焦炭特性對剎車片壓縮率的影響

曠文敏，方志峰，張小浩，陳小剛

(泰明頓摩擦材料技術(shù)(上海)有限公司，上海 201807)

0 引言

在汽車制動器中，摩擦材料的功能主要是將動能轉(zhuǎn)化為熱能從而達到制動的效果[1]，摩擦材料性能對行車制動、駐車等安全方面有著重要影響。同時，隨著新能源汽車的發(fā)展，人們對整車尤其是制動噪聲的要求也越來越高。壓縮反應(yīng)是制動器襯片或襯塊重要的設(shè)計參數(shù)，它對制動期間評價轉(zhuǎn)移制動液體積、制動踏板運動和顫抖或噪聲的傾向是有一定的指導(dǎo)意義，它也是盤式制動塊重要的質(zhì)量控制的參數(shù)[2]。一般認為，較高的壓縮性能，有助于改善剎車片的NVH性能[3]。然而，過大的壓縮率會導(dǎo)致磨損過高。所以在摩擦材料開發(fā)階段，壓縮率的測試很受開發(fā)者重視。

一般而言，盤式剎車片摩擦材料由樹脂黏結(jié)劑、纖維增強材料、摩擦性能調(diào)節(jié)劑和低成本填料組成[4]。從復(fù)合材料結(jié)構(gòu)角度看，摩擦材料的壓縮率主要通過優(yōu)化樹脂黏結(jié)劑和成型工藝來調(diào)節(jié)，或者通過使用橡膠類等有機材料或者硬度相對較低的蛭石等彈性顆粒等材料來改善壓縮率[5]。纖維增強材料主要作用是將復(fù)合材料各組分抓附、連接在一起，通過纖維增強效應(yīng)，為復(fù)合材料提供符合要求的結(jié)構(gòu)強度，因此對摩擦材料的壓縮率影響比較復(fù)雜，而纖維材料本身對摩擦材料壓縮率貢獻較少。對于無機材料為主的填料材料而言，由于材料本身硬度大，且一般具有良好的晶體結(jié)構(gòu)，所以一般認為無機材料對剎車片壓縮率影響不大。以石墨、焦炭為代表的碳材料，在配方中主要起到潤滑、導(dǎo)熱等功能，因此關(guān)于碳材料在摩擦材料中的研究主要集中在對摩擦因數(shù)穩(wěn)定性等方面[6]，而關(guān)于碳材料對摩擦材料壓縮率的影響，卻很少見于報道。

本文作者研究了焦炭材料對剎車片壓縮率的影響機制。結(jié)果表明，焦炭顆粒多孔、比表面積較大時，會導(dǎo)致剎車片的壓縮率顯著增大。

1 試驗部分

文中采用的配方設(shè)計見表1。研究采用兩種不同供應(yīng)商來源的焦炭，分別編號為焦炭1#和焦炭2#, 其物性基礎(chǔ)指標見表2。從表2可見，兩種焦炭顆粒的常規(guī)理化指標的檢測結(jié)果基本相同。

表1 摩擦材料配方設(shè)計

表2 不同焦炭的物性指標

按照配方表1的比例，稱取適量的原材料，加入高速混料機充分混合10 min?；旌虾蟮哪Σ敛牧喜捎媚悍▔褐瞥尚停饕獕褐茀?shù)為：模壓溫度160 ℃，模壓壓力 35 MPa, 經(jīng)適當?shù)膲褐啤⒎艢庋h(huán)后保壓3 min。利用箱式烘箱對壓制后的產(chǎn)品進行后固化處理，并將固化后的剎車片成品按照圖紙要求進行開槽、倒角加工成特定形狀。最后采用履帶式燒蝕機，在500 ℃條件下燒蝕，最后冷卻至室溫得到最終產(chǎn)品并進行相關(guān)測試。

采用JURID壓縮試驗機，根據(jù)GB/T 22311—2008/ISO 6310:2001的方法測試剎車片的壓縮率；采用德國萊卡公司的M125體式顯微鏡觀察焦炭顆粒微觀形貌；采用美國康塔儀器公司的Autosorb-iQ3全自動比表面積及孔徑分析儀分析焦炭的BET比表面積；采用德國耐馳公司的STA 449 F5同步熱分析儀分析焦炭的熱失重性能。

2 結(jié)果與分析

2.1 壓縮率

GB/T 22311—2008/ISO 6310:2001中規(guī)定了剎車片產(chǎn)品的壓縮率測試方法，其測試考察剎車片在設(shè)定的壓力循環(huán)下，產(chǎn)品厚度變化值，反映剎車片的可壓縮水平，從而來反映產(chǎn)品的綜合特性。圖1采用箱線圖直觀地比較了配方F1和配方F2制得產(chǎn)品的壓縮率水平關(guān)系。表3為兩種配方產(chǎn)品的壓縮率統(tǒng)計，從圖1和表3中可以看出， 配方F1產(chǎn)品的壓縮率均值為113 μm，明顯低于采用配方F2的149 μm。而使用配方F2的產(chǎn)品壓縮率的標準差達到6.09，同樣條件下的配方F1，標準差僅為2.49，這說明采用焦炭2#的配方，其壓縮率穩(wěn)定性較差。

圖1 兩種配方制得產(chǎn)品的壓縮率水平對比關(guān)系

表3 兩種配方產(chǎn)品的壓縮率統(tǒng)計

一般情況下，摩擦材料配方體系中，樹脂、橡膠等有機材料對產(chǎn)品壓縮率影響較大，而碳材料相對穩(wěn)定，因此一般認為對剎車片壓縮率無明顯影響，但是從該研究中可以發(fā)現(xiàn)，不同焦炭對產(chǎn)品壓縮率具有顯著影響。

2.2 剎車片材料結(jié)構(gòu)分析

圖2為兩種配方產(chǎn)品燒蝕后的原始表面，從圖中可見配方F2的產(chǎn)品表面顏色更加暗淡，有燒焦現(xiàn)象，且材料結(jié)構(gòu)比較疏松，部分區(qū)域甚至有材料脫落跡象，說明配方F2產(chǎn)品樹脂已經(jīng)無法黏結(jié)部分材料。這一現(xiàn)象也與壓縮率檢測結(jié)果對應(yīng)，過于疏松的F2產(chǎn)品，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)不夠緊致，在高的壓力下，其壓縮率水平必然偏高。

為了排除燒蝕過程對產(chǎn)品強度影響，將兩種配方的產(chǎn)品均磨削3 mm，這樣可以完全去掉燒蝕層，所觀察的產(chǎn)品為產(chǎn)品真實的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)情況，如圖3所示。所觀察到的結(jié)果和之前類似，F(xiàn)2產(chǎn)品結(jié)構(gòu)比較疏松、多孔，F(xiàn)1產(chǎn)品結(jié)構(gòu)緊致、均勻。

圖3 剎車片表面磨削掉3 mm的照片

2.3 焦炭的TGA分析

根據(jù)前面觀察到的F2剎車片表面燒焦情況，對兩種焦炭在N2氣氛下分別做TGA測試，如圖4(a)所示，分析F2表面燒焦問題是否是由于焦炭耐高溫差所導(dǎo)致的。從TGA曲線可看出，作為無機材料，焦炭的熱重和差熱曲線均相對簡單，在溫度達到1 200 ℃的條件下，焦炭顆粒仍然保持良好的熱穩(wěn)定性。

圖4 兩種焦炭的TG和DTA曲線

其中室溫至300 ℃可能是吸附在焦炭顆粒表面的部分小分子材料的脫附，這一范圍內(nèi)，焦炭2#的失重率高于焦炭1#，說明焦炭2#中吸附的小分子量相對較多。600～1 200 ℃的熱失重，對應(yīng)的是焦炭顆粒的輕微分解，這一范圍內(nèi)，焦炭2#的失重量同樣略高于焦炭1#，說明焦炭2#的熱穩(wěn)定性略差于焦炭1#。

圖4(b)是對應(yīng)的DTA曲線，焦炭2#的放熱量略大于焦炭1#，這與失重曲線的結(jié)果相對應(yīng)，說明焦炭1#在經(jīng)歷的溫度范圍內(nèi)，相對更加穩(wěn)定一些，但差異并不明顯。

2.4 粒微觀形貌和BET分析

為了探尋以上差異的根本原因，對焦炭材料進一步分析。圖5是焦炭顆粒的微觀形貌照片，由圖中可以看到，在同樣放大倍數(shù)下，焦炭顆粒直徑很接近，這與表2中篩分結(jié)果相對應(yīng)。而觀察單個焦炭顆粒形貌可以發(fā)現(xiàn)，焦炭1#的顆粒相對比較致密，顆粒外表面規(guī)整。而焦炭2#的顆粒不規(guī)則，顆粒表面為多孔結(jié)構(gòu)。 BET的分析結(jié)果與顆粒形貌結(jié)果相對應(yīng)(見表4)，焦炭2#的比表面積顯著高于焦炭1#。這是由于焦炭2#的不規(guī)則多孔顆粒形貌所導(dǎo)致的。

圖5 剎車片磨削表面的顯微鏡照片

表3 焦炭BET測試

由此可見，由于焦炭2#的顆粒不規(guī)則， 比表面積較大，從而在復(fù)合材料中需要更多的樹脂來粘附和填充這些不規(guī)則表面。因而在配方相同的情況，較多的樹脂被大比表面積的焦炭顆粒所消耗，而無法有足夠的樹脂去粘附其他粉體顆粒，這就使復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)相對不夠緊致，最終導(dǎo)致圖2觀察到的結(jié)果。當產(chǎn)品結(jié)構(gòu)過于疏松，其壓縮率水平將偏高于正常水平。

3 結(jié)論

根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場出現(xiàn)剎車片產(chǎn)品壓縮率異常偏高，探尋了焦炭顆粒形貌對剎車片壓縮率的影響。結(jié)果顯示，雖然焦炭顆粒的物理檢測指標非常接近，材料顆粒尺寸分布相同的情況下，比表面積大、顆粒表面多孔的焦炭，在復(fù)合材料中提供了過多的比表面積，因而消耗了較多的樹脂黏結(jié)劑，最終導(dǎo)致了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)疏松，樹脂無法將各種組分重復(fù)黏合在一起，使產(chǎn)品的壓縮率異常偏高。

摩擦材料作為多組分配方的復(fù)合材料，產(chǎn)品特性受影響因素非常多，一旦出現(xiàn)問題，很難在短時間內(nèi)找到根本原因，因此對原材料的質(zhì)量控制非常重要。但是在日常材料控制中，由于測試資源的限制，采用BET等相對高端設(shè)備作為批次質(zhì)量控制的難度較大，因此企業(yè)還應(yīng)該加強對供應(yīng)商管理，從而提高產(chǎn)品穩(wěn)定性。