第一章　概論

第一節　熱塑性復合材料簡介

一、概述

近年來，纖維增強型熱塑性塑料（以下簡稱FRTP，又稱熱塑性復合材料）以其優異的耐沖擊性能而迅速成為現代塑料工業的一部分。

FRTP成形周期短，又能降低生產成本，被認為是今后開發的重要課題之一。

與金屬材料相比，熱塑性復合材料重量輕了30%～50%，可以幫助汽車制造商節省油耗，從而節省汽車使用成本。熱塑性材料的加工工藝簡便，能夠節省大量生產時間，并且可以再循環利用，因此大規模生產變得可行。

在最近幾十年里，芳綸等高性能纖維復合材料的生產工藝已經給新型材料的制造奠定了一定的基礎。目標是在汽車和底盤的半結構件和初級結構件上應用這種材料。

熱塑性長纖維增強復合板由紡織物和非紡織物相互摻雜再結合樹脂形成最后成型材料，重量輕、強度高。

UD-tape高性能韌性環氧樹脂充分利用了單向浸漬纖維的異向性，又通過注塑包覆成型工藝將半成品部件塑造成更復雜的結構部件。

根據Lucintel公司最新報告，預計未來5年汽車行業將是熱塑性復合材料的最大市場，全球熱塑性復合材料市場的年復合增長率有望達到4.9%，估計到2017年可達82億美元。在極需減輕重量、節省燃料和提高其他性能優勢等方面，熱塑性復合材料的應用越來越廣。

美國和西歐的汽車行業由于接受了新的熱塑性復合材料，預計未來5年間將會呈現出穩步增長。然而，全球汽車業的增長將由亞洲市場和東歐市場來帶動。Lucintel公司的研究顯示，這一增長背后的關鍵推動因素是采用SFT（短纖維增強熱塑性塑料）和LFT（長纖維增強熱塑性塑料）的電氣、電子和汽車用產品的出貨量上升。此外，提高SFT性能的產品開發將使SFT得以進一步滲透到諸如汽車油箱和導電零部件等應用當中。研究表明，雖然增長受到能源成本上升的制約及來自低成本材料的競爭，但在中國、俄羅斯、巴西和印度等新興經濟體，由于這些地區汽車生產欣欣向榮，新的熱塑性復合材料材料日益滲透到汽車零部件中，熱塑性復合材料正面臨著巨大的發展機遇。

二、熱塑性復合材料特殊性能與成型工藝

1.熱塑性復合材料的特殊性能

一般熱塑性復合材料的特殊性能如下：

（1）密度小、強度高　熱塑性復合材料的密度為1.1～1.6g/cm3，僅為鋼材的1/7～1/5，比熱固性玻璃鋼輕1/4～1/3。它能夠以較小的單位質量獲得更高的機械強度。一般來講，不論是通用塑料還是工程塑料，用玻璃纖維（簡稱玻纖）增強后，都會獲得較高的增強效果，提高強度應用檔次。

（2）性能可設計性的自由度大　熱塑性復合材料的物理性能、化學性能、力學性能，都是通過合理選擇原材料種類、配比、加工方法、纖維含量和鋪層方式進行設計。由于熱塑性復合材料的基體材料種類比熱固性復合材料多很多，因此，其選材設計的自由度也就大得多。

（3）熱性能　一般塑料的使用溫度為50～100℃，用玻璃纖維增強后，可提高到100℃以上。尼龍6的熱變形溫度為65℃，用30%玻纖增強后，熱變形溫度可提高到190℃。聚醚醚酮樹脂的耐熱性達220℃，用30%玻纖增強后，使用溫度可提高到310℃，這樣高的耐熱性，熱固性復合材料是達不到的。熱塑性復合材料的線膨脹系數比未增強的塑料低1/4～1/2，能夠降低制品成型過程中的收縮率，提高制品尺寸精度。其傳熱系數為0.3～0.36W/（m2·K），與熱固性復合材料相似。

（4）耐化學腐蝕性　復合材料的耐化學腐蝕性，主要由基體材料的性能決定。熱塑性樹脂的種類很多，每種樹脂都有自己的防腐特點，因此，可以根據復合材料的使用環境和介質條件，對基體樹脂進行優選，一般都能滿足使用要求。熱塑性復合材料的耐水性優于熱固性復合材料。

（5）電性能　一般熱塑性復合材料都具有良好的介電性能，如不反射無線電電波、透過微波性能良好等。由于熱塑性復合材料的吸水率比熱固性復合材料小，故其電性能優于后者。在熱塑性復合材料中加入導電材料后，可改善其導電性能，防止產生靜電。

（6）廢料能回收利用　熱塑性復合材料可重復加工成型，廢品和邊角余料能回收利用，可減少對環境的污染。

由于熱塑性復合材料有很多優于熱固性復合材料的特殊性能，應用領域十分廣泛。從國外的應用情況分析，熱塑性復合材料主要用于車輛制造工業、機電工業、化工防腐及建筑工程等方面。

2.熱塑性復合材料分類

熱塑性復合材料是以玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維等增強的各種熱塑性樹脂的總稱，國外稱FRTP（fiber reinforcedthermoplastics）。由于熱塑性樹脂和增強材料種類不同，其生產工藝和制成的復合材料性能差別很大。

從生產工藝角度，塑性復合材料分為兩大類：

（1）短纖維增強復合材料　生產工藝包括：注射成型工藝、擠出成型工藝、離心成型工藝。

（2）連續纖維增強及長纖維增強復合材料　生產工藝包括：預浸料模壓成型、片狀模塑料沖壓成型、片狀模塑料真空成型、預浸紗纏繞成型、拉擠成型。

3.熱塑性復合材料成型工藝與方法

（1）注射成型工藝　注射成型是熱塑性復合材料的主要生產方法，歷史悠久，應用最廣。其優點是：成型周期短，能耗最小，產品精度高，一次可成型開關復雜及帶有嵌件的制品，一模能生產幾個制品，生產效率高。缺點是不能生產長纖維增強復合材料制品和對模具質量要求較高。根據目前的技術發展水平，注射成型的最大產品為5kg，最小到1g。這種方法主要用來生產各種機械零件、建筑制品、家電殼體、電器材料、車輛配件等。

（2）擠出成型工藝　擠出成型是熱塑性復合材料制品生產中應用較廣的工藝之一。其主要特點是生產過程連續，生產效率高，設備簡單，技術容易掌握等。擠出成型工藝主要用于生產管、棒、板及異型斷面型等產品。增強塑料管玻纖增強門窗異型斷面型材，在我國有很大市場。

（3）纏繞成型工藝　熱塑性復合材料的纏繞成型工藝原理和纏繞機械設備與熱固性玻璃鋼的一樣，不同的是熱塑性復合材料纏繞制品的增強材料不是玻纖粗紗，而是經過浸膠（熱塑性樹脂）的預浸紗。因此，需要在纏繞機上增加預浸紗預熱裝置和加熱加壓輥。纏繞成型時，先將預浸紗加熱到軟化點，再與芯模的接觸點加熱，并用加壓輥加壓，使其熔接成一個整體。

（4）拉擠成型工藝　熱塑性復合材料的拉擠成型工藝與熱固性玻璃鋼的基本相似。只要把進入模具前的浸膠方法加以改造，生產熱固性玻璃鋼的設備便可使用。生產熱塑性復合材料拉擠產品的增強材料有兩種：一種是經過浸膠的預浸紗或預浸帶，另一種是未浸膠的纖維或纖維帶。

（5）焊接層合法工藝　此法系利用熱塑性復合材料的可焊性生產復合材料板材。其方法如下：先在工作臺上壓鋪一層預浸料（一般寬500mm），鋪第二層浸料時，開動壓輥的焊接器，使預浸料進入壓輥下，焊接器使上下兩層預浸料在幾秒鐘內同時受熱熔化，當機器向前移動時，預浸料在壓輥的壓力（0.3MPa）作用下黏合成一體。如此重復，可生產任意厚度的板材。

（6）熱塑性片狀模塑料制品沖壓成型工藝　熱塑性片狀模塑制品沖壓成型與熱固性SMC壓制成型不同，它要先將坯料預熱，然后再放模具加壓成型。

（7）熱塑性復合材料的連接技術　熱塑性復合材料的連接方法很多，列舉如下：

①鉚接　用于熱塑性復合材料鉚接用的鉚釘，一般都是用連續纖維增強熱塑性塑料制造，最好是用拉擠棒材制造。施工時，鉚釘預熱到可以加壓塑變的溫度，鉚釘與孔徑應能嚴密配合，不能大，也不能小。也可以用金屬螺栓。鉚接的優點是耐沖擊性好，無電化學腐蝕，價格便宜。

②焊接　熱塑性復合材料的焊接處理，是將被連接材料的焊接表面加熱到熔化狀態，然后搭接加壓，使之接成一體。復合材料焊接原理與塑料焊接相似，但必須注意焊接處的纖維增強效果不能降低很多。

③管件對接焊　熱塑性復合材料管的對接焊方法有直接對接焊和補強對接焊兩種。這種連接方法的優點是工藝簡單，可在現場施工，不需對管子進行機械加工，連接強度高，不易斷裂。缺點是成本高，工藝要求嚴格，要保證尺寸緊密配合。

④纏繞焊接　用預浸帶沿焊縫手工或機械纏繞，同時用火焰噴槍對接觸點加熱熔融，使之與被連接件粘牢。選擇預浸帶時，要注意纖維的方向和含量。此法較實用，被連接材料能保留較好的性能，但易出現加熱不均的現象。

⑤薄板超聲波焊接　此法是用超聲波對被連接處進行加熱焊接，一般能夠獲得較高的連接強度。

三、熱塑性復合材料制備工藝概述　 

熱塑性復合材料（FRTP）具有很多獨特的優點，如韌性高、耐沖擊性能好、預浸料穩定、無貯存時間限制、制造周期短、耐化學性能好、吸濕率低、可重復加工等。自1951年R.Bradit首次采用玻璃纖維增強聚苯乙烯制造復合材料以來，對熱塑性復合材料的基體樹脂、增強材料及成型方法的研究不斷深入，其產量與應用領域不斷擴大，已經在汽車、電子、電器、醫藥、建材等行業得到了廣泛的應用。近幾年來，熱塑性樹脂基復合材料的發展速度已大大超過熱固性樹脂基復合材料。 由于熱塑性樹脂熔融溫度高、化學性質穩定，其復合材料成型加工與熱固性復合材料有很多不同之處。預浸、成型等每一個階段對設備和工藝都有特殊的要求。如制備熱塑性預浸料，采用熱固性預浸料常用的熔融法、溶液法難度較大，因而出現了懸浮法、粉末法等特殊的預混工藝。通常熱塑性復合材料制備過程如圖1-1所示。

1.預浸料的制備

熱塑性樹脂的熔體黏度很高，一般大于100Pa·s，難以使增強纖維獲得良好浸漬。因此制備FRTP的關鍵技術是解決熱塑性樹脂對增強纖維的浸漬。各國對此進行了大量的研究，主要開發了熔融預浸、懸浮預浸、粉末預浸、纖維混雜、原位聚合以及薄膜鑲嵌等多種制備技術。

（1）熔融預浸法　是先將樹脂加熱熔融，纖維接觸熔融樹脂得到浸漬。這是一種最常用的方法，無溶劑污染，特別適用于結晶性樹脂制備預浸帶。早在1972年，美國PPG公司就采用這一技術生產連續玻璃纖維氈增強聚丙烯復合材料。具體是將兩層玻璃纖維原絲針刺氈夾在三層聚丙烯層之間，其中間層是擠出機擠出的熔融樹脂。上下兩層樹脂既可用擠出機擠出，也可直接用樹脂薄膜。將這種夾層結構置于高于樹脂基體熔化的溫度下熱壓成型。

（2）懸浮預浸法　是根據樹脂情況選定合適的懸浮劑配成懸浮液，纖維通過懸浮液使樹脂粒子均勻地分布在纖維上，然后加熱烘干使懸浮劑蒸發，同時使樹脂熔融浸漬纖維得到預浸帶。懸浮浸漬法生產的片材中玻璃纖維分布均勻，成型加工時預浸料流動性好。它適合制作復雜幾何形狀和薄壁結構制品。但與熔融制備方法一樣，此法存在技術難度高和設備投資大的缺點。

（3）粉末預浸法　是纖維預先經過擴散器被空氣吹松散后進入流化床中，帶靜電的樹脂粉末很快沉積于接地的纖維上，沉積量由流化床電壓和纖維通過的速率控制，再經烘爐加熱熔化。這種工藝能快速連續生產熱塑性預浸帶，纖維損傷少，聚合物無降解，具有成本低的潛在優勢。適合于這種技術的樹脂粉末直徑以5～10μm為宜。此法的不足之處是浸潤僅在成型加工過程中才能完成，且浸潤所需的時間、溫度、壓力均依賴于粉末直徑的大小及其分布狀況。

（4）纖維混雜法　是將熱塑性樹脂紡成纖維或薄膜帶，然后根據含膠量的多少將一定比例的纖維與樹脂纖維束緊密地合并成混合紗，再通過一個高溫密封浸漬區使樹脂和纖維熔成連續的基體。該法的優點是樹脂含量易于控制，纖維能得到充分浸潤，可以直接纏繞成型得到制件，是一種很有前途的方法。但由于制取直徑極細的熱塑性樹脂纖維（<10μm）非常困難，同時編織過程中易造成纖維損傷，限制了這一技術的應用。

（5）原位聚合法　是利用單體或預聚體初始分子量小、黏度低及流動性好的特點，纖維與之一邊浸潤、一邊反應，從而達到理想的浸漬效果。采用該法要求單體聚合速度快，反應易于控制。存在的主要問題是工藝條件比較苛刻、反應不易控制，尚不具有實用價值。

（6）薄膜鑲嵌法　是先將熱塑性樹脂熱熔制成襯有脫模紙的薄膜，鋪層時撕去脫模紙與增強纖維之間的間隔薄膜，然后加熱加壓將樹脂壓入纖維區。該法加工比較簡單，但要加工低孔隙率的復合材料很困難，且僅能用于模壓制品的加工。

2.制備方法

采用上述工藝制備的FRTP只是半成品——預混料，通過進一步成型加工才可制得最終產品。熱塑性樹脂基復合材料的成型方法主要是從熱固性樹脂基復合材料及金屬成型技術借鑒而來。按照所用的設備可以分為注射成型（IM）、熱壓成型、真空模壓成型工藝、纖維纏繞成型、輥壓成型、拉擠成型及樹脂注射成型等。

（1）注射成型　是生產短纖維增強塑料的主要方法。短纖維增強塑料至少有50%（質量分數）是通過注塑機成型的。生產工藝包括加料及熔融，并在一定的壓力下將熔體（短玻璃纖維和塑料混合）注入金屬模腔中；然后，制品固化成所設計的形狀。優點是制品加工成本低，加工數量不受限制，甚至無需后續加工，基本上是一種連續性批量生產方法。

（2）熱壓成型　是一種快速、批量成型熱塑性樹脂基復合材料制品的工藝方法。用熱成型工藝制造復合材料制品與制造純塑料制品不同，預浸料在模具內不能伸長，也不能變薄。模具閉合之前，預浸料要從夾持框架上松開，放在下半模具上。閉合模具時，預浸料鋪層邊緣將向模具中滑移，并貼敷到模具型面上，預浸料層厚保持不變。

（3）真空模壓成型　是近年來以金屬超塑性成型和熱固性復合材料熱壓罐成型為基礎，開發出的一種新型的適合于熱塑性樹脂基復合材料的成型方法。它廣泛應用于航空、航天器件的制造。成型時，將剪裁成要求尺寸的片材預熱后移到金屬模具上，然后密封片材和金屬模具的外周邊，模腔內抽成真空，片材緊貼在模腔壁上，冷卻后脫模即可得到所需形狀的制品。

（4）纖維纏繞成型　是一種連續化制備復合材料的方法。目前，熱塑性復合材料在纖維纏繞制品中的應用研究工作正在積極進行。一般將纖維與樹脂制成預浸帶，然后在纏繞機上成型。成型過程中可采用紅外燈、石英爐或熱空氣對芯模與冷壓輥之間的預浸料局部加熱，制品成型在纏繞中完成。

（5）輥壓成型　主要借鑒于金屬成型方法。設備由一系列（一組或多組）熱壓輥和冷壓輥組成，鋪好的預浸料受熱后首先通過一組熱輥使預混料變形，然后通過一組間距逐漸減小的冷輥成型。

（6）拉擠成型　自從1951年第一個關于拉擠工藝的專利誕生以來，拉擠工藝已經發展成一種廣泛用于制造連續纖維增強塑料型材的成型方法。實現拉擠工藝的設備主要是拉擠機。拉擠成型是將預浸帶或預浸紗在一組拉擠模具中固結，預浸料或是邊拉擠邊預浸，或是另外浸漬。一般的浸漬方法是纖維混紡浸債和粉末流化床浸漬。

（7）樹脂注射成型　也稱為樹脂傳遞模塑，是一種從熱固性樹脂基復合材料成型技術借鑒過來的成型方法。在成型制品時，首先將環狀低聚物樹脂粉末在室溫下放入不銹鋼壓力容器中；絕熱的容器逐漸加熱到注入溫度時，加入引發劑粉末，攪拌均勻；再用氮氣給壓力容器充壓，樹脂通過底部開口和加熱管道注入纖維層狀物或預成型物的模腔中；當樹脂充滿模腔后，將模具溫度提高到聚合溫度，樹脂進一步聚合；聚合完成后，將模具按要求降溫、開模即得到最終制品。

3.FRTP應用前景

由于與許多材料相比具有其獨特性能，熱塑性復合材料在航天航空、汽車、電子、電器、醫藥、建材等行業得到廣泛應用。美國洛克希德·馬丁公司在一份報告中指出，用碳纖維增強熱塑性復合材料制造發動機進氣道，可使成本降低30%。而玻璃纖維氈增強熱塑性片材（GMT）是目前國際上極為活躍的復合材料開發品種，被視為世紀新材料之一。

目前歐美各國熱塑性樹脂基復合材料占到了玻璃纖維增強復合材料總量的30%以上，估計全世界玻璃纖維增強熱塑性塑料（GFRTP）年產量已達200萬噸，而我國年產量不足25000t。所以我國要加快FRTP，特別是GFRTP的研究與發展。

四、纖維增強摩擦復合材料

1.傳統石棉基摩擦材料

石棉作為一種天然礦物纖維，具有質輕、價廉、分散性好、摩擦磨損性能好、增強效果好等特點，因此在摩擦材料中得到了廣泛應用。在20世紀20～80年代，石棉基摩擦材料幾乎是一統天下。自從20世紀70年代，石棉及其高溫分解物被確認屬于致癌物質后，許多國家對石棉的使用都做出了具體的規定。瑞士及德國規定1988年生產的汽車不能使用石棉基摩擦材料。美國也有10年內禁止使用石棉的提案。

與此同時，對石棉粉塵的嚴格限制使得生產企業必須對除塵設備進行高額投資，致使石棉摩擦材料價格上升。隨著汽車科技的進步，汽車的速度越來越高，制動器更小以及盤式制動器的出現，對摩擦材料的性能提出了更高的要求，使用條件也更為苛刻。如今轎車前輪盤式制動溫度可達300～500℃，而石棉在400℃左右將失去結晶水，580～700℃時結晶水將完全喪失，同時也失去彈性和強度，已基本失去增強效果。石棉脫水會導致摩擦性能不穩定、損傷汽車配件及出現制動噪聲，因此，石棉基摩擦材料顯然不能適應汽車工業和現代社會發展需求將逐步被取代。由于我國經濟發展水平較低、民眾環保意識不強及汽車工業的落后，價格較低、應用范圍較廣的石棉基摩擦材料至今還在使用。然而隨著我國國民經濟的快速發展，人民生活水平的不斷提高，人們對環境保護的要求也越來越高。國家有關部門規定，近年石棉基摩擦材料將要被其他纖維增強摩擦復合材料所替代；對石棉基摩擦材料替代物的研究工作已經刻不容緩。

通過對實際應用中摩擦材料的研究發現，纖維增強摩擦材料中增強纖維的作用主要是使材料具有一定的強度和韌性，耐沖擊、剪切、拉伸等機械作用而不至于出現裂紋、斷裂、崩缺等機械損傷。因此增強纖維應滿足以下性能要求：①具有足夠的強度和模量以及較好的韌性；②良好的摩擦性能，在一定的溫度范圍內具有穩定的摩擦系數及適當的摩擦損耗；③較高的熱分解溫度，在一定溫度范圍內不發生熱分解、脫水、相變等；④較高的高溫分解殘炭率；⑤纖維易于分散且與基體有較好的相容性；⑥適當的硬度，不產生嚴重的噪聲；⑦量廣、價廉、無毒性，不污染環境。

目前，國內外開展了代用增強纖維的研究。主要有鋼纖維、玻璃纖維、碳纖維、有機纖維。雖然擁有如此眾多的代用增強纖維，但非石棉纖維還存在著許多的不足：①增強纖維與基體的相容性較差；②價格較石棉基摩擦材料高出很多；③增強纖維摩擦材料的制成品性能并不是很穩定，代用纖維摩擦材料雖然在某些方面已經超越石棉基摩擦材料，但就整體性能而言還存在較大的差距。因此，就目前所使用的代用纖維及其摩擦材料性能，給出綜合分析，希望能對我國石棉纖維替代材料的應用研究有一定參考作用。

2.增強纖維的選用

（1）鋼纖維　使用低碳鋼以及采取超聲波切削法生產出的鋼纖維含油量低、表面活性好、價格便宜，因此在半金屬基摩擦材料中得到廣泛應用。鋼纖維最顯著的特點是導熱性能好。鋼纖維以其高導熱性能使局部表面熱量迅速擴散至內部，從而降低摩擦表面溫度，避免表面溫度過高，防止樹脂基體熱分解而導致材料磨損加劇，延長了制品的使用壽命。但鋼纖維制成的摩擦材料質量大，容易銹蝕。用這種材料制成的離合器面片銹蝕后導致粘連，影響換擋分離，并導致傳動振動和抖動。

研究表明，加入一定量的鋅粉和氧化鈣等可以增強材料的防銹性能，而對摩擦性能無明顯影響；鋼纖維和礦物纖維及有機纖維混雜使用可以進一步降低材料的密度及改善制動噪聲。

目前，鋼纖維增強摩擦材料在我國多種汽車上進行了應用，反映較好。

（2）玻璃纖維　玻璃纖維作為代用增強纖維的研究時間較長，產品質量比較穩定，產量較大，價格也相對比較便宜。玻璃纖維屬于無機硅酸鹽纖維，因而熱穩定性較好。其表面處理工藝也得到了廣泛的研究，研制出多種偶聯劑，與樹脂親和性較好，因此在增強纖維摩擦材料中得到了一定的應用。據國外報道，玻璃纖維增強的摩擦材料，其摩擦磨損性能良好，但對載荷、滑動速度及制動溫度等因素反應較敏感。在重載、高速及高溫下，摩擦系數變化明顯，不穩定。玻璃纖維用作摩擦材料的增強纖維有一定的要求。玻璃纖維應較柔軟，而含15%～30%的氯化鉀可使莫氏強度下降，使玻璃纖維變軟。一般認為E玻璃纖維可以使用。雖然說玻璃纖維能夠運用在摩擦材料的增強材料中，但玻璃纖維有不足之處：①硬度過高，磨損比石棉增強材料大；②當溫度超過800℃時易形成玻璃珠，而玻璃珠莫氏硬度更高，材料磨損量會進一步增加；③玻璃纖維增強材料的摩擦系數不穩定，隨溫度有較大的變化。

（3）碳纖維　碳纖維具有高比強度、高比模量、耐熱、耐磨、耐腐蝕及熱膨脹系數較小等許多優點。碳纖維增強基體的（C/C）復合摩擦材料在航空航天工業中得到了廣泛應用。碳纖維增強基體的航空剎車用復合材料具有質量輕、抗熱沖擊性好、摩擦系數穩定、使用壽命長等特點，是新一代的航空剎車副制備材料。

目前，國際上大多數軍用和民用干線飛機采均用碳纖維增強基體的復合材料制成的剎車副。但用作一般民用的摩擦材料還存在以下障礙：①碳/碳復合材料制作工藝復雜成本很高，原材料價格也較高，產量有限；②現有的碳纖維一般為長纖維，而應用于摩擦材料中的增強纖維一般是2～5mm的短纖維，這一點目前較難達到；③碳纖維尤其是高模量石墨纖維的表面是惰性的，與樹脂的潤濕性、黏附性差，所以制備碳纖維增強復合材料時，須對碳纖維表面進行處理，以提高碳纖維與樹脂間的黏附強度。處理后碳纖維不但表面積增大，還能在表面生成活性基團（如羰基、羧基和羥基等），通過這些基團使碳纖維與樹脂基體之間產生化學鍵，從而提高界面強度。 通過國外實驗報告了解到碳纖維增強摩擦材料有良好的恢復性能，而且在高溫及高滑動速度下碳纖維增強材料比玻璃纖維增強材料有更高的摩擦系數和較低的磨損率。

（4）有機纖維　芳綸（Kevlar）、聚丙烯纖維、聚乙烯纖維、聚酯纖維等燃點高，高溫熱分解不明顯，因而也可用作摩擦材料的增強纖維。有機纖維單獨作為增強纖維使用時，一般都要經過表面處理，通常是把天然或合成的有機纖維放在非電解的處理液中，使纖維表面鍍上薄薄一層金屬。經過表面處理的有機纖維，既具有金屬纖維的優點，如導熱性好，耐磨等；又具有非金屬纖維的特點，如密度小，韌性好等。例如，較常用的芳綸（Kevlar-49）特點是強韌性好、彈性模量高、密度低，價格只相當于碳纖維的1/3，其不足之處是由它所制成的復合材料的耐壓強度及彎曲疲勞強度不太好。研究表明，有機纖維可以提高材料摩擦性能的穩定性，明顯降低磨損量，對于降低制動噪聲也有明顯作用。但有機纖維在摩擦材料中的應用還存在價格較高、表面處理難、分散工藝復雜等問題，有待進一步研究。

（5）礦物纖維　礦物纖維取材廣泛，且價格低廉，也逐步引起人們的注意。用價格便宜的礦物纖維取代石棉纖維將是摩擦材料研究的一個重要課題。礦物纖維也存在以下缺陷：①一般含結晶水，高溫制動時易脫水，材料性能不太穩定；②質量不穩定，產品質量受產地、產時的影響較大。如果選擇產量大、品位高的礦物纖維，調整摩擦材料配方后可取得較好效果。

3.超高分子量聚乙烯纖維/有機玻璃復合材料力學及摩擦磨損性能

國內用真空浸漬法制備出了超高分子量聚乙烯纖維/有機玻璃（即UHMWPE/PMMA）復合材料，并研究了其力學性能和摩擦磨損性能。實驗證明，UHMWPE/PMMA復合材料具有優良的力學性能和摩擦磨損性能。纖維表面處理可以改善復合材料的力學性能。三維編織纖維增強的復合材料的磨損量遠小于長纖維增強的復合材料的，但其摩擦系數沒有顯著變化。

 超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纖維，是繼碳纖維、芳綸纖維之后出現的一種高性能有機纖維。與其他纖維相比，該纖維具有比強度、比模量高，綜合性能好，密度低（只有0.97g/cm3）等特點。另外在高強纖維中，其耐疲勞性和耐磨性最高。基于以上優點，超高分子量聚乙烯纖維已廣泛應用于防護、航空航天、兵器、電子、體育、醫療等諸多領域。作為增強材料，超高分子量聚乙烯纖維可明顯改善復合材料的力學性能和耐摩擦磨損性能。與其他纖維增強復合材料相比，超高分子量聚乙烯纖維增強復合材料具有最好的抗沖擊性能。因此，近年來有關超高分子量聚乙烯纖維及其復合材料的研究越來越多，但是關于UHMWPE纖維/PM-MA復合材料的報道還很少。

4.纖維增強摩擦材料優化的方法

上面所述均是單一纖維增強摩擦復合材料。它們有各自不足之處。解決這些不足就需要通過樹脂改性、混雜纖維的選擇和配合以及多種方法的合用，獲得性能更好的摩擦復合材料。

（1）樹脂改性和樹脂含量的選擇　在復合材料中，纖維和織物起增強作用，而樹脂是基體材料。樹脂基體的性能對復合材料制品的性能有直接的影響。合成樹脂是摩擦材料中化學穩定性最差的組分，對材料高溫下的強度和摩擦性能有直接的影響。中南工業大學劉震云等的研究結果表明，在6%～14%樹脂含量（質量分數）范圍內，材料的沖擊強度能滿足使用要求。樹脂含量在14%以上時，材料高溫熱衰退嚴重，導致摩擦系數下降，高溫磨損加劇，磨損量上升。樹脂含量過高或過低時，材料將因黏結劑量過少或樹脂高溫分解導致黏結力下降，使增強纖維存在拔出現象，導致摩擦系數不穩定，材料磨損加劇。因此摩擦材料中樹脂用量不宜太多，適宜含量為8%～12%，其中以8%為佳。 有實驗報道采用耐熱低聚物、腰果殼油改性酚醛樹脂獲得了較好的摩擦性能，并且得出結論，材料的摩擦磨損性能與樹脂的耐熱性密切相關。在其他條件相同的情況下，隨樹脂耐熱性的提高，材料摩擦系數的穩定性及體積磨損率均得到改善。

（2）混雜纖維的選擇及配合　采用兩種或兩種以上纖維進行混雜增強，不僅可以降低成本，還可以充分發揮每種纖維的優點，彌補相互的缺陷，使性能更加完善，更加優異。采用混雜纖維作為增強纖維將是摩擦材料的一個主要方向。國外試驗把芳綸（Kevlar）漿粕和鋼纖維、玻璃纖維混雜作為增強材料。試驗結果表明，芳綸的加入可以提高摩擦性能的穩定性，但略降低摩擦系數，磨損量明顯減少；而在制動噪聲方面，可以明顯降低以致完全除去高頻（頻率>5kHz）的噪聲。據有關資料，采用碳纖維30%、鋼纖維15%、酚醛樹脂15%及有機填料40%的摩擦材料比石棉摩擦材料耐磨性提高3倍，在300℃和350℃時摩擦系數無熱衰退現象。目前國內外進行了多種纖維的混雜研究，都取得了很好的效果。

（3）纖維含量的選擇　目前國內外對摩擦材料增強纖維的研究主要集中于增強纖維的選用和優化，而在纖維含量對摩擦材料綜合性能的影響方面研究較少。而增強纖維含量對摩擦材料的摩擦、磨損性能的影響是很大的。據國內的試驗報告，纖維含量增加至20%以上后，材料的摩擦系數隨著溫度上升而明顯下降，同時磨損也明顯加劇，磨損量急劇上升。摩擦材料在高溫時的磨損機制主要是由于黏結劑的熱分解，失去膠黏作用，各組分易脫落造成磨損加劇，同時出現熱衰退現象，摩擦系數明顯降低。因而作者認為，這主要是由于當材料中纖維含量增加時，材料中黏結劑的含量相對降低，各組分之間的黏結力下降，隨著黏結劑的熱分解，而導致上述現象出現。如果保持增強纖維與樹脂黏結劑的適當比例，在增加纖維含量的同時，增加樹脂含量，也許會保持其高溫穩定的摩擦系數和低的磨損量。但過多的增強纖維，特別是金屬纖維會直接導致摩擦材料密度、硬度及熱導率等指標上升，對材料的綜合性能不利。

纖維混雜后在摩擦材料內結織成網狀，起到增強作用。因纖維與各種摩擦性能調節劑及填料之間是依靠樹脂等膠黏劑黏合，所以與各組分之間的結合力明顯小于纖維本身的剪切強度。在摩擦過程中增強纖維將被剝離、拉拔和剪切，因而提供一定的摩擦力矩。因纖維的比表面積較大，所以當纖維含量增加時，摩擦力矩增大，摩擦系數也因此增加。但當纖維含量超過一定限額，其與樹脂基體之間的黏結力下降，纖維更加容易被剝離、拉拔，而靠纖維剪切所能提供的摩擦力矩減少。隨著滑動速度的提高，高纖維含量（30%～35%）的摩擦材料摩擦系數快速下降。在其他方面例如填料的選擇、增強纖維的表面處理也需要注意。

（4）增強纖維的評價　增強纖維是摩擦材料的一個重要組成部分，纖維的選用對材料的摩擦、磨損性能有著重要影響。

綜上所述，可以得出以下幾點：

①石棉纖維污染環境，對人體有害，必然會退出市場。

②鋼纖維增強的摩擦材料將是轎車盤式剎車片用摩擦材料的主流。

③混雜纖維摩擦材料將是一種趨勢，它能比較好地解決單一纖維所不能解決的問題，能夠提高摩擦性能穩定性，降低磨損及減弱制動噪聲。

④ 碳纖維增強摩擦材料將繼續在航空航天及一些特殊場合發揮重要作用。通用級的瀝青碳纖維價格便宜，雖然強度不高，但其摩擦、磨損性能良好，特別是它的自潤滑性很好，用于制作摩擦材料有較好的性價比。

⑤有機纖維增強摩擦材料由于其特殊的性質將得到進一步發展，它的應用將日益廣泛。