0 前言

      玄武巖纖維以其優(yōu)異的物理化學(xué)性能越來越受到世界各國(guó)的重視，隨著玄武巖纖維生產(chǎn)技術(shù)的提高和生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，玄武巖纖維的應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)大。另一方面，由于國(guó)內(nèi)石棉被逐漸禁用，現(xiàn)有的石棉替代纖維又不能完全滿足摩擦材料的性能要求，摩擦材料行業(yè)在尋找更加合適替代石棉的纖維用于材料的增強(qiáng)。基于這樣的情況，我們將試制的玄武巖短切纖維進(jìn)行了配方應(yīng)用試驗(yàn)，分析了玄武巖纖維在國(guó)內(nèi)摩擦材料中的應(yīng)用前景。

1 玄武巖纖維的性能

      玄武巖纖維在原料的選擇及制造技術(shù)上與普通巖棉有很大的差別。在通常情況下，它們采用單一的玄武巖礦石作為原料，以充分利用玄武巖的天然成分以及對(duì)成型纖維耐溫、抗拉強(qiáng)度、彈性摸量等性能起到一定作用的火山衍生物結(jié)構(gòu)。典型玄武巖纖維的主要成分如表1所示。

      這種成分使玄武巖纖維具有優(yōu)良的物理化學(xué)性能。玄武巖的性能很大部分取決于玄武巖礦石的性能和整個(gè)生產(chǎn)工藝。表2列出了玄武巖纖維與一些主要的纖維在物理性能上的比較。
                 
       從表2中可以看出玄武巖纖維在拉伸強(qiáng)度上優(yōu)于或與E玻纖相當(dāng)。玄武巖纖維的拉伸模量也非常優(yōu)異，優(yōu)于E玻纖。另外，最高使用溫度達(dá)到650℃，遠(yuǎn)高于表中其他纖維。

2 玄武巖纖維在摩擦材料中的應(yīng)用

      1971年美國(guó)專利US3896075就提出了用玄武巖棉替代石棉用于摩擦材料，使用的玄武巖棉是通過離心噴吹法制得的，纖維平均直徑為10 - 11 u m，在干法混料時(shí)要求纖維的長(zhǎng)度不超過2.5 mm，專利所使用的配方中玄武巖棉所占的質(zhì)量百分比為40% -60%，樹脂為8% - 15%，其他為填料和添加劑。使用此配方制成的摩擦片高溫性能好、摩擦系數(shù)穩(wěn)定，比傳統(tǒng)的石棉摩擦材料具有更高的剪切強(qiáng)度和更好的抗折強(qiáng)度。

      歐洲專利EP0892191中還提到利用玻璃纖維、銅纖維和玄武巖連續(xù)纖維混合紗編織的織物作為摩擦材料增強(qiáng)用材料，按一定的工藝技術(shù)要求進(jìn)行浸膠、制坯、壓制、熱處理等過程制成摩擦片。這種摩擦片具有很高的剪切強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，并且抗斷裂、耐磨損。

       俄羅斯的Sudaglass公司和Kamenny Vek公司專門生產(chǎn)用于制造摩擦材料的短切玄武巖纖維。為了使玄武巖纖維的表面浸潤(rùn)性好，纖維表面預(yù)先用浸潤(rùn)劑處理。Kamenny Vek公司短切纖雛的指標(biāo)為直徑10 -17 u m，長(zhǎng)度3-65 mm。指出使用玄武巖短切纖維可以大大提高摩擦材料的高溫穩(wěn)定性能和剪切強(qiáng)度。

      我們進(jìn)行了將試制出的玄武巖短切纖維制造摩擦材料的配方試驗(yàn)。纖維直徑9-13um，長(zhǎng)度5-10 mm，在混料過程中發(fā)現(xiàn)玄武巖短切纖維易于分散。表3為幾種配方中用玄武巖短切纖維增強(qiáng)摩擦材料的摩擦系數(shù)值。
                
       由表3可見，由于玄武巖纖維的高溫穩(wěn)定性能，使用其短切纖維增強(qiáng)的摩擦材料在高溫時(shí)摩擦系數(shù)較穩(wěn)定。在350℃性能測(cè)試時(shí)并沒有發(fā)生某些人造礦物纖維增強(qiáng)摩擦材料容易出現(xiàn)的表面龜裂現(xiàn)象，而且摩擦試驗(yàn)時(shí)制動(dòng)噪音小。

       使用玄武巖短切纖維為主增強(qiáng)纖維制作的B01系列制動(dòng)鉗摩擦襯塊在臺(tái)架試驗(yàn)中也顯示出優(yōu)良的性能。表4為轎車制動(dòng)器臺(tái)架試驗(yàn)中試樣的效能數(shù)據(jù)。結(jié)果表明3次效能檢測(cè)的減速度J和制動(dòng)力矩穩(wěn)定系數(shù)K值都達(dá)到了規(guī)定的要求。另外，第一次和第二次衰退和恢復(fù)試驗(yàn)結(jié)果也遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于性能指標(biāo)值的要求。
                
       由于現(xiàn)在玄武巖纖維產(chǎn)量低，在摩擦材料中使用時(shí)產(chǎn)品價(jià)格相對(duì)較高，只有一些高檔的制動(dòng)產(chǎn)品才會(huì)使用。比如西班牙Galfer公司1 052系列摩托車剎車片就使用了玄武巖纖維作為主增強(qiáng)纖維，該系列摩擦片的市場(chǎng)售價(jià)為25美元到35美元之間，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般的摩擦片。

3 玄武巖纖維在國(guó)內(nèi)摩擦材料中的應(yīng)用前景

       傳統(tǒng)的摩擦材料含有30%左右的石棉，在生產(chǎn)和使用摩擦材料時(shí)產(chǎn)生的石棉粉塵對(duì)人體有致癌作用。因此，許多國(guó)家對(duì)無石棉新型摩擦材料的研究開發(fā)工作非常重視，相繼研發(fā)和生產(chǎn)出各種非石棉摩擦材料。從1999年開始國(guó)內(nèi)的大多數(shù)摩擦材料企業(yè)通過技術(shù)引進(jìn)和開發(fā)，已經(jīng)完成了實(shí)驗(yàn)室開發(fā)或中間實(shí)驗(yàn)，研制出各種非石棉產(chǎn)品。2004年我國(guó)摩擦材料的總產(chǎn)量17~ 20萬t，非石棉摩擦材料的產(chǎn)量總體上已經(jīng)超過了石棉摩擦材料。但由于替代石棉纖維的一些缺陷，非石棉摩擦材料的總體性能不是太好，很難同國(guó)外的同類產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)。

       目前國(guó)內(nèi)使用的主要石棉替代纖維有鋼纖維、礦物纖維、玻璃纖維、芳綸纖維，碳纖維等，非石棉礦物纖維的總用量在萬噸以上。但這幾種纖維本身都有優(yōu)缺點(diǎn)。如鋼纖維強(qiáng)度較高、熱穩(wěn)定性好，但材料密度較大、易銹蝕和損傷對(duì)偶；玻璃纖維雖然強(qiáng)度高、價(jià)格便宜，但在高溫階段摩擦性能不穩(wěn)定，不耐磨；礦物纖維強(qiáng)度低、熱穩(wěn)定性差，芳綸
纖維雖然強(qiáng)度高、熱穩(wěn)定性好、不易損傷對(duì)偶、磨損率低、摩擦系數(shù)穩(wěn)定，但價(jià)格昂貴、混料難以均勻，在使用時(shí)還要添加其他纖維；碳纖維也同樣存在價(jià)格昂貴等不足。國(guó)內(nèi)先進(jìn)的摩擦材料生產(chǎn)企業(yè)也一直在尋找更加適合的纖維替代石棉，這也是玄武巖纖維進(jìn)入摩擦材料增強(qiáng)纖維行列的一個(gè)機(jī)遇。

       摩擦材料企業(yè)在選用纖維材料時(shí)除了考慮纖維的性能以外同樣注重纖維的價(jià)格，特別是面臨樹脂價(jià)格的上漲和摩擦材料產(chǎn)品價(jià)格的下降，因此，降低增強(qiáng)纖維成本是各企業(yè)維持利潤(rùn)的主要手段。一些小型企業(yè)通過使用石棉或劣質(zhì)廉價(jià)的替代纖維來降低生產(chǎn)成本，生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量差，主要用于國(guó)內(nèi)的維修市場(chǎng)。一些大中型企業(yè)為了保證出口產(chǎn)品的質(zhì)量，會(huì)使用性能好的纖維，如Lapinus纖維、陶瓷纖維、芳綸纖維等，但普遍認(rèn)為價(jià)格太高，企業(yè)通過改良配方盡量減少這些纖維用量來降低成本，更多的還是使用國(guó)內(nèi)的中低價(jià)纖維。

       國(guó)內(nèi)摩擦材料企業(yè)所使用的絕大部分增強(qiáng)纖維其平均價(jià)格維持在4 000 -6 000元／t．能夠接受的品級(jí)較好的礦物纖維價(jià)格約為13 500元/to估計(jì)在目前國(guó)內(nèi)摩擦材料生產(chǎn)的大環(huán)境下，如果玄武巖纖維價(jià)格能夠控制在20 000元/t以下，部分企業(yè)可能會(huì)接受。

       玄武巖纖維能否在國(guó)內(nèi)推廣使用還受到整個(gè)摩擦材料行業(yè)的影響，只有摩擦材料產(chǎn)品質(zhì)量提升，無石棉化程度提高，出口量加大，產(chǎn)品價(jià)格提升，才會(huì)提供纖維材料漲價(jià)的空間，玄武巖纖維才能被更多的摩擦材料企業(yè)接受。

4 結(jié)論

      (1)通過對(duì)玄武巖短切纖維增強(qiáng)制動(dòng)片的檢測(cè)認(rèn)為其具有高溫摩擦系數(shù)穩(wěn)定、熱衰退小和制動(dòng)噪音低等特點(diǎn)，適合作為摩擦材料的主增強(qiáng)材料。

      (2)對(duì)玄武巖纖維進(jìn)行表面處理，以及配方調(diào)整，可以更好地提高摩擦材料的整體性能。

      (3)降低玄武巖纖維的價(jià)格是其取代其他纖維的關(guān)鍵所在，只有這樣才能在競(jìng)爭(zhēng)激烈的摩擦材料行業(yè)中推廣玄武巖纖維的應(yīng)用。玄武巖纖維在世界范圍內(nèi)的使用還剛剛起步，一些優(yōu)良的性能還沒有完全被挖掘，國(guó)內(nèi)的摩擦材料企業(yè)從認(rèn)識(shí)到接受還需要一個(gè)過程。