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活性氧化鋅在磨擦材料中的應(yīng)用與機理研究
發(fā)布時間：2025-11-05
摩擦材料作為傳動和制動系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，其性能直接關(guān)系到機械設(shè)備的安全性和可靠性。傳統(tǒng)摩擦材料存在著耐磨性不足、熱穩(wěn)定性差等問題，而功能性填料的添加是改善這些性能的有效途徑之一?；钚匝趸\作為一種重要的無機填料，通過特殊的表面改性處理，在摩擦材料領(lǐng)域展現(xiàn)出顯著的應(yīng)用價值。
肇慶市新潤豐高新材料有限公司通過技術(shù)創(chuàng)新，開發(fā)出具有特定改性尖晶石復(fù)合組分的活性氧化鋅產(chǎn)品，為摩擦材料性能提升提供了新的解決方案。本文將從技術(shù)特性、作用機理和應(yīng)用效果等方面深入探討活性氧化鋅在摩擦材料中的科學(xué)研究進展。
活性氧化鋅是一種白色或微黃色的微細粉末，與普通氧化鋅相比，具有 粒度細小 、 比表面積大 和 活性強 的特點。其特殊的生產(chǎn)工藝使其形成了以活性劑為球核的微粒結(jié)構(gòu)，經(jīng)過聚合形成多孔結(jié)構(gòu)，從而展現(xiàn)出優(yōu)良的分散性。
通過BET法測定，活性氧化鋅的比表面積通常在2-10m2/g范圍內(nèi)，表觀密度為1.2-1.5g/cm3，平均粒徑（D50）分布在3.8-8.5μm之間。這些特性保證了活性氧化鋅在基體材料中的良好分散性和界面結(jié)合能力。
現(xiàn)代分析技術(shù)表明，活性氧化鋅表面具有豐富的活性位點，這些活性位點能夠與橡膠、樹脂等基體材料形成較強的結(jié)合力。通過SEM和TEM分析可見，經(jīng)過表面活性劑修飾的納米氧化鋅呈現(xiàn)出均勻的粒徑分布和良好的分散狀態(tài)。
X射線衍射分析顯示，活性氧化鋅在保持氧化鋅晶體結(jié)構(gòu)的同時，引入了特定的改性尖晶石復(fù)合組分，這些復(fù)合組分進一步增強了材料的界面活性和熱穩(wěn)定性能。
活性氧化鋅提高摩擦材料耐磨性的機制主要體現(xiàn)在以下幾個方面：
表面修飾效應(yīng) ：研究表明，采用表面活性劑（如十六烷基三甲基溴化銨）修飾的納米氧化鋅，能顯著改善其在潤滑油中的摩擦磨損性能。實驗數(shù)據(jù)顯示，在最佳添加量（質(zhì)量分數(shù)為0.5%）條件下，平均摩擦系數(shù)可降低35%，磨斑直徑下降11%；而經(jīng)過CTAB修飾后，平均摩擦系數(shù)更是可降低70%，磨斑直徑下降40%。
界面強化作用 ：活性氧化鋅通過其表面活性位點與基體材料形成強有力的界面結(jié)合，有效傳遞和分散應(yīng)力，減少界面磨損。電化學(xué)方法在碳布上生長的氧化鋅納米結(jié)構(gòu)，比傳統(tǒng)機械混合方式具有更強的界面結(jié)合力，能更充分發(fā)揮氧化鋅的增強作用。
在橡膠基摩擦材料中，活性氧化鋅作為硫化活性劑，能有效促進硫磺硫化體系的交聯(lián)反應(yīng)。其促進作用主要體現(xiàn)在：
提高硫化效率 ：活性氧化鋅晶體表面的活性位點可加速交聯(lián)反應(yīng)進程，實驗室測試表明，添加活性氧化鋅后，硫化效率可提高約10-15%。
改善交聯(lián)結(jié)構(gòu) ：活性氧化鋅能使硫化過程中形成更為均勻的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而提高硫化膠的物理機械性能。研究表明，活性氧化鋅在膠料中分布均勻，與硫化氫的接觸面積大，進行界面反應(yīng)的幾率較大，使其轉(zhuǎn)化為硫化鋅的轉(zhuǎn)化率提高。
摩擦材料在工作過程中會產(chǎn)生大量熱量，尤其是在高速磨削和制動場合。活性氧化鋅的熱穩(wěn)定機制主要包括：
熱傳導(dǎo)作用 ：活性氧化鋅的熱導(dǎo)率適中，有助于摩擦過程中熱量的散發(fā)，避免局部過熱導(dǎo)致的材料降解。
熱分解特性 ：活性氧化鋅的灼燒減量（800°C，2h）不超過0.8%，表明其在高溫下具有良好的穩(wěn)定性。
在橡膠摩擦材料體系中，活性氧化鋅主要應(yīng)用于砂輪、磨塊、拋光輪等制品。推薦添加比例為膠料總量的5-15%。
性能提升效果 ：在實際應(yīng)用中，添加活性氧化鋅的橡膠摩擦材料顯示出顯著的性能改善。DIN磨耗量測試表明，磨耗量可降低30-40%。同時，材料的拉伸強度、抗撕裂性能和定伸應(yīng)力均得到明顯提升。
用量優(yōu)勢 ：與傳統(tǒng)氧化鋅相比，活性氧化鋅的用量可減少30-50%，這不僅降低了成本，還避免了過多填料對材料性能的負面影響。
在樹脂基摩擦材料中，活性氧化鋅主要應(yīng)用于剎車片等需要較高熱穩(wěn)定性和耐磨性的領(lǐng)域。推薦添加比例為樹脂總量的10-25%。
界面優(yōu)化效果 ：采用電化學(xué)方法在碳布上直接生長氧化鋅納米結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)氧化鋅與增強體的充分結(jié)合，大大提高了界面作用力，有效改善了復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能。
摩擦性能調(diào)節(jié) ：通過控制沉積電壓（1-5V），可在碳布上獲得不同形貌的氧化鋅納米結(jié)構(gòu)（如顆粒狀或片狀結(jié)構(gòu)），從而調(diào)節(jié)復(fù)合材料的摩擦性能。
活性氧化鋅的傳統(tǒng)制備方法主要包括均勻沉淀法、水熱法等。均勻沉淀法通過在合成過程中加入表面活性劑，可制備出平均粒徑約20-30nm的納米氧化鋅。
近年來，電化學(xué)制備技術(shù)在活性氧化鋅制備中的應(yīng)用日益廣泛。該技術(shù)具有 環(huán)保 、 反應(yīng)條件溫和 、 過程可控 和 易于自動化操作 等優(yōu)點。
電化學(xué)方法通過改變沉積電壓可得到不同形貌的納米氧化鋅，如在不同電壓下可分別獲得顆粒狀或片狀結(jié)構(gòu)的氧化鋅。這種形貌可控性為設(shè)計特定性能的摩擦材料提供了可能。
表面改性技術(shù)是提高活性氧化鋅性能的關(guān)鍵。通過使用表面活性劑（如CTAB）對納米氧化鋅進行修飾，可顯著改善其在基體中的分散性和界面相容性。
研究表明，經(jīng)過表面活性劑修飾的納米氧化鋅在摩擦過程中能在鋼球表面形成更為完整的保護膜，使磨損表面的犂溝深度最淺，寬度最小，表現(xiàn)出優(yōu)異的減摩抗磨性能。
四球摩擦磨損試驗是評價潤滑材料摩擦磨損性能的常用方法。在該測試中，活性氧化鋅的減摩抗磨性能可通過摩擦系數(shù)和磨斑直徑來量化評價。
活性氧化鋅增強的摩擦材料的力學(xué)性能主要通過拉伸強度、抗撕裂性能和定伸應(yīng)力等指標來評價。實驗數(shù)據(jù)表明，添加活性氧化鋅后，這些性能指標均有顯著提升。
熱穩(wěn)定性是摩擦材料的重要性能指標。通過熱重分析（TGA）和差示掃描量熱法（DSC）可評價活性氧化鋅的熱穩(wěn)定性能及其對復(fù)合材料熱穩(wěn)定性的影響。
隨著對摩擦材料性能要求的不斷提高，活性氧化鋅的研究和發(fā)展呈現(xiàn)出以下趨勢：
納米化與功能化 ：未來活性氧化鋅將更加趨向納米化和功能化發(fā)展，通過控制粒徑、形貌和表面性質(zhì)，實現(xiàn)對其性能的精確調(diào)控。
綠色制備技術(shù) ：環(huán)境友好的綠色制備技術(shù)將成為活性氧化鋅生產(chǎn)的發(fā)展方向，如電化學(xué)合成法等。
復(fù)合化與智能化 ：活性氧化鋅將與其他功能材料復(fù)合，形成具有多重功能的復(fù)合材料，并朝著智能化方向發(fā)展，以滿足不同工況條件下的應(yīng)用需求。
活性氧化鋅作為一種重要的功能性填料，在摩擦材料領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。通過表面改性技術(shù)和可控制備工藝，活性氧化鋅具有了優(yōu)異的耐磨增強、硫化促進和熱穩(wěn)定性能。其在橡膠和樹脂基摩擦材料中的應(yīng)用實踐證明，它能顯著提高材料的力學(xué)性能和耐磨性能，延長使用壽命。
隨著制備技術(shù)的不斷進步和應(yīng)用研究的深入，活性氧化鋅在摩擦材料領(lǐng)域的應(yīng)用將更加廣泛，為高性能摩擦材料的開發(fā)提供新的解決方案。肇慶市新潤豐高新材料有限公司等企業(yè)在活性氧化鋅領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新，將繼續(xù)推動該領(lǐng)域的發(fā)展和進步。
未來研究應(yīng)更加注重活性氧化鋅的作用機理研究、制備工藝優(yōu)化和應(yīng)用技術(shù)開發(fā)，以進一步提高其性能和應(yīng)用效果，滿足日益增長的高性能摩擦材料需求。
