低成本碳纖維增強剎車材料制備技術(shù)探討

柴昌盛 陳翔

摘要：剎車材料是汽車工業(yè)的關(guān)鍵材料之一，現(xiàn)有國產(chǎn)剎車材料無法適應交通要求。碳纖維剎車材料具有良好的制動效果，但成本過高，主要應用在航空航天和高端跑車等高端領(lǐng)域。因此開展低成本碳纖維剎車材料研究，尤其是從原材料、制備工藝和成本控制方面，開發(fā)低成本高效率制備技術(shù)，將彌補碳纖維剎車材料在民用領(lǐng)域的空缺，符合國內(nèi)汽車工業(yè)市場需求，對提高我國交通工具的安全性具有重要的意義。

關(guān)鍵詞：剎車材料;碳纖維;低成本制備技術(shù)

從世界上出現(xiàn)傳動機械設(shè)備開始，制動原件也應運而生，并逐漸演變?yōu)閷χ苿佑媚Σ敛牧系纳钊胙芯縖1]。剎車材料作為運動機構(gòu)的制動部件材料，已廣泛運用于各種交通和動力機械中領(lǐng)域，是動力機構(gòu)的關(guān)鍵部件。剎車材料的各項指標的優(yōu)劣，直接關(guān)系到動力設(shè)備穩(wěn)定、可靠和安全的運行。尤其是在交通領(lǐng)域，隨著各類交通工具的蓬勃發(fā)展，對運行速度、載荷以及安全性要求越來越高，因此對制動部件的摩擦系數(shù)、穩(wěn)定性、抗熱衰減性等提出了更為苛刻的要求。目前國內(nèi)應用的摩擦材料中，國產(chǎn)材料大多數(shù)無法滿足使用性能要求，絕大多數(shù)依靠進口，超高速的摩擦材料更被國外封鎖，制約了我國交通領(lǐng)域的發(fā)展[2]。

早期剎車材料通常由無機纖維、金屬纖維和各種無機粉末，依托有機粘接劑壓制而成。石棉纖維是早期剎車材料主要應用的無機纖維材料，成本低，摩擦性能較好，但容易吸水形成結(jié)晶水。在交通領(lǐng)域，一般的緊急制動產(chǎn)生的瞬間溫度在達500-700℃，高溫下，石棉中的結(jié)晶水迅速升華蒸發(fā)，極易使制動部件發(fā)生熱衰退，剎車材料磨損量急劇增大，甚至直接報廢。

另外，石棉粉有一定的致癌作用，在西方工業(yè)國家已被禁用，國內(nèi)也不建議推廣使用。后續(xù)各國相繼研發(fā)了半金屬的第二代剎車材料。大量使用了金屬纖維和金屬粉末，并引入石墨和二硫化鉬的等良性摩擦材料，采用熱壓成型工藝制備[3]。美歐等發(fā)達國家在50-70年代廣泛使用這類剎車材料。主要原因是剎車材料中耐磨金屬含量較高，使得耐磨性、摩擦系數(shù)、導熱性等參數(shù)比早期剎車材料提高很多，而且制備和加工方便，故而得到廣泛推廣應用，也是國內(nèi)目前占主導地位的剎車材料[4-5]。其缺點也是大量的金屬引入導致的，金屬纖維容易氧化或腐蝕銹蝕，加劇磨耗，腐蝕表面容易形成潤滑體系，降低制動性能;硬質(zhì)金屬顆粒還會劃傷摩擦對偶件，縮短其壽命。時常發(fā)生硬點制動噪音，不符合交通設(shè)備舒適化要求。金屬良好的導熱性能，在緊急制動下，熱量快速傳導對制動系統(tǒng)密封件影響較大。

為了滿足剎車片環(huán)保舒適的高要求，國內(nèi)外相繼開展了大量相關(guān)材料的研發(fā)工作。如陶瓷基剎車材料、鋁基剎車材料、碳/碳化硅剎車材料和碳/碳剎車材料等復合材料。國內(nèi)方面，中南大學開發(fā)出了一種無銅陶瓷配方材料，只要引入碳化硅等耐磨耐高溫基因材料，因此其摩擦磨損性能和抗熱衰退性提高很多，制動噪音控制也較好，但成本高，推廣難度高。

在新型剎車材料探索領(lǐng)域，碳纖維及其復合材料逐漸成為新的熱門剎車材料研究方向。碳纖維具有比強度高、彈性模量和耐熱性能良好，密度和膨脹系數(shù)小，摩擦磨損性能穩(wěn)定等優(yōu)異性能完全符合剎車材料性能需求，也是十三五新材料規(guī)劃主要技術(shù)攻關(guān)的材料類別。目前，碳纖維增強剎車材料主要分為碳纖維增強碳/碳化硅基復合材料和碳纖維增強樹脂基復合材料。

文獻[6]等采用企業(yè)、行業(yè)及國家相關(guān)標準的試驗方法，對超碼復合材料公司，英國Dunlop公司，法國Carbon Industy公司，美國B.F.Goodrich、ALS公司等生產(chǎn)的9種C/C復合材料飛機剎車盤的物理、力學、熱學、摩擦磨損的性能特征發(fā)現(xiàn)炭基體剎車盤各項性能優(yōu)異。

文獻[8]研究了碳/碳剎車材料制備和性能測試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)碳/碳剎車材料在制動表面溫度超過2000℃時，外形基本良好，沒有發(fā)生熔融粘結(jié)現(xiàn)象，而對比實驗的金屬基剎車材料（MMCs）在660℃左右已經(jīng)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)變形和退化;碳/碳剎車材料的比熱容、磨損量和使用壽命相比MMCs，提高兩倍以上，具有良好的吸熱性能高、耐磨性和抗衰退性。

文獻[9-13]從碳纖維骨架三維結(jié)構(gòu)、增密工藝（如化學氣相沉積和液相浸漬和反應熔體浸滲）、碳纖維含量以及碳化硅成分等方面對C/SiC剎車材料進行了深入研究表明平均摩擦系數(shù)達到0.23，摩擦穩(wěn)定性達到0.43，線性磨損率為9.3μm/次·面，質(zhì)量磨損率為2.6mg/次·面;在高頻率剎車測試中，摩擦系數(shù)穩(wěn)定，對剎車制動頻次不敏感，摩擦穩(wěn)定性表現(xiàn)良好，也沒有熱衰趨勢;對C/C-SiC剎車盤試樣的磨損表面形貌及缺陷進行了觀察，發(fā)現(xiàn)表面磨損質(zhì)量在航標允許范圍內(nèi)，C/SiC復合材料的表面能夠形成連續(xù)穩(wěn)定的摩擦面。

文獻[14-15]研究了碳纖維含量以及不同樹脂基體上的材料摩擦磨損性能研，結(jié)果表明，碳纖維加入后可顯著降低復合材料的摩擦系數(shù)，隨碳纖維加入方式不同，碳纖維對摩擦系數(shù)的影響作用也不同;其中FB、YSM、ALPF三種樹脂基的碳纖維增強摩擦材料的摩擦性能結(jié)果表明，樹脂基摩擦材料的摩擦性能主要和溫度有關(guān)，磨損率和摩擦系數(shù)都會隨溫度的變化而變化，但對應于不同基體，受溫度的影響程度不同。摩擦材料受溫度的影響較小，具有良好的性能。無論是制動性能、抗熱衰退性以及恢復性能等，碳纖維增強剎車材料均有著優(yōu)異的表現(xiàn)，也是當前各國競相研究的熱點。

上述碳纖維增強剎車材料研究中，主要針對碳纖維含量及其3D結(jié)構(gòu)、不同基體材料、增密工藝等研究較多，而從制備工藝和成本控制方面研究較少。而目前的研究表明，碳纖維增強剎車材料確實具有優(yōu)異性能，問題在于其成本太高，主要應用于航空航天、職業(yè)賽車以及高檔跑車等，民用化推廣很不現(xiàn)實。研究探索低成本剎車材料項目具有較好的前景，尤其是從原材料、制備工藝和成本控制方面，開發(fā)低成本高效率制備技術(shù)，將彌補碳纖維剎車材料在民用領(lǐng)域的空缺，對提高我國交通工具的安全性具有重要的意義。

參考文獻：

[1]于川江，姚萍屏.現(xiàn)代制動用剎車材料的應用研究和展望[J].潤滑與密封，2010，35（2）：103-106.DOI：10.3969/j.issn.0254-0150.2010.02.026.

[2]李安邦.礦井軌道車輛制動系統(tǒng)研究[D].山東科技大學，2011.

[3]王駿杰，馬愛斌，王莉莎，等.從性能角度看剎車片的研究現(xiàn)狀與動態(tài)[J].材料導報，2016，30（17）：134-140.DOI：10.11896/j.issn.1005-023X.2016.017.020.

[4]陳根，黃瓊珠，宋照斌，等.硫酸鈣晶須在摩擦材料中的應用研究進展[C].第十六屆國際摩擦密封材料技術(shù)交流暨產(chǎn)品展示會論文集，2014：117-122.

[5]羅成，賀奉嘉，蘇堤，等.半金屬汽車剎車材料中蛭石作用的研究[J].汽車工藝與材料，2001（11）：23-26.DOI：10.3969/j.issn.1003-8817.2001.11.007.

[6]蘇君明，楊軍，肖志超，等.C/C復合材料飛機剎車盤的結(jié)構(gòu)與性能[J].新型炭材料，2006，21（1）：81-89.DOI：10.3321/j.issn：1007-8827.2006.01.015.

[7]Rongping Yun， Peter Filip， Yafei Lu， Performance and evaluation of eco-friendly brake friction materials， Tribology International， Volume 43， Issue 11， November 2010， Pages 2010-2019， ISSN 0301-679X， http：//dx.doi.org/10.1016/j.triboint.2010.05.001.

[8]Miyauchi T， Nakayama J， Fujiwara N， et al. Friction and wear performance of nickel and molybdenum-reduction cast iron composite brake blocks including ceramic foams[J]. Wear， 2013， 302（s12）：1436-1443.

[9]徐永東，張立同，成來飛，等.三維針刺碳/碳化硅陶瓷基復合材料及其摩擦磨損性能[J].航空材料學報，2007，27（1）：28-32.DOI：10.3969/j.issn.1005-5053.2007.01.007.

[10]張亞妮，徐永東，樓建軍，等.碳/碳化硅復合材料摩擦磨損性能分析[J].航空材料學報，2005，25（2）：49-54.DOI：10.3969/j.issn.1005-5053.2005.02.010.

[11]曹云海.影響氈基C/C復合剎車材料性能的因素[J].航空制造技術(shù)，2001（1）：36-37.DOI：10.3969/j.issn.1671-833X.2001.01.006.

[12]董建，范尚武，姜娟，等.樹脂浸漬熱解次數(shù)對C/SiC剎車材料結(jié)構(gòu)的影響[J].航空制造技術(shù)，2010（4）：72-75.DOI：10.3969/j.issn.1671-833X.2010.04.015.

[13]李彬，徐永東，蔡艷芝，等.三維針刺碳/碳化硅剎車材料的摩擦磨損性能[J].硅酸鹽學報，2008，36（5）：713-719.DOI：10.3321/j.issn：0454-5648.2008.05.029.

[14]朱波，王成國，蔡珣，等.影響碳纖維增強復合材料摩擦系數(shù)的因素[J].材料科學與工程，2002，20（3）：361-363.DOI：10.3969/j.issn.1673-2812.2002.03.013.

[15]張世錄，孫明禮，穆志韜，等.碳纖維增強摩擦材料摩擦性能研究[J].非金屬礦，2002，25（3）：52-54.DOI：10.3969/j.issn.1000-8098.2002.03.020.

基金項目：甘肅省高等學?？蒲许椖浚祭w維剎車材料制備技術(shù)創(chuàng)新團隊（2017C-21）。

作者簡介：柴昌盛（1982-），男，甘肅靜寧人，碩士，講師，研究方向為復合材料制備技術(shù)與仿真研究，陳翔（1964-），男，甘肅靜寧人，碩士，教授，研究方向為道路交通安全。