基摩擦材料磨损率为0.56×10-7/N·m,改性后树脂基摩擦材料磨损率为0.44×10-7/N·m,下降了27.2%。

和谐型大功率内燃机车高摩合成闸瓦的研制

以丁腈橡胶改性酚醛树脂为黏合剂,石墨、铝矾土、钾长石粉、还原铁粉和沉淀硫酸钡等为填料,钢纤维和海泡石纤维为增强纤维,混合构成了高摩合成闸瓦的摩擦材料;通过反复实验,优化配方及工艺,研制出适合我国和谐型大功率内燃机车运用需求的高摩合成闸瓦。测试结果显示:研制的高摩合成闸瓦的各项物理力学性能及制动摩擦磨损性能符合和谐型大功率内燃机车的技术要求,其中冲击强度和压缩模量分别达到3.8kJ.m-2和460MPa。在1∶1制动动力试验台上的测试也显示,在120km.h-1速度下重车的制动距离以及车轮踏面最高温度和磨耗量分别为817m,215℃和0.87cm3.MJ-1,完全满足120km.h-1速度下紧急制动距离小于1 100m、车轮踏面最高温度小于400℃、重车制动磨耗量小于1.5cm3.MJ-1的使用要求,综合性能达到了国外同类型高摩合成闸瓦的水平。

玄武岩纤维增强酚醛树脂基摩擦材料的摩擦磨损性能

以酚醛树脂为基体、玄武岩纤维为增强体制备了玄武岩纤维增强树脂基摩擦材料,研究了树脂含量对其弯曲强度和摩擦磨损性能的影响,并对其磨损机理进行了初步分析。结果表明:该摩擦材料的弯曲强度随树脂含量的增加而提高,当树脂质量分数为35%时开始出现下降趋势;随着树脂含量的增加,摩擦材料吸水率和磨损率呈现下降趋势;当树脂质量分数为25%时,摩擦因数较高、磨损率和吸水率较低,合适的树脂质量分数为25%～30%;当基体树脂的含量相对较低时,玄武岩纤维容易被拉出和剥落;随着树脂含量的增加,摩擦材料的主要磨损机理是磨粒磨损。

摩阻材料用亚麻油改性酚醛树脂的试验

为得到高性能的摩阻材料,将苯酚和亚麻油在酸性条件下反应,然后在碱性条件下与甲醛反应合成亚麻油改性酚醛树脂。利用红外光谱分析、热分析、力学性能测试等手段研究亚麻油对酚醛树脂的改性作用,并对亚麻油改性酚醛树脂作基体的摩阻材料的摩擦磨损性能和力学性能进行测试。结果显示,改性树脂的耐热性、粘结性和韧性较未改性的树脂得到了提高。改性树脂的切应力为18.5 MPa,冲击强度为120.2 kJ·m^(-2),洛氏硬度为111.2 HRR;摩阻材料摩擦性能稳定,从热衰退敏感的250～350℃温度变化范围内,摩擦因数仅下降了0.03,仍保持在0.39的水平;温度为200℃时,磨损率仅为0.30 cm^3·N^(-1)·m^(-1),冲击强度达780 kJ·m^(-2),洛氏硬度为113.2 HRR。研究表明亚麻油改性酚醛树脂有望成为高性能摩阻材料的树脂基体。

酚醛树脂基摩擦材料高温摩擦性能的研究进展

分别从有机、无机、纳米及复合改性方面介绍了酚醛树脂(PF)基摩擦材料高温摩擦性能的研究进展。在这些改性方法中,由于改性剂与PF分子之间能形成化学键、氢键或范德华力,或直接将PF中易高温分解的酚羟基反应而生成耐热性较强的化学键,加上改性剂的补强作用,使得PF基摩擦材料的高温摩擦性能得到显著提高。

几种改性酚醛树脂对石油沥青碳纤维摩擦复合材料性能的影响

介绍了用尼龙、丁腈橡胶、聚乙烯醇缩丁醛改性酚醛树脂作基体以沥青碳纤维为增强材料制作摩擦复合材料的制备方法，并测试了三种材料的摩擦、磨损和冲击性能。结果表明，前两种优于后者，其中丁腈橡胶改性的材料在高温（３００℃）下摩擦系数无衰减。