作者：（咸陽(yáng)非金屬礦研究設(shè)計(jì)院有限公司）張紅林，焦紅斌
1 非金屬礦物材料的特征與分類
1.1 特征
非金屬礦物材料是以非金屬礦物或巖石為基本或主要原料，通過(guò)加工制備出具有一定功能、一定使用目的材料，如功能填料、摩擦材料、密封材料、保溫隔熱材料、電功能材料、吸附催化材料、環(huán)保材料、膠凝與流變材料、聚合物/納米粘土復(fù)合材料、建筑裝飾材料等。
非金屬礦物材料主要特征有：①其原料或主要組分為非金屬礦物或經(jīng)過(guò)選礦、加工的非金屬礦物；②非金屬礦物材料沒(méi)有完全改變非金屬礦物原有的物理、化學(xué)特性或結(jié)構(gòu)特征；③非金屬礦物材料是通過(guò)加工制備的功能性材料。因此，非金屬礦物材料具有一定的技術(shù)含量和明確用途，而不能直接應(yīng)用的原礦和加工產(chǎn)品不屬于非金屬礦物材料的范疇。
1.2 分類
非金屬礦物材料種類繁多，按照非金屬礦的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)分類如表1所示。
2 摩擦材料的組成和生產(chǎn)要求
摩擦材料屬于高分子三元復(fù)合材料，它包括三部分：以高分子化合物為粘結(jié)劑、以無(wú)機(jī)或有機(jī)類纖維為增強(qiáng)材料、以填料為摩擦性能調(diào)節(jié)劑。
2.1 對(duì)粘結(jié)劑的要求
摩擦材料生產(chǎn)中要求粘結(jié)劑具有以下性能：①要耐熱性好，有較好的熱分解溫度和較低的熱失重；②粉狀樹(shù)脂細(xì)度要高，一般為100～200目，細(xì)度越細(xì)越好；③游離酚含量要低，以1%～3%為宜；④要有適宜的固化速度(150℃下，40～60s)和流動(dòng)距離(125℃下，40～80mm)。
2.2 對(duì)纖維材料的要求
摩擦材料生產(chǎn)中用到的纖維材料應(yīng)具有以下性能：①增強(qiáng)效果好；②耐熱性好，在摩擦工作溫度下，不會(huì)發(fā)生熔融、碳化與熱分解現(xiàn)象；③具有基本的摩擦系數(shù)；④硬度不宜過(guò)高；⑤工藝(可操作性)性能好。
2.3 對(duì)填料的要求
摩擦材料生產(chǎn)中所用的填料應(yīng)具有以下性能：①能夠調(diào)節(jié)和改善制品的摩擦性能、物理性能和機(jī)械強(qiáng)度；②能夠控制制品熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱性、收縮性，增加產(chǎn)品尺寸的穩(wěn)定性；③能夠改善制品的制動(dòng)噪音；④能夠提高制品的制造工藝性能與加工性能；⑤能夠改善制品外觀質(zhì)量及密度；⑥能夠降低生產(chǎn)成本。
3 非金屬礦物材料在摩擦材料中的應(yīng)用與質(zhì)量控制
非金屬礦物材料的結(jié)構(gòu)和化學(xué)性能是在摩擦材料中得到使用的重要因素，但同時(shí)也不能忽視非金屬礦物材料的粒度、硬度、導(dǎo)熱性、熱穩(wěn)定性、表面積等物理性能對(duì)摩擦材料的影響。本文選取用作增強(qiáng)材料的蛭石和空間填料的重晶石兩種非金屬礦物材料，介紹其應(yīng)用和質(zhì)量控制。
3.1 蛭石在摩擦材料中的應(yīng)用與質(zhì)量控制
3.1.1 蛭石的特征
蛭石是一種復(fù)雜的鐵、鎂含水硅酸鹽類礦物，屬于無(wú)機(jī)非金屬材料。分子式為(MgFe)2(SiAlFe)4O10(OH)2·4H2O。蛭石呈薄片狀結(jié)構(gòu)，由兩層層狀的硅氧骨架，通過(guò)氫氧鎂石層或氫氧鋁石層結(jié)合而形成雙層硅氧四面體，“雙層”之間有水分子層。高溫加熱時(shí)“雙層”間的水分變?yōu)檎羝a(chǎn)生壓力，使“雙層”分離、膨脹。
3.1.2 蛭石的分類
蛭石按階段性劃分為蛭石原礦和膨脹蛭石，按顏色分類可分為金黃色蛭石、銀白色蛭石、乳白色蛭石。
3.1.3 蛭石的物理性能及化學(xué)成分
蛭石物理性能如下：外觀呈鱗片狀、片狀或單斜晶系的假晶體，鱗片重疊，在2.54cm厚度內(nèi)可疊100萬(wàn)片；珍珠光澤、油脂光澤、無(wú)光澤、表面暗淡呈多種光澤；金黃、褐、褐綠、暗綠、黑色及雜色，條痕白色；密度2.2～2.8g/cm3；硬度1～1.5；松散密度1 100～1 200kg/m3；熔點(diǎn)1 320～1 350℃；抗壓強(qiáng)度100～150MPa；折射極限Ng=1.525～1.561，Np=1.545～1.581；含水量7%。蛭石化學(xué)成分為(%)：SiO2 37～43、MgO 11～23、Al2O3 9～17、CaO 1～3、Fe2O3 5～24、其他2～9。
3.1.4 膨脹蛭石的性能
膨脹蛭石是蛭石精礦在800～1 000℃膨脹獲得的，其結(jié)構(gòu)彼此共用三個(gè)頂點(diǎn)連接成無(wú)限六方平面網(wǎng)，借助剩下的活性氧離子與金屬離子相連再與平面層連接的層狀結(jié)構(gòu)(如下圖所示)。
膨脹蛭石因其特殊成分及結(jié)構(gòu)，具有以下優(yōu)良性能：①由于層間粘結(jié)力弱，從而使蛭石片可分剝到20×10-10m的薄片，因此蛭石內(nèi)外表面很大，它和基體連接比較緊密，具有較高的粘結(jié)強(qiáng)度，良好的剪切應(yīng)力；②膨脹蛭石的熔點(diǎn)高達(dá)1 400℃以上，因此其具有很好的熱穩(wěn)定性；③膨脹蛭石的莫氏硬度為1～1.5之間，因此使用膨脹蛭石不會(huì)劃傷制動(dòng)盤(pán)；④由于膨脹蛭石的層狀結(jié)構(gòu)，層與層之間容易滑動(dòng)，剪切力小，因此會(huì)適當(dāng)調(diào)節(jié)摩擦材料的摩擦系數(shù)，并提高材料的耐磨性；⑤膨脹蛭石具有較強(qiáng)的吸聲性能；⑥膨脹蛭石屬無(wú)機(jī)物，高溫時(shí)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，因此耐腐蝕。
3.1.5 膨脹蛭石在摩擦材料中的作用
摩擦材料的發(fā)展趨勢(shì)是向高性能、高舒適性(低振動(dòng)和噪音) 、低成本、輕量化、環(huán)保型等方向發(fā)展。膨脹蛭石由于低成本、可吸音、比重小、耐溫性、性質(zhì)穩(wěn)定，在降噪減震、環(huán)保方面的出色表現(xiàn)而廣泛用于摩擦材料。特別是盤(pán)式制動(dòng)片中，可以有效降低制動(dòng)噪聲，并降低制品的密度，改善并清理摩擦靜電粘貼物，增加制品彈性。
3.1.6 對(duì)膨脹蛭石的技術(shù)指標(biāo)要求
膨脹蛭石應(yīng)用于摩擦材料時(shí)，需控制的性能指標(biāo)如表2所示。
3.1.7 膨脹蛭石的測(cè)試方法及質(zhì)量控制
膨脹蛭石質(zhì)量指標(biāo)按JC/T 441-2009《膨脹蛭石》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的試驗(yàn)方法進(jìn)行。膨脹蛭石因其較大的孔隙率和比表面積，具有較強(qiáng)的吸附能力，而膨脹蛭石的松體積密度和粒度組成是這一性能的直接體現(xiàn)，因此在使用過(guò)程中需控制好松體積密度和粒度組成這兩個(gè)指標(biāo)的穩(wěn)定性。此外，膨脹蛭石中的雜質(zhì)，特別是一些堅(jiān)硬的砂粒，會(huì)在摩擦材料使用中造成對(duì)偶面的損傷。因此，企業(yè)在使用時(shí)除了控制好JC/T441-2009《膨脹蛭石》標(biāo)準(zhǔn)中的指標(biāo)項(xiàng)目外，還應(yīng)結(jié)合自己的產(chǎn)品控制好膨脹蛭石的含雜量。
3.2 重晶石在摩擦材料中的應(yīng)用與質(zhì)量控制
3.2.1 重晶石的性質(zhì)
重晶石是一種含鋇的硫酸鹽類礦物，屬斜方晶系，常見(jiàn)的晶體呈板狀，少數(shù)呈柱狀、條狀，也有三向等長(zhǎng)的晶體。集合體常呈粒狀，少數(shù)呈致密狀、隱晶狀或土狀。因混入物的特性和數(shù)量不同，有白色、淺灰色、淡藍(lán)色、黃色、粉紅色、褐色、淡棕色等，也常見(jiàn)無(wú)色透明晶體?；谥鼐瘍r(jià)廉、熱穩(wěn)定性好、耐酸耐堿等天然特性，重晶石廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。
3.2.2 重晶石的分類
按照礦物成分的不同，重晶石礦石可分為單礦物重晶石礦石、石英—重晶石礦石、螢石—重晶石礦石、硫化物—重晶石礦石、鐵—重晶石礦石、粘土質(zhì)或砂質(zhì)—重晶石礦石。
3.2.3 重晶石的物理性能及化學(xué)組成
重晶石的物理特性：密度大(4.3～4.7g/cm3)，硬度低(莫氏硬度為2.5～3.5)。重晶石的化學(xué)性能穩(wěn)定，不溶于水、鹽酸，無(wú)磁性和毒性，其化學(xué)組成如表3所示。重晶石，其規(guī)格多為BaSO4含量90%～95%，粒度為325目。
重晶石作為填料廣泛應(yīng)用于摩擦材料中，可使產(chǎn)品摩擦系數(shù)穩(wěn)定、磨耗小，特別在高溫下能形成穩(wěn)定的摩擦界面，防止對(duì)對(duì)偶材料表面擦傷，使對(duì)偶磨面表面光潔，特別在高溫時(shí)對(duì)對(duì)偶盤(pán)的保護(hù)較為顯著?；炝蠒r(shí)，重晶石因比重較大而有利于提高分散性，同時(shí)也可調(diào)節(jié)壓制品表面密實(shí)度。重晶石用量的變化，不會(huì)嚴(yán)重改變產(chǎn)品性能的特點(diǎn)，可以用來(lái)調(diào)節(jié)壓制品密度、調(diào)整工藝模量、提高分散性、微調(diào)摩擦系數(shù)等。
3.2.5 對(duì)重晶石的技術(shù)指標(biāo)要求
重晶石應(yīng)用于摩擦材料時(shí)，需控制的性能指標(biāo)如表4所示。
3.2.6 重晶石的檢測(cè)方法及質(zhì)量控制
重晶石的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)依照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2899-2008《工業(yè)沉淀硫酸鋇》或HG/T 3588-1999 《化工用重晶石》中規(guī)定的試驗(yàn)方法進(jìn)行。重晶石在摩擦材料的應(yīng)用中，除了關(guān)注粒度、含量外更應(yīng)該注意到材料中所含的雜質(zhì)，根據(jù)重晶石礦石的分類可知，除了單礦物重晶石礦石，其他礦石都有伴生礦，因此最終產(chǎn)品重晶石粉中就有可能引入不利雜質(zhì)(如二氧化硅、硅酸鹽等)，從而影響摩擦材料的產(chǎn)品性能和應(yīng)用效果。
4 結(jié)論
非金屬礦物材料因其優(yōu)異的物理化學(xué)性能，會(huì)促進(jìn)和改善摩擦材料的產(chǎn)品性能，但在使用中除了關(guān)注含量、粒度、水分等基本的性能指標(biāo)外，更應(yīng)關(guān)注其生產(chǎn)環(huán)節(jié)中雜質(zhì)的控制，只有這樣，才能更好地發(fā)揮非金屬礦物材料應(yīng)有的作用。
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