中國(guó)粉體網(wǎng)訊 摩擦材料在運(yùn)動(dòng)機(jī)械和裝備中起傳動(dòng)、制動(dòng)、減速、駐車等作用，廣泛應(yīng)用于汽車、火車、飛機(jī)、礦山、冶金、化工、電力、工程機(jī)械等，其中在汽車工業(yè)消耗量占80%以上。
摩擦材料是典型的復(fù)合材料，通常由粘結(jié)組分(橡膠或樹脂材料)、增強(qiáng)組分(有機(jī)或無(wú)機(jī)纖維)和填料組分(以礦物粉體為主)組成，其中礦物類原料既可發(fā)揮增強(qiáng)功能，也可起填料作用，且占比最大，對(duì)摩擦材料的性能以及使用效能的影響也最顯著，是摩擦工程領(lǐng)域重點(diǎn)關(guān)注的對(duì)象。
按摩擦材料中礦物原料的作用，可分為礦物增強(qiáng)原料、礦物增阻(增摩)原料和礦物減阻(減摩)原料。
一、摩擦材料中的礦物增強(qiáng)原料
摩擦材料中的增強(qiáng)材料主要賦予摩擦制品高的機(jī)械強(qiáng)度，使其能夠承受摩擦制品生產(chǎn)過(guò)程中機(jī)械加工所施加的負(fù)載力以及使用過(guò)程中由于制動(dòng)所產(chǎn)生的沖擊力、剪切力、壓應(yīng)力，避免發(fā)生斷裂和破損。
摩擦材料對(duì)增強(qiáng)材料的基本要求包括：增強(qiáng)效果顯著；耐熱性好；摩擦系數(shù)恰當(dāng)且穩(wěn)定；硬度適中；工藝可操作性好。用作增強(qiáng)材料的礦物通常是纖維狀礦物，主要有纖維狀海泡石、針柱狀硅灰石、纖水鎂石、石棉等。
海泡石
海泡石是一類富鎂的含水層鏈狀硅酸鹽礦物，有淋濾—熱液型和沉積型兩種成因，前者多呈纖維狀，后者多為細(xì)粒狀—片狀，用作摩擦增強(qiáng)材料的纖維狀海泡石屬于前者。
海泡石具有較大的比表面積具有強(qiáng)吸附能力，這使得其能與摩擦材料中的樹脂和填料產(chǎn)生很好的界面效應(yīng)，在混合攪拌過(guò)程中能很好的吸收粘結(jié)劑，表現(xiàn)為良好的浸潤(rùn)性，并能與填料均勻混合。此外海泡石的孔結(jié)構(gòu)可以將高聚物粘結(jié)劑受熱分解產(chǎn)生的小分子氣體聚集在孔道內(nèi)，而不是聚集在摩擦表面，有利于減少摩擦材料的熱衰退。
硅灰石
硅灰石是一種具有鏈狀結(jié)構(gòu)的鈣硅酸鹽礦物。硅灰石作為摩擦材料中的增強(qiáng)礦物，由于其自身韌性較差，故增強(qiáng)作用不及其他纖維明顯，但與其他纖維混合使用時(shí)增強(qiáng)效果更好。
該礦物質(zhì)地堅(jiān)硬(硬度大)，在摩擦材料中的添加量通常不超過(guò)15%，否則其產(chǎn)品使用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大噪音。這種礦物還具有增摩作用，對(duì)摩擦材料的常溫和高溫摩擦系數(shù)都有提高，且制品的摩擦系數(shù)隨其添加量的增加而提高。
水鎂石
水鎂石是具有層狀結(jié)構(gòu)的氫氧化物礦物；纖水鎂石是水鎂石的纖維狀變種。纖水鎂石是天然無(wú)機(jī)纖維中抗堿性最優(yōu)者，但在草酸、檸檬酸、乙酸、Al(OH)3溶液中可以部分被溶解，在強(qiáng)酸中可全部溶解;在潮濕或多雨氣候下，易受大氣中的CO2、H2O侵蝕，故其制品的表面需有防水保護(hù)層進(jìn)行保護(hù)。纖水鎂石的許多物理性能與溫石棉類似，作為摩擦材料中的增強(qiáng)和阻燃組分具有良好表現(xiàn)，添加量最多達(dá)40%。
石棉
石棉是具有纖維結(jié)構(gòu)、可以劈分成極細(xì)而又柔韌的纖維狀含羥基的鎂硅酸礦物的總稱。作為摩擦增強(qiáng)材料的石棉有藍(lán)石棉(角閃石石棉)和溫石棉(纖蛇紋石石棉)兩類，它們都是硅酸鹽礦物，但前者屬于鏈狀結(jié)構(gòu)的閃石族，后者屬于層狀結(jié)構(gòu)的蛇紋石類。
石棉良好的纖維柔韌性、好的化學(xué)穩(wěn)定性以及優(yōu)良的力學(xué)和熱學(xué)性能，是其作為摩擦增強(qiáng)材料的關(guān)鍵。此外，石棉摩擦材料具有耐高溫、摩擦系數(shù)高、硬度低、強(qiáng)度高、價(jià)格便宜等特點(diǎn)。
二、摩擦材料中的礦物增阻原料
增阻礦物原料大多具有較高的摩擦系數(shù)，同時(shí)具有較高的硬度(莫氏硬度在3～9)和剪切強(qiáng)度，主要發(fā)揮提高制品摩擦阻力和強(qiáng)度的作用。
作為摩擦材料，重晶石的摩擦系數(shù)較高且穩(wěn)定，磨耗小，摩擦噪音低；在高溫下能形成穩(wěn)定的摩擦界面，可以防止摩擦副表面擦傷，使摩擦副表面更光潔。
螢石和冰晶石
螢石和冰晶石礦物學(xué)特征
雖然螢石和冰晶石的硬度不高，但它們作為摩擦材料都具有良好的增阻效果。特別是冰晶石，它分別在570、730和990℃存在明顯的相變或熔融吸熱反應(yīng)，作為摩擦材料具有提高制品高溫穩(wěn)定性的顯著作用。螢石熔體的粘度較低，對(duì)其他顆粒填料具有膠結(jié)作用，也可以提高摩擦材料的高溫耐磨性。
輝銻礦
輝銻礦屬于硫化物礦物，化學(xué)式：Sb2S3；在摩擦材料中，熔融后的Sb主要起粘結(jié)劑作用，可減少有機(jī)粘結(jié)劑用量。在盤式剎車片中添加硫化銻，可以降低樹脂用量以及摩擦系數(shù)的熱衰退，制品的高溫磨損率低，硬度較低，制動(dòng)噪聲低。
赤鐵礦、磁鐵礦、鉻鐵礦、鈦鐵礦和金紅石
赤鐵礦、磁鐵礦、鉻鐵礦、鈦鐵礦和金紅石的礦物學(xué)特征
這幾種礦物的硬度都處于中等水平，它們具有提高摩擦制品摩擦性能的作用，但其表現(xiàn)不盡相同。赤鐵礦利于摩擦制品耐高溫性的保持，多用于重載汽車的鼓式剎車片，添加量<5%。磁鐵礦可提高制品的摩擦性能，并有著色作用，多用于盤式剎車片，添加量一般在4%～12%。鉻鐵礦具有較好的低溫和高溫增阻作用。金紅石可以提高摩擦制品的抗高溫粘附能力和抗磨能力。此外，這些礦物在自然界中廣泛分布，選礦提純工藝成熟，成本較低，也是它們作為摩擦材料的優(yōu)勢(shì)。
鋯石與剛玉
鋯石與剛玉礦物學(xué)特征
研究發(fā)現(xiàn)，鋯石粒度和形貌會(huì)明顯影響摩擦性能，表現(xiàn)在：細(xì)顆粒鋯石的摩擦系數(shù)較粗顆粒大；在高溫下，粗顆粒鋯石的抗熱震性；大顆粒鋯石對(duì)摩擦副的磨損率大于小顆粒者。剛玉屬于氧化物礦物，不僅硬度高，其耐磨性能也好。化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，常溫下不溶于水，不受酸堿腐蝕。
鋯石和剛玉都屬于硬質(zhì)填料，少量添加即可產(chǎn)生良好的增阻效果，不僅摩擦系數(shù)高，且制動(dòng)噪聲低。
蛭石
蛭石是一種具有層狀結(jié)構(gòu)的含水鎂鋁硅酸鹽礦物。作為摩擦材料，膨脹蛭石有很好的吸音性能，可降低制動(dòng)噪聲，可降低制品密度，常用于制備盤式剎車盤。
沸石
沸石是一族具有架狀結(jié)構(gòu)的含水的堿或堿土金屬鋁硅酸鹽礦物，化學(xué)成分變化大。在摩擦材料中添加沸石，可以充分吸收高溫下樹脂熱分解釋放的氣態(tài)或液態(tài)水分子、摩擦產(chǎn)生的熱量以及噪聲，具有顯著降低熱衰退以及摩擦噪聲的作用。
硅藻土是一種生物成因的硅質(zhì)沉積巖，主要由地質(zhì)演化歷史時(shí)期形成的硅藻遺體組成。作為摩擦材料的填料，硅藻土可有效降低摩擦噪音和制品的熱衰退。
增阻(增摩)礦物(巖石)原料種類繁多，除上述重點(diǎn)介紹的幾種外，其他還包括長(zhǎng)石類礦物、鋁礬土、石灰?guī)r、白云巖等。增阻(增摩)礦物(巖石)原料的表面改性技術(shù)，是提高其在樹脂、橡膠等高分子基體中均勻分散并與基體材料有效結(jié)合的關(guān)鍵，也是該領(lǐng)域長(zhǎng)期面臨的技術(shù)問(wèn)題和重點(diǎn)研發(fā)方向。
三、摩擦材料中的礦物減阻原料
摩擦材料中使用的減阻(減摩)礦物填料主要是具有層狀結(jié)構(gòu)、硬度較低的礦物，如石墨、輝鉬礦(MoS2)、滑石、蛇紋石和類水滑石等。其中，石墨、輝鉬礦、滑石已得到廣泛應(yīng)用，而蛇紋石和類水滑石是極具應(yīng)用前景的礦物減摩材料。
石墨
石墨是碳的結(jié)晶礦物之一。層狀結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)層由碳原子組成六方環(huán)，層內(nèi)碳原子之間以共價(jià)鍵結(jié)合(強(qiáng)鍵)，層之間以分子鍵為主(弱鍵)，這決定了其礦物呈片狀形態(tài)和較低的硬度等特點(diǎn)。
石墨的摩擦系數(shù)在潤(rùn)滑介質(zhì)中＜0.1，且鱗片越大，摩擦系數(shù)越小，潤(rùn)滑性能越好。將石墨與Sb2S3搭配用作剎車片材料，摩擦穩(wěn)定性會(huì)明顯提高。
滑石
滑石作為摩擦材料中的填料，能夠很好地吸附樹脂(與樹脂具有良好的結(jié)合能力)，可以提高塊狀摩擦材料的強(qiáng)度，并具有明顯的減磨作用。但在970℃左右，滑石發(fā)生分解反應(yīng)，生成3MgSiO4和SiO2混合體，可以提高摩擦材料的強(qiáng)度和硬度，表現(xiàn)出良好的增強(qiáng)、增阻作用。
輝鉬礦
輝鉬礦是層狀結(jié)構(gòu)硫化物礦物。常溫下，輝鉬礦的剪切強(qiáng)度極低，摩擦系數(shù)低(0.03～0.15)。溫度高于350℃(空氣中)時(shí)，輝鉬礦將發(fā)生如下氧化反應(yīng)，形成MoS3，并放出SO2氣體，質(zhì)量損失率達(dá)20%，且摩擦系數(shù)升高。在惰性氣體保護(hù)下或真空中，輝鉬礦的摩擦系數(shù)開始明顯變大。因此，輝鉬礦常被用作高溫摩擦調(diào)節(jié)劑，但其價(jià)格高，多用于高檔摩擦材料制品中。
葉蛇紋石
葉蛇紋石是含羥基的層狀結(jié)構(gòu)硅酸鹽礦物。葉蛇紋石納米層狀結(jié)構(gòu)以及弱的層間結(jié)合力，使其表現(xiàn)出良好的潤(rùn)滑性能。它在高溫下的相變產(chǎn)物(鎂橄欖石和頑輝石)具有高硬度和較高強(qiáng)度。高溫相變產(chǎn)生SiO2也對(duì)提高摩擦材料的強(qiáng)度具有促進(jìn)作用。因此，葉蛇紋石作為摩擦材料在低溫和高溫階段都有良好表現(xiàn)，是優(yōu)良的摩擦調(diào)節(jié)劑。同時(shí)，葉蛇紋石的硬度又明顯高于石墨、滑石、輝鉬礦等，其增強(qiáng)、減摩效果更好。
類水滑石
類水滑石，又稱類水滑石化合物或?qū)訝铍p金屬氫氧化物，是一種由帶正電荷的金屬氫氧化物層板和層間填充帶負(fù)電荷的陰離子構(gòu)成的層狀化合物，具有強(qiáng)的吸附能力和結(jié)構(gòu)記憶性能，作為催化材料、離子交換材料、吸附材料和環(huán)境材料等具有顯著的應(yīng)用價(jià)值。
近年來(lái)，類水滑石作為減摩材料的研究受到高度重視，陸續(xù)開展了Mg-Al類水滑石、Co-Al類水滑石、Cu-Mg-Al類水滑石以及Ni-Mg-Al類水滑石減摩材料制備工藝及其摩擦性能評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)它們可以顯著降低Fe基摩擦副的摩擦系數(shù)、磨損和表面溫度。
小結(jié)
科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步促進(jìn)了汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，摩擦材料的工作條件越來(lái)越苛刻。摩擦材料正向少、無(wú)纖維型方向發(fā)展；高性能、環(huán)保型摩擦材料將會(huì)有廣闊的市場(chǎng)前景。未來(lái)對(duì)摩擦材料中的礦物原料的需求會(huì)逐漸增加，要求也會(huì)越來(lái)越高。這對(duì)礦物摩擦材料加工產(chǎn)業(yè)既是機(jī)遇，同時(shí)也是挑戰(zhàn)。
