树脂基摩擦材料制备工艺简单、成本低廉,作为刹车片首选材料在汽车制动领域被广泛应用。制动过程中大量动能转变为热能,材料内部有机组元发生降解,导致制动效率降低(即“热衰退”现象),材料使用寿命下降,限制了树脂基摩擦材料的应用前景。研究表明,陶瓷具有高硬度和低温度敏感性,引入树脂基摩擦材料中可有效改善抗热衰退性。目前,对于陶瓷复合树脂基摩擦材料的研究不够系统和深入:一方面,陶瓷颗粒在传统陶瓷复合树脂基摩擦材料中主要被用作研磨剂,尺寸控制在纳米/微米级别(～150μm),辅助树脂基体承担摩擦载荷,无法充分发挥其耐磨性好和摩擦稳定性高的优点;另一方面,对陶瓷复合树脂基摩擦材料的摩擦行为缺乏定量分析;再者,限于摩擦材料的服役条件,对材料力学性能关注较少。对此,本文提出大尺寸陶瓷颗粒复合树脂基摩擦材料的设计思路,以腰果壳油改性酚醛树脂作为基体,以大尺寸颗粒作为骨架,在高温摩擦过程中能够稳定发挥主体作用,进一步提高材料的抗热衰退性和耐磨性。重点研究了二氧化硅颗粒对材料力学性能、摩擦磨损性能和摩擦磨损机制的影响规律。主要研究内容及结论如下:(1)利用扫描电子显微镜(SEM)对腰果壳油改性酚醛树脂基摩擦材料在不同温度工况下的磨损表面进行“定点观测”,研究材料摩擦界面的动态演变过程,分析材料摩擦磨损性能动态变化规律。结果表明,摩擦磨损性能由材料磨损表面的动态演变过程控制。磨合结束后,在100℃C相对温和的工况下,随摩擦距离增加,材料磨损表面的成分、形貌、接触状态基本保持不变,相应地,摩擦系数和材料磨损速率保持稳定。在250℃C相对苛刻的工况下,随摩擦距离增加,材料磨损表面真实接触面积增大,接触平台中Fe元素含量增多,相应地,摩擦系数增大,材料磨损速率降低。在变温100～350℃C过程中,当温度超过250℃C,材料内部有机组元发生降解,降低基体对接触平台的钉扎效力,使平台在材料表面发生滑移,导致热衰退产生。(2)利用三点弯曲和冲击韧性测试实验研究二氧化硅颗粒对陶瓷复合树脂基摩擦材料力学性能的影响规律,分析复合材料内部弹性应力场分布状态。建立的材料内部应力场分布理论模型和实验结果显示,添加陶瓷颗粒引起材料内部应力集中,造成材料强度和韧性降低;最大应力值出现在颗粒边缘处,随颗粒与基体弹性模量比值增加而增加,当超出颗粒强度极限时,裂纹贯穿颗粒扩展;材料内部平均应力值与颗粒含量和尺寸成正相关,所以在一定范围内(0～50vol.%;700μm～3.0mm),弯曲强度随颗粒含量增加或尺寸增大而降低。复杂的颗粒形状增加材料内部应力集中程度,导致三棱柱状颗粒对应材料的强度低于球形颗粒对应的材料。当添加颗粒尺寸为3.0mm、含量为50vol.%时,复合材料强度和韧性分别为48 MPa和0.31 J/cm2,满足汽车刹车材料的使用要求。(3)利用定速式摩擦试验机研究二氧化硅颗粒尺寸对复合材料摩擦系数、材料磨损、摩擦盘磨损的影响规律,探究不同尺寸颗粒在摩擦过程中的作用机制。结果表明,在10μm～3.0mm范围,随颗粒尺寸增加,摩擦系数和材料磨损量先增大后减小,在80μm左右达到峰值;摩擦盘磨损量在10 μm-700 μm随颗粒尺寸增大而加剧,当颗粒尺寸超过700 μm,反而随颗粒尺寸增大而减轻。颗粒在摩擦过程中的作用机制随尺寸发生转变:小尺寸颗粒(～10 μm)以形成“第二类接触平台”形式间接参与摩擦;随尺寸增大,从基体脱落的颗粒(例如80 μm)游离在界面上以“三体研磨”形式参与摩擦;尺寸在700 μm～3.0 mm范围,颗粒牢固钉扎在摩擦界面上,以“二体研磨”和提供“黏着”联接点形式参与摩擦。定量描述大尺寸(700 μm～3.0 mm)陶瓷颗粒复合树脂基摩擦材料摩擦行为的物理模型显示,摩擦系数与陶瓷颗粒含量成正比、与压力载荷成反比、与颗粒表面摩擦膜的剪切强度成正比。(4)在分析颗粒尺寸对材料力学性能、摩擦磨损性能影响基础之上,以3 mm二氧化硅颗粒复合树脂基体,采用定速式摩擦试验机和MM1000-Ⅲ型摩擦试验机对其耐磨性、抗热衰退性、不同转速和压力下的摩擦稳定性进行综合评价,并与未添加陶瓷颗粒以及添加小尺寸颗粒的材料进行对比。结果显示,添加3.0 mm二氧化硅颗粒复合材料的抗热衰退性和耐磨性均有明显提升,在350℃热衰退率仅为6%左右,耐磨性约为未添加陶瓷颗粒材料的2倍。另外,不同转速、压力条件下的稳定性和可靠性与知名商业刹车材料相比,均有良好表现。