制動磨損源大氣顆粒物排放的研究進展

肖葉龍,成 煜,趙火平,沈明學(xué)*

(1.華東交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,江西 南昌 330013;2.華東交通大學(xué) 載運工具與裝備教育部重點實驗室,江西 南昌 330013)

大氣顆粒物已成為全球大多數(shù)城市的首要空氣污染物.《2020中國生態(tài)環(huán)境狀況公報》[1]顯示，2020年中國337個地級及以上城市累計發(fā)生嚴重空氣污染345天，重度空氣污染1 152天，其中以PM2.5(空氣動力學(xué)直徑小于2.5 μm)和PM10(空氣動力學(xué)直徑小于10 μm)顆粒物為首要污染物的天數(shù)分別占重度及以上污染天數(shù)的77.7%和22.0%.大氣顆粒物對人體具有很強的致癌性和危害性，早在2002年世界衛(wèi)生組織的統(tǒng)計中顯示大氣顆粒物造成全球城市每年至少100萬居民死亡和740萬失能調(diào)整生命年的損失[2-3]，2013年世界衛(wèi)生組織明確將大氣顆粒物列為一級致癌物[4-5].

城市大氣顆粒物的來源比較復(fù)雜，燃煤、生物質(zhì)燃燒、揚塵、工業(yè)排放和交通排放等均為重要來源，其中交通排放已成為繼燃煤和工業(yè)排放之后的又一重大污染源[6-7].一直以來，尾氣排放被視為大氣顆粒物的主要來源之一，且成為交通排放研究的重要領(lǐng)域，相較之下忽視了非尾氣排放對大氣顆粒物的貢獻[8].根據(jù)英國公布的所有主要排放源清單，來自制動、輪胎和路面磨損等非尾氣排放的PM10和PM2.5顆粒物占大氣顆粒物中PM10和PM2.5顆粒物總量的比例，分別由2000年的5.8%和4.9%上升至2016年的8.5%和7.4%；若不采取減排措施，2030年非尾氣排放的PM2.5顆粒物在大氣顆粒物中PM2.5顆粒物總量的比例將達到9.5%[6].基于非尾氣排放水平不變的前提下，Rexeis等[9]指出，奧地利機動車排放顆粒物中非尾氣排放顆粒物的比例從2000年的50%增至2020年的80%～90%.Denier van der Gon等[10]總結(jié)眾多學(xué)者的研究成果，提出非尾氣排放已成為機動車排放大氣顆粒物的重要來源，呼吁盡快制定排放標(biāo)準法規(guī)以控制非尾氣排放.隨著新能源交通運載工具的大力推廣和優(yōu)先發(fā)展公共交通系統(tǒng)等一系列措施的落實，尾氣排放大氣顆粒物得到逐步的控制，從而凸顯了控制非尾氣排放大氣顆粒物的重要性.

交通帶來的非尾氣排放大氣顆粒物主要來源有輪胎磨損、路面磨損、車輛揚塵、制動磨損、輪軌磨損和弓網(wǎng)磨損等[11-13]，其中制動磨損為大氣顆粒物的重要貢獻源而備受關(guān)注.陳東等[14]結(jié)合中國摩擦材料行業(yè)調(diào)查報告，粗略地估計2008年中國就有高達19萬噸的制動粉塵排放，大量制動粉塵隨氣流進入大氣.Harrison等[15]采用粒度分布測量法和化學(xué)示蹤技術(shù)，推斷出倫敦某路段的制動粉塵對非尾氣排放顆粒物的貢獻率約為55.3%.Tu等[12]調(diào)研了瑞典斯德哥爾摩市地鐵內(nèi)顆粒物排放情況，建立了一種交通排放因子模型，模型表明制動粉塵約占地鐵內(nèi)所測大氣顆粒物排放總量的50%.在歐盟，制動磨損所排放的PM10顆粒物約占交通排放(包括尾氣和非尾氣)PM10顆粒物總量的8%～27%，為此歐盟提出了EU-FP7 REBRAKE工程，計劃將汽車制動磨損源PM10顆粒物排放量減半及以上[16].目前，歐美等發(fā)達國家積極開展了制動磨損所排放大氣顆粒物對環(huán)境污染的研究，不斷深入研究其排放特征，提出減排措施及排放標(biāo)準，2002年美國將輕型機動車的制動粉塵中PM10顆粒物排放因子定為8.13 mg/km，2004年歐盟頒布了車輛制動粉塵中PM10顆粒物的平均計算因子為10.7 mg/km[17]；國內(nèi)在此領(lǐng)域的研究還較少，缺乏大量可參考數(shù)據(jù)，尚未提出制動磨損源大氣顆粒物排放的標(biāo)準.

綜上所述，開展制動過程中大氣顆粒物排放研究，有助于評估制動摩擦副材料磨損對大氣污染的程度，為限制和控制制動磨損源大氣顆粒物的排放提供依據(jù)，進一步推動綠色摩擦學(xué)的發(fā)展.本文中將從摩擦制動過程中磨屑的衍化和影響大氣顆粒物排放的因素兩方面，全面綜述近年來制動磨損源大氣顆粒物排放的研究現(xiàn)狀，并在此基礎(chǔ)上提出其發(fā)展趨勢.

1 摩擦制動過程中磨屑的衍化

摩擦發(fā)生于相對運動的兩個接觸物體間，摩擦過程總伴隨著磨屑和氣體等摩擦產(chǎn)物的產(chǎn)生.摩擦制動過程中磨屑的形成、衍化和運動較為復(fù)雜，如對于粉末冶金摩擦材料而言，受配對材料表面硬質(zhì)點或外來顆粒的犁削，材料形成條狀或絮狀磨屑、高摩擦熱作用下材料形成球形磨屑、反復(fù)制動時因接觸表面疲勞，材料形成片狀或塊狀磨屑.此外，制動過程中形成的磨屑或以顆粒物形式飛離摩擦表面，即制動粉塵，或聚集于摩擦表面促進摩擦層的形成，這與磨屑的理化性質(zhì)及其運動過程有密切聯(lián)系.

1.1 摩擦層的形成

在摩擦制動過程中，形成于接觸表面的摩擦層直接影響著摩擦副材料的摩擦學(xué)行為和摩擦磨損機理.摩擦層避免了摩擦副材料的直接接觸，傳遞著制動載荷，調(diào)整著摩擦副材料間的速度差，與施加載荷共同控制著摩擦副材料的摩擦因數(shù)和磨損量[18].摩擦層的主要物質(zhì)來源有：聚集于摩擦副材料表面的磨屑；摩擦副材料表面間的材料轉(zhuǎn)移；摩擦副表面材料和磨屑的摩擦化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物.因摩擦表面硬質(zhì)相的阻撓，摩擦副材料表面的磨屑聚集于硬質(zhì)相附近，并在摩擦過程中熱效應(yīng)的作用下融化形成摩擦層；摩擦副材料間的黏著現(xiàn)象會導(dǎo)致材料發(fā)生轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移的材料覆蓋于摩擦表面參與摩擦層的形成；在摩擦熱效應(yīng)的作用下，摩擦副表面材料和磨屑產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，形成的新相也是摩擦層的來源之一.

磨屑的生成、運動、聚集、物質(zhì)轉(zhuǎn)移和摩擦化學(xué)影響著摩擦層的形成、組成、動態(tài)平衡、摩擦性能以及摩擦機理.Jacko等[19]最早開展了摩擦材料表面摩擦層的研究，認為摩擦層形成于磨屑的層層堆砌.Ostermeyer等[20]采用元胞自動機模型(圖1)，認為摩擦過程中在摩擦副的接觸表面形成了磨屑流，磨屑的運動受摩擦表面硬質(zhì)相的阻撓，使其偏離初始的運動軌跡或者聚集于硬質(zhì)相前方，因摩擦力作用使凸出于表面的硬質(zhì)相與配對材料間產(chǎn)生熱源，所產(chǎn)生的高溫使硬質(zhì)相前方聚集的磨屑融化或生成新相而形成摩擦層，隨著磨屑在其運動軌跡上越積越多，摩擦層的區(qū)域不斷擴大.此外，在摩擦過程中未飛離摩擦副的磨屑在運動時受到表面上其他顆粒物和凹凸不平的摩擦表面形貌影響，磨屑聚集后受外加載荷的作用被壓實且粘附于摩擦表面而形成摩擦層(圖2)[21].

Fig.1 Wear particle stream[20]圖1 磨屑粒子流示意圖[20]

Fig.2 A principle for the formation of the friction layer[21]圖2 表面摩擦層的形成原理[21]

不同摩擦材料在其摩擦表面均能形成1層厚度5～50 μm的摩擦層，但不同材料所形成摩擦層的組成、結(jié)構(gòu)和性能差異較大.在摩擦過程中鑄鐵所形成的磨屑多為氧化鐵，雖能形成摩擦層，但因鐵的氧化物與鋼鐵系配對材料具有較好的相容性而易產(chǎn)生黏著，致使所形成的摩擦層極易被破壞[22].有機摩擦材料中主要粘結(jié)劑的樹脂耐熱性能較差，摩擦表面溫度過高，導(dǎo)致樹脂氣化，摩擦表面的磨屑失去支撐，難以形成穩(wěn)定的摩擦層，但添加銅有助于有機摩擦材料摩擦層的形成[23].粉末冶金摩擦材料在基體、摩擦組元和潤滑組元的共同作用下，可以在摩擦表面收集磨屑，在載荷的作用下磨屑被壓實而形成摩擦層；同時，由于金屬基體具有較為優(yōu)異的耐高溫性能，在高能制動條件下仍可形成穩(wěn)定的摩擦層[24-26].由于C/C復(fù)合材料碳質(zhì)顆粒的特性，雖然其摩擦表面所形成的摩擦層由表及里呈不均勻性，但摩擦層的中間區(qū)域致密且連續(xù)，加之摩擦表面中碳組分間存在相互作用且處于動態(tài)平衡，可穩(wěn)定摩擦過程[27].C/C-SiC復(fù)合材料表面的軟相較少，多為SiC硬質(zhì)顆粒，因此所生成的磨屑多為破碎的SiC顆粒，而硬質(zhì)顆粒物停留于摩擦表面會反復(fù)切削摩擦表面，導(dǎo)致摩擦表面難以建立穩(wěn)定的摩擦層，使摩擦系數(shù)不穩(wěn)定[28-29].

在摩擦制動過程中，摩擦層的發(fā)展為動態(tài)過程，即形成、破壞、再形成、再破壞的循環(huán)過程，其性能不僅影響著摩擦副材料的摩擦學(xué)性能，還關(guān)系著制動粉塵的排放即磨屑飛離摩擦表面.由磨屑堆積并壓實而形成的摩擦層，使得磨屑不會過于松散從而提高摩擦穩(wěn)定性，也可顯著降低制動粉塵的排放.Park等[21]研究表明，摩擦材料的表面粗糙度與排放到空氣中顆粒物的粒度及數(shù)量分布具有高度相關(guān)性，表面形成的摩擦層會明顯改變表面粗糙度，進而影響大氣顆粒物的排放和粒度分布.Verma等[30]亦證實了摩擦制動過程中顆粒物排放與摩擦層的形成和破壞有關(guān)，處于動態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)的摩擦層可有效地降低顆粒物的排放，當(dāng)摩擦層形成和破壞的平衡關(guān)系被打破時，會導(dǎo)致大量制動粉塵的排放.

1.2 制動粉塵的排放

摩擦制動過程中磨屑的起動與其密度、粒徑、形狀、表面光滑度及所處的平衡位置有關(guān)，磨屑顆粒越大、越重、摩擦表面越粗糙和嵌入表面越深，則磨屑起動就越困難.磨屑起動的難易程度很大程度上決定了磨屑能否脫離摩擦面形成制動粉塵，磨屑的起動越困難，磨屑越傾向于停留在摩擦表面參與摩擦層的形成.此外，凡艷麗等[31]還發(fā)現(xiàn)，磨屑的運動軌跡是不規(guī)則運動，磨屑能否排出摩擦表面與其初始運動方向有關(guān)，若磨屑初始方向朝向摩擦副邊緣，則較易飛離摩擦表面而成為制動粉塵.

制動粉塵是一種復(fù)雜的混合物，包含著從幾納米到幾毫米不等的顆粒.一般來講，大氣中直徑大于10 μm的粉塵在重力作用下易沉降于地面；直徑小于10 μm(即PM10)的粉塵在大氣中呈懸浮狀，較易被吸入人體呼吸道而危害人體健康，尤其直徑小于2.5 μm的粉塵(即PM2.5)容易直接被吸入肺部且滯留于肺泡，造成嚴重的呼吸道疾病[32].摩擦過程中大部分的制動粉塵沉積于地面，但Harrison等[15]研究表明，仍有約35%～55%的制動粉塵懸浮于大氣而成為大氣顆粒物.Abu-Allaban等[33]的早期研究發(fā)現(xiàn)，輕型汽車的制動磨損所造成的PM10和PM2.5顆粒物排放量分別為0～80 mg/km和0～5 mg/km，而兩者在重型汽車的排放量分別達到0～610 mg/km和0～15 mg/km.Hagino等[34]試驗得出，無石棉(NAO)摩擦材料在制動過程中PM10和PM2.5顆粒物的排放量分別為0.04～1.4 mg/km和0.04～1.2 mg/km.Zum Hagen等[35]在一輛中型汽車上安裝一套制動粉塵排放的測試系統(tǒng)，汽車在洛杉磯城區(qū)行駛3 h后，測得PM10顆粒物的排放量為1.4～2.1 mg/km.樊守彬[36]建立了基于GIS北京城區(qū)機動車的非尾氣排放清單，其中制動磨損的PM10顆粒物排放量高達176.2 kg/h.Sanders等[37]長期從事制動粉塵排放的研究，試驗發(fā)現(xiàn)城市道路動態(tài)測試下制動粉塵的質(zhì)量中徑粒徑約為6 μm，風(fēng)洞試驗條件下約有50%的制動粉塵成為PM10顆粒物.

制動磨損已成為交通運輸中大氣顆粒物的重要排放源之一，相關(guān)研究工作不僅關(guān)注著PM10和PM2.5顆粒物排放量的測定，還已深入開展了大氣顆粒物的形成、監(jiān)測和表征技術(shù)等研究.Thorpe等[38]對道路交通中非尾氣排放大氣顆粒物的研究結(jié)果進行綜述，重點關(guān)注了制動磨損排放的大氣顆粒物及其物理特性和化學(xué)組成.Grigoratos等[39]結(jié)合已發(fā)表的研究成果，詳細地總結(jié)了汽車摩擦材料的大氣顆粒物排放研究成果，特別關(guān)注了顆粒物的產(chǎn)生、量化和表征方法，并重點概述了顆粒物的質(zhì)量和數(shù)量分布及其化學(xué)成分表征.Perricone等[40]通過所排放大氣顆粒物的質(zhì)量和數(shù)量來確定摩擦材料的排放因子(EF)，從而量化摩擦材料所排放的大氣顆粒物，有效地比較不同摩擦材料間大氣顆粒物的排放量.Nosko等[41]基于PM10顆粒物粒度分布的測量，得出一種汽車摩擦材料制動后排放大氣顆粒物的有效密度為0.75±0.2 g/cm3，有效匹配了所測量大氣顆粒物的質(zhì)量和尺寸特征，且發(fā)現(xiàn)大氣顆粒物為多孔結(jié)構(gòu).黑碳(BC)一直被認為是化石燃料和生物質(zhì)的不完全燃燒產(chǎn)物，但Lyu等[42]的研究結(jié)果表明，制動過程中摩擦材料也存在黑碳的排放，黑碳排放量與PM1(空氣動力學(xué)直徑小于1 μm)顆粒物排放量成比例關(guān)系，PM1顆粒物中黑碳排放量還取決于摩擦材料的表面狀況和石墨含量(圖3)，石墨含量較高時材料的PM1顆粒物中黑碳排放量的占比相對較高.

Fig.3 BC against simultaneous PM1 from (a)5% and (b)13% graphite brake material[42]圖3 黑碳(BC)排放量與PM1顆粒物排放量的關(guān)系圖：(a)材料含5%石墨；(b)材料含13%石墨[42]

為控制制動磨損源大氣顆粒物排放，Abbasi等[43]采用能譜(EDS)與掃描電子顯微鏡(SEM)等手段分析了制動過程中大氣顆粒物的數(shù)量濃度、大小、形態(tài)和質(zhì)量濃度等特性，提出了建立大氣顆粒物排放標(biāo)準的必要性，并討論了磨損機制對顆粒形態(tài)和顆粒濃度變化的影響.Kukutschová等[2]發(fā)現(xiàn)，有機摩擦材料與鑄鐵制動盤相對摩擦?xí)r，摩擦材料的氧化磨損產(chǎn)生非常細小的大氣顆粒物(亞微米級)，且通常呈圓形，這是由于有機粘合劑的降解而形成的；氧化鐵顆粒不僅產(chǎn)生于鑄鐵盤的輕度氧化磨損，還形成于摩擦材料中鐵成分的氧化，為大氣顆粒物的主要成分之一；磨粒磨損和疲勞磨損通常會導(dǎo)致較大粒徑的大氣顆粒物的排放，如PM10或PM2.5顆粒物，且顆粒通常具有銳利的邊緣，呈現(xiàn)著不規(guī)則的形態(tài).目前，制動磨損源大氣顆粒物排放的研究主要涉及不同制動方式的顆粒物排放、實驗室模擬顆粒物的生成及其數(shù)據(jù)可靠性、顆粒物特性的分析、顆粒物的排放因子、顆粒物的減排、顆粒尺寸分布的在線監(jiān)測以及城市地區(qū)大氣顆粒物的交通示蹤劑監(jiān)測等[6,44-46].

2 制動磨損源大氣顆粒物排放的影響因素

與摩擦學(xué)性能類似，摩擦制動過程中大氣顆粒物(即空氣動力學(xué)直徑小于10 μm的制動粉塵)排放受多種因素的影響，其形態(tài)、組分、數(shù)量和尺寸分布等不僅取決于摩擦副材料的類型，還受摩擦制動器結(jié)構(gòu)、服役環(huán)境、制動速度和制動載荷等因素的影響.

2.1 摩擦制動器結(jié)構(gòu)

摩擦制動器是積極利用其摩擦特性，實現(xiàn)動力的傳遞、阻斷，使運動部件減速、停止或保持停止?fàn)顟B(tài)等功能的機械部件.根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，摩擦制動器分為盤式制動器、踏面制動器、鼓式制動器和多片式制動器等.鐵路使用的摩擦制動器主要有踏面制動器和盤式制動器[圖4(a)和4(b)]，與踏面制動器相比，盤式制動器可顯著減輕車輪踏面的熱負荷和機械磨耗，且具有動能轉(zhuǎn)移能力大、制動效率高、制動平穩(wěn)、可實現(xiàn)摩擦副元件的可設(shè)計性和充分利用輪軌黏著等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于高鐵、地鐵和普快火車等.由此可見，鐵路使用的摩擦制動器處于開放式環(huán)境，其制動效能與使用壽命受到外界環(huán)境的強烈干擾，復(fù)雜的運行環(huán)境將嚴重地影響其摩擦性能.飛機之所以采用多片式制動器[圖4(c)]，是因為多片式制動器的工作面積大，可以在小壓力下獲得較大的制動力矩，且多片式制動器是完全封閉的結(jié)構(gòu)，防止了泥、水和油等的浸入，確保制動穩(wěn)定，提高使用壽命，降低調(diào)整和維修率.

Fig.4 (a)Disc brake,(b)pedal brake and (c)multi-plate brake圖4 (a)盤式制動器，(b)踏面制動器和(c)多片式制動器

相對于列車和飛機等交通運輸工具，汽車的制動磨損已成為城市大氣顆粒物的重要貢獻源，目前也是城市大氣顆粒物領(lǐng)域的主要研究對象.如圖5所示，常見的汽車制動器分為兩種：盤式制動器和鼓式制動器.盤式制動器工作時，制動夾鉗推動摩擦片壓向制動盤而產(chǎn)生摩擦制動.雖然盤式制動器產(chǎn)生的制動力不及鼓式制動器，但其裸露于大氣中，散熱和排水性能好，且制動性能不易衰退，較少出現(xiàn)制動過熱而導(dǎo)致制動失靈[46].鼓式制動器對兩片半月形的摩擦片施加作用力，使其壓緊鼓室內(nèi)壁，靠摩擦力阻止制動器鼓轉(zhuǎn)動從而達到制動效果.鼓式制動器的優(yōu)點是可以產(chǎn)生較大的制動力，相同制動力矩時鼓式制動器的制動鼓直徑小于盤式制動器的制動盤直徑.因此，要保持較大的制動力時，高載重的大貨車只采用鼓式制動器.然而，鼓式制動器的結(jié)構(gòu)相對封閉，散熱性能差，在頻繁制動或長時間制動條件下聚集大量的熱量，容易產(chǎn)生制動衰退和振抖現(xiàn)象.

Fig.5 Schematic illustrations of automotive friction brakes: (a)disc brake and (b)drum brake圖5 汽車用摩擦制動器結(jié)構(gòu)示意圖：(a)盤式制動器；(b)鼓式制動器

盤式制動器和鼓式制動器的結(jié)構(gòu)存在明顯差異，結(jié)構(gòu)的不同導(dǎo)致大氣顆粒物的排放出現(xiàn)差異.盤式制動器的工作環(huán)境開放，制動過程中產(chǎn)生的磨屑在離心力作用下向外飛離，不易沉積于摩擦表面，造成大氣顆粒物的排放.鼓式制動器為封閉式結(jié)構(gòu)，在一定程度上會阻礙磨屑的排放[47-48]，從而降低大氣顆粒物排放，但制動過程中產(chǎn)生的磨屑難以脫離摩擦接觸表面，堆積于摩擦片和制動鼓間的磨屑較易引起制動效率下降[49].目前，除了大型重載汽車采用鼓式制動器外，大多數(shù)機動車采用盤式制動器，摩擦制動器結(jié)構(gòu)的選擇在一定程度上影響著城市大氣顆粒物的排放.

2.2 材料類型

不同技術(shù)要求的制動器選用不同類型的摩擦材料，材料的差異導(dǎo)致制動過程所排放大氣顆粒物的數(shù)量和特性不同.Lyu等[50]的研究表明，在相同的制動條件下，鑄鐵材料的大氣顆粒物排放量最高，粉末冶金摩擦材料次之，有機摩擦材料最小.鑄鐵材料常用于低速重載工況，制動過程所排放的大氣顆粒物呈團絮狀，并含大量鐵的氧化物[圖6(a)]；有機摩擦材料常應(yīng)用于低速低載工況，制動過程所排放的大氣顆粒物多為片狀，且小粒徑的顆粒物中還存在球形、細針狀以及無定型等多種形貌的顆粒[圖6(b)][51-52]；時速300 km及以上的高速列車均采用粉末冶金摩擦材料，材料在高速制動條件下所排放的細小大氣顆粒物多為球形或近球形[圖6(c)]，少量較大粒徑的顆粒物則呈片狀[53]；C/C復(fù)合材料常用于飛機制動，制動過程產(chǎn)生的大氣顆粒物主要包括碳纖維碎片、基質(zhì)顆粒和薄片狀碎片等[圖6(d)][54]；C/C-SiC復(fù)合材料適用于高速重載等復(fù)雜制動工況，在制動過程中產(chǎn)生的大氣顆粒物主要為細小的SiC顆粒[55][圖6(e)].

Fig.6 SEM micrographs of morphologies of particles emitted by different friction materials: (a)cast iron,(b)organic composite,(c)powder metallurgy material,(d)C/C composite,and (e)C/C-SiC composite[53-56]圖6 不同摩擦材料排放顆粒物形貌的SEM照片：(a)鑄鐵；(b)有機材料；(c)粉末冶金材料；(d)C/C復(fù)合材料；(e)C/C-SiC復(fù)合材料[53-56]

制動過程中不同摩擦材料所排放大氣顆粒物的粒度分布差異不大，主要差異體現(xiàn)于超細粒徑的分布.鑄鐵材料所排放大氣顆粒物的粒徑集中分布在0.3 μm附近，小尺寸顆粒物的粒徑約為60～100 nm，超細顆粒物的粒徑多分布于4.4～10 nm，粒徑為1.3～4.4 nm的顆粒物相對較少[57].制動過程中有機摩擦材料排放的大氣顆粒物存在三種粒度的分布：出現(xiàn)粒徑約為100 nm峰的超細顆粒；出現(xiàn)粒徑分別為280、350和600 nm的3個峰的細顆粒，其中350 nm峰占主導(dǎo)；出現(xiàn)粒徑約3～6 μm峰值的粗顆粒[58].粉末冶金摩擦材料所排放大氣顆粒物的粒度分布類似于有機復(fù)合摩擦材料，但亞微米級顆粒物明顯少于有機摩擦材料[43,56,59].

汽車多采用有機摩擦材料，有機摩擦材料中銅的添加有助力于材料形成穩(wěn)定的摩擦膜和提高材料的導(dǎo)熱性，可顯著降低制動過程中大氣顆粒物排放(圖7)，銅的添加已成為有機摩擦材料的重要組成[23].然而，銅元素具有較強的生物毒性，為此2015年美國環(huán)境保護署(EPA)和汽車行業(yè)簽署了關(guān)于降低汽車摩擦材料中銅含量的協(xié)議，加利福尼亞州和華盛頓州甚至率先出臺相關(guān)法律來約束銅的含量，要求到2021年汽車摩擦材料中銅含量降低至5%以下，至2025年該值降至0.5%[59].為降低有機摩擦材料中銅的含量，在替代材料和材料的處理工藝等方面進行了大量研究.Nogueira等[60]對無銅有機摩擦材料進行灼熱處理，發(fā)現(xiàn)其大氣顆粒物排放和磨損量均低于含銅有機材料，但摩擦因數(shù)明顯下降.Wei等[61]開發(fā)了碳纖維和碳納米管代替銅纖維的無銅摩擦材料，中低載荷下無銅摩擦材料的摩擦因數(shù)低于含銅材料，高載荷下三種材料的摩擦因數(shù)相近，碳纖維的添加可以減少大氣顆粒物的排放.

Fig.7 PNC and PM10 of Cu-full brake materials and Cu-free brake materials[23]圖7 含銅和不含銅的制動材料排放大氣顆粒物的數(shù)量濃度(PNC)和PM10顆粒物含量[23]

為降低制動過程中摩擦材料的大氣顆粒物排放，研究者在摩擦副材料的材料組成和選材方面做了許多工作.Joo等[62-63]研究了酚醛樹脂種類對汽車制動摩擦材料摩擦學(xué)性能和大氣顆粒物排放的影響，高溫下樹脂的分解會顯著影響顆粒物排放，采用耐熱樹脂可明顯降低PM2.5顆粒物的排放；發(fā)現(xiàn)所排放的大氣顆粒物具有單峰粒度分布特征，峰值約為2.5 μm，由高分子量樹脂和粒狀鈦酸鉀制備的材料表現(xiàn)出較低的大氣顆粒物排放，且顆粒狀鈦酸鉀可降低高溫下材料的大氣顆粒物排放.Park等[64]探討了鋯石粒度對有機摩擦材料排放顆粒物的組成和粒徑分布的影響，表明顆粒物的濃度、粒度分布和組成受鋯石顆粒大小的影響較大，減小鋯石粒徑可降低大氣顆粒物的排放.Seo等[65]對比研究了FC170與FC250灰鑄鐵制動盤、表面涂覆氮氧化物涂層的鑄鐵制動盤和陶瓷制動盤的制動排放特性，發(fā)現(xiàn)制動過程中陶瓷制動盤所排放大氣顆粒物的數(shù)量濃度最高，灰鑄鐵制動盤所排放大氣顆粒物的質(zhì)量濃度最高，高溫下大氣顆粒物的排放主要取決于制動盤的熱導(dǎo)率以及摩擦材料的表面形貌.

2.3 外界環(huán)境

交通運輸過程中制動摩擦副材料的服役環(huán)境多變且復(fù)雜，其使役性能受雨、雪和濕度等環(huán)境因素的影響，亦會影響制動過程中大氣顆粒物的排放.Choung等[66]對比分析了韓國郊區(qū)秋、冬兩季的大氣顆粒物，發(fā)現(xiàn)冬季的顆粒物頻繁出現(xiàn)重金屬含量較高的富碳顆粒.Ferm等[67]采用NOx作為示蹤劑，監(jiān)測哥德堡等城市道路上大氣顆粒物的排放，發(fā)現(xiàn)春季時道路上大氣顆粒物排放量最大，但道路潮濕可明顯抑制大氣顆粒物的排放.

汽車和列車等用摩擦材料處于開放式環(huán)境，其摩擦學(xué)性能受到外界環(huán)境的強烈干擾，復(fù)雜的運行環(huán)境亦將影響其大氣顆粒物排放.Lyu等[50]研究發(fā)現(xiàn)，隨著大氣相對濕度(RH)的增加，鑄鐵材料的摩擦因數(shù)、磨損率和大氣顆粒物的排放量均呈下降趨勢；因有機摩擦材料的吸濕性強，RH的增加引起摩擦材料的摩擦因數(shù)和顆粒物排放量顯著降低，RH為75%時低摩擦因數(shù)難以保證可靠的制動效能；粉末冶金摩擦材料的摩擦因數(shù)對大氣濕度不敏感，大氣濕度的增加有利于降低材料的磨損率和大氣顆粒物排放(圖8).因潮濕條件下C/C-SiC復(fù)合材料的碳質(zhì)顆粒物間粘合作用減弱，導(dǎo)致粒徑較大顆粒物的形成[68].環(huán)境較差的道路易污染摩擦副材料表面，從而影響其摩擦學(xué)性能和顆粒物的排放.Kchaou等[69]發(fā)現(xiàn)外來顆粒物(如硅砂等顆粒物)易嵌在摩擦材料表面，嚴重破壞摩擦表面，導(dǎo)致表面的接觸面積減小，出現(xiàn)摩擦因數(shù)的降低和磨損量的升高；Lazim等[70]指出摩擦過程中外來的微米級硅砂顆粒充當(dāng)了點接觸表面，起到切削摩擦表面的作用，引起大量大氣顆粒物的排放，粒徑較大的硅砂顆粒亦會引起顆粒物排放量的上升.

Fig.8 Particle concentration generated from three brake materials at different RH[50]圖8 不同相對濕度下三種制動材料所排放的大氣顆粒物濃度[50]

低溫環(huán)境易引起摩擦副材料表面出現(xiàn)凝水和結(jié)冰等現(xiàn)象，引起摩擦界面狀態(tài)的改變，進一步影響摩擦學(xué)性能.Lyu等[71]研究了-30～10 ℃下鑄鐵材料、有機摩擦材料和粉末冶金摩擦材料的低溫摩擦學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)低溫下鑄鐵材料易出現(xiàn)韌脆轉(zhuǎn)變現(xiàn)象，摩擦表面的脆化導(dǎo)致劇烈的磨損和大量顆粒物的產(chǎn)生，且表面難以收集磨屑而不易形成摩擦層；低溫下有機摩擦材料的摩擦因數(shù)較低，此歸因于低溫下有機摩擦材料易吸水結(jié)冰；粉末冶金摩擦材料的摩擦性能對低溫不敏感，大氣顆粒物的產(chǎn)生和排放未受較大的影響.

高能制動時摩擦副材料表面聚集大量摩擦熱而產(chǎn)生劇烈溫升，如高速列車制動材料在時速300 km條件下制動時，材料表面將達到500 ℃以上，而其閃點溫度甚至接近900 ℃，直接影響材料的摩擦學(xué)性能和大氣顆粒物的排放.高溫制動條件，銅基粉末冶金摩擦材料的銅基體發(fā)生劇烈氧化及軟化，銅的氧化不利于形成致密且穩(wěn)定的摩擦膜，導(dǎo)致摩擦表面局部產(chǎn)生劇烈摩擦而出現(xiàn)嚴重的磨損，銅的軟化增加了基體的流動性，易產(chǎn)生材料轉(zhuǎn)移，降低其對磨屑的夾持能力，摩擦層的形成、生長和破壞的動態(tài)平衡被打破，導(dǎo)致材料的磨損率急劇上升，亦引起大氣顆粒物排放量的增加[72-73].如圖9所示，Nosko等[57]發(fā)現(xiàn)，環(huán)境溫度的升高顯著改變LM(低金屬)和NAO(有機摩擦材料)所排放大氣顆粒物的粒度分布，增加了較細顆粒物的排放，并導(dǎo)致顆粒物出現(xiàn)明顯的團聚現(xiàn)象.Alemani等[74-75]亦發(fā)現(xiàn)溫度的升高致使有機摩擦材料排放的大氣顆粒物向著超細粒徑范圍內(nèi)轉(zhuǎn)移，顯著增加顆粒物的排放量，并存在1個特定的溫度點即轉(zhuǎn)變溫度，環(huán)境溫度高于轉(zhuǎn)變溫度時顆粒物的排放會明顯升高.Verma等[76]的研究結(jié)果表明，溫度較低時，有機摩擦材料的摩擦表面能形成穩(wěn)定的摩擦層，大氣顆粒物的排放量較??；當(dāng)溫度從170 ℃升至200 ℃，摩擦表面上大量樹脂分解，形成的摩擦層覆蓋率低、連續(xù)性差，大氣顆粒物的排放量明顯升高.

Fig.9 Number fractions of particles generated from LM and NAO friction materials at different temperatures[57]圖9 不同溫度下低金屬和無石棉有機摩擦材料所排放顆粒物的數(shù)量分數(shù)[57]

2.4 制動速度

實際運行過程中的交通運載工具常存在著速度的變化，摩擦制動器將可能執(zhí)行多種運行速度下交通運載工具的制動.制動速度的變化會明顯改變摩擦副材料摩擦表面的磨損機理，影響著制動過程中材料的摩擦學(xué)特性和大氣顆粒物的排放.Xu等[77]的研究表明，速度較低時，聚酰亞胺基摩擦材料表面摩擦層主要由顆粒堆砌而成，所排放的大氣顆粒物形態(tài)多為等軸狀；較高速度時，材料表面摩擦層更為致密，表面粗糙度降低，對磨屑的夾持能力減弱，排放的顆粒物多為較大的片狀顆粒物.然而，制動速度由1.31 m/s升至3.92 m/s，Alemani等[75]發(fā)現(xiàn)制動過程中有機摩擦材料所排放大氣顆粒物尤其0.01 μm以下細顆粒的數(shù)量呈指數(shù)增長(圖10).制動速度是影響摩擦表面溫度的主要因素，高速制動條件下摩擦表面的溫升較快.Zhao等[78]探討了不同制動速度下粉末冶金摩擦材料的摩擦性能，制動速度的提高引起摩擦表面溫度升高而造成金屬基體軟化，導(dǎo)致形成的摩擦層被破壞，破碎的摩擦層帶來大量粉末狀的制動粉塵.

Fig.10 Mean size distributions of particles generated from an organic friction material at different speeds[74]圖10 0.55 MPa和不同速度下有機摩擦材料所排放顆粒物的平均尺寸分布[74]

當(dāng)摩擦副材料制動結(jié)束后，再次對摩擦副進行提速，將導(dǎo)致大量大氣顆粒物的二次排放.Chasapidis等[79]發(fā)現(xiàn)，制動過程中所排放并懸浮于大氣的顆粒物僅占總采集顆粒物的9%～50% (圖11)，大部分排放到空氣中的制動粉塵，來自于制動結(jié)束后摩擦副再次提速過程的二次排放.是因為制動結(jié)束后，制動過程中形成的部分制動粉塵吸附于摩擦副的摩擦表面和制動器其它構(gòu)件表面，摩擦副的提速引起較大氣流，導(dǎo)致吸附于摩擦表面和構(gòu)件表面的顆粒物隨氣流再次排放于空氣中.為研究氣流模式對顆粒物傳輸?shù)挠绊?，Liu等[80]建立了顆粒物在密閉腔室中傳播的數(shù)值模型，模型表明腔室內(nèi)的顆粒傳輸主要受旋轉(zhuǎn)圓盤形成的氣流模式控制.Mathissen等[48]實時監(jiān)控大氣顆粒物濃度的變化時，發(fā)現(xiàn)加速過程中制動磨損所排放的大氣顆粒物濃度明顯升高，而減速過程中大氣顆粒物濃度的增加量相對較小.

Fig.11 Braking particles partition over total particle number sampled[79]圖11 制動過程所排放顆粒物占總采集顆粒物的比例[79]

劉篤優(yōu)等[81]探討了制動速度和制動減速度對五種有機摩擦材料所排放大氣顆粒物質(zhì)量和數(shù)量的影響，發(fā)現(xiàn)制動速度對顆粒物的質(zhì)量影響較大，且制動速度和制動減速度與顆粒物排放速率呈二次函數(shù)關(guān)系.

制動速度V與大氣顆粒物(PM2.5和PM10)的排放速率之間的關(guān)系可由式(1)表示，單次制動排放量PE由式(2)表示：

式中：ER為排放速率(mg/s)；a和b為系數(shù)，當(dāng)PM2.5顆粒物的排放特性與V成線性關(guān)系時，b為0；Vt為末速度(km/h)；D為平均減速度(m/s2)；C為常數(shù)項.

制動減速度與大氣顆粒物(PM2.5和PM10)的排放速率呈二次函數(shù)關(guān)系，排放速率和PE可由式(3)和(4)表示：

當(dāng)制動速度和制動初溫一定時，五種有機摩擦材料的大氣顆粒物排放速率與減速度均符合二次函數(shù)的關(guān)系式.

2.5 制動載荷

交通運載工具在服役過程中經(jīng)歷著制動速度變化和雨雪環(huán)境等狀況，亦存在制動載荷的波動與變化.以高速列車為例，為保障高速列車的制動安全性及舒適性，在高速制動初期采用低制動載荷以實現(xiàn)高速制動柔和無顫抖，當(dāng)制動速度降至一定數(shù)值后采用高制動載荷以實現(xiàn)快速制停.制動載荷的變化明顯改變材料摩擦表面的接觸狀態(tài)，從而影響制動顆粒物的形成及排放.制動載荷的增加造成表面微凸體出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中，加速微凸體裂紋的萌生和擴展，微凸體的剝落會失去對堆積磨屑的約束作用，導(dǎo)致大量大氣顆粒物的產(chǎn)生[82].

摩擦制動器施加的制動載荷不同會引起摩擦力的變化，并導(dǎo)致摩擦表面產(chǎn)生不同的磨損情況，制動載荷較低時，制動過程中摩擦副材料所產(chǎn)生的大氣顆粒物相對較少，隨著制動載荷的增加，摩擦材料的磨損機理由磨粒磨損向黏著磨損轉(zhuǎn)變，大氣顆粒物的形貌發(fā)生改變，高載荷時大氣顆粒物邊緣表現(xiàn)為不規(guī)則狀態(tài)，表面呈現(xiàn)大量微裂紋[83].Wei等[61]研究表明，隨著制動載荷由0.52 MPa增加至1.22 MPa，含銅無石棉摩擦材料(RBW)、碳纖維增強摩擦材料(CABM)和碳納米管增強摩擦材料(CNBM)所排放大氣顆粒物的數(shù)量濃度(TNC)、平均粒徑(GMD)和質(zhì)量濃度(PMC)均明顯增加(圖12).Nosko等[41]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)制動速度一定時，摩擦材料的表面溫度隨著制動載荷的增加而逐漸升高，所排放大氣顆粒物的顆粒濃度隨之增加，尤其當(dāng)表面溫度超過“臨界溫度”Tu時，大氣顆粒物的顆粒濃度顯著增加.

Fig.12 The TNC,GMD and PMC results for different materials under different applied loads[61]圖12 不同制動載荷下不同摩擦材料所排放大氣顆粒物的數(shù)量濃度、平均粒徑和質(zhì)量濃度[61]

在一定范圍內(nèi)適當(dāng)?shù)靥嵘苿虞d荷可促進摩擦材料表面形成穩(wěn)定的摩擦層，可減少大氣顆粒物的排放.Fan等[84]探討了制動載荷和制動速度對C/SiC飛機制動材料摩擦學(xué)性能的影響，當(dāng)制動載荷由0.5 MPa增至0.7 MPa時，材料的磨損率和大氣顆粒物的排放不受載荷的影響.如圖13所示，Kim等[85]研究表明，制動載荷的變化明顯改變了摩擦材料表面接觸平臺的高度差，并改變制動顆粒物的尺寸，制動載荷較低時接觸平臺的高度差較小，制動粉塵易滯留于摩擦表面，并在摩擦力的作用下尺寸變小；制動載荷較高時，表面接觸平臺的高度差增加，較大的高度差有利于聚集較多的制動粉塵而形成摩擦層，減小大氣顆粒物的排放；當(dāng)制動載荷足以破壞摩擦層時，顯著增加大氣顆粒物的形成和排放，顆粒物的形貌亦發(fā)生明顯變化，趨于碎片化.

Fig.13 SEM micrographs of morphologies of brake wear particles of powder metallurgy materials under different loads[85]圖13 不同制動載荷下粉末冶金摩擦材料所排放大氣顆粒物的微觀形貌的SEM照片[85]

3 總結(jié)與展望

隨著全球能源短缺、空氣污染和氣候變化等問題日益突出，構(gòu)建綠色交通體系成為眾多城市交通發(fā)展的重要目標(biāo).交通運載工具的制動磨損已成為全球大多數(shù)城市的首要空氣污染物——大氣顆粒物的重要貢獻源而備受關(guān)注.歐美等發(fā)達國家較早開展了摩擦制動過程中大氣顆粒特性排放的研究，并在長期的工作實踐中得到了長足的發(fā)展，采用不同測試技術(shù)及平臺深入研究了大氣顆粒物的排放特征，提出了顆粒物的減排措施及排放標(biāo)準.

我國已從“交通大國”邁向“交通強國”，綠色交通發(fā)展是我國交通強國建設(shè)的重要基礎(chǔ).由此可見，我國交通運載工具制動過程中所產(chǎn)生的大氣顆粒物排放潛力很大，然而國內(nèi)在此領(lǐng)域的研究還較少，缺乏大量可參考數(shù)據(jù)，現(xiàn)有區(qū)域大氣主要顆粒物排放源調(diào)查和排放清單研究中很少全面地考慮制動過程中的顆粒物排放.結(jié)合目前公眾關(guān)注的城市大氣環(huán)境問題，提出如下需要加強的研究方向：

a.廣泛地探究制動粉塵對我國城市大氣環(huán)境質(zhì)量狀況的影響，深入研究制動磨損源大氣顆粒物的形成機制.

b.構(gòu)建不同測試技術(shù)平臺，較精準地模擬及檢測摩擦制動過程中大氣顆粒物的排放，并建立城市地區(qū)大氣顆粒物的交通示蹤劑監(jiān)測，在線監(jiān)測制動過程大氣顆粒物的排放.

c.明確摩擦制動過程中大氣顆粒物排放源框架下各條件的顆粒物排放機制、關(guān)鍵參數(shù)和排放量，建立精確的排放清單，開發(fā)大氣顆粒物排放模型(因子)，并為減控環(huán)節(jié)提供支持及標(biāo)準.

d.從摩擦磨損機理層面揭示制動條件與大氣顆粒物排放特性的內(nèi)在聯(lián)系，從摩擦材料、制動器結(jié)構(gòu)等方面進行優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)制動磨損源大氣顆粒物的減排.