摘
渍、热压固化等技术制备的具有多孔结构的复合材料，目前，在工程机械及车辆的制动器、离合器及自动变速器中得到广泛应用。本文首先介绍了纸基摩擦材料的基本组成及各组成在纸基摩擦材料中的应用，然后从纸页结构及成形方式等方面对纸基摩擦材料摩擦磨损性能的主要影响因素进行了综述，最后总结了目前湿式纸基摩擦材料行业亟待解决的问题，并对其发展前景进行了展望。关键词：湿式纸基摩擦材料；增强纤维；孔隙率；纸页成形方式；摩擦磨损性能 Abstract: Wet paper-based friction material is a composite material with porous structure prepared by wet papermaking, resin impregnation and hot pressing curing technology. At present, it is widely used in brakes, clutches and automatic transmissions of construction machinery and vehicles. In this paper, the basic composition of paper based friction materials and the application of each component in paper-based friction materials are introduced at first, then the main factors affecting the friction and wear properties of paper-based friction materials are summarized from aspects of paper structure and forming methods. Finally, the problems need to be solved urgently in the industry of wet paper based friction materials are summarized, and its development is prospected.
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Key words: wet paper-based friction materials; reinforcing fiber; porosity; paper forming method; friction and wear performance
湿式纸基摩擦材料研究综述
⊙ 程合丽
1,2
张银华1* 秦亮1 李国平1 张秋萍1 计德林1
（1.杭州萧山红旗摩擦材料有限公司，杭州 311203；2.湖北工业大学绿轻工材料湖北省重点验室，武汉 430068）
A Review on Wet Paper-Based Friction Material中华菊头蝠
⊙ Cheng Heli 1,2, Zhang Yinhua 1,*, Qin Liang 1, Li Guoping 1, Zhang Qiuping 1, Ji Delin 1
(1.Hangzhou Xiaoshan Hongqi Friction Material Co., Ltd., Hangzhou 311203, China; 2.Hubei Provincial Key Laboratory of Green Materials for Light Industry, Hubei University of Technology, Wuhan 430068, China)
□ 基金项目：
湖北省教育厅青年人才项目（Q20181404）。 *通讯作者：张银华，高级经济师，主要从事铜基、纸基、碳基、橡胶、喷钼、无石棉等各种材质摩擦片和对偶钢片的研发和生产工作。
中图分类号：TS75文献标志码：A 文章编号：1007-9211(2021)22-0001-09
程合丽 女士
公司在站博士后，湖北工业大学讲师，硕士生导师；主要从事制浆造纸及木质
生物基材料等相关领域的研究工作。
可乐吧台球作为湿式离合器的关键组成部件之一，湿式纸基摩擦材料一般是以纤维、黏合剂、填料等为原料，采用湿法造纸工艺得到多孔性结构纸基坯体后，再经树脂浸渍、热压固化等工艺与钢板复合而成，具体流程如图1所示[1]。湿式纸基摩擦材料最早出现于20世纪50年代末，具有制备过程简便、结构可设计性强、磨损率低、摩擦噪声小、成本低且动、静摩擦因数接近等优点，能够在较高的压力、车速、温度等工作条件下保持高且稳定的摩擦因数。自60年代开始，国外轿车自动变速器前进挡离合器片和制动带已全部采用纸基摩擦材料[2]。目前，湿式纸基摩擦材料已逐步取代传统的摩擦材料，在农用机械、工程车辆自动变速箱油浸式离合器及变速器中得到广泛应用[3-4]。
我国湿式纸基摩擦材料相关研究始于20世纪70年代中后期，之后得到快速发展，但在性能方面和欧美、日本等国家的产品相比，仍存在一定差距。本文将从湿式纸基摩擦材料的组成、摩擦磨损性能的主要影响因素等方面对近年来国内外湿式纸基摩擦材料的研究现状进行综述，以期推动我国高性能湿式纸基摩擦材料的研发与制备。
1 纸基摩擦材料基本组成
摩擦材料的组分设计需同时满足磨损率低、噪音
小、摩擦因数稳定且能够适应各种生产工艺等要求。为此，湿式纸基摩擦材料的组分通常多达十余种，按功能主要可分为增强纤维、黏结剂、填料三类，各组分之间相互作用，共同决定纸基摩擦材料的整体性能。1.1
增强纤维
作为湿式纸基摩擦材料的主体，增强纤维对材料的摩擦磨损性能、热稳定性、机械强度及压缩回弹性起到关键作用，可以使摩擦材料在使用过程免受损坏。制备湿式纸基摩擦材料的增强纤维不仅要能够提供良好的增强效果（高模量），还需具备良好的热稳定性、耐磨损性和化学稳定性，硬度也不宜过高[5]。目前，常用的增强纤维主要有碳纤维、芳纶纤维、天然植物纤维、玻璃纤维、陶瓷纤维等，通常，几种纤维混合使用，发挥“协同作用”，以替代因污染严重而被禁用的石棉纤维。表1为几种常用的增强纤维的物理性能。1.1.1 碳纤维
碳纤维是一种以聚丙烯腈和黏胶纤维为原料，经高温氧化碳化得到的高碳含量（≥90%）、高强度、高拉伸模量的高性能纤维，其中聚丙烯腈基碳纤维（PA N碳纤维）市场占有率在90%左右。碳纤维直珍妮特 李
径5～10 μm，具有密度小、质量轻、耐高温、耐化学腐蚀、热膨胀系数低等特点，在航空航天、土木工程、军事赛车、运动器材等多个领域有着广泛应用[12]。
图1 纸基摩擦材料制备流程示意图
[1]
碳纤维是湿式纸基摩擦材料的关键增强组分。多项研究表明，随着纸基摩擦材料中碳纤维含量的增加，动摩擦因数μd 增大，耐磨性变好。如F e i等利用湿法造纸工艺制备了一系列碳纤维含量不同（40%、45%、50%、55%）的纸基摩擦材料，结果显示，材料的动摩擦因数μd 随碳纤维含量增加而增大，并认为引起μd 增大的原因主要有以下两方面：一是碳纤维含量增加，材料孔隙率及孔径减小，润滑油在样品表面难以形成润滑油膜，从而导致μd 增大；另一方面，碳纤维含量增加，样品实际接触面积增大，在接合过程中对耦合板产生较大的剪切应力，也会导致μd 增大[13]。此外，Fei等人还发现随碳纤维长度增大（100 μm、400 μm、600 μm、800 μm），纤维分散性能变差，絮聚交织严重，孔结构变得不规则、不均匀，导致材料的均匀性相应变差，粗
糙度增加。当碳纤维长度为600 μm时，材料动摩擦因数最高；碳纤维长度100 μm时，磨损率最低[14]。付业伟等人的研究表明，随碳纤维用量增大，材料的动摩擦因数增加，静摩擦因数及磨损率降低，同时，试样起始分解温度升高，热分解速率降低[15]。
随着碳纤维研究的深入，科研人员发现未经预处理的碳纤维表面光滑，功能基团少，化学惰性高，亲水性差，在水中分散困难，与黏合剂之间结合不稳定，在实际应用中易于从树脂基体中剥离，从而使纸基摩擦材料的摩擦磨损性能降低。为此，通过对碳纤维进行物理刻蚀、化学氧化或表面涂层，使其
表面产生沟槽或大量氧化性官能团，提高碳纤维的表面粗糙度及表面活性，加强碳纤维和基体之间的结合，进而提升摩擦材料的综合性能。如X i e等人采用水热法在碳纤维表面接枝一层
图2 水热法制备ZnO纳米线改性碳纤维及其摩擦材料制备示意图
[16]德国人的性格
表1 几种常用增强纤维的主要物理性能[6-11]
聚丙烯腈基碳纤维对位芳纶纤维玻璃纤维Al 2O 3纤维SiC纤维
1.90～7.02
2.47～5.592.62～4.851.4～2.45 2.0～4.0
1.5～
2.01.39～1.472.44～2.552.70～4.20 1.85～
3.10
228～69070～17665～89190～385170～420
10～1600.04～0.05
1.314～3012
0.5～2.41.5～4.42.7～5.60.29～1.120.8～1.8
-(0.5～1.3)-(1.0～2.0)
4.76.8～8.23.0
400160＜4001200
1200
排列均匀、致密的Z nO纳米线，得到CFs@Z nO，如图2所示，利用CFs@ZnO与芳纶浆粕等组分配抄得到的湿式纸基摩擦材料不仅具有更高、更稳定的动摩擦因数，且磨损率可下降33%[16]。F e i等人利用马来酸酐对碳纤维进行表面化学改性，将大量羧基引入碳纤维表面以提高其表面活性，如图3，结果表明，改性后的碳纤维制备的湿式纸基摩擦材料抗张强度增加了200%，磨损体积降低50%[17]。
张国亮等分别采用双-[γ-(三乙氧基硅)丙基]四硫化物(S i69)和乙烯基三乙氧基硅烷(A151)对PA N （聚丙烯腈）短切碳纤维进行表面处理，并利用处理后的碳纤维制备纸基摩擦材料。结果显示，与用未经处理的碳纤维所制备的纸基摩擦材料相比，采用两种改性碳纤维所得材料的磨损率均显著降低，摩擦性能得到提升，其中，S i69改性碳纤维增强纸基摩擦材料的动摩擦因数最为稳定，动/静摩擦比接近于1[18]。胡文静等人用高温空气氧化法对碳纤维进行表面改性，增大了碳纤维的表面粗糙度，与改性芳纶短切纤维、芳纶浆粕、竹浆及各种填料混合后湿法工艺制备的纸基摩擦材料的原纸层间结合强度提高了21%[19]。1.1.2
芳纶纤维
芳纶纤维出现于20世纪60年代末，其比强度高于碳纤维和硼纤维，特异性抗拉强度比钢丝高5倍，是一种高强度、高模量、耐高温、密度低、热膨胀系数低的优良的纸基摩擦材料增强纤维[20-22]。芳纶纤维分为短切芳纶和芳纶浆粕，其中，芳纶浆粕可通过对芳纶纤维进行原纤化处理获取。芳纶浆粕表面存在大量绒毛状超细微纤，因而比表面积大、渗透性好、与树脂和填料接触面积大、结合力也较强，能够极大提高材料的力学性能及摩擦磨损性能[23]。
研究表明，湿式纸基摩擦材料中芳纶纤维含量越高，材料的耐磨性越好。如张美云课题组利用芳纶浆粕配合剑麻纤维、碳纤维抄造了湿式纸基摩擦材料原纸，发现利用芳纶浆粕的机械性能和热学性能，
可以调节材料的气孔率，降低磨损量，在添加10%芳纶浆粕后，可以替代石棉，减轻环境污染[24]。Yoon等以芳纶纤维、阔叶木浆等为原料制备湿式纸基摩擦材料，发现随着芳纶纤维用量增加，材料的剪切强度、耐热性和耐磨性均得到提高[25]。增加摩擦材料中芳纶纤维的含量虽然能够使其具有较高的耐磨性，但添加量过大，不仅会导致摩擦因数降低，而且不利于控制成本，因此，一般添加量不宜超过10%[26]。
芳纶纤维优异的性能源于其内部密集的氢键和高度结晶结构，但高度结晶结构同时导致芳纶纤维表面光滑、呈化学惰性，导致纤维与基体界面之间附着力差，很大程度上制约了其在纸基摩擦材料中发挥应有的作用[27]。研究人员发现可以通过提高芳纶纤维表面的粗糙度来有效提高芳纶纤维的表面活性，从而提升纸基摩擦材料的整体性能。如L u等利用溶胶—凝胶法原位制备纳米SiO 2包覆的芳纶短切纤维(如图4)，芳纶纤维表面和S i O 2之间通过C-O-S i结合，改性后，芳纶纤维的表面粗糙度增大。研究结果表明，利用改性后的芳纶纤维抄造的纸基材料的摩擦磨损性能得到大幅提升，磨损率可降低30%，动摩擦因数随运行时间逐渐达到稳定[1]。1.1.3
植物纤维
除碳纤维、芳纶等高性能纤维，来源于植物的棉纤维、麻纤维、竹纤维等以其良好的柔韧性、较强的结合力以及较低的成本，也成为湿式纸基摩擦材料不可或缺的一类增强纤维。植物纤维的主要成分是纤维素，热分解温度低，含量过高会有损摩擦材料的摩擦磨损性
图3 Diels-Alder反应制备改性碳纤维
[17]
能，因此，常与碳纤维（较好的刚性和强度）、芳纶浆粕（良好的延展性和热稳定性）配抄，发挥“协同作用”，满足摩擦材料的需求。Singh等人的研究显示随湿式纸基摩擦材料中苎麻纤维含量的增加，摩擦因数及摩擦稳定性降低[28]。F u等人以亚麻纤维、玄武岩纤维等制备了摩擦材料，发现随亚麻纤维含量的增加，摩擦材料的摩擦因数降低，而在较高温度下，由于天然纤维的延迟断裂及碳化，含亚麻纤维的样品的耐磨性得到提高[29]。1.2
黏结剂
防老剂d
黏结剂作为湿式纸基摩擦材料的主要成分之一，其作用是通过高温固化将增强纤维、填料及摩擦性能调节剂等组分均匀地黏结在一起，形成结构致密且有一定机械强度的整体，是摩擦材料的核心组分[5]。
酚醛树脂及其改性产物因具有较好的机械性能及耐热性，且与其他组分具有良好的相容性，是目前摩擦材料中用量最大的黏结剂。F e i等研究了经腰果壳油改性的酚醛树脂用量对碳纤维增强湿式纸基摩擦材料性能的影响，结果显示低树脂含量（35%～40%）的样品具有较高的摩擦因数、优异的摩擦稳定性及良好的耐热性[30]。胡健等研究了改性酚醛树脂含量对湿式纸基摩擦材料的摩擦磨损性能的影响，发现树脂含量为25%时，材料的综合性能较好，动摩擦因数的压力稳定性和转速稳定性最佳[31]。
酚醛树脂及其改性产物因存在交联度高、硬度大、韧性差等缺陷，会导致最终制品材质脆硬、抗冲击性能差，因而目前较少单独使用，常与质软且有弹性的橡胶等黏结剂共混，以满足材料的性能需求。如L u等以液态的橡胶和酚醛树脂的混合物作为黏结剂制备湿式纸基摩擦材料，研究结果显示橡胶的加入提升了摩擦材料的弹性，橡胶含量越高，动、静摩擦因数越大。当橡胶和酚醛树脂的含量均为20%时，材料的磨损率较低，热稳定性较好[32]。王欢欢等分别采用硅橡胶和橡胶与酚醛树脂共混，制备湿式纸基摩擦材料，与纯酚醛树脂作为黏结剂相比，橡胶-酚醛树脂共混黏结剂提高了纸基摩擦材料的静摩擦因数，但动摩擦因数和耐磨性有所下降，而硅橡胶-酚醛树脂共混黏
结剂不仅可以提高纸基摩擦材料的动、静摩擦因数，耐磨性能也有所提升[33]。
橡胶也是摩擦材料中常用的一种黏结剂，以橡胶为主要黏结剂的摩擦材料主要用于制动压力和相对摩擦速度较低、工作温度不高的工况条件[5]。如Z h o u等人利用羧化橡胶与环氧树脂共混作为黏结剂制备湿式纸基摩擦材料，结果表明，随着黏结剂中羧化橡胶配比的增大，纸基摩擦材料的动摩擦因数增大，扭矩曲线的“公鸡尾”现象逐渐消失，并认为可以通过控制羧化改性橡胶的含量来控制磨损率[34]。
图4 纳米SiO 2涂层的短切芳纶纤维制备示意图
[1]
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