發(fā)布時間：2020-11-07 08:35

　　 制動摩擦材料是汽車制動系統(tǒng)中關(guān)鍵性部件材料,其性能的好壞直接影響著汽車運行的安全性、穩(wěn)定性、舒適性等,增強纖維作為制動摩擦材料中的重要組分,對摩擦材料的機械性能和摩擦磨損性能起著決定性的作用。現(xiàn)階段常見的增強纖維包括金屬纖維、玻璃纖維、陶瓷纖維等,雖然在一定程度上提高了材料的摩擦性能,但是在環(huán)保性、成本控制上存在一定的不足,而天然植物纖維具有綠色環(huán)保、價廉質(zhì)輕、比強度和比模量高等優(yōu)良特性,其在制動摩擦材料中的應(yīng)用已經(jīng)成為研究熱點之一。玉米秸稈是典型的天然植物纖維,在我國玉米主產(chǎn)區(qū)吉林省,傳統(tǒng)的秸稈處理方式如還田、飼料化、焚燒等,資源利用率有限且易造成環(huán)境污染。因此,本文針對汽車工業(yè)發(fā)展與生物質(zhì)資源高效利用的雙重需求,圍繞著玉米秸稈纖維增強樹脂基制動摩擦材料開展了一系列的研究,主要研究工作與創(chuàng)新成果如下:(1)玉米秸稈纖維增強制動摩擦材料可行性研究。對廢棄玉米秸稈進行纖維提取及改性處理,制備了玉米秸稈纖維增強樹脂基摩擦材料,并考察了纖維含量對摩擦材料的物理機械性能、摩擦磨損性能、磨損表面微觀形貌的影響。結(jié)果表明,適量加入玉米秸稈纖維不僅可以提高摩擦材料的沖擊強度和剪切強度,同時還能夠改善材料的摩擦穩(wěn)定性和耐磨性。當玉米秸稈纖維含量為6 wt.%時,摩擦材料表現(xiàn)出最佳的綜合性能,其衰退率為7.8%,恢復率為106.5%,總磨損率為1.763×10~(-7) cm~3(N·m)~(-1),相較于未添加秸稈纖維的試樣,這三項性能分別提升了約45.5%、13.8%和37.3%。磨損表面微觀形貌分析結(jié)果表明,玉米秸稈纖維的加入能夠不同程度地減輕摩擦材料的磨粒磨損、疲勞磨損以及粘著磨損,并且有利于促進磨損表面上次要接觸區(qū)的形成。(2)過腹秸稈纖維增強制動摩擦材料可行性研究。針對同樣作為典型生物質(zhì)資源的過腹秸稈進行增強摩擦材料制備,并且對比分析了過腹秸稈纖維和玉米秸稈纖維對摩擦材料性能的影響。結(jié)果表明,適量加入過腹秸稈纖維同樣可以改善摩擦材料的物理機械性能和摩擦磨損性能,含有6 wt.%過腹秸稈纖維的摩擦材料具有最佳的摩擦穩(wěn)定性和耐磨性,其衰退率為6.9%,恢復率為107.7%,總磨損率為1.616×10~(-7) cm~3(N·m)~(-1);進一步對比發(fā)現(xiàn),在纖維添加量相同的條件下,過腹秸稈纖維對上述性能指標的改善程度要優(yōu)于玉米秸稈纖維,尤其是與玉米秸稈纖維增強試樣相比,過腹秸稈纖維增強試樣的抗熱衰退性能和耐磨損性能最高分別提升了約28.7%和16.9%。磨損表面微觀形貌分析結(jié)果表明,過腹秸稈纖維和基體材料的界面結(jié)合性更好,并且更有利于次要接觸區(qū)的形成和穩(wěn)定,過腹秸稈纖維相較于玉米秸稈纖維具有更優(yōu)異的增強效果。(3)秸稈纖維組分對制動摩擦材料摩擦磨損行為的影響規(guī)律研究。鑒于玉米秸稈纖維和過腹秸稈纖維增強效果的差異,探究了秸稈纖維組分對樹脂基摩擦材料的物理機械行為和摩擦磨損行為的影響規(guī)律,從而著重分析出過腹秸稈纖維具有相對更優(yōu)的提升摩擦材料摩擦學性能的原因。結(jié)果表明,綜纖維素和木質(zhì)素含量的變化會影響摩擦材料的摩擦磨損性能,適當降低玉米秸稈纖維中木質(zhì)素含量、提高綜纖維素含量,不僅可以有效提高摩擦材料的抗熱衰退性能和恢復性能,同時還有利于改善材料的耐磨損性能。纖維中木質(zhì)素含量為6.7%、綜纖維素含量為72.7%的摩擦材料具有最優(yōu)的摩擦穩(wěn)定性和耐磨性,與原玉米秸稈纖維增強試樣相比,衰退率、恢復率和總磨損率性能指標分別提高了約46.9%、10.4%和10.8%;進一步分析表明,玉米秸稈纖維組分對纖維-基體界面結(jié)合性以及次要接觸區(qū)的形成均有重要影響,在一定范圍內(nèi)隨著纖維中木質(zhì)素組分的逐漸減少,綜纖維素組分的逐漸增多,纖維與樹脂基體之間的界面結(jié)合性能得到有效改善,此外,木質(zhì)素含量的適當降低還會提高次要接觸區(qū)的形成穩(wěn)定性,進而有利于提升摩擦材料的摩擦和磨損性能。(4)玉米秸稈仿生發(fā)酵方法及其制動摩擦材料試驗設(shè)計優(yōu)化。根據(jù)過腹秸稈纖維形成原理和纖維組分含量對摩擦材料性能的影響規(guī)律,設(shè)計體外仿生發(fā)酵方案實現(xiàn)對玉米秸稈纖維的精確改性。首先依據(jù)牛胃消化系統(tǒng)特性,在厭氧條件下從牛瘤胃液中篩選、分離、馴化降解木質(zhì)素的菌株,實現(xiàn)了對玉米秸稈纖維的仿生發(fā)酵處理;進一步考察了發(fā)酵溫度、pH值以及料液比對纖維增強摩擦材料摩擦磨損性能的影響,通過響應(yīng)曲面法優(yōu)化出最佳的發(fā)酵處理方案,確定最優(yōu)發(fā)酵試驗參數(shù)為:溫度=38.8℃、pH值=6.3、料液比=1:47 g/mL。在此條件下,仿生發(fā)酵纖維增強摩擦材料的衰退率為6.1%,恢復率為110.9%,總磨損率為1.521×10~(-7) cm~3(N·m)~(-1),其綜合性能優(yōu)于過腹秸稈纖維增強摩擦材料。最后通過SEM試驗觀察仿生發(fā)酵秸稈纖維及其摩擦材料形貌,結(jié)果表明與過腹秸稈纖維相比,仿生發(fā)酵纖維表面出現(xiàn)了明顯的粗糙褶皺結(jié)構(gòu),纖維表面與樹脂基體之間的界面結(jié)合性更好,同時試樣表面所形成的次要接觸區(qū)尺寸相對更大,進而提高了樹脂基摩擦材料的摩擦穩(wěn)定性及耐磨損性能。(5)仿生發(fā)酵秸稈纖維增強制動摩擦材料臺架試驗驗證。通過縮比臺架試驗與慣性臺架試驗共同檢測仿生發(fā)酵秸稈纖維增強制動摩擦材料的摩擦性能,模擬實際工況下壓力、速度、溫度等因素對摩擦材料摩擦性能的影響,同時針對試驗結(jié)果進行雙變量顯著性檢驗,建立摩擦因數(shù)檢驗模型。研究表明縮比臺架試驗與慣性臺架試驗結(jié)果滿足高度相似關(guān)系,測試全程縮比試樣與實際摩擦襯片摩擦因數(shù)的變化趨勢相同,在低能量、中能量、高能量相關(guān)測試中均維持了穩(wěn)定的摩擦性能,其余輔助指標主軸轉(zhuǎn)速、減速度、制動時間等均保持穩(wěn)定狀態(tài),試驗數(shù)據(jù)具有較好的一致性和可比性。在初始特性測試、速度相關(guān)測試、壓力相關(guān)測試、溫度相關(guān)測試、最終性能測試等步驟,摩擦因數(shù)始終優(yōu)于國標性能。最終性能試驗結(jié)果表明,摩擦材料縮比臺架試驗的平均摩擦因數(shù)為0.341,慣性臺架試驗的平均摩擦因數(shù)為0.332,均實現(xiàn)了較優(yōu)異的摩擦性能。
【學位單位】：吉林大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2020
【中圖分類】：TB39;U463.5;U465
【部分圖文】：

成了嚴重的資源浪費和環(huán)境污染。通過對玉米秸稈及其廢棄物進行處理，使其作為增強纖維來制備汽車制動摩擦材料，不僅可以提高農(nóng)業(yè)生物質(zhì)資源利用率，降低環(huán)境污染，同時能夠有利于解決汽車產(chǎn)業(yè)對高性能環(huán)保型摩擦材料的需求，對促進綠色工業(yè)發(fā)展、農(nóng)業(yè)工業(yè)一體化循環(huán)經(jīng)濟具有重要意義。本論文選題源于吉林省科技發(fā)展計劃項目“玉米秸稈纖維增強仿生汽車制動摩擦材料研制與推廣”和吉林省省級產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新專項資金項目“天然纖維增強仿生摩擦材料開發(fā)”。1.2制動摩擦材料的性能要求及影響因素1.2.1制動摩擦材料的性能要求如圖1.1所示，盤式制動器的結(jié)構(gòu)主要由制動盤、制動鉗、制動摩擦材料、卡銷、支架等組成，制動鉗與卡銷共同固定摩擦襯片貼附于制動盤盤面上，制動過程中摩擦襯片從兩側(cè)夾緊制動盤產(chǎn)生摩擦力，迫使車輛減速或停止。制動摩擦材料是制動器的重要組成部分，用以控制制動力的大小，使整個制動過程平穩(wěn)，若產(chǎn)生的瞬時制動力過大，易產(chǎn)生輪胎抱死，車身打滑甩尾；若制動力過小，會造成制動距離延長，制動失效，因此制動是一個動態(tài)變化的過程，要求摩擦材料具有一定的摩擦因數(shù)穩(wěn)定性、耐磨損性以及熱穩(wěn)定性等，其性能的改變能夠顯著影響車輛行駛的安全性和舒適性等。圖1.1盤式制動器結(jié)構(gòu)此外隨著車輛高速化和重載化，相應(yīng)地對制動摩擦材料的綜合性能也提出了更高的要求。針對摩擦材料的特殊性，通常使用摩擦因數(shù)、耐磨性等指標來衡量其性能的好壞，任何參數(shù)的變化都有可能引起制動力的改變，進而影響制動效果。為了保證制

第一章緒論71.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.3.1增強纖維研究現(xiàn)狀增強纖維是摩擦材料的支撐骨架，作為主要承載單元，可使材料具有一定的強度和韌性，使其能夠承受剪切、沖擊、壓縮、拉伸等機械作用，而不出現(xiàn)裂紋、斷裂等機械損傷，并且避免由此引發(fā)的材料失效[57]。增強纖維對摩擦材料的增強增韌原理如圖1.2所示[58]。增強纖維與材料基體通過界面結(jié)合力結(jié)合在一起（圖1.2a），當復合材料受到沿纖維方向的作用力時，材料基體隨即產(chǎn)生萌芽裂紋，并且裂紋會在垂直于界面的方向上逐漸發(fā)展，當其接近纖維/基體界面時，纖維能夠起到阻止裂紋繼續(xù)擴展的作用（圖1.2b）。但當纖維和基體間的界面結(jié)合性較弱時，由于界面剪切以及兩者橫向收縮，裂紋會向界面方向發(fā)展（圖1.2c），在發(fā)展到一定程度后，又會重新按照原方向發(fā)展，當材料受力增大時，纖維與基體的界面將繼續(xù)分離，纖維產(chǎn)生部分脫粘的現(xiàn)象，在應(yīng)力作用下，使得纖維弱點處出現(xiàn)破裂（圖1.2d）。破裂的纖維容易從裂紋處的基體中拔出，使得纖維阻止裂紋擴展的能力下降，當拔出的纖維達到一定數(shù)量時，就會導致復合材料整體破裂，從而造成材料的失效（圖1.2e）。因此，摩擦材料中的增強纖維在性能方面，不僅需要滿足良好的摩擦性能和耐熱性能，還應(yīng)該具有足夠的強度、模量、韌性以及較好的分散性、與基體結(jié)合性等，以保證增強纖維的增強效果，從而有助于得到性能更優(yōu)異的摩擦材料。圖1.2纖維增強增韌原理示意圖摩擦材料早期使用的增強纖維是石棉纖維，雖然石棉具有價格低廉、分散性好、摩擦磨損性能好等優(yōu)點，但由于石棉致癌且其粉塵污染環(huán)境，因此被許多國家禁止使用[59]。20世紀70年代以后，摩擦材料開始向無石棉化發(fā)展，國內(nèi)外也相繼開展了代用增強纖維的研究。目前，摩擦材料中廣泛使用的增強纖維主要包括

第二章玉米秸稈纖維增強制動摩擦材料制備及其性能研究17第二章玉米秸稈纖維增強制動摩擦材料制備及其性能研究天然植物纖維是一種綠色環(huán)保生物質(zhì)材料，其不僅具有來源廣泛、價廉質(zhì)輕、可再生、可降解等優(yōu)點，同時還具有較高的比強度和比模量，因此在增強摩擦材料領(lǐng)域中扮演著越來越重要的角色。吉林省作為農(nóng)業(yè)大省，是我國重要的玉米生產(chǎn)基地，每年產(chǎn)生的玉米秸稈量高達4000萬噸，但目前主要的處理方式為還田、飼料化、焚燒等，其資源化利用率較低，且造成嚴重的環(huán)境污染現(xiàn)象。如果能將玉米秸稈應(yīng)用到摩擦材料領(lǐng)域，不僅可以拓寬秸稈廢棄物的利用途徑，還可以擴大環(huán)保型增強材料的可選范圍。因此，本章主要目的就是探究玉米秸稈纖維用于增強制動摩擦材料的可行性，并研究不同纖維含量對摩擦材料機械性能和摩擦學性能的影響。2.1玉米秸稈纖維制備及改性處理2.1.1玉米秸稈纖維制備玉米（ZeamaysL.）屬于一年生禾本科植物，如圖2.1所示，其秸稈主要由外皮和髓質(zhì)兩部分組成，從顯微角度來看，可以細分為表皮、機械組織、維管束、基本組織等[127]。秸稈髓質(zhì)是由基本組織和分散于內(nèi)的維管束構(gòu)成，結(jié)構(gòu)松散柔軟，機械強度較低，主要起到貯存和運輸水分養(yǎng)分的作用；而秸稈外皮則由表皮組織和排列緊密的機械厚壁組織構(gòu)成，其中纖維素、木質(zhì)素、半纖維素含量較多，機械強度較高，韌性較好，對植物起到支撐和保護的作用。由于植物纖維在摩擦材料中需要起到增強增韌的作用，這就要求植物纖維本身具有一定的強度和韌性，就玉米秸稈而言，其外皮部分具有更優(yōu)異的機械性能，在通過改性處理后更容易滿足增強纖維的使用要求，因此玉米秸稈纖維的制備主要取自于玉米秸稈外皮。圖2.1玉米秸稈的橫切面圖[128]
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本文編號：2873702