汽车刹车片应该具有稳定的摩擦系数、较低的磨损率、无噪音以及在高温、高压、高速情况下不产生振动。目前，单一材料无法满足这些要求。为了制备高性能的摩擦材料，对摩擦材料原材料的种类和含量进行了深入研究^[1,2,3,4]。在摩擦材料的多种成分中，增强纤维对制动过程有至关重要的作用。制备汽车制动摩擦材料使用的增强纤维，有陶瓷纤维、有机纤维、金属纤维等。陶瓷纤维中的钛酸钾(K₂O·6TiO₂)晶须具有较高的热稳定性和与树脂的良好相容性，备受关注^[5]。但是，钛酸钾晶须的价格昂贵。为了降低成本，可使用性能与钛酸钾相近但是成本较低的纳米钛酸钠晶须。纳米钛酸钠晶须由精细的陶瓷多晶晶须构成，具有较高模量和隧道状晶体结构，碱金属离子被包覆在隧道中间使其化学稳定性较高。尤其是纳米钛酸钠晶须的熔点较高(1280~1340℃)，在高温下也有较高的热稳定性；同时，纳米钛酸钠晶须是长径比较高的纤维状单晶，其比强度远高于短玻璃纤维和碳纤维，是一种高性能增强材料。在不提高熔体粘度的前提下，纳米钛酸钠晶须能提高高分子材料的强度、刚度、韧性、耐热性及耐磨性等，可制备出轻质高强复合材料。另一方面，芳纶浆粕在增强纤维对摩擦和磨损性能作用的研究中使用最为广泛，因为其表面呈蓬松的羽毛状，微原纤沿着纤维的轴向排列使其表面积较大，有良好的吸附性。同时，芳纶浆粕的渗透性好能与树脂和填料结合，且纤维方向的共价键结晶结构强、横向的氢键弱，使其各向异性程度较高^[6]。

增强纤维在基体中的含量对摩擦材料的制动和磨损性能有重要的影响，商用摩擦材料中增强纤维的含量(体积分数)通常为5%~25%。本文制备一种摩擦材料，研究芳纶浆粕和纳米钛酸钠晶须的含量对其力学性能和摩擦磨损性能的影响。

实验用纳米钛酸钠增强纤维从钒钛磁铁矿尾矿中加工合成，其基本物理性能列于表1，微观形貌如图1所示。纳米钛酸钠晶须是一种针状晶体，具有良好的力学性能和物理性能，抗冲击性能优良，电绝缘性和耐热(软化点1300℃)很高。

摩擦材料由树脂基体、增强纤维以及填料构成，具体成分配比列于表2。

摩擦材料样品的制备工艺流程，如图2所示。按照表2的6种基本配方配料。由于晶须尺寸较小，在自然状态下容易团聚。为了使粉体分散混合均匀，先在V型混料机中将6种粉末均匀混合，再用球磨机对混合后的粉末进行球磨。将混合分散烘干后的粉体进行预压成型，压力为350 MPa，并保压5 min。在放电等离子烧结炉中进行热压成型，烧结温度为170℃，压力为35 MPa，保温10 min，随炉冷却到室温。热压成型的工艺路线，如图3所示。

为了使刹车片摩擦材料中的酚醛树脂充分固化，还需要对其进行热处理，以提高烧结样品的热稳定性能。采用DZF-6020真空烘箱对其进行热处理，其热处理制度为：热处理温度为220℃，处理8 h后随炉冷却到室温。图4给出了热处理工艺图。

使用XHB-3000布氏硬度计测量试样的硬度，压头是直径为12.7 mm的钢球，施加力为980 N。样品为线切割后的摩擦块，每个样品测试5个点的硬度，取其平均值。用万能材料试验机测定冲击强度，试样的直径为30 mm，厚度为15 mm。按照GB5765-1998在RP305型定速摩擦试验机上测试摩擦磨损性能，压紧力为0.98 MPa，对偶盘材质为灰铸铁，以厚度磨损计算磨损率。用Zeiss Ultra55型扫描电镜观察试样的显微形貌^[7]。

图5给出了5种成分摩擦材料的力学性能变化曲线。从图5可以看出，随着芳纶浆粕含量的提高摩擦材料试样的布氏硬度也呈现升高的趋势。其原因是，芳纶浆粕的模量和强度高，使刹车片摩擦材料的承载能力强。同时，5种不同成分体系的摩擦样品的冲击强度数值都符合GB5763-2008有关标准(即≥0.3 J/cm²)。冲击强度随着芳纶浆粕含量的提高而提高。AP-0.75摩擦样品达到了最高的冲击强度为0.392 J/cm²，因为芳纶浆粕能吸收一定的冲击能，与纳米钛酸钠晶须的协同效果更加明显^[8]。

对AP-0到AP-1在不同温度下进行摩擦磨损试验，图6给出了摩擦材料的摩擦系数与温度的关系。可以看出，在温度逐渐升高到200℃的过程中，摩擦材料样品AP-0.25，AP-0.5和AP-0.75的摩擦系数保持不变或降低，而当温度达到250℃时均出现增大的趋势。两种不同纤维增强的摩擦材料在整个实验过程中表现出相对稳定的摩擦力，因为两种纤维的协同作用使其具有更高的摩擦稳定性。只含有芳纶浆粕作为增强纤维的摩擦材料样品AP-1，其摩擦系数在150℃突然变化，其原因是摩擦界面处成分的热解和摩擦膜的降解。AP-0和AP-1在摩擦实验后期的高摩擦力，可归因于摩擦界面处粗糙的摩擦膜。图7给出了5组不同成分体系的摩擦材料样品的磨损率。从图7可见，芳纶浆粕的体积分数≥15%的摩擦材料表现出良好的耐磨性。这表明，芳纶浆粕对摩擦材料的磨损特性有有益的影响。

热压烧结前混合粉体的显微形貌，如图8所示。图8表明，芳纶浆粕与纳米钛酸钠晶须的粘合良好，有机纤维和耐热晶须的分散良好。图9给出了摩擦实验后样品的磨损表面形貌。可以看出，用芳纶浆粕和纳米钛酸钠晶须协同增强的摩擦材料具有光滑的摩擦膜。如图9b，c和d所示，摩擦材料中两种成分的互补作用生成了牢固且光滑的摩擦膜。而单独使用芳纶浆粕或纳米钛酸钠晶须的摩擦材料，其磨损表面不规则，出现分离的区域(图9a和9e)。只使用纳米钛酸钠晶须作用增强体的摩擦材料，其摩擦表面粗糙，这是由于细颗粒状磨削的剥离。另一方面，只含芳纶浆粕的摩擦材料，其磨损表面出现剥离。剥离板的痕迹表明，芳纶浆粕具有优异的填料保持能力。

图10给出了在摩擦测试过程中收集的磨损颗粒。图10显示，高耐磨性(AP-0.5，AP-0.75和AP-1)的摩擦材料呈现板状磨损碎片，而显示低耐磨性(AP- 0和AP-0.25)的摩擦材料产生的是细小的球形磨损颗粒。摩擦材料的磨损率，与测试过程中摩擦膜和磨屑的形态密切相关。图10还表明，磨损碎片的尺寸和形状与耐磨性和其他重要的摩擦特性密切相关。

摩擦材料中成分的耐热性，对摩擦磨损性能有重要的影响。尤其是摩擦膜在摩擦界面处的粘结剂树脂的分解温度以上的耐久性，对摩擦材料的制动性能和耐磨性方面更为重要。摩擦膜，实际上是由摩擦材料和灰口铸铁产生的压实磨损颗粒层。因此，摩擦膜的性能主要取决于在一定滑动条件下的摩擦成分的粘合强度。一旦在摩擦界面形成摩擦膜，摩擦行为将由摩擦膜的性质决定。摩擦膜的化学性质与摩擦材料的成分密切相关，而增强纤维和固体润滑剂对摩擦膜的性能起决定性作用。在这种情况下，在摩擦初始阶段二硫化钼先在表面上形成摩擦膜，其他成分的细颗粒被粘附并压实在摩擦表面形成一定厚度的摩擦膜。压实过程与摩擦材料制造过程中原材料成分的成型相似，因此纤维对增强摩擦膜的强度起着重要作用。图9给出了摩擦测试后摩擦材料的表面形貌。AP-0.25，AP-0.5和AP-0.75的摩擦表面光滑，表明纳米钛酸钠晶须用于构建耐用摩擦膜的重要性。样品AP-0的摩擦表面显示，摩擦膜的部分作为细小的磨损颗粒被剥离。另一方面，摩擦材料AP-1出现更大的板状磨屑。正如根据摩擦表面的表面形态所预计的，在摩擦测试过程中收集的磨损颗粒表现出相同的趋势。

摩擦表面上的摩擦膜，与摩擦行为和耐磨性密切相关。从图6可以看出，包含两种增强材料的摩擦系数更加稳定。其原因是，良好且完整的摩擦膜为其提供了机械强度，从而产生稳定的摩擦系数。这是摩擦材料中不同纤维产生协同效应的直接证据，因为包含两种纤维的摩擦材料显示出比只有一种类型纤维的摩擦材料更高的摩擦稳定性^[9]。协同效应，主要归因于纳米钛酸钠晶须的高温抗性和芳纶浆粕的高强度和高模量。协同效应，需要两种纤维的均匀混合。如图8所示，芳纶浆粕在混合过程中产生的静电使晶须很好地粘附在芳纶浆粕上，使两种纤维均匀分散。

制动摩擦材料的摩擦和磨损，受到配料耐热性的极大影响。特别是，在粘合剂树脂的分解温度以上的摩擦界面处的摩擦膜的稳定性，对于摩擦材料的制动性能和耐磨性极为重要。摩擦膜，基本上是摩擦材料和灰铸铁产生的压实磨损颗粒层。因此，摩擦膜的特性主要取决于滑动条件下来自摩擦耦合的成分的粘合强度。一旦在滑动过程中在摩擦界面形成转移膜，摩擦行为将由摩擦膜的性质决定^[10]。摩擦膜化学物质受摩擦材料成分的强烈影响，并且增强纤维和固体润滑剂在物质摩擦膜中起着决定性作用。由于粘合剂树脂的玻璃化转变，图6中的摩擦材料AP-1的摩擦系数在温度高于200℃时突然增加。

含有两种增强纤维的摩擦材料，具有较小的磨损率。其原因是，原纤化芳纶浆粕和耐热钛酸钠晶须产生高内聚强度的摩擦膜。磨损率的降低也与磨屑的尺寸和形状有关。无芳纶浆粕的摩擦膜由于膜强度不足而产生细颗粒，因此在摩擦表面上不能长时间进行滑动。另一方面，芳纶浆粕的体积分数大于15%时摩擦材料显示板状磨损颗粒。这个结果也表明，两种纤维的最佳比例在摩擦材料AP-0.75的组成附近。

(1) 随着芳纶浆粕含量的提高摩擦材料试样的布氏硬度呈现提高的趋势；芳纶浆粕与纳米钛酸钠晶须的比例为0.75的材料，其冲击强度达到最大值0.392 J/cm²。

(2) 两种增强纤维的均匀混合，为摩擦过程中生成高内聚强度摩擦膜提供了条件。芳纶浆粕与纳米钛酸钠晶须的比率为3:1时产生最佳的协同效果，摩擦系数稳定在0.38~0.45，磨损率较低为5%。