玉米秸秆纤维增强仿生制动摩擦材料制备及其关键技术研究

发布时间：2020-11-07 08:35

　　 制动摩擦材料是汽车制动系统中关键性部件材料,其性能的好坏直接影响着汽车运行的安全性、稳定性、舒适性等,增强纤维作为制动摩擦材料中的重要组分,对摩擦材料的机械性能和摩擦磨损性能起着决定性的作用。现阶段常见的增强纤维包括金属纤维、玻璃纤维、陶瓷纤维等,虽然在一定程度上提高了材料的摩擦性能,但是在环保性、成本控制上存在一定的不足,而天然植物纤维具有绿色环保、价廉质轻、比强度和比模量高等优良特性,其在制动摩擦材料中的应用已经成为研究热点之一。玉米秸秆是典型的天然植物纤维,在我国玉米主产区吉林省,传统的秸秆处理方式如还田、饲料化、焚烧等,资源利用率有限且易造成环境污染。因此,本文针对汽车工业发展与生物质资源高效利用的双重需求,围绕着玉米秸秆纤维增强树脂基制动摩擦材料开展了一系列的研究,主要研究工作与创新成果如下:(1)玉米秸秆纤维增强制动摩擦材料可行性研究。对废弃玉米秸秆进行纤维提取及改性处理,制备了玉米秸秆纤维增强树脂基摩擦材料,并考察了纤维含量对摩擦材料的物理机械性能、摩擦磨损性能、磨损表面微观形貌的影响。结果表明,适量加入玉米秸秆纤维不仅可以提高摩擦材料的冲击强度和剪切强度,同时还能够改善材料的摩擦稳定性和耐磨性。当玉米秸秆纤维含量为6 wt.%时,摩擦材料表现出最佳的综合性能,其衰退率为7.8%,恢复率为106.5%,总磨损率为1.763×10~(-7) cm~3(N·m)~(-1),相较于未添加秸秆纤维的试样,这三项性能分别提升了约45.5%、13.8%和37.3%。磨损表面微观形貌分析结果表明,玉米秸秆纤维的加入能够不同程度地减轻摩擦材料的磨粒磨损、疲劳磨损以及粘着磨损,并且有利于促进磨损表面上次要接触区的形成。(2)过腹秸秆纤维增强制动摩擦材料可行性研究。针对同样作为典型生物质资源的过腹秸秆进行增强摩擦材料制备,并且对比分析了过腹秸秆纤维和玉米秸秆纤维对摩擦材料性能的影响。结果表明,适量加入过腹秸秆纤维同样可以改善摩擦材料的物理机械性能和摩擦磨损性能,含有6 wt.%过腹秸秆纤维的摩擦材料具有最佳的摩擦稳定性和耐磨性,其衰退率为6.9%,恢复率为107.7%,总磨损率为1.616×10~(-7) cm~3(N·m)~(-1);进一步对比发现,在纤维添加量相同的条件下,过腹秸秆纤维对上述性能指标的改善程度要优于玉米秸秆纤维,尤其是与玉米秸秆纤维增强试样相比,过腹秸秆纤维增强试样的抗热衰退性能和耐磨损性能最高分别提升了约28.7%和16.9%。磨损表面微观形貌分析结果表明,过腹秸秆纤维和基体材料的界面结合性更好,并且更有利于次要接触区的形成和稳定,过腹秸秆纤维相较于玉米秸秆纤维具有更优异的增强效果。(3)秸秆纤维组分对制动摩擦材料摩擦磨损行为的影响规律研究。鉴于玉米秸秆纤维和过腹秸秆纤维增强效果的差异,探究了秸秆纤维组分对树脂基摩擦材料的物理机械行为和摩擦磨损行为的影响规律,从而着重分析出过腹秸秆纤维具有相对更优的提升摩擦材料摩擦学性能的原因。结果表明,综纤维素和木质素含量的变化会影响摩擦材料的摩擦磨损性能,适当降低玉米秸秆纤维中木质素含量、提高综纤维素含量,不仅可以有效提高摩擦材料的抗热衰退性能和恢复性能,同时还有利于改善材料的耐磨损性能。纤维中木质素含量为6.7%、综纤维素含量为72.7%的摩擦材料具有最优的摩擦稳定性和耐磨性,与原玉米秸秆纤维增强试样相比,衰退率、恢复率和总磨损率性能指标分别提高了约46.9%、10.4%和10.8%;进一步分析表明,玉米秸秆纤维组分对纤维-基体界面结合性以及次要接触区的形成均有重要影响,在一定范围内随着纤维中木质素组分的逐渐减少,综纤维素组分的逐渐增多,纤维与树脂基体之间的界面结合性能得到有效改善,此外,木质素含量的适当降低还会提高次要接触区的形成稳定性,进而有利于提升摩擦材料的摩擦和磨损性能。(4)玉米秸秆仿生发酵方法及其制动摩擦材料试验设计优化。根据过腹秸秆纤维形成原理和纤维组分含量对摩擦材料性能的影响规律,设计体外仿生发酵方案实现对玉米秸秆纤维的精确改性。首先依据牛胃消化系统特性,在厌氧条件下从牛瘤胃液中筛选、分离、驯化降解木质素的菌株,实现了对玉米秸秆纤维的仿生发酵处理;进一步考察了发酵温度、pH值以及料液比对纤维增强摩擦材料摩擦磨损性能的影响,通过响应曲面法优化出最佳的发酵处理方案,确定最优发酵试验参数为:温度=38.8℃、pH值=6.3、料液比=1:47 g/mL。在此条件下,仿生发酵纤维增强摩擦材料的衰退率为6.1%,恢复率为110.9%,总磨损率为1.521×10~(-7) cm~3(N·m)~(-1),其综合性能优于过腹秸秆纤维增强摩擦材料。最后通过SEM试验观察仿生发酵秸秆纤维及其摩擦材料形貌,结果表明与过腹秸秆纤维相比,仿生发酵纤维表面出现了明显的粗糙褶皱结构,纤维表面与树脂基体之间的界面结合性更好,同时试样表面所形成的次要接触区尺寸相对更大,进而提高了树脂基摩擦材料的摩擦稳定性及耐磨损性能。(5)仿生发酵秸秆纤维增强制动摩擦材料台架试验验证。通过缩比台架试验与惯性台架试验共同检测仿生发酵秸秆纤维增强制动摩擦材料的摩擦性能,模拟实际工况下压力、速度、温度等因素对摩擦材料摩擦性能的影响,同时针对试验结果进行双变量显著性检验,建立摩擦因数检验模型。研究表明缩比台架试验与惯性台架试验结果满足高度相似关系,测试全程缩比试样与实际摩擦衬片摩擦因数的变化趋势相同,在低能量、中能量、高能量相关测试中均维持了稳定的摩擦性能,其余辅助指标主轴转速、减速度、制动时间等均保持稳定状态,试验数据具有较好的一致性和可比性。在初始特性测试、速度相关测试、压力相关测试、温度相关测试、最终性能测试等步骤,摩擦因数始终优于国标性能。最终性能试验结果表明,摩擦材料缩比台架试验的平均摩擦因数为0.341,惯性台架试验的平均摩擦因数为0.332,均实现了较优异的摩擦性能。
【学位单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2020
【中图分类】：TB39;U463.5;U465
【部分图文】：

成了严重的资源浪费和环境污染。通过对玉米秸秆及其废弃物进行处理，使其作为增强纤维来制备汽车制动摩擦材料，不仅可以提高农业生物质资源利用率，降低环境污染，同时能够有利于解决汽车产业对高性能环保型摩擦材料的需求，对促进绿色工业发展、农业工业一体化循环经济具有重要意义。本论文选题源于吉林省科技发展计划项目“玉米秸秆纤维增强仿生汽车制动摩擦材料研制与推广”和吉林省省级产业创新专项资金项目“天然纤维增强仿生摩擦材料开发”。1.2制动摩擦材料的性能要求及影响因素1.2.1制动摩擦材料的性能要求如图1.1所示，盘式制动器的结构主要由制动盘、制动钳、制动摩擦材料、卡销、支架等组成，制动钳与卡销共同固定摩擦衬片贴附于制动盘盘面上，制动过程中摩擦衬片从两侧夹紧制动盘产生摩擦力，迫使车辆减速或停止。制动摩擦材料是制动器的重要组成部分，用以控制制动力的大小，使整个制动过程平稳，若产生的瞬时制动力过大，易产生轮胎抱死，车身打滑甩尾；若制动力过小，会造成制动距离延长，制动失效，因此制动是一个动态变化的过程，要求摩擦材料具有一定的摩擦因数稳定性、耐磨损性以及热稳定性等，其性能的改变能够显著影响车辆行驶的安全性和舒适性等。图1.1盘式制动器结构此外随着车辆高速化和重载化，相应地对制动摩擦材料的综合性能也提出了更高的要求。针对摩擦材料的特殊性，通常使用摩擦因数、耐磨性等指标来衡量其性能的好坏，任何参数的变化都有可能引起制动力的改变，进而影响制动效果。为了保证制

第一章绪论71.3国内外研究现状1.3.1增强纤维研究现状增强纤维是摩擦材料的支撑骨架，作为主要承载单元，可使材料具有一定的强度和韧性，使其能够承受剪切、冲击、压缩、拉伸等机械作用，而不出现裂纹、断裂等机械损伤，并且避免由此引发的材料失效[57]。增强纤维对摩擦材料的增强增韧原理如图1.2所示[58]。增强纤维与材料基体通过界面结合力结合在一起（图1.2a），当复合材料受到沿纤维方向的作用力时，材料基体随即产生萌芽裂纹，并且裂纹会在垂直于界面的方向上逐渐发展，当其接近纤维/基体界面时，纤维能够起到阻止裂纹继续扩展的作用（图1.2b）。但当纤维和基体间的界面结合性较弱时，由于界面剪切以及两者横向收缩，裂纹会向界面方向发展（图1.2c），在发展到一定程度后，又会重新按照原方向发展，当材料受力增大时，纤维与基体的界面将继续分离，纤维产生部分脱粘的现象，在应力作用下，使得纤维弱点处出现破裂（图1.2d）。破裂的纤维容易从裂纹处的基体中拔出，使得纤维阻止裂纹扩展的能力下降，当拔出的纤维达到一定数量时，就会导致复合材料整体破裂，从而造成材料的失效（图1.2e）。因此，摩擦材料中的增强纤维在性能方面，不仅需要满足良好的摩擦性能和耐热性能，还应该具有足够的强度、模量、韧性以及较好的分散性、与基体结合性等，以保证增强纤维的增强效果，从而有助于得到性能更优异的摩擦材料。图1.2纤维增强增韧原理示意图摩擦材料早期使用的增强纤维是石棉纤维，虽然石棉具有价格低廉、分散性好、摩擦磨损性能好等优点，但由于石棉致癌且其粉尘污染环境，因此被许多国家禁止使用[59]。20世纪70年代以后，摩擦材料开始向无石棉化发展，国内外也相继开展了代用增强纤维的研究。目前，摩擦材料中广泛使用的增强纤维主要包括

第二章玉米秸秆纤维增强制动摩擦材料制备及其性能研究17第二章玉米秸秆纤维增强制动摩擦材料制备及其性能研究天然植物纤维是一种绿色环保生物质材料，其不仅具有来源广泛、价廉质轻、可再生、可降解等优点，同时还具有较高的比强度和比模量，因此在增强摩擦材料领域中扮演着越来越重要的角色。吉林省作为农业大省，是我国重要的玉米生产基地，每年产生的玉米秸秆量高达4000万吨，但目前主要的处理方式为还田、饲料化、焚烧等，其资源化利用率较低，且造成严重的环境污染现象。如果能将玉米秸秆应用到摩擦材料领域，不仅可以拓宽秸秆废弃物的利用途径，还可以扩大环保型增强材料的可选范围。因此，本章主要目的就是探究玉米秸秆纤维用于增强制动摩擦材料的可行性，并研究不同纤维含量对摩擦材料机械性能和摩擦学性能的影响。2.1玉米秸秆纤维制备及改性处理2.1.1玉米秸秆纤维制备玉米（ZeamaysL.）属于一年生禾本科植物，如图2.1所示，其秸秆主要由外皮和髓质两部分组成，从显微角度来看，可以细分为表皮、机械组织、维管束、基本组织等[127]。秸秆髓质是由基本组织和分散于内的维管束构成，结构松散柔软，机械强度较低，主要起到贮存和运输水分养分的作用；而秸秆外皮则由表皮组织和排列紧密的机械厚壁组织构成，其中纤维素、木质素、半纤维素含量较多，机械强度较高，韧性较好，对植物起到支撑和保护的作用。由于植物纤维在摩擦材料中需要起到增强增韧的作用，这就要求植物纤维本身具有一定的强度和韧性，就玉米秸秆而言，其外皮部分具有更优异的机械性能，在通过改性处理后更容易满足增强纤维的使用要求，因此玉米秸秆纤维的制备主要取自于玉米秸秆外皮。图2.1玉米秸秆的横切面图[128]
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本文编号：2873702