新型綠色汽車制動摩擦材料影響因素分析

林少芳

摘 要：汽車制動摩擦片的摩擦材料是影響汽車制動效能和制動效能恒定性的關(guān)鍵因素，必須具有良好的摩擦系數(shù)和耐磨損性能，同時有一定的耐熱性和機(jī)械強(qiáng)度。在綠色摩擦學(xué)概念的引導(dǎo)下，我國汽車摩擦材料的研究進(jìn)一步環(huán)?；?，主要特征為節(jié)能、節(jié)材、改善環(huán)境和生命質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：綠色摩擦學(xué);摩阻材料;影響因素

中圖分類號：U463.5 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）16-164-04

Abstract： The friction material of automobile brake disc is the key factor that affects the braking efficiency and the constancy of the braking efficiency. It must have good friction coefficient and wear resistance， and have certain heat resistance and mechanical strength. Under the guidance of the concept of green tribology， the research of automotive friction materials in China is further environmental protection， which is characterized by energy saving， material saving， environmental improvement and quality of life.

Keywords： Green tribology; Friction material; Influencing factor

CLC NO.： U463.5 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）16-164-04

前言

近年來我國制動摩擦行業(yè)提出產(chǎn)品高性能化，即用戶安全效益最大、制動摩擦材料質(zhì)量性能更好、壽命使用更長和操作維護(hù)方便性更好。在市場和企業(yè)輻射帶動、反復(fù)博弈的作用下，當(dāng)前制動摩擦行業(yè)的水平越來越先進(jìn)、技術(shù)越來越成熟，摩擦系數(shù)衰退小、磨損率低、抗沖擊強(qiáng)度高等這些制動摩擦材料的基本性能要求，已不能滿足現(xiàn)代制動摩擦材料的要求，因此研發(fā)“綠色"新型摩擦材料已經(jīng)是整個社會的必然共識。汽車制動摩擦材料在滿足制動基本前提條件下，開始提出制動振動小、無噪聲、落灰少等環(huán)?；诵曰囊?。

1 制動摩擦材料的磨損機(jī)理

磨損指的是在兩物體相對運(yùn)動過程中摩擦材料表層出現(xiàn)損耗等無法避免的現(xiàn)象。影響磨損因素主要有運(yùn)動速度和載荷的大小、環(huán)境條件等。這些影響因素的交互作用導(dǎo)致磨損過程復(fù)雜化，產(chǎn)生的磨損效果或正或負(fù)。根據(jù)磨損機(jī)理，磨損主要分三種類型，分別為：粘著磨損、磨粒磨損和疲勞磨損。

1.1 粘著磨損

制動過程中接觸的兩摩擦表面是固相焊合，在相對滑動過程中兩表面間的粘著節(jié)點(diǎn)發(fā)生剪切破壞，導(dǎo)致摩擦材料在兩個面之間進(jìn)行轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象，稱為粘著磨損?？偠灾?，粘著磨損是一個循環(huán)過程，具體為：

兩物質(zhì)相互接觸——變形——膜破裂——粘著（固相焊合）——剪斷節(jié)點(diǎn)——再粘著。

1.2 磨粒磨損

磨粒磨損實質(zhì)上是在硬質(zhì)磨粒的作用下摩擦面局部出現(xiàn)變形、斷裂的過程。一部分磨粒被壓入界面下，一部分磨粒做切削運(yùn)動，使摩擦面發(fā)生切向變形或斷裂形成磨屑。

磨痕、溝槽、刮傷是磨粒磨損主要特征體現(xiàn)。影響磨粒磨損的基本因素是摩擦副表面微峰和磨粒的相對硬度。對偶件采用硬度相近的材料是減輕磨粒磨損的主要辦法。

1.3 疲勞磨損

當(dāng)周期性載荷作用時，制動過程中摩擦副接觸表面作滾動或滑動摩擦，表面出現(xiàn)塑性變形引起裂紋、斷裂，最后發(fā)生點(diǎn)蝕或剝落形成凹坑，稱為疲勞磨損。

疲勞磨損是經(jīng)過疲勞核心裂紋出現(xiàn)后發(fā)生的，不是一開始就出現(xiàn)的現(xiàn)象。當(dāng)摩擦表面出現(xiàn)疲勞磨損時，摩擦面上不僅要承受交變壓應(yīng)力，表面還存在溫升和塑性變形。主要特征有剝落、裂紋、麻點(diǎn)等。

2 汽車制動摩擦材料的技術(shù)要求

2.1 摩擦系數(shù)適宜、穩(wěn)定

制動摩擦材料性能優(yōu)劣評價的重要指標(biāo)之一是摩擦系數(shù)。摩擦系數(shù)越大，表面摩擦力也越大。當(dāng)制動器的轉(zhuǎn)動速度、摩擦表面狀態(tài)、系統(tǒng)溫度和壓力等任意因素發(fā)生變化時，摩擦系數(shù)也隨之改變。該差值越小，意味著該材料的摩擦穩(wěn)定性越好。由此可見，汽車制動摩擦材料應(yīng)具備適宜、穩(wěn)定的摩擦系數(shù)。

2.2 耐磨性能良好

汽車摩擦材料的耐磨性好壞意味著汽車制動片使用壽命的長短，因此它是衡量制動摩擦材料性能的非常重要指標(biāo)之一。摩擦材料的滑動速度、壓力、溫度、環(huán)境等因素都對摩擦材料磨損量起到一定的影響作用。越低的磨損量，表明材料具有越好的耐久性，同樣意味著該摩擦材料的使用壽命越長。

2.3 一定的高溫機(jī)械強(qiáng)度

汽車制動時，剎車盤會產(chǎn)生瞬時的高溫度，此時制動襯片上的溫度可以達(dá)到400℃以上，因此制動摩擦材料的高溫機(jī)械強(qiáng)度應(yīng)足夠大的，以保證剎車片在剎車情況惡劣條件下也能夠承受外來較大的剪切力和壓力等沖擊，保證層間不會出現(xiàn)剪切破壞等不良現(xiàn)象，從而導(dǎo)致制品破損，甚至破裂。

2.4 導(dǎo)熱性和抗高溫氧化性能良好

汽車在剎車瞬間會因為摩擦產(chǎn)生大量的熱能，使摩擦材料的溫度迅速上升，當(dāng)溫度達(dá)到250℃以上時，樹脂中酚羥基發(fā)生氧化反應(yīng)，摩擦材料被分解，從而制動片損壞。因此，為了把制動產(chǎn)生的能量快速傳導(dǎo)出去，提高行車安全性，汽車制動摩擦材料必須具備導(dǎo)熱性能良好和抗高溫氧化性能優(yōu)異。

2.5 硬度適中

摩擦材料的硬度值越大，產(chǎn)生摩擦噪音越容易，摩擦對偶件被嚴(yán)重刮傷的幾率越大。通常使用的制動片主要為樹脂基摩擦材料，它的洛氏硬度為50HRM-100HRM之間。因此，為了減少制動噪聲污染，提高制動器制動的安全性，制動摩擦材料的硬度應(yīng)當(dāng)適宜，不宜過大，也不宜過小。

2.6 抗熱衰退性能和恢復(fù)性能良好

剎車片中的摩擦材料是一種熱固性高分子聚合物材料，在行車過程中，當(dāng)長時間高負(fù)荷狀態(tài)下進(jìn)行剎車工作或緊急制動或連續(xù)制動時，剎車盤溫度驟升，導(dǎo)致摩擦系數(shù)驟然減小的現(xiàn)象，稱為熱衰退現(xiàn)象?？篃崴ネ诵阅艿暮脡膶χ苿友b置的安全性和經(jīng)濟(jì)性起到直接的影響作用。因此，制動摩擦材料必須具有良好的抗熱衰退性能，同時當(dāng)溫度的下降時，摩擦系數(shù)能夠恢復(fù)到衰退前的正常情況，不能出現(xiàn)“過恢復(fù)”。

2.7 無摩擦噪音

汽車行駛舒適程度和環(huán)保性的重要影響因素之一是制動器產(chǎn)生的噪音，研究還發(fā)現(xiàn)在噪音產(chǎn)生的同時，經(jīng)常伴隨著制動片磨損嚴(yán)重等不良現(xiàn)象。國外對制動器問題投訴進(jìn)行統(tǒng)計分析，結(jié)果表明，60%多顧客投訴制動尖叫問題[1]。因此對汽車制動器噪音相關(guān)部門已經(jīng)明確規(guī)定，制動噪音應(yīng)不超過85dB。

2.8 較小的對偶材料磨損

在汽車制動過程中，制動片和對偶件通過摩擦對汽車進(jìn)行制動，磨損是不可避免的。由于對偶件的價格遠(yuǎn)高于制動片，摩擦材料除了要求對制動片的磨損量小外，對對偶件的磨損更必須盡可能的小。也就是說，在制動過程中，對偶件（制動盤或制動鼓）不應(yīng)出現(xiàn)明顯的過度磨損現(xiàn)象，如擦傷、溝槽等。

3 制動摩擦性能的主要影響因素

磨損率、摩擦系數(shù)和摩擦穩(wěn)定性是摩擦材料摩擦性能的主要體現(xiàn)，影響因素較雜。對摩擦磨損性能影響較大的是摩擦原材料，根據(jù)原材料對摩擦性能的影響大小，利用摩擦性能譜對摩擦原材料進(jìn)行分類，共分為3個區(qū)域，即潤滑區(qū)、過渡區(qū)、磨料區(qū)。Td2S3、MoS2和石墨等材料在摩擦過程中經(jīng)常作為固體潤滑劑，磨損為黏著磨損，耐磨性能較好，處于潤滑區(qū)。磨料區(qū)中的物質(zhì)具有較好的耐磨性，它們的摩擦機(jī)理主要表現(xiàn)為磨粒磨損，代表為Zr（SiO4）、Al2O3、SiC等物質(zhì)。磨料區(qū)右邊的物質(zhì)的洛氏硬度都較高，隨著硬度的增大，對偶件在摩擦過程中受到的損傷就越嚴(yán)重。潤滑區(qū)左邊的摩擦原材料的潤滑作用較好。物質(zhì)耐磨性表現(xiàn)最差的過渡區(qū)，卻是大多數(shù)摩擦材料集中區(qū);在過渡區(qū)和潤滑區(qū)的邊界上是具有弱固體潤滑劑特征的芳綸等有機(jī)纖維;具有弱磨料特征的金屬纖維如剛棉，位于磨料區(qū)與過渡區(qū)的邊界[2]。

3.1 粘結(jié)劑的含量

制動摩擦材料主要由增強(qiáng)纖維、粘結(jié)劑和填料等復(fù)合材料組合。目前常用的粘結(jié)劑主要為酚醛類樹脂和橡膠，作用是當(dāng)溫度達(dá)到一定時先軟化后進(jìn)入粘結(jié)態(tài)，成為材料的基體，然后包裹填料和纖維，形成質(zhì)地致密的、摩擦性能好的摩擦片制品。但是由于常用粘結(jié)劑的化學(xué)性能和熱穩(wěn)定性都差，因此摩擦材料的熱衰退性、恢復(fù)性、耐損性等摩擦性能都受到不可忽視的影響。為了尋求一種性能更優(yōu)越的粘結(jié)劑，許多學(xué)者都在進(jìn)行新型粘結(jié)劑的研究，曲慶文等[3]人自行研制了一種新型耐高溫粘結(jié)劑，發(fā)現(xiàn)制備的新型粘結(jié)劑可以有效控制傳統(tǒng)摩擦材料的熱衰退的缺陷。雷紹民等[4]人用納米礦物材料為載體作用，通過改性酚醛樹脂，從而改善酚醛樹脂的流動性和熱穩(wěn)定性，提高制品的高溫抗衰退性。

摩擦材料摩擦性能影響因素中，粘結(jié)劑量的配比也是一個關(guān)鍵的因素。樹脂含量對耐磨性的影響可以用臨界體積分?jǐn)?shù)來表示，當(dāng)樹脂含量小于臨界體積分?jǐn)?shù)時，由于樹脂無法完全包裹填料和纖維，摩擦材料的耐磨性差，摩擦性能不好;當(dāng)樹脂含量等于臨界體積分?jǐn)?shù)時，填料和纖維被樹脂完全包裹，制品的磨損率較低。如果基體樹脂含量比臨界體積分?jǐn)?shù)大的多時，雖然纖維和填料都被樹脂最大程度的包裹，然而由于它們的耐磨性大于樹脂本身的耐磨性，制品的磨損率反而增加了。劉震云[5]研究改性酚醛樹脂含量的不同對材料機(jī)械性能和摩擦的影響，實驗表明在樹脂含量對摩擦材料的摩擦性能有很大的影響，粘結(jié)劑量過少或樹脂高溫分解都會導(dǎo)致摩擦材料粘結(jié)力下降，使增強(qiáng)纖維容易被撥出，摩擦穩(wěn)定性變差，磨損量加大。研究人員還發(fā)現(xiàn)樹脂耐熱性決定其在較高溫度時的耐磨性，在溫度較高時，摩擦過程中樹脂經(jīng)常被發(fā)現(xiàn)有熱磨損現(xiàn)象，這主要是由于樹脂容易出現(xiàn)氧化還原、碳化和降解等反應(yīng)，因此耐磨性降低。黃四平[6]以酚醛樹脂和輪胎粉作為粘結(jié)劑探討不同含量的粘結(jié)劑對摩擦材料的影響。實驗表明，粘結(jié)劑的含量對摩擦磨損性能和機(jī)械性能具有顯著的影響。酚醛樹脂比輪胎粉的粘結(jié)劑性能更好。

3.2 增強(qiáng)纖維含量

增強(qiáng)纖維是強(qiáng)力的、具有各向異性的纖維狀物質(zhì)，主要作用是提高制動摩擦材料的韌性和強(qiáng)度，使摩擦材料經(jīng)受拉伸、沖擊等作用時不會出現(xiàn)斷裂、裂紋等機(jī)械損傷。它較大程度的影響摩擦材料的耐磨性、機(jī)械強(qiáng)度和耐熱性等性質(zhì)。增強(qiáng)纖維是一種增強(qiáng)助劑，與樹脂復(fù)合后能很大程度提高樹脂力學(xué)性能。它不僅使摩擦材料的沖擊強(qiáng)度、楊氏模量、耐疲勞性、耐蠕變性、剛性等得到成倍乃至數(shù)倍的增加，同時還可使制品的尺寸穩(wěn)定性提高，收縮率降低，熱變形減小。

根據(jù)材料的性質(zhì)，增強(qiáng)纖維可分為金屬增強(qiáng)纖維、無機(jī)增強(qiáng)纖維及有機(jī)增強(qiáng)纖維。有機(jī)增強(qiáng)纖維主要是由聚合物通過物理或化學(xué)反應(yīng)生成的具有增強(qiáng)作用的一類纖維，這種纖維的固體潤滑劑特性弱，斷裂韌性高，主要有植物纖維、芳綸纖維和玻璃纖維等。有機(jī)纖維能改善制動摩擦材料的磨損性能，具有明顯的增強(qiáng)作用，但是由于有機(jī)纖維本身的特點(diǎn)，它在高溫摩擦過程中經(jīng)常會出現(xiàn)氧化、降解和碳化等各種化學(xué)反應(yīng)，使得制品的磨損性能變差。

金屬纖維通常指鋼纖維、銅纖維和鋁纖維等，具有弱磨料特征，在摩擦過程中產(chǎn)生的磨屑可形成鐵膜，從而改善磨損。剛纖維具有導(dǎo)熱性好，在使用過程中，可以降低摩擦表面溫度，避免樹脂基體因為溫度過高而發(fā)生熱分解導(dǎo)致磨損性能變差。但是剛纖維易銹蝕，會損傷對偶，易產(chǎn)生制動尖叫和振顫。

無機(jī)纖維中的礦物纖維來源豐富，價格低廉，廣泛用于摩擦材料中。Satapathy等[7]通過對芳綸纖維、碳纖維等對制動摩擦材料摩擦學(xué)性能的影響進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明，芳綸纖維能夠穩(wěn)定摩擦材料的摩擦性能，提高摩擦系數(shù)和耐磨性能，碳纖維能夠明顯提高摩擦材料的抗熱衰退性能。但是大部分無機(jī)纖維是脆性的，因此單一的無機(jī)纖維摩擦材料的耐磨性不理想。

隨著研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)雖然增強(qiáng)纖維種類多，但是沒有一種單一纖維可以在性能和成本上完全替代石棉纖維。目前開始采用性能和價格互補(bǔ)的多種纖維進(jìn)行混雜，制成無石棉混雜纖維摩擦材料。姚冠新等[8]研制重型汽車剎車片是采用玻璃纖維、硅灰石纖維和芳綸漿粕等多種混雜纖維，這種新型摩擦材料的機(jī)械性能良好，摩擦磨損性能和恢復(fù)性能優(yōu)異，抗熱衰退性能較好。

3.3 填料

填料主要由磨料、固體潤滑劑和過渡區(qū)原材料組成，作用主要是改善摩擦材料的摩擦學(xué)性能、機(jī)械性能和物理性能。使汽車制動片能夠在不同工況下更好地實現(xiàn)傳動和制動要求。此外，填料也可以用來改善摩擦材料的制造工藝性能和加工性能、降低制動噪音、增加尺寸的穩(wěn)定性和降低成本。

3.3.1 磨料

常用的磨料有硅酸鋯、氧化鋁、碳化硅，主要作用是提高制動摩擦材料中的摩擦系數(shù)和物理學(xué)性能，他們的莫氏硬度均大于6。磨料制動摩擦材料在摩擦過程中磨損機(jī)理主要表現(xiàn)為磨粒磨損，雖然提高摩擦材料的磨損性能，但又使摩擦盤受損。摩擦材料的磨損率和磨料的硬度、斷裂韌性有關(guān)，硬度越大，斷裂韌性越好，摩擦材料的磨損率越大。同時磨料的顆粒大小也是磨粒磨損的重要影響因素之一。羅玲等[9]人對填料粒度不同的樹脂基摩擦材料的摩擦因數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差和高溫磨損率進(jìn)行分析，結(jié)果表明，對摩擦穩(wěn)定性的影響較大的是增摩填料，摩擦材料的磨損率和摩擦因數(shù)都隨著氧化鋁和硅酸鋯的粒徑增大而增大，相反對摩擦因數(shù)穩(wěn)定性的沒什么影響的是石墨粒度。

3.3.2 固體潤滑劑

常用固體潤滑劑的有金屬硫化物和碳材料，它的作用是能減少對對偶件的損傷，降低摩擦與磨損，增加摩擦材料的使用壽命。這些填料具有層狀晶體結(jié)構(gòu)的、莫氏硬度小的特點(diǎn)，在摩擦過程中產(chǎn)生的磨屑會在制動摩擦材料表面集聚，形成摩擦膜。這層摩擦膜可以有效減小兩個摩擦面的微凸體之間的摩擦，降低磨損。固體潤滑劑在制品表面上形成的摩擦膜層可以通過SEM等設(shè)備明顯觀察到。不同類型的固體潤滑劑具有不同的特點(diǎn)。在摩擦過程中不容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，性質(zhì)相對穩(wěn)定的固體潤滑劑是碳材料;而金屬硫化物這類固體潤滑劑的高溫穩(wěn)定性較差，經(jīng)過摩擦化學(xué)反應(yīng)后生成新的氧化物。

3.3.3 過渡區(qū)原材料

摩擦過程的斷裂韌性決定了脆性材料的耐磨性，過渡區(qū)中大部分原材料屬于脆性材料，如石灰石、重晶石、硅灰石、鈦酸鉀（K4TiO4）等，這些材料具有較低的斷裂韌性，因此在摩擦過程中磨損率較高。在試驗過程中，可以通過掃描電鏡觀察摩擦斷裂形態(tài)，從而判斷該材料耐磨性質(zhì)的優(yōu)劣。

4 結(jié)論

近年來我國制動摩擦行業(yè)提出產(chǎn)品高性能化，即用戶安全效益最大、制動摩擦材料質(zhì)量性能更好、壽命使用更長和操作維護(hù)方便性更好。在市場和企業(yè)輻射帶動、反復(fù)博弈的作用下，當(dāng)前制動摩擦行業(yè)的水平越來越先進(jìn)、技術(shù)越來越成熟，摩擦系數(shù)衰退小、磨損率低、抗沖擊強(qiáng)度高等這些制動摩擦材料的基本性能要求，已不能滿足現(xiàn)代制動摩擦材料的要求，因此研發(fā)“綠色"新型摩擦材料已經(jīng)是整個社會的必然共識。汽車制動摩擦材料在滿足制動基本前提條件下，開始提出制動振動小、無噪聲、落灰少等環(huán)?；诵曰囊蟆?/p>

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