發(fā)布時(shí)間：2020-11-07 08:35

　　 制動(dòng)摩擦材料是汽車制動(dòng)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(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性、舒適性等,增強(qiáng)纖維作為制動(dòng)摩擦材料中的重要組分,對(duì)摩擦材料的機(jī)械性能和摩擦磨損性能起著決定性的作用�，F(xiàn)階段常見(jiàn)的增強(qiáng)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(jià)廉質(zhì)輕、比強(qiáng)度和比模量高等優(yōu)良特性,其在制動(dòng)摩擦材料中的應(yīng)用已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)之一。玉米秸稈是典型的天然植物纖維,在我國(guó)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(duì)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(qiáng)樹(shù)脂基制動(dòng)摩擦材料開(kāi)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(qiáng)制動(dòng)摩擦材料可行性研究。對(duì)廢棄玉米秸稈進(jìn)行纖維提取及改性處理,制備了玉米秸稈纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基摩擦材料,并考察了纖維含量對(duì)摩擦材料的物理機(jī)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(qiáng)度和剪切強(qiáng)度,同時(shí)還能夠改善材料的摩擦穩(wěn)定性和耐磨性。當(dāng)玉米秸稈纖維含量為6 wt.%時(shí),摩擦材料表現(xiàn)出最佳的綜合性能,其衰退率為7.8%,恢復(fù)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(xiàng)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(jìn)磨損表面上次要接觸區(qū)的形成。(2)過(guò)腹秸稈纖維增強(qiáng)制動(dòng)摩擦材料可行性研究。針對(duì)同樣作為典型生物質(zhì)資源的過(guò)腹秸稈進(jìn)行增強(qiáng)摩擦材料制備,并且對(duì)比分析了過(guò)腹秸稈纖維和玉米秸稈纖維對(duì)摩擦材料性能的影響。結(jié)果表明,適量加入過(guò)腹秸稈纖維同樣可以改善摩擦材料的物理機(jī)械性能和摩擦磨損性能,含有6 wt.%過(guò)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(fù)率為107.7%,總磨損率為1.616×10~(-7) cm~3(N·m)~(-1);進(jìn)一步對(duì)比發(fā)現(xiàn),在纖維添加量相同的條件下,過(guò)腹秸稈纖維對(duì)上述性能指標(biāo)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(qiáng)試樣相比,過(guò)腹秸稈纖維增強(qiáng)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(guò)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(guò)腹秸稈纖維相較于玉米秸稈纖維具有更優(yōu)異的增強(qiáng)效果。(3)秸稈纖維組分對(duì)制動(dòng)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(guò)腹秸稈纖維增強(qiáng)效果的差異,探究了秸稈纖維組分對(duì)樹(shù)脂基摩擦材料的物理機(jī)械行為和摩擦磨損行為的影響規(guī)律,從而著重分析出過(guò)腹秸稈纖維具有相對(duì)更優(yōu)的提升摩擦材料摩擦學(xué)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(huì)影響摩擦材料的摩擦磨損性能,適當(dāng)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(fù)性能,同時(shí)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(qiáng)試樣相比,衰退率、恢復(fù)率和總磨損率性能指標(biāo)分別提高了約46.9%、10.4%和10.8%;進(jìn)一步分析表明,玉米秸稈纖維組分對(duì)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(shù)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(dāng)降低還會(huì)提高次要接觸區(qū)的形成穩(wěn)定性,進(jìn)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(dòng)摩擦材料試驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化。根據(jù)過(guò)腹秸稈纖維形成原理和纖維組分含量對(duì)摩擦材料性能的影響規(guī)律,設(shè)計(jì)體外仿生發(fā)酵方案實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)現(xiàn)了對(duì)玉米秸稈纖維的仿生發(fā)酵處理;進(jìn)一步考察了發(fā)酵溫度、pH值以及料液比對(duì)纖維增強(qiáng)摩擦材料摩擦磨損性能的影響,通過(guò)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(yàn)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(qiáng)摩擦材料的衰退率為6.1%,恢復(fù)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(guò)腹秸稈纖維增強(qiáng)摩擦材料。最后通過(guò)SEM試驗(yàn)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(guò)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(shù)脂基體之間的界面結(jié)合性更好,同時(shí)試樣表面所形成的次要接觸區(qū)尺寸相對(duì)更大,進(jìn)而提高了樹(shù)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(qiáng)制動(dòng)摩擦材料臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證。通過(guò)縮比臺(tái)架試驗(yàn)與慣性臺(tái)架試驗(yàn)共同檢測(cè)仿生發(fā)酵秸稈纖維增強(qiáng)制動(dòng)摩擦材料的摩擦性能,模擬實(shí)際工況下壓力、速度、溫度等因素對(duì)摩擦材料摩擦性能的影響,同時(shí)針對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行雙變量顯著性檢驗(yàn),建立摩擦因數(shù)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ汀Ｑ芯勘砻骺s比臺(tái)架試驗(yàn)與慣性臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果滿足高度相似關(guān)系,測(cè)試全程縮比試樣與實(shí)際摩擦襯片摩擦因數(shù)的變化趨勢(shì)相同,在低能量、中能量、高能量相關(guān)測(cè)試中均維持了穩(wěn)定的摩擦性能,其余輔助指標(biāo)主軸轉(zhuǎn)速、減速度、制動(dòng)時(shí)間等均保持穩(wěn)定狀態(tài),試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有較好的一致性和可比性。在初始特性測(cè)試、速度相關(guān)測(cè)試、壓力相關(guān)測(cè)試、溫度相關(guān)測(cè)試、最終性能測(cè)試等步驟,摩擦因數(shù)始終優(yōu)于國(guó)標(biāo)性能。最終性能試驗(yàn)結(jié)果表明,摩擦材料縮比臺(tái)架試驗(yàn)的平均摩擦因數(shù)為0.341,慣性臺(tái)架試驗(yàn)的平均摩擦因數(shù)為0.332,均實(shí)現(xiàn)了較優(yōu)異的摩擦性能。
【學(xué)位單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類】：TB39;U463.5;U465
【部分圖文】：

成了嚴(yán)重的資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。通過(guò)對(duì)玉米秸稈及其廢棄物進(jìn)行處理，使其作為增強(qiáng)纖維來(lái)制備汽車制動(dòng)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(shí)能夠有利于解決汽車產(chǎn)業(yè)對(duì)高性能環(huán)保型摩擦材料的需求，對(duì)促進(jìn)綠色工業(yè)發(fā)展、農(nóng)業(yè)工業(yè)一體化循環(huán)經(jīng)濟(jì)具有重要意義。本論文選題源于吉林省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目“玉米秸稈纖維增強(qiáng)仿生汽車制動(dòng)摩擦材料研制與推廣”和吉林省省級(jí)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新專項(xiàng)資金項(xiàng)目“天然纖維增強(qiáng)仿生摩擦材料開(kāi)發(fā)”。1.2制動(dòng)摩擦材料的性能要求及影響因素1.2.1制動(dòng)摩擦材料的性能要求如圖1.1所示，盤(pán)式制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)主要由制動(dòng)盤(pán)、制動(dòng)鉗、制動(dòng)摩擦材料、卡銷、支架等組成，制動(dòng)鉗與卡銷共同固定摩擦襯片貼附于制動(dòng)盤(pán)盤(pán)面上，制動(dòng)過(guò)程中摩擦襯片從兩側(cè)夾緊制動(dòng)盤(pán)產(chǎn)生摩擦力，迫使車輛減速或停止。制動(dòng)摩擦材料是制動(dòng)器的重要組成部分，用以控制制動(dòng)力的大小，使整個(gè)制動(dòng)過(guò)程平穩(wěn)，若產(chǎn)生的瞬時(shí)制動(dòng)力過(guò)大，易產(chǎn)生輪胎抱死，車身打滑甩尾；若制動(dòng)力過(guò)小，會(huì)造成制動(dòng)距離延長(zhǎng)，制動(dòng)失效，因此制動(dòng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過(guò)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(pán)式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)此外隨著車輛高速化和重載化，相應(yīng)地對(duì)制動(dòng)摩擦材料的綜合性能也提出了更高的要求。針對(duì)摩擦材料的特殊性，通常使用摩擦因數(shù)、耐磨性等指標(biāo)來(lái)衡量其性能的好壞，任何參數(shù)的變化都有可能引起制動(dòng)力的改變，進(jìn)而影響制動(dòng)效果。為了保證制

第一章緒論71.3國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.3.1增強(qiáng)纖維研究現(xiàn)狀增強(qiáng)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(qiáng)度和韌性，使其能夠承受剪切、沖擊、壓縮、拉伸等機(jī)械作用，而不出現(xiàn)裂紋、斷裂等機(jī)械損傷，并且避免由此引發(fā)的材料失效[57]。增強(qiáng)纖維對(duì)摩擦材料的增強(qiáng)增韌原理如圖1.2所示[58]。增強(qiáng)纖維與材料基體通過(guò)界面結(jié)合力結(jié)合在一起（圖1.2a），當(dāng)復(fù)合材料受到沿纖維方向的作用力時(shí)，材料基體隨即產(chǎn)生萌芽裂紋，并且裂紋會(huì)在垂直于界面的方向上逐漸發(fā)展，當(dāng)其接近纖維/基體界面時(shí)，纖維能夠起到阻止裂紋繼續(xù)擴(kuò)展的作用（圖1.2b）。但當(dāng)纖維和基體間的界面結(jié)合性較弱時(shí)，由于界面剪切以及兩者橫向收縮，裂紋會(huì)向界面方向發(fā)展（圖1.2c），在發(fā)展到一定程度后，又會(huì)重新按照原方向發(fā)展，當(dāng)材料受力增大時(shí)，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(diǎn)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(kuò)展的能力下降，當(dāng)拔出的纖維達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致復(fù)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)纖維的增強(qiáng)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(qiáng)增韌原理示意圖摩擦材料早期使用的增強(qiáng)纖維是石棉纖維，雖然石棉具有價(jià)格低廉、分散性好、摩擦磨損性能好等優(yōu)點(diǎn)，但由于石棉致癌且其粉塵污染環(huán)境，因此被許多國(guó)家禁止使用[59]。20世紀(jì)70年代以后，摩擦材料開(kāi)始向無(wú)石棉化發(fā)展，國(guó)內(nèi)外也相繼開(kāi)展了代用增強(qiáng)纖維的研究。目前，摩擦材料中廣泛使用的增強(qiáng)纖維主要包括

第二章玉米秸稈纖維增強(qiáng)制動(dòng)摩擦材料制備及其性能研究17第二章玉米秸稈纖維增強(qiáng)制動(dòng)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(lái)源廣泛、價(jià)廉質(zhì)輕、可再生、可降解等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還具有較高的比強(qiáng)度和比模量，因此在增強(qiáng)摩擦材料領(lǐng)域中扮演著越來(lái)越重要的角色。吉林省作為農(nóng)業(yè)大省，是我國(guó)重要的玉米生產(chǎn)基地，每年產(chǎn)生的玉米秸稈量高達(dá)4000萬(wàn)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(yán)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(kuò)大環(huán)保型增強(qiáng)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(qiáng)制動(dòng)摩擦材料的可行性，并研究不同纖維含量對(duì)摩擦材料機(jī)械性能和摩擦學(xué)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(lái)看，可以細(xì)分為表皮、機(jī)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(jī)械強(qiáng)度較低，主要起到貯存和運(yùn)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(jī)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(jī)械強(qiáng)度較高，韌性較好，對(duì)植物起到支撐和保護(hù)的作用。由于植物纖維在摩擦材料中需要起到增強(qiáng)增韌的作用，這就要求植物纖維本身具有一定的強(qiáng)度和韌性，就玉米秸稈而言，其外皮部分具有更優(yōu)異的機(jī)械性能，在通過(guò)改性處理后更容易滿足增強(qiáng)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(hào)：2873702