树脂基摩擦材料被广泛应用于交通运输和机械工业领域。随着交通运输和机械工业的飞速发展,对树脂基摩擦材料的要求也愈来愈严格。摩擦材料的摩擦磨损性能强烈依靠增强体和摩擦调节剂。研究新型组分材料,并调控摩擦磨损性能成为开发新型高性能摩擦材料重要的研究课题。增强体组分作为树脂基摩擦材料骨架的主要组成部分,对摩擦材料的各种性能均有重要影响。近年来,钛酸钾晶须因其绿色环保、硬度低、耐高温、耐磨损、优异的物理性能和力学性能、稳定的化学性能、优异的红外线反射能力而成为了研究热点。研究发现钛酸钾晶须的晶体结构、晶须形态等性质均对摩擦材料的摩擦性能产生重要影响。然而几乎没有文献关注钛酸钾晶须结晶度对摩擦材料摩擦磨损性能的影响,不同结晶度钛酸钾晶须增强树脂基摩擦材料的摩擦磨损机制方面依然还没有全面、深刻地认识。增摩组分作为树脂基摩擦材料的摩擦调节剂主要起到提高和稳定摩擦系数、提高抗衰退性能和恢复性能等作用。造粒氧化锆作为一种由硬质颗粒氧化锆组成的特殊结构的材料被认为是一种理想的增摩组分材料。材料组分的变化对摩擦层的结构和数量具有重要影响,不同的组分所形成的接触区的面积和数量是不同的。摩擦层是理解摩擦材料组分和摩擦磨损性能关系的桥梁。常用的摩擦模型基于等比尺寸的摩擦材料研究温度场和应力场,而实际上与对偶盘直接接触和作用的部分是摩擦层。基于此,本文从材料组分的角度出发,考察了钛酸钾晶须的含量、形貌和结晶度对摩擦磨损性能的影响,考察了造粒氧化锆的含量和结构对摩擦磨损性能的影响,探讨了钛酸钾晶须和造粒氧化锆对摩擦材料摩擦磨损性能的调控作用,采用PSI方法对摩擦材料综合性能进行评价和优化,采用有限元方法建立了摩擦层微观模型,探讨了摩擦表面上摩擦层尺寸和数量对温度场和应力场的影响。具体来说得到以下几方面的结论:1.采用水热法制备钛酸钾晶须,系统考察了反应物浓度、水热温度、水热时间和焙烧后处理对钛酸钾晶须形貌和物相的影响。结果表明:低浓度的反应物(10mol/L)有利于钛酸钾晶须的定向生长,而形成细长的钛酸钾晶须,并聚集成束状;高浓度的反应物(15 mol/L)抑制了钛酸钾晶须的定向生长,并且改变了钛酸钾晶须的聚集方式,使钛酸钾晶须聚集呈块状。水热反应温度的提高和水热反应时间的延长均有利于钛酸钾晶须结晶度和长径比的提高。焙烧后处理工序有利于得到高结晶度的高质量钛酸钾晶须。氢氧化钾浓度为10mol/L,反应温度为240oC,反应时间为24 h的条件下可得到形貌规整、长径比大于20、分散良好的钛酸钾晶须。经900oC焙烧后处理5 h后,钛酸钾晶须结晶度从13%增加到64%,被大大提高。所合成的钛酸钾晶须为K2Ti6O13,晶须沿着[110]方向生长。2.制备了钛酸钾晶须增强树脂基摩擦材料,考察了钛酸钾晶须对树脂基摩擦材料摩擦系数和磨损率的调控作用。结果表明:钛酸钾晶须含量过低不利于提高摩擦材料的抗磨损性,钛酸钾含量过高不利于摩擦系数适中和稳定,故钛酸钾晶须最佳含量为10%时,摩擦系数稳定性被提高37.5%,磨损率被降低32.4%,摩擦材料的综合性能最优。适当含量的钛酸钾晶须增强磨粒磨损,有效抑制摩擦表面黏着磨损的发生。钛酸钾晶须的形貌对摩擦磨损性能具有重要作用,选择具有一定长径比、分散良好的晶须增强摩擦材料,可以稳定摩擦系数和降低磨损率。高结晶度钛酸钾晶须能够提高摩擦材料的摩擦系数。在衰退测试过程中,低结晶度钛酸钾晶须对稳定摩擦系数更加有效;而在恢复测试过程中,高结晶度钛酸钾晶须对稳定摩擦系数更加有效。钛酸钾晶须有利于提高摩擦材料的抗磨损性能,并且高结晶度钛酸钾晶须比低结晶度钛酸钾晶须更加有效。高结晶度钛酸钾晶须的加入使摩擦材料的磨损率降低了23%。随着钛酸钾晶须结晶度的增加,所增强的摩擦材料的抗磨损性能也随之提高。钛酸钾晶须结晶度从13%增加到64%,摩擦材料磨损率被降低14.7%。这主要是因为高结晶度的钛酸钾晶须能够在摩擦表面形成更多稳定接触区。3.制备了造粒氧化锆增强树脂基摩擦材料,考察了造粒氧化锆对树脂基摩擦材料摩擦系数和磨损率的调控作用。结果表明:随着造粒氧化锆含量的增加,复合材料的摩擦系数先增大后减小。摩擦系数增大是因为硬质颗粒增加复合材料与对偶的刮擦,剪切应力最大程度地被转化为了摩擦输出;摩擦系数的减少可能主要是由于造粒氧化锆含量过大则在界面可形成“滚动”,减小了剪切作用。当造粒氧化锆含量为10%时,复合材料的摩擦系数最高,其摩擦系数范围为0.46~0.53,摩擦系数较参考样提高了13.7%,磨损率几乎与参考样相同。此时造粒氧化锆作为增摩组分使复合材料获得较大的摩擦系数。建立了树脂基摩擦材料性能决策矩阵,采用PSI方法评价了不同含量造粒氧化锆填充树脂基摩擦材料的综合性能,造粒氧化锆含量为10%时摩擦材料综合性能最优。造粒氧化锆能够调控不同树脂含量复合材料的摩擦磨损性能,起到减少摩擦系数波动、稳定摩擦系数和提高抗磨损率的作用。10%添加量的造粒氧化锆提高树脂含量为5%、10%和15%摩擦材料的摩擦系数和抗磨损率。4.基于实验基础,构建了摩擦层微观有限元模型,研究接触区数量和尺寸对温度场和应力场的影响。结果表明:在载荷为0.98 MPa,速度为490 r/min的条件下,接触区数量的越多,摩擦过程中摩擦材料与对偶材料两者接触界面上的温度越低。同样的载荷和速度条件下,接触区尺寸越大,则摩擦材料与对偶材料两者接触界面上的温度越低。在摩擦过程中,不同位置的接触区所形成的温度场不同,在摩擦方向最前端的接触区温度最高,越靠近摩擦材料中心的接触区温度越低。在每一个接触区上,最高温出现在沿着摩擦方向的最前端,并向后辐射而温度越来越低。接触区的数量和尺寸的增大,造成实际接触面积增大,这有利于接触区上应力的分散,摩擦过程中由于摩擦力做功所造成的界面温度升高就不明显,可以避免局部过热而造成对摩擦材料的破坏和磨损。摩擦过程前后应力场的对比表明实际接触面积越大,摩擦过程所造成的摩擦界面应力场变化越小。