李辉等：成型工艺对树脂基摩擦材料及其摩擦学性能的影响 ·1183· 量出现.殷艳飞等)采用热压成型工艺制备了不同 b70mm的圆盘，供摩擦磨损试验使用 纤维含量的碳纤维增强树脂基摩擦材料，随碳纤维含 量的增加，材料的耐磨性和摩擦稳定性增加，碳纤维质 纬纱 量分数为4%时，材料摩擦系数稳定性最高，磨损机制 经纱 主要为磨粒磨损和疲劳磨损.Fei等[]、Cai等]研究 了不同树脂含量的碳纤维增强摩擦材料的摩擦磨损性 图12.5D浅交弯联织物结构示意图 能，指出质量分数为35%~40%的酚醛树脂摩擦材料 Fig.1 Structure of the 2.5D shallow-crossing linking 具有高摩擦系数、出色的摩擦稳定性和较好的耐热性 能.朱文婷等[研究了孔隙率对树脂基摩擦材料的 树脂传递成型工艺装置示意图如图2所示.工艺 摩擦学性能的影响，结果表明孔隙率较低的摩擦材料 过程为，首先使用真空泵(vacuum pump)在真空袋 有较高的摩擦系数稳定性和较低的磨损率. (vacuum bag)中产生负压(-0.1MPa),将树脂胶液吸 就织物结构而言，2.5D以及3D织物具有较高的 入真空袋中，使其浸润预先放置于真空袋中的纤维预 有序性、紧密性和整体性[6，)，作为树脂基摩擦材料的 制体.浸润结束后加热175℃固化成型 增强预制体，可进一步提高摩擦材料的机械承载能力， 阀门 真空袋导流网 压力表 阀门 同时防止材料在摩擦过程中出现分层开裂现象.因而 o 2.5D以及3D织物增强摩擦材料及其摩擦学性能的研 究是当前摩擦材料的研究重点和热点之一.Kim等[] 脱泡简 直空泵 将碳纤维织物增强树脂基复合材料用于轴承内衬，并 织物 脱模布 研究了其摩擦学性能，发现碳纤维织物的自润滑性可 图2树脂传递成型工艺(TM)装置示意图 显著提高系统的摩擦稳定性.张建民等[]采用溶液浸 Fig.2 Schematic of resin transfer molding (R'TM) 渍和真空辅助工艺制备了2.5D碳纤维机织物增强酚 醛树脂基摩擦材料并研究了其力学性能，剪切强度达 热压成型工艺装置示意图如图3所示.工艺过程 262MPa,弯曲应力达729MPa.杨彩云和胡振英u6]研 为，将纤维预制体与树脂胶液一起放人热压腔体，施加 究了碳纤维2.5D角联锁结构和三向正交结构预制体 压力使树脂充满模腔，在10MPa压力和175℃温度下 增强C/C复合材料的摩擦磨损性能，获得了稳定的摩 使摩擦材料固化成型. 擦系数和较低的磨损率.Tiwari等以及Bijwe和Ral- 加热&加压 tam)研究了碳纤维织物增强聚醚基复合材料的性能， 获得了适合于该类复合材料的织物类型、含量以及预 处理方法等工艺参数. 树脂基摩擦材料及其摩擦学性能受成型工艺影响 的研究报道较少.本文采用碳纤维2.5D浅交弯联结 构作为预制体，分别采用树脂传递成型工艺(resin transfer molding,RTM)和热压成型工艺(hot pressing molding,HPM),制备碳纤维增强酚醛树脂基摩擦材 图3热压成型工艺(HPM)装置示意图 料.研究对比了两种材料在不同工况条件下的摩擦磨 Fig.3 Schematic of hot-pressing molding (HPM) 损性能，为碳纤维整体织物增强树脂基摩擦材料研究 采用树脂传递成型工艺和热压成型工艺制备的摩 提供理论依据. 擦材料基本物理力学性能在表1中列出.热压成型工 1试样方法 艺成型压力达到10MPa,较高的压力将多余的树脂挤 出，造成碳纤维含量较高.碳纤维的密度(1.78g· 1.1试样制备 cm)大于树脂固化后的密度，且较大的成型压力造 试样采用T300-3K碳纤维（威海光威复合材料有 表1不同成型工艺成型的材料物理性能 限公司提供)，按照2.5D浅交弯联结构（如图1所示） Table 1 Physical properties of different materials 编织形成碳纤维整体织物结构预制体，编织经密每厘 密度/ 纤维质量 抗压 硬度、 米8根、纬密每厘米4根，编织层数3层.分别采用树 工艺 (g"cm-3) 分数/% 强度/MPa HS 脂传递成型工艺(RTM)和热压成型工艺(HPM),将酚 树脂传递成型 1.48 醛树脂与碳纤维整体织物结构预制体进行复合，制备 雪 413 98.8 热压成型 1.53 80 448 79.8 碳纤维增强酚醛树脂基摩擦材料.将摩擦材料裁剪为李 辉等: 成型工艺对树脂基摩擦材料及其摩擦学性能的影响 量出现. 殷艳飞等[11] 采用热压成型工艺制备了不同 纤维含量的碳纤维增强树脂基摩擦材料,随碳纤维含 量的增加,材料的耐磨性和摩擦稳定性增加,碳纤维质 量分数为 4% 时,材料摩擦系数稳定性最高,磨损机制 主要为磨粒磨损和疲劳磨损. Fei 等[12] 、Cai 等[13]研究 了不同树脂含量的碳纤维增强摩擦材料的摩擦磨损性 能,指出质量分数为 35% ~ 40% 的酚醛树脂摩擦材料 具有高摩擦系数、出色的摩擦稳定性和较好的耐热性 能. 朱文婷等[14] 研究了孔隙率对树脂基摩擦材料的 摩擦学性能的影响,结果表明孔隙率较低的摩擦材料 有较高的摩擦系数稳定性和较低的磨损率. 就织物结构而言,2郾 5D 以及 3D 织物具有较高的 有序性、紧密性和整体性[6,11] ,作为树脂基摩擦材料的 增强预制体,可进一步提高摩擦材料的机械承载能力, 同时防止材料在摩擦过程中出现分层开裂现象. 因而 2郾 5D 以及 3D 织物增强摩擦材料及其摩擦学性能的研 究是当前摩擦材料的研究重点和热点之一. Kim 等[15] 将碳纤维织物增强树脂基复合材料用于轴承内衬,并 研究了其摩擦学性能,发现碳纤维织物的自润滑性可 显著提高系统的摩擦稳定性. 张建民等[6]采用溶液浸 渍和真空辅助工艺制备了 2郾 5D 碳纤维机织物增强酚 醛树脂基摩擦材料并研究了其力学性能,剪切强度达 262 MPa,弯曲应力达 729 MPa. 杨彩云和胡振英[16] 研 究了碳纤维 2郾 5D 角联锁结构和三向正交结构预制体 增强 C/ C 复合材料的摩擦磨损性能,获得了稳定的摩 擦系数和较低的磨损率. Tiwari 等[1]以及 Bijwe 和 Rat鄄 tan [7]研究了碳纤维织物增强聚醚基复合材料的性能, 获得了适合于该类复合材料的织物类型、含量以及预 处理方法等工艺参数. 树脂基摩擦材料及其摩擦学性能受成型工艺影响 的研究报道较少. 本文采用碳纤维 2郾 5D 浅交弯联结 构作为预制体,分别采用树脂传递成型工艺 ( resin transfer molding, RTM) 和热压成型工艺( hot pressing molding, HPM),制备碳纤维增强酚醛树脂基摩擦材 料. 研究对比了两种材料在不同工况条件下的摩擦磨 损性能,为碳纤维整体织物增强树脂基摩擦材料研究 提供理论依据. 1 试样方法 1郾 1 试样制备 试样采用 T300鄄3K 碳纤维(威海光威复合材料有 限公司提供),按照 2郾 5D 浅交弯联结构(如图 1 所示) 编织形成碳纤维整体织物结构预制体,编织经密每厘 米 8 根、纬密每厘米 4 根,编织层数 3 层. 分别采用树 脂传递成型工艺(RTM)和热压成型工艺(HPM),将酚 醛树脂与碳纤维整体织物结构预制体进行复合,制备 碳纤维增强酚醛树脂基摩擦材料. 将摩擦材料裁剪为 准70 mm 的圆盘,供摩擦磨损试验使用. 图 1 2郾 5D 浅交弯联织物结构示意图 Fig. 1 Structure of the 2郾 5D shallow鄄crossing linking 树脂传递成型工艺装置示意图如图 2 所示. 工艺 过程为,首先使用真空泵 ( vacuum pump) 在真空袋 (vacuum bag)中产生负压( - 0郾 1 MPa),将树脂胶液吸 入真空袋中,使其浸润预先放置于真空袋中的纤维预 制体. 浸润结束后加热 175 益固化成型. 图 2 树脂传递成型工艺(RTM)装置示意图 Fig. 2 Schematic of resin transfer molding (RTM) 热压成型工艺装置示意图如图 3 所示. 工艺过程 为,将纤维预制体与树脂胶液一起放入热压腔体,施加 压力使树脂充满模腔,在 10 MPa 压力和 175 益 温度下 使摩擦材料固化成型. 图 3 热压成型工艺(HPM)装置示意图 Fig. 3 Schematic of hot - pressing molding (HPM) 采用树脂传递成型工艺和热压成型工艺制备的摩 擦材料基本物理力学性能在表 1 中列出. 热压成型工 艺成型压力达到 10 MPa,较高的压力将多余的树脂挤 出,造成碳纤维含量较高. 碳纤维的密度(1郾 78 g· cm - 3 )大于树脂固化后的密度,且较大的成型压力造 表 1 不同成型工艺成型的材料物理性能 Table 1 Physical properties of different materials 工艺 密度/ (g·cm - 3 ) 纤维质量 分数/ % 抗压 强度/ MPa 硬度, HS 树脂传递成型 1郾 48 65 413 98郾 8 热压成型 1郾 53 80 448 79郾 8 ·1183·