0 前言

      玄武巖纖維以其優(yōu)異的物理化學性能越來越受到世界各國的重視，隨著玄武巖纖維生產(chǎn)技術(shù)的提高和生產(chǎn)規(guī)模的擴大，玄武巖纖維的應用領(lǐng)域也在不斷擴大。另一方面，由于國內(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。基于這樣的情況，我們將試制的玄武巖短切纖維進行了配方應用試驗，分析了玄武巖纖維在國內(nèi)摩擦材料中的應用前景。

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成型纖維耐溫、抗拉強度、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度上優(yōu)于或與E玻纖相當。玄武巖纖維的拉伸模量也非常優(yōu)異，優(yōu)于E玻纖。另外，最高使用溫度達到650℃，遠高于表中其他纖維。

2 玄武巖纖維在摩擦材料中的應用

      1971年美國專利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，在干法混料時要求纖維的長度不超過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度和更好的抗折強度。

      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用材料，按一定的工藝技術(shù)要求進行浸膠、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度和抗壓強度，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性好，纖維表面預先用浸潤劑處理。Kamenny Vek公司短切纖雛的指標為直徑10 -17 u m，長度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)定性能和剪切強度。

      我們進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。纖維直徑9-13um，長度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的摩擦材料在高溫時摩擦系數(shù)較穩(wěn)定。在350℃性能測試時并沒有發(fā)生某些人造礦物纖維增強摩擦材料容易出現(xiàn)的表面龜裂現(xiàn)象，而且摩擦試驗時制動噪音小。

       使用玄武巖短切纖維為主增強纖維制作的B01系列制動鉗摩擦襯塊在臺架試驗中也顯示出優(yōu)良的性能。表4為轎車制動器臺架試驗中試樣的效能數(shù)據(jù)。結(jié)果表明3次效能檢測的減速度J和制動力矩穩(wěn)定系數(shù)K值都達到了規(guī)定的要求。另外，第一次和第二次衰退和恢復試驗結(jié)果也遠遠好于性能指標值的要求。
                
       由于現(xiàn)在玄武巖纖維產(chǎn)量低，在摩擦材料中使用時產(chǎn)品價格相對較高，只有一些高檔的制動產(chǎn)品才會使用。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纖維，該系列摩擦片的市場售價為25美元到35美元之間，遠遠高于一般的摩擦片。

3 玄武巖纖維在國內(nèi)摩擦材料中的應用前景

       傳統(tǒng)的摩擦材料含有30%左右的石棉，在生產(chǎn)和使用摩擦材料時產(chǎn)生的石棉粉塵對人體有致癌作用。因此，許多國家對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年開始國內(nèi)的大多數(shù)摩擦材料企業(yè)通過技術(shù)引進和開發(fā)，已經(jīng)完成了實驗室開發(fā)或中間實驗，研制出各種非石棉產(chǎn)品。2004年我國摩擦材料的總產(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，很難同國外的同類產(chǎn)品競爭。

       目前國內(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。如鋼纖維強度較高、熱穩(wěn)定性好，但材料密度較大、易銹蝕和損傷對偶；玻璃纖維雖然強度高、價格便宜，但在高溫階段摩擦性能不穩(wěn)定，不耐磨；礦物纖維強度低、熱穩(wěn)定性差，芳綸
纖維雖然強度高、熱穩(wěn)定性好、不易損傷對偶、磨損率低、摩擦系數(shù)穩(wěn)定，但價格昂貴、混料難以均勻，在使用時還要添加其他纖維；碳纖維也同樣存在價格昂貴等不足。國內(nèi)先進的摩擦材料生產(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入摩擦材料增強纖維行列的一個機遇。

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

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

       玄武巖纖維能否在國內(nèi)推廣使用還受到整個摩擦材料行業(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)品價格提升，才會提供纖維材料漲價的空間，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)通過對玄武巖短切纖維增強制動片的檢測認為其具有高溫摩擦系數(shù)穩(wěn)定、熱衰退小和制動噪音低等特點，適合作為摩擦材料的主增強材料。

      (2)對玄武巖纖維進行表面處理，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格是其取代其他纖維的關(guān)鍵所在，只有這樣才能在競爭激烈的摩擦材料行業(yè)中推廣玄武巖纖維的應用。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，國內(nèi)的摩擦材料企業(yè)從認識到接受還需要一個過程。