第一章　概论

第一节　热塑性复合材料简介

一、概述

近年来，纤维增强型热塑性塑料（以下简称FRTP，又称热塑性复合材料）以其优异的耐冲击性能而迅速成为现代塑料工业的一部分。

FRTP成形周期短，又能降低生产成本，被认为是今后开发的重要课题之一。

与金属材料相比，热塑性复合材料重量轻了30%～50%，可以帮助汽车制造商节省油耗，从而节省汽车使用成本。热塑性材料的加工工艺简便，能够节省大量生产时间，并且可以再循环利用，因此大规模生产变得可行。

在最近几十年里，芳纶等高性能纤维复合材料的生产工艺已经给新型材料的制造奠定了一定的基础。目标是在汽车和底盘的半结构件和初级结构件上应用这种材料。

热塑性长纤维增强复合板由纺织物和非纺织物相互掺杂再结合树脂形成最后成型材料，重量轻、强度高。

UD-tape高性能韧性环氧树脂充分利用了单向浸渍纤维的异向性，又通过注塑包覆成型工艺将半成品部件塑造成更复杂的结构部件。

根据Lucintel公司最新报告，预计未来5年汽车行业将是热塑性复合材料的最大市场，全球热塑性复合材料市场的年复合增长率有望达到4.9%，估计到2017年可达82亿美元。在极需减轻重量、节省燃料和提高其他性能优势等方面，热塑性复合材料的应用越来越广。

美国和西欧的汽车行业由于接受了新的热塑性复合材料，预计未来5年间将会呈现出稳步增长。然而，全球汽车业的增长将由亚洲市场和东欧市场来带动。Lucintel公司的研究显示，这一增长背后的关键推动因素是采用SFT（短纤维增强热塑性塑料）和LFT（长纤维增强热塑性塑料）的电气、电子和汽车用产品的出货量上升。此外，提高SFT性能的产品开发将使SFT得以进一步渗透到诸如汽车油箱和导电零部件等应用当中。研究表明，虽然增长受到能源成本上升的制约及来自低成本材料的竞争，但在中国、俄罗斯、巴西和印度等新兴经济体，由于这些地区汽车生产欣欣向荣，新的热塑性复合材料材料日益渗透到汽车零部件中，热塑性复合材料正面临着巨大的发展机遇。

二、热塑性复合材料特殊性能与成型工艺

1.热塑性复合材料的特殊性能

一般热塑性复合材料的特殊性能如下：

（1）密度小、强度高　热塑性复合材料的密度为1.1～1.6g/cm3，仅为钢材的1/7～1/5，比热固性玻璃钢轻1/4～1/3。它能够以较小的单位质量获得更高的机械强度。一般来讲，不论是通用塑料还是工程塑料，用玻璃纤维（简称玻纤）增强后，都会获得较高的增强效果，提高强度应用档次。

（2）性能可设计性的自由度大　热塑性复合材料的物理性能、化学性能、力学性能，都是通过合理选择原材料种类、配比、加工方法、纤维含量和铺层方式进行设计。由于热塑性复合材料的基体材料种类比热固性复合材料多很多，因此，其选材设计的自由度也就大得多。

（3）热性能　一般塑料的使用温度为50～100℃，用玻璃纤维增强后，可提高到100℃以上。尼龙6的热变形温度为65℃，用30%玻纤增强后，热变形温度可提高到190℃。聚醚醚酮树脂的耐热性达220℃，用30%玻纤增强后，使用温度可提高到310℃，这样高的耐热性，热固性复合材料是达不到的。热塑性复合材料的线膨胀系数比未增强的塑料低1/4～1/2，能够降低制品成型过程中的收缩率，提高制品尺寸精度。其传热系数为0.3～0.36W/（m2·K），与热固性复合材料相似。

（4）耐化学腐蚀性　复合材料的耐化学腐蚀性，主要由基体材料的性能决定。热塑性树脂的种类很多，每种树脂都有自己的防腐特点，因此，可以根据复合材料的使用环境和介质条件，对基体树脂进行优选，一般都能满足使用要求。热塑性复合材料的耐水性优于热固性复合材料。

（5）电性能　一般热塑性复合材料都具有良好的介电性能，如不反射无线电电波、透过微波性能良好等。由于热塑性复合材料的吸水率比热固性复合材料小，故其电性能优于后者。在热塑性复合材料中加入导电材料后，可改善其导电性能，防止产生静电。

（6）废料能回收利用　热塑性复合材料可重复加工成型，废品和边角余料能回收利用，可减少对环境的污染。

由于热塑性复合材料有很多优于热固性复合材料的特殊性能，应用领域十分广泛。从国外的应用情况分析，热塑性复合材料主要用于车辆制造工业、机电工业、化工防腐及建筑工程等方面。

2.热塑性复合材料分类

热塑性复合材料是以玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维等增强的各种热塑性树脂的总称，国外称FRTP（fiber reinforcedthermoplastics）。由于热塑性树脂和增强材料种类不同，其生产工艺和制成的复合材料性能差别很大。

从生产工艺角度，塑性复合材料分为两大类：

（1）短纤维增强复合材料　生产工艺包括：注射成型工艺、挤出成型工艺、离心成型工艺。

（2）连续纤维增强及长纤维增强复合材料　生产工艺包括：预浸料模压成型、片状模塑料冲压成型、片状模塑料真空成型、预浸纱缠绕成型、拉挤成型。

3.热塑性复合材料成型工艺与方法

（1）注射成型工艺　注射成型是热塑性复合材料的主要生产方法，历史悠久，应用最广。其优点是：成型周期短，能耗最小，产品精度高，一次可成型开关复杂及带有嵌件的制品，一模能生产几个制品，生产效率高。缺点是不能生产长纤维增强复合材料制品和对模具质量要求较高。根据目前的技术发展水平，注射成型的最大产品为5kg，最小到1g。这种方法主要用来生产各种机械零件、建筑制品、家电壳体、电器材料、车辆配件等。

（2）挤出成型工艺　挤出成型是热塑性复合材料制品生产中应用较广的工艺之一。其主要特点是生产过程连续，生产效率高，设备简单，技术容易掌握等。挤出成型工艺主要用于生产管、棒、板及异型断面型等产品。增强塑料管玻纤增强门窗异型断面型材，在我国有很大市场。

（3）缠绕成型工艺　热塑性复合材料的缠绕成型工艺原理和缠绕机械设备与热固性玻璃钢的一样，不同的是热塑性复合材料缠绕制品的增强材料不是玻纤粗纱，而是经过浸胶（热塑性树脂）的预浸纱。因此，需要在缠绕机上增加预浸纱预热装置和加热加压辊。缠绕成型时，先将预浸纱加热到软化点，再与芯模的接触点加热，并用加压辊加压，使其熔接成一个整体。

（4）拉挤成型工艺　热塑性复合材料的拉挤成型工艺与热固性玻璃钢的基本相似。只要把进入模具前的浸胶方法加以改造，生产热固性玻璃钢的设备便可使用。生产热塑性复合材料拉挤产品的增强材料有两种：一种是经过浸胶的预浸纱或预浸带，另一种是未浸胶的纤维或纤维带。

（5）焊接层合法工艺　此法系利用热塑性复合材料的可焊性生产复合材料板材。其方法如下：先在工作台上压铺一层预浸料（一般宽500mm），铺第二层浸料时，开动压辊的焊接器，使预浸料进入压辊下，焊接器使上下两层预浸料在几秒钟内同时受热熔化，当机器向前移动时，预浸料在压辊的压力（0.3MPa）作用下黏合成一体。如此重复，可生产任意厚度的板材。

（6）热塑性片状模塑料制品冲压成型工艺　热塑性片状模塑制品冲压成型与热固性SMC压制成型不同，它要先将坯料预热，然后再放模具加压成型。

（7）热塑性复合材料的连接技术　热塑性复合材料的连接方法很多，列举如下：

①铆接　用于热塑性复合材料铆接用的铆钉，一般都是用连续纤维增强热塑性塑料制造，最好是用拉挤棒材制造。施工时，铆钉预热到可以加压塑变的温度，铆钉与孔径应能严密配合，不能大，也不能小。也可以用金属螺栓。铆接的优点是耐冲击性好，无电化学腐蚀，价格便宜。

②焊接　热塑性复合材料的焊接处理，是将被连接材料的焊接表面加热到熔化状态，然后搭接加压，使之接成一体。复合材料焊接原理与塑料焊接相似，但必须注意焊接处的纤维增强效果不能降低很多。

③管件对接焊　热塑性复合材料管的对接焊方法有直接对接焊和补强对接焊两种。这种连接方法的优点是工艺简单，可在现场施工，不需对管子进行机械加工，连接强度高，不易断裂。缺点是成本高，工艺要求严格，要保证尺寸紧密配合。

④缠绕焊接　用预浸带沿焊缝手工或机械缠绕，同时用火焰喷枪对接触点加热熔融，使之与被连接件粘牢。选择预浸带时，要注意纤维的方向和含量。此法较实用，被连接材料能保留较好的性能，但易出现加热不均的现象。

⑤薄板超声波焊接　此法是用超声波对被连接处进行加热焊接，一般能够获得较高的连接强度。

三、热塑性复合材料制备工艺概述　 

热塑性复合材料（FRTP）具有很多独特的优点，如韧性高、耐冲击性能好、预浸料稳定、无贮存时间限制、制造周期短、耐化学性能好、吸湿率低、可重复加工等。自1951年R.Bradit首次采用玻璃纤维增强聚苯乙烯制造复合材料以来，对热塑性复合材料的基体树脂、增强材料及成型方法的研究不断深入，其产量与应用领域不断扩大，已经在汽车、电子、电器、医药、建材等行业得到了广泛的应用。近几年来，热塑性树脂基复合材料的发展速度已大大超过热固性树脂基复合材料。 由于热塑性树脂熔融温度高、化学性质稳定，其复合材料成型加工与热固性复合材料有很多不同之处。预浸、成型等每一个阶段对设备和工艺都有特殊的要求。如制备热塑性预浸料，采用热固性预浸料常用的熔融法、溶液法难度较大，因而出现了悬浮法、粉末法等特殊的预混工艺。通常热塑性复合材料制备过程如图1-1所示。

1.预浸料的制备

热塑性树脂的熔体黏度很高，一般大于100Pa·s，难以使增强纤维获得良好浸渍。因此制备FRTP的关键技术是解决热塑性树脂对增强纤维的浸渍。各国对此进行了大量的研究，主要开发了熔融预浸、悬浮预浸、粉末预浸、纤维混杂、原位聚合以及薄膜镶嵌等多种制备技术。

（1）熔融预浸法　是先将树脂加热熔融，纤维接触熔融树脂得到浸渍。这是一种最常用的方法，无溶剂污染，特别适用于结晶性树脂制备预浸带。早在1972年，美国PPG公司就采用这一技术生产连续玻璃纤维毡增强聚丙烯复合材料。具体是将两层玻璃纤维原丝针刺毡夹在三层聚丙烯层之间，其中间层是挤出机挤出的熔融树脂。上下两层树脂既可用挤出机挤出，也可直接用树脂薄膜。将这种夹层结构置于高于树脂基体熔化的温度下热压成型。

（2）悬浮预浸法　是根据树脂情况选定合适的悬浮剂配成悬浮液，纤维通过悬浮液使树脂粒子均匀地分布在纤维上，然后加热烘干使悬浮剂蒸发，同时使树脂熔融浸渍纤维得到预浸带。悬浮浸渍法生产的片材中玻璃纤维分布均匀，成型加工时预浸料流动性好。它适合制作复杂几何形状和薄壁结构制品。但与熔融制备方法一样，此法存在技术难度高和设备投资大的缺点。

（3）粉末预浸法　是纤维预先经过扩散器被空气吹松散后进入流化床中，带静电的树脂粉末很快沉积于接地的纤维上，沉积量由流化床电压和纤维通过的速率控制，再经烘炉加热熔化。这种工艺能快速连续生产热塑性预浸带，纤维损伤少，聚合物无降解，具有成本低的潜在优势。适合于这种技术的树脂粉末直径以5～10μm为宜。此法的不足之处是浸润仅在成型加工过程中才能完成，且浸润所需的时间、温度、压力均依赖于粉末直径的大小及其分布状况。

（4）纤维混杂法　是将热塑性树脂纺成纤维或薄膜带，然后根据含胶量的多少将一定比例的纤维与树脂纤维束紧密地合并成混合纱，再通过一个高温密封浸渍区使树脂和纤维熔成连续的基体。该法的优点是树脂含量易于控制，纤维能得到充分浸润，可以直接缠绕成型得到制件，是一种很有前途的方法。但由于制取直径极细的热塑性树脂纤维（<10μm）非常困难，同时编织过程中易造成纤维损伤，限制了这一技术的应用。

（5）原位聚合法　是利用单体或预聚体初始分子量小、黏度低及流动性好的特点，纤维与之一边浸润、一边反应，从而达到理想的浸渍效果。采用该法要求单体聚合速度快，反应易于控制。存在的主要问题是工艺条件比较苛刻、反应不易控制，尚不具有实用价值。

（6）薄膜镶嵌法　是先将热塑性树脂热熔制成衬有脱模纸的薄膜，铺层时撕去脱模纸与增强纤维之间的间隔薄膜，然后加热加压将树脂压入纤维区。该法加工比较简单，但要加工低孔隙率的复合材料很困难，且仅能用于模压制品的加工。

2.制备方法

采用上述工艺制备的FRTP只是半成品——预混料，通过进一步成型加工才可制得最终产品。热塑性树脂基复合材料的成型方法主要是从热固性树脂基复合材料及金属成型技术借鉴而来。按照所用的设备可以分为注射成型（IM）、热压成型、真空模压成型工艺、纤维缠绕成型、辊压成型、拉挤成型及树脂注射成型等。

（1）注射成型　是生产短纤维增强塑料的主要方法。短纤维增强塑料至少有50%（质量分数）是通过注塑机成型的。生产工艺包括加料及熔融，并在一定的压力下将熔体（短玻璃纤维和塑料混合）注入金属模腔中；然后，制品固化成所设计的形状。优点是制品加工成本低，加工数量不受限制，甚至无需后续加工，基本上是一种连续性批量生产方法。

（2）热压成型　是一种快速、批量成型热塑性树脂基复合材料制品的工艺方法。用热成型工艺制造复合材料制品与制造纯塑料制品不同，预浸料在模具内不能伸长，也不能变薄。模具闭合之前，预浸料要从夹持框架上松开，放在下半模具上。闭合模具时，预浸料铺层边缘将向模具中滑移，并贴敷到模具型面上，预浸料层厚保持不变。

（3）真空模压成型　是近年来以金属超塑性成型和热固性复合材料热压罐成型为基础，开发出的一种新型的适合于热塑性树脂基复合材料的成型方法。它广泛应用于航空、航天器件的制造。成型时，将剪裁成要求尺寸的片材预热后移到金属模具上，然后密封片材和金属模具的外周边，模腔内抽成真空，片材紧贴在模腔壁上，冷却后脱模即可得到所需形状的制品。

（4）纤维缠绕成型　是一种连续化制备复合材料的方法。目前，热塑性复合材料在纤维缠绕制品中的应用研究工作正在积极进行。一般将纤维与树脂制成预浸带，然后在缠绕机上成型。成型过程中可采用红外灯、石英炉或热空气对芯模与冷压辊之间的预浸料局部加热，制品成型在缠绕中完成。

（5）辊压成型　主要借鉴于金属成型方法。设备由一系列（一组或多组）热压辊和冷压辊组成，铺好的预浸料受热后首先通过一组热辊使预混料变形，然后通过一组间距逐渐减小的冷辊成型。

（6）拉挤成型　自从1951年第一个关于拉挤工艺的专利诞生以来，拉挤工艺已经发展成一种广泛用于制造连续纤维增强塑料型材的成型方法。实现拉挤工艺的设备主要是拉挤机。拉挤成型是将预浸带或预浸纱在一组拉挤模具中固结，预浸料或是边拉挤边预浸，或是另外浸渍。一般的浸渍方法是纤维混纺浸债和粉末流化床浸渍。

（7）树脂注射成型　也称为树脂传递模塑，是一种从热固性树脂基复合材料成型技术借鉴过来的成型方法。在成型制品时，首先将环状低聚物树脂粉末在室温下放入不锈钢压力容器中；绝热的容器逐渐加热到注入温度时，加入引发剂粉末，搅拌均匀；再用氮气给压力容器充压，树脂通过底部开口和加热管道注入纤维层状物或预成型物的模腔中；当树脂充满模腔后，将模具温度提高到聚合温度，树脂进一步聚合；聚合完成后，将模具按要求降温、开模即得到最终制品。

3.FRTP应用前景

由于与许多材料相比具有其独特性能，热塑性复合材料在航天航空、汽车、电子、电器、医药、建材等行业得到广泛应用。美国洛克希德·马丁公司在一份报告中指出，用碳纤维增强热塑性复合材料制造发动机进气道，可使成本降低30%。而玻璃纤维毡增强热塑性片材（GMT）是目前国际上极为活跃的复合材料开发品种，被视为世纪新材料之一。

目前欧美各国热塑性树脂基复合材料占到了玻璃纤维增强复合材料总量的30%以上，估计全世界玻璃纤维增强热塑性塑料（GFRTP）年产量已达200万吨，而我国年产量不足25000t。所以我国要加快FRTP，特别是GFRTP的研究与发展。

四、纤维增强摩擦复合材料

1.传统石棉基摩擦材料

石棉作为一种天然矿物纤维，具有质轻、价廉、分散性好、摩擦磨损性能好、增强效果好等特点，因此在摩擦材料中得到了广泛应用。在20世纪20～80年代，石棉基摩擦材料几乎是一统天下。自从20世纪70年代，石棉及其高温分解物被确认属于致癌物质后，许多国家对石棉的使用都做出了具体的规定。瑞士及德国规定1988年生产的汽车不能使用石棉基摩擦材料。美国也有10年内禁止使用石棉的提案。

与此同时，对石棉粉尘的严格限制使得生产企业必须对除尘设备进行高额投资，致使石棉摩擦材料价格上升。随着汽车科技的进步，汽车的速度越来越高，制动器更小以及盘式制动器的出现，对摩擦材料的性能提出了更高的要求，使用条件也更为苛刻。如今轿车前轮盘式制动温度可达300～500℃，而石棉在400℃左右将失去结晶水，580～700℃时结晶水将完全丧失，同时也失去弹性和强度，已基本失去增强效果。石棉脱水会导致摩擦性能不稳定、损伤汽车配件及出现制动噪声，因此，石棉基摩擦材料显然不能适应汽车工业和现代社会发展需求将逐步被取代。由于我国经济发展水平较低、民众环保意识不强及汽车工业的落后，价格较低、应用范围较广的石棉基摩擦材料至今还在使用。然而随着我国国民经济的快速发展，人民生活水平的不断提高，人们对环境保护的要求也越来越高。国家有关部门规定，近年石棉基摩擦材料将要被其他纤维增强摩擦复合材料所替代；对石棉基摩擦材料替代物的研究工作已经刻不容缓。

通过对实际应用中摩擦材料的研究发现，纤维增强摩擦材料中增强纤维的作用主要是使材料具有一定的强度和韧性，耐冲击、剪切、拉伸等机械作用而不至于出现裂纹、断裂、崩缺等机械损伤。因此增强纤维应满足以下性能要求：①具有足够的强度和模量以及较好的韧性；②良好的摩擦性能，在一定的温度范围内具有稳定的摩擦系数及适当的摩擦损耗；③较高的热分解温度，在一定温度范围内不发生热分解、脱水、相变等；④较高的高温分解残炭率；⑤纤维易于分散且与基体有较好的相容性；⑥适当的硬度，不产生严重的噪声；⑦量广、价廉、无毒性，不污染环境。

目前，国内外开展了代用增强纤维的研究。主要有钢纤维、玻璃纤维、碳纤维、有机纤维。虽然拥有如此众多的代用增强纤维，但非石棉纤维还存在着许多的不足：①增强纤维与基体的相容性较差；②价格较石棉基摩擦材料高出很多；③增强纤维摩擦材料的制成品性能并不是很稳定，代用纤维摩擦材料虽然在某些方面已经超越石棉基摩擦材料，但就整体性能而言还存在较大的差距。因此，就目前所使用的代用纤维及其摩擦材料性能，给出综合分析，希望能对我国石棉纤维替代材料的应用研究有一定参考作用。

2.增强纤维的选用

（1）钢纤维　使用低碳钢以及采取超声波切削法生产出的钢纤维含油量低、表面活性好、价格便宜，因此在半金属基摩擦材料中得到广泛应用。钢纤维最显著的特点是导热性能好。钢纤维以其高导热性能使局部表面热量迅速扩散至内部，从而降低摩擦表面温度，避免表面温度过高，防止树脂基体热分解而导致材料磨损加剧，延长了制品的使用寿命。但钢纤维制成的摩擦材料质量大，容易锈蚀。用这种材料制成的离合器面片锈蚀后导致粘连，影响换挡分离，并导致传动振动和抖动。

研究表明，加入一定量的锌粉和氧化钙等可以增强材料的防锈性能，而对摩擦性能无明显影响；钢纤维和矿物纤维及有机纤维混杂使用可以进一步降低材料的密度及改善制动噪声。

目前，钢纤维增强摩擦材料在我国多种汽车上进行了应用，反映较好。

（2）玻璃纤维　玻璃纤维作为代用增强纤维的研究时间较长，产品质量比较稳定，产量较大，价格也相对比较便宜。玻璃纤维属于无机硅酸盐纤维，因而热稳定性较好。其表面处理工艺也得到了广泛的研究，研制出多种偶联剂，与树脂亲和性较好，因此在增强纤维摩擦材料中得到了一定的应用。据国外报道，玻璃纤维增强的摩擦材料，其摩擦磨损性能良好，但对载荷、滑动速度及制动温度等因素反应较敏感。在重载、高速及高温下，摩擦系数变化明显，不稳定。玻璃纤维用作摩擦材料的增强纤维有一定的要求。玻璃纤维应较柔软，而含15%～30%的氯化钾可使莫氏强度下降，使玻璃纤维变软。一般认为E玻璃纤维可以使用。虽然说玻璃纤维能够运用在摩擦材料的增强材料中，但玻璃纤维有不足之处：①硬度过高，磨损比石棉增强材料大；②当温度超过800℃时易形成玻璃珠，而玻璃珠莫氏硬度更高，材料磨损量会进一步增加；③玻璃纤维增强材料的摩擦系数不稳定，随温度有较大的变化。

（3）碳纤维　碳纤维具有高比强度、高比模量、耐热、耐磨、耐腐蚀及热膨胀系数较小等许多优点。碳纤维增强基体的（C/C）复合摩擦材料在航空航天工业中得到了广泛应用。碳纤维增强基体的航空刹车用复合材料具有质量轻、抗热冲击性好、摩擦系数稳定、使用寿命长等特点，是新一代的航空刹车副制备材料。

目前，国际上大多数军用和民用干线飞机采均用碳纤维增强基体的复合材料制成的刹车副。但用作一般民用的摩擦材料还存在以下障碍：①碳/碳复合材料制作工艺复杂成本很高，原材料价格也较高，产量有限；②现有的碳纤维一般为长纤维，而应用于摩擦材料中的增强纤维一般是2～5mm的短纤维，这一点目前较难达到；③碳纤维尤其是高模量石墨纤维的表面是惰性的，与树脂的润湿性、黏附性差，所以制备碳纤维增强复合材料时，须对碳纤维表面进行处理，以提高碳纤维与树脂间的黏附强度。处理后碳纤维不但表面积增大，还能在表面生成活性基团（如羰基、羧基和羟基等），通过这些基团使碳纤维与树脂基体之间产生化学键，从而提高界面强度。 通过国外实验报告了解到碳纤维增强摩擦材料有良好的恢复性能，而且在高温及高滑动速度下碳纤维增强材料比玻璃纤维增强材料有更高的摩擦系数和较低的磨损率。

（4）有机纤维　芳纶（Kevlar）、聚丙烯纤维、聚乙烯纤维、聚酯纤维等燃点高，高温热分解不明显，因而也可用作摩擦材料的增强纤维。有机纤维单独作为增强纤维使用时，一般都要经过表面处理，通常是把天然或合成的有机纤维放在非电解的处理液中，使纤维表面镀上薄薄一层金属。经过表面处理的有机纤维，既具有金属纤维的优点，如导热性好，耐磨等；又具有非金属纤维的特点，如密度小，韧性好等。例如，较常用的芳纶（Kevlar-49）特点是强韧性好、弹性模量高、密度低，价格只相当于碳纤维的1/3，其不足之处是由它所制成的复合材料的耐压强度及弯曲疲劳强度不太好。研究表明，有机纤维可以提高材料摩擦性能的稳定性，明显降低磨损量，对于降低制动噪声也有明显作用。但有机纤维在摩擦材料中的应用还存在价格较高、表面处理难、分散工艺复杂等问题，有待进一步研究。

（5）矿物纤维　矿物纤维取材广泛，且价格低廉，也逐步引起人们的注意。用价格便宜的矿物纤维取代石棉纤维将是摩擦材料研究的一个重要课题。矿物纤维也存在以下缺陷：①一般含结晶水，高温制动时易脱水，材料性能不太稳定；②质量不稳定，产品质量受产地、产时的影响较大。如果选择产量大、品位高的矿物纤维，调整摩擦材料配方后可取得较好效果。

3.超高分子量聚乙烯纤维/有机玻璃复合材料力学及摩擦磨损性能

国内用真空浸渍法制备出了超高分子量聚乙烯纤维/有机玻璃（即UHMWPE/PMMA）复合材料，并研究了其力学性能和摩擦磨损性能。实验证明，UHMWPE/PMMA复合材料具有优良的力学性能和摩擦磨损性能。纤维表面处理可以改善复合材料的力学性能。三维编织纤维增强的复合材料的磨损量远小于长纤维增强的复合材料的，但其摩擦系数没有显著变化。

 超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维，是继碳纤维、芳纶纤维之后出现的一种高性能有机纤维。与其他纤维相比，该纤维具有比强度、比模量高，综合性能好，密度低（只有0.97g/cm3）等特点。另外在高强纤维中，其耐疲劳性和耐磨性最高。基于以上优点，超高分子量聚乙烯纤维已广泛应用于防护、航空航天、兵器、电子、体育、医疗等诸多领域。作为增强材料，超高分子量聚乙烯纤维可明显改善复合材料的力学性能和耐摩擦磨损性能。与其他纤维增强复合材料相比，超高分子量聚乙烯纤维增强复合材料具有最好的抗冲击性能。因此，近年来有关超高分子量聚乙烯纤维及其复合材料的研究越来越多，但是关于UHMWPE纤维/PM-MA复合材料的报道还很少。

4.纤维增强摩擦材料优化的方法

上面所述均是单一纤维增强摩擦复合材料。它们有各自不足之处。解决这些不足就需要通过树脂改性、混杂纤维的选择和配合以及多种方法的合用，获得性能更好的摩擦复合材料。

（1）树脂改性和树脂含量的选择　在复合材料中，纤维和织物起增强作用，而树脂是基体材料。树脂基体的性能对复合材料制品的性能有直接的影响。合成树脂是摩擦材料中化学稳定性最差的组分，对材料高温下的强度和摩擦性能有直接的影响。中南工业大学刘震云等的研究结果表明，在6%～14%树脂含量（质量分数）范围内，材料的冲击强度能满足使用要求。树脂含量在14%以上时，材料高温热衰退严重，导致摩擦系数下降，高温磨损加剧，磨损量上升。树脂含量过高或过低时，材料将因黏结剂量过少或树脂高温分解导致黏结力下降，使增强纤维存在拔出现象，导致摩擦系数不稳定，材料磨损加剧。因此摩擦材料中树脂用量不宜太多，适宜含量为8%～12%，其中以8%为佳。 有实验报道采用耐热低聚物、腰果壳油改性酚醛树脂获得了较好的摩擦性能，并且得出结论，材料的摩擦磨损性能与树脂的耐热性密切相关。在其他条件相同的情况下，随树脂耐热性的提高，材料摩擦系数的稳定性及体积磨损率均得到改善。

（2）混杂纤维的选择及配合　采用两种或两种以上纤维进行混杂增强，不仅可以降低成本，还可以充分发挥每种纤维的优点，弥补相互的缺陷，使性能更加完善，更加优异。采用混杂纤维作为增强纤维将是摩擦材料的一个主要方向。国外试验把芳纶（Kevlar）浆粕和钢纤维、玻璃纤维混杂作为增强材料。试验结果表明，芳纶的加入可以提高摩擦性能的稳定性，但略降低摩擦系数，磨损量明显减少；而在制动噪声方面，可以明显降低以致完全除去高频（频率>5kHz）的噪声。据有关资料，采用碳纤维30%、钢纤维15%、酚醛树脂15%及有机填料40%的摩擦材料比石棉摩擦材料耐磨性提高3倍，在300℃和350℃时摩擦系数无热衰退现象。目前国内外进行了多种纤维的混杂研究，都取得了很好的效果。

（3）纤维含量的选择　目前国内外对摩擦材料增强纤维的研究主要集中于增强纤维的选用和优化，而在纤维含量对摩擦材料综合性能的影响方面研究较少。而增强纤维含量对摩擦材料的摩擦、磨损性能的影响是很大的。据国内的试验报告，纤维含量增加至20%以上后，材料的摩擦系数随着温度上升而明显下降，同时磨损也明显加剧，磨损量急剧上升。摩擦材料在高温时的磨损机制主要是由于黏结剂的热分解，失去胶黏作用，各组分易脱落造成磨损加剧，同时出现热衰退现象，摩擦系数明显降低。因而作者认为，这主要是由于当材料中纤维含量增加时，材料中黏结剂的含量相对降低，各组分之间的黏结力下降，随着黏结剂的热分解，而导致上述现象出现。如果保持增强纤维与树脂黏结剂的适当比例，在增加纤维含量的同时，增加树脂含量，也许会保持其高温稳定的摩擦系数和低的磨损量。但过多的增强纤维，特别是金属纤维会直接导致摩擦材料密度、硬度及热导率等指标上升，对材料的综合性能不利。

纤维混杂后在摩擦材料内结织成网状，起到增强作用。因纤维与各种摩擦性能调节剂及填料之间是依靠树脂等胶黏剂黏合，所以与各组分之间的结合力明显小于纤维本身的剪切强度。在摩擦过程中增强纤维将被剥离、拉拔和剪切，因而提供一定的摩擦力矩。因纤维的比表面积较大，所以当纤维含量增加时，摩擦力矩增大，摩擦系数也因此增加。但当纤维含量超过一定限额，其与树脂基体之间的黏结力下降，纤维更加容易被剥离、拉拔，而靠纤维剪切所能提供的摩擦力矩减少。随着滑动速度的提高，高纤维含量（30%～35%）的摩擦材料摩擦系数快速下降。在其他方面例如填料的选择、增强纤维的表面处理也需要注意。

（4）增强纤维的评价　增强纤维是摩擦材料的一个重要组成部分，纤维的选用对材料的摩擦、磨损性能有着重要影响。

综上所述，可以得出以下几点：

①石棉纤维污染环境，对人体有害，必然会退出市场。

②钢纤维增强的摩擦材料将是轿车盘式刹车片用摩擦材料的主流。

③混杂纤维摩擦材料将是一种趋势，它能比较好地解决单一纤维所不能解决的问题，能够提高摩擦性能稳定性，降低磨损及减弱制动噪声。

④ 碳纤维增强摩擦材料将继续在航空航天及一些特殊场合发挥重要作用。通用级的沥青碳纤维价格便宜，虽然强度不高，但其摩擦、磨损性能良好，特别是它的自润滑性很好，用于制作摩擦材料有较好的性价比。

⑤有机纤维增强摩擦材料由于其特殊的性质将得到进一步发展，它的应用将日益广泛。