納米摩擦材料在汽車制動(dòng)品中的應(yīng)用

劉海軍，李曉雪，王 強(qiáng)

（鄂爾多斯應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000）

納米制動(dòng)摩擦材料是選用納米材料，采用有機(jī)—無(wú)機(jī)納米復(fù)合技術(shù)研制的新型高性能制動(dòng)摩擦材料。通過(guò)控制不同形態(tài)多項(xiàng)組分的納米效應(yīng)，使納米摩擦材料獲得比現(xiàn)有摩擦材料更好的綜合性能，而且能同時(shí)兼顧高強(qiáng)度下優(yōu)良的韌性、高溫摩擦下較少磨損的優(yōu)勢(shì)［1］。這對(duì)改善和提高摩擦材料的熱性能、摩擦磨損性能和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提供了新的技術(shù)途徑。

1 傳統(tǒng)石棉材料

1.1 傳統(tǒng)石棉材料的優(yōu)點(diǎn)

石棉材料在高速時(shí)的摩擦系數(shù)、摩擦系數(shù)的穩(wěn)定性、強(qiáng)度、噪聲、熱衰退、水侵濕后的恢復(fù)情況等具有較好性能，而且石棉材料耐磨，對(duì)高溫等工況的敏感性較低，另外石棉材料的廉價(jià)性也是其一直在用的重要原因之一［2-3］。

1.2 傳統(tǒng)石棉材料面臨的挑戰(zhàn)

傳統(tǒng)的石棉摩擦材料中的石棉纖維對(duì)人體有害，無(wú)論對(duì)生產(chǎn)加工和使用者都會(huì)造成傷害，同時(shí)對(duì)環(huán)境也會(huì)造成污染。鑒于對(duì)人類生存的環(huán)境和人類健康產(chǎn)生的嚴(yán)重危害性，許多發(fā)達(dá)國(guó)家已禁止生產(chǎn)和使用石棉制品。國(guó)內(nèi)如上海建設(shè)委員會(huì)（97）第103號(hào)文件明確規(guī)定禁止生產(chǎn)和使用石棉制品。中國(guó)向發(fā)達(dá)國(guó)家包括部分發(fā)展中國(guó)家出口的大型設(shè)備（汽車、火車、工程機(jī)械等）均要求與之相配套的摩擦材料或直接出口的摩擦制品必須是無(wú)石棉型［4］。

汽車、火車等交通工具的迅速發(fā)展，提出了在高速、重載荷工況下能安全制動(dòng)的要求，尤其在山區(qū)和高原地區(qū)，以汽車運(yùn)輸為主，由于摩擦材料性能差而造成的交通事故也明顯增加。因此，在山區(qū)和高原地區(qū)的高速、重載運(yùn)輸對(duì)制動(dòng)安全性能的要求更高。顯然傳統(tǒng)的石棉型摩擦材料已不能適應(yīng)高速、高溫、大比壓以及高機(jī)械強(qiáng)度等使用要求。

綜上兩點(diǎn)，就摩擦材料產(chǎn)品而言，企業(yè)如果參與國(guó)內(nèi)、國(guó)外市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，材料的材質(zhì)必須是無(wú)石棉的，這就要求企業(yè)不斷地研究生產(chǎn)高技術(shù)含量的無(wú)石棉摩擦材料。因此，生產(chǎn)新型無(wú)石棉摩擦材料將替代傳統(tǒng)石棉摩擦材料已成為本行業(yè)的必然趨勢(shì)。

2 納米摩擦材料

納米摩擦材料是在納米腰果殼油系列樹(shù)脂的基礎(chǔ)上，利用蒙脫土作為改性劑，將納米屬狀硅酸鹽與腰果殼油實(shí)現(xiàn)原位插層聚合［5］。通過(guò)納米效應(yīng)，不僅使樹(shù)脂的耐熱性、耐磨性大大提高，而且還保持了樹(shù)脂的韌性［6］。該材料具有傳統(tǒng)樹(shù)脂所沒(méi)有的優(yōu)良性能，非常適合高性能摩擦材料的使用要求，是生產(chǎn)汽車摩擦片和離合器片較理想的材料。制作該材料的原料主要來(lái)源于腰果殼油、硅灰石、海泡石、水鎂石、絡(luò)鐵礦、錫礦粉、鉛鋅礦、銅礦等礦產(chǎn)資源材料，成本低廉，來(lái)源充足。

2.1 納米摩擦材料的特點(diǎn)

利用納米技術(shù)，通過(guò)納米效應(yīng)使樹(shù)脂的耐熱性、耐磨性和產(chǎn)品的摩擦性能大大提高，不僅有利于減少制動(dòng)噪聲，同時(shí)也改進(jìn)了生產(chǎn)工藝。具體特點(diǎn)有：①耐熱性明顯提高；②摩擦性強(qiáng)，韌性好；③摩擦系數(shù)穩(wěn)定，耐熱衰退；④內(nèi)增韌耐沖擊，低噪聲；⑤無(wú)游離酚及其它有害揮發(fā)成分，對(duì)人無(wú)害，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，是環(huán)保性產(chǎn)品［7］。

2.2 納米摩擦材料的性能指標(biāo)

納米摩擦材料高溫時(shí)的摩擦系數(shù)的穩(wěn)定性、強(qiáng)度、噪聲、熱衰退、水侵濕后的恢復(fù)情況等均已超過(guò)石棉材料性能指標(biāo)［7-8］，具體性能對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 納米摩擦材料與石棉材料的性能對(duì)比

由表1中所列項(xiàng)目的對(duì)比可見(jiàn)，納米摩擦材料的綜合性能比石棉材料和半金屬材料的性能優(yōu)良。

2.3 納米摩擦材料的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

1）分子設(shè)計(jì)。運(yùn)用高分子材料理論與方法，進(jìn)行高性能樹(shù)脂的分子結(jié)構(gòu)、合成方法及產(chǎn)品性能的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)。

2）納米材料。使用中國(guó)自行研制生產(chǎn)的納米材料，使之與樹(shù)脂進(jìn)行插層聚合適應(yīng)，從而極大地改善樹(shù)脂性能，達(dá)到國(guó)際水平。

3）精細(xì)合成。采用與國(guó)際接軌的精細(xì)合成方法，根據(jù)化學(xué)反應(yīng)原理，分步進(jìn)行合成反應(yīng)，并精細(xì)控制。

4）新成果。生產(chǎn)過(guò)程中的關(guān)鍵設(shè)備均采用中國(guó)自主開(kāi)發(fā)的新型高效設(shè)備。

5）在線控制。采用北京化工大學(xué)研制的技術(shù)及儀表，對(duì)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程及產(chǎn)品品質(zhì)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)控制，使控制技術(shù)達(dá)到國(guó)際水平［7］。

2.4 納米摩擦材料的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

無(wú)石棉的納米摩擦材料和石棉、半金屬摩擦材料的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 石棉、半金屬和無(wú)石棉納米材料技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

表2說(shuō)明無(wú)石棉產(chǎn)品的納米摩擦材料的成本與石棉材料和半金屬材料的成本差別不大，但是產(chǎn)品的銷售收入可成倍提高，利潤(rùn)提高更顯著。

3 不同材料制動(dòng)器襯片的性能試驗(yàn)

性能試驗(yàn)按照GB5763-86和JF04-2A標(biāo)準(zhǔn)來(lái)測(cè)定制動(dòng)器襯片的摩擦系數(shù)、磨損率、沖擊強(qiáng)度、布氏硬度、抗彎強(qiáng)度等指標(biāo)，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3、表4和表5［9-10］。

表3 納米材料襯片和石棉材料襯片在不同溫度下的摩擦系數(shù)對(duì)比

表4 納米材料襯片和石棉材料襯片在不同溫度下的磨損率對(duì)比

表5 沖擊韌性、布氏硬度（HB）和抗彎強(qiáng)度性能對(duì)比

從測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析可見(jiàn)，各項(xiàng)性能均滿足GB5763-86和JF04-2A的標(biāo)準(zhǔn)要求，是做制動(dòng)器襯片的可靠材料。由表3和表4對(duì)比可見(jiàn)，在溫度100～250℃之間，納米材料制動(dòng)器襯片的摩擦系數(shù)性能和磨損率都優(yōu)于石棉材料制動(dòng)器襯片，而在300℃，納米材料制動(dòng)器襯片的摩擦系數(shù)和磨損率性能表現(xiàn)一般，甚至略劣于石棉材料制動(dòng)器襯片。表5中2種材料的制動(dòng)器襯片所表現(xiàn)出的沖擊韌性、布氏硬度（HB）和抗彎強(qiáng)度的性能差別不大。

總體來(lái)說(shuō)，無(wú)石棉的納米摩擦材料制動(dòng)器襯片的綜合性能要優(yōu)于石棉材料的制動(dòng)器襯片。并且，將該產(chǎn)品投放試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行裝車道路試驗(yàn)，結(jié)果表明2個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的使用里程均達(dá)到設(shè)計(jì)里程25 000 km。同時(shí)，駕駛員反映襯片制動(dòng)性能良好，行駛壽命長(zhǎng)，優(yōu)于由石棉材料制成的制動(dòng)器襯片。

4 結(jié)束語(yǔ)

納米摩擦材料除了具有耐熱性好、抗熱衰退性好、低噪聲等優(yōu)點(diǎn)外，還是一種對(duì)人體無(wú)害、對(duì)環(huán)境無(wú)污染、壽命長(zhǎng)、利潤(rùn)高的環(huán)保性產(chǎn)品。與傳統(tǒng)的石棉摩擦材料實(shí)驗(yàn)對(duì)比可知，除了在300℃外，納米摩擦材料的摩擦系數(shù)性能和磨損率都優(yōu)于石棉材料，而且其沖擊韌性、布氏硬度（HB）和抗彎強(qiáng)度性能也能保持很好，也優(yōu)于石棉材料，是一種做制動(dòng)器摩擦襯片較理想的材料。

［1］ 關(guān)強(qiáng). 納米摩擦材料市場(chǎng)前景廣闊［J］. 機(jī)械工程師，2001（8）:7-9.

［2］ 張全慶.車輛無(wú)石棉摩擦材料的研究進(jìn)展［J］. 農(nóng)業(yè)裝備車輛工程，2006（8）：36-38.

［3］ 劉曉斌，李呈順，梁萍，等. 剎車片用無(wú)石棉摩擦材料的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)［J］. 材料導(dǎo)報(bào)，2013（S1）:265-267.

［4］ 張紅林，李國(guó)兵. 重載車用無(wú)石棉摩擦材料配方的研究［J］. 中國(guó)非金屬礦工業(yè)務(wù)導(dǎo)刊，2013（6）：13-15.

［5］ Michael R.Falvo， Richard Superfine. Mechanics and Friction at the Nanometer Scale［J］. Journal of Nanoparticle Research， AI 2009（9）:126.

［6］ 胡純. 酚醛樹(shù)脂/礦物納米復(fù)合材料的制備、表征及其在摩擦材料中的應(yīng)用［D］. 武漢：武漢理工大學(xué)，2005.

［7］ 羅玲. 納米碳化硅增強(qiáng)銅基粉冶金摩擦材料的制備和性能研究［D］. 鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2016.

［8］ 楊忠敏. 無(wú)石棉化摩擦材料綠動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)新天地［J］.聚氨酯，2015（1）：68-74.

［9］ 楊彬，樸尚云. 新型無(wú)石棉摩擦材料的開(kāi)發(fā)與實(shí)踐［J］. 汽車工藝與材料，2002（2）：30-31.

［10］車劍飛. 納米氧化物表面改性與分散技術(shù)及其在高分子摩擦材料中的應(yīng)用［D］. 南京：南京理工大學(xué)，2005.