汽車剎車片用新型陶瓷基摩擦材料性能研究

段亞萍（咸陽非金屬礦研究設(shè)計(jì)院有限公司，陜西 咸陽 712021）

?

汽車剎車片用新型陶瓷基摩擦材料性能研究

段亞萍
（咸陽非金屬礦研究設(shè)計(jì)院有限公司，陜西 咸陽 712021）

【摘 要】鈦酸鉀晶須作為一種新型陶瓷基摩擦材料的增強(qiáng)體晶須，可通過特定的工藝制備新型陶瓷基汽車剎車片。研究了鈦酸鉀晶須對(duì)摩擦材料性能的影響。研究結(jié)果表明，隨著鈦酸鉀晶須含量的增加，摩擦材料的密度、硬度以及抗拉強(qiáng)度都有所增加。當(dāng)鈦酸鉀晶須加入量為10%時(shí)，其物理、力學(xué)性能最優(yōu)；鈦酸鉀晶須的加入使得摩擦材料的摩擦系數(shù)較為穩(wěn)定，磨損率遠(yuǎn)低于樹脂基剎車片。

【關(guān)鍵詞】剎車片；陶瓷基；鈦酸鉀晶須；摩擦材料

1 引言

隨著科技的進(jìn)步和汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車制造開始向輕量化、高壽命的方向發(fā)展，同時(shí)對(duì)汽車制動(dòng)系統(tǒng)以及汽車的速度提出了越來越高的要求。摩擦材料作為汽車制動(dòng)器摩擦傳動(dòng)制動(dòng)裝置的關(guān)鍵材料，其性能的好壞直接關(guān)系到汽車的安全性、穩(wěn)定性以及駕駛?cè)藛T的安全、財(cái)產(chǎn)等重大問題。理想的摩擦材料應(yīng)具有較好的穩(wěn)定性、較高的摩擦系數(shù)、較小的磨損率、剎車噪音小、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。摩擦材料主要由基體材料、增強(qiáng)材料、摩擦改性劑以及填料組成，其中增強(qiáng)纖維作為摩擦材料的骨架材料，不但對(duì)摩擦片的強(qiáng)度起著至關(guān)重要的作用，同時(shí)也對(duì)摩擦片的性能有著重要的影響［1］。石棉作為增強(qiáng)材料，對(duì)摩擦材料的發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)。但是，石棉具有致癌性，在石棉摩擦材料的生產(chǎn)和使用中易對(duì)人體及環(huán)境造成危害。為此，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)石棉替代材料進(jìn)行了大量研究工作，并取得了很大進(jìn)展。

鈦基晶須具有優(yōu)良的力學(xué)和物理性能?；瘜W(xué)性能穩(wěn)定，硬度低，耐腐蝕性、耐磨性、耐熱性好［2］，具有隧道效應(yīng)的結(jié)構(gòu)為其帶來高模量和高強(qiáng)度，被聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署列為石棉替代品之一［3］。因此，本文在樹脂基的基礎(chǔ)上加入鈦基晶須作為增強(qiáng)材料制備陶瓷基汽車用摩擦材料。

2 試驗(yàn)方法

2.1 摩擦材料試樣的制備

汽車用制動(dòng)器襯片根據(jù)其功能主要由粘結(jié)劑、增強(qiáng)纖維以及填料組成。粘結(jié)劑的作用是將摩擦材料中的各種纖維組分、填料和輔料等全部均勻的粘結(jié)在一起，經(jīng)加熱、加壓、固化成型，成為結(jié)構(gòu)致密、有相當(dāng)強(qiáng)度的摩擦材料整體。本試驗(yàn)選取腰果殼油改性酚醛樹脂粘結(jié)劑，具有耐熱性能良好、不同溫度下摩擦系數(shù)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過多次試驗(yàn)結(jié)果分析，以16%的體積分?jǐn)?shù)為最優(yōu)效果；增強(qiáng)纖維的作用是使摩擦材料具有一定的強(qiáng)度和韌性，增加抗沖擊、耐剪切等作用。本試驗(yàn)選取鈦酸鉀晶須為增強(qiáng)纖維，其具有良好的摩擦性能，較高的熱分解溫度與較好的基體相溶性等優(yōu)良的特征［4］，本試驗(yàn)采用0%、5%、10%、15%、20%五種鈦酸鉀含量不同的配方，研究其對(duì)剎車片性能的影響。填料的作用是對(duì)摩擦材料的摩擦磨損性能進(jìn)行多方面調(diào)節(jié)，使摩擦材料能夠更好的滿足各種工況條件下的制動(dòng)和傳動(dòng)要求，本試驗(yàn)填料選取的材料包含氧化鋁、氧化鐵、碳酸鈣等成分，其中氧化鋁、氧化鐵可以明顯的提高摩擦材料的抗熱衰退性，碳酸鈣不但可以明顯的降低摩擦材料的噪音，而且具有耐高溫的特性［5］。

本試驗(yàn)采用干法工藝，將原材料混合攪拌，在160℃熱壓之后進(jìn)行熱處理，經(jīng)磨削之后制得樣品，剎車片配方組成見表1，物理力學(xué)性能見右圖（a～c）。

表1　剎車片配方組成（%）

2.2 性能測(cè)試

本試驗(yàn)采用Archimedes法在密度天平儀上測(cè)試試樣的密度；根據(jù)GB/T5766-2007［6］采用洛氏硬度計(jì)測(cè)定材料的硬度；根據(jù)GB/T10424-2002［7］采用WDW-50型電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)；根據(jù)GB/T5763-2008［8］在XD-MSM型定速試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行摩擦磨損性能測(cè)試。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 新型陶瓷基剎車片的物理和力學(xué)性能

從表1可知，新型的陶瓷配方中加入了鈦酸鉀晶須，從右圖可以看出，鈦酸鉀晶須使得材料的力學(xué)性能有很大的變化。材料抗壓強(qiáng)度、硬度、密度隨著鈦酸鉀晶須含量的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。由于鈦酸鉀晶須的密度比氧化鋁的密度小，所以在鈦酸鉀晶須加入量較小時(shí)，材料的密度隨著鈦酸鉀的加入量增大而增大，當(dāng)鈦酸鉀加入量＞10%時(shí)，材料密度將減小。當(dāng)鈦酸鉀晶須加入量＜10%時(shí)，鈦酸鉀晶須顆粒彌散在陶瓷基復(fù)合材料中，彌散的晶須可以防止因彈性模量、膨脹系數(shù)不同導(dǎo)致試樣在冷卻過程中產(chǎn)生的微小裂紋，對(duì)摩擦材料起到彌散強(qiáng)化的作用，所以材料的硬度、沖擊強(qiáng)度有所提高；當(dāng)鈦酸鉀加入量＞10%時(shí)，由于鈦酸鉀晶須含量的增加，晶須與填料之間形成的微裂紋增加，而逐漸增加的微裂紋之間發(fā)生了裂紋連通，導(dǎo)致材料的力學(xué)性能和韌性有所降低，此外由于鈦酸鉀晶須加入過多，容易導(dǎo)致顆粒團(tuán)簇［9］，不能均勻的彌散在摩擦材料中，從而導(dǎo)致應(yīng)力集中，也會(huì)使材料的力學(xué)性能有所下降。

剎車片物理和力學(xué)性能

表2　不同配方剎車片摩擦性能

3.2 新型陶瓷基剎車片摩擦磨損性能研究

鈦酸鉀晶須對(duì)剎車片摩擦磨損性能的影響十分復(fù)雜。對(duì)不同配方的剎車片進(jìn)行摩擦磨損性能研究，結(jié)果見表2。從表2中可以看出，隨著鈦酸鉀晶須含量的

增加，摩擦系數(shù)會(huì)有相應(yīng)的增加，總體較為平穩(wěn)。當(dāng)晶須含量較?。ǎ?0%）時(shí)，對(duì)摩擦性能影響不是非常明顯；當(dāng)晶須含量較多（＞10%）時(shí)，容易在剎車片中形成團(tuán)簇現(xiàn)象，由于樣品中成分不均勻，晶體粒徑大小存在較大的差異，內(nèi)部組織會(huì)產(chǎn)生一定的孔隙，在摩擦磨損試驗(yàn)中會(huì)有較大的顆粒剝落，因此會(huì)產(chǎn)生較多微小的摩孔，孔周圍也會(huì)受到較為嚴(yán)重的磨損，從而使整個(gè)剎車片的磨損率加大，耐磨性較差。當(dāng)鈦酸鉀含量適中（10%）時(shí)，摩擦材料組成成分均勻，很少存在大粒徑的晶體，晶體之間結(jié)合較好，摩孔較少，材料的磨損率較小。

4 結(jié)論

（1）鈦酸鉀晶須對(duì)于摩擦材料的力學(xué)性能有一定程度的影響，在樹脂基剎車片中加入適量鈦酸鉀晶須后，摩擦材料的密度、硬度、抗壓強(qiáng)度等力學(xué)性能有一定程度的提高。

（2）適量的鈦酸鉀晶須的加入使得摩擦材料的摩擦系數(shù)有所提高，磨損率有所降低，提高了摩擦材料的耐磨性。

（3）本試驗(yàn)證明，在所選的陶瓷基剎車片中加入10%的鈦酸鉀晶須材料的力學(xué)性能、摩擦性能為最優(yōu)。

【參考文獻(xiàn)】

［1］盛鋼，馬保吉.制動(dòng)摩擦材料研究的現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.西安工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2000（20）：127-133.

［2］WANG J G， ZHANG Y J， ZHANG L， et al.Review of oxide fiber/oxide ceramic composite［J］.Cerami-cs， 2006（4）: 6-10.

［3］白克江，王偉平.六鈦酸鉀在摩擦材料中的應(yīng)用［J］.天津汽車，2008（8）：58--61.

［4］齊士成，江盛玲，元榮平，等.原材料對(duì)制動(dòng)摩擦材料磨損性能的影響［J］.潤滑與密封，2012，37（5）：23.

［5］楊曉燕.高型高性能摩擦材料的研究［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2005.

［6］中國建筑材料工業(yè)協(xié)會(huì).GB/T5766-2007 摩擦材料洛氏硬度試驗(yàn)方法［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

［7］中國機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì).GB/T10424-2002 燒結(jié)金屬摩擦材料抗壓強(qiáng)度的測(cè)定［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002.

［8］中國建筑材料聯(lián)合會(huì).GB5763-2008 汽車用制動(dòng)器襯片［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

［9］劉震云，黃伯云，蘇堤，等.增強(qiáng)纖維含量對(duì)汽車摩擦材料性能的影響［J］.摩擦學(xué)學(xué)報(bào)，1999，19（4）：322-326.

Study on Friction Properties of A New Ceramic-based for Auto Motive Braking Pads

DUAN Ya-ping
（Xianyang Research & Design Institute of Non-metallic Minerals Co.， Ltd.， Xianyang 712021， China）

Abstract:A new ceramin-based for auto motive braking pads has been made by a specific process， in which potassium Titanate wiskers was the reinforce material.In this paper， the influences of potassium on friction material were studied.The results showed that the density， hardness and compressive strength increased with the increasing the content of potassium Titanate wiskers.The brake pad exhibited good physical and mechanical properties when the content of potassium Titanate wiskers about 10%.The stability of friction coefficient and low wear rate were obviously better than resin based friction material.

Key words:brake pad； ceramic-based； potassium Titanate wiskers； friction material

【中圖分類號(hào)】U465.6；TH117

【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】1007-9386（2016）02-0024-02

【收稿日期】2016-01-05