汽车制动用摩擦材料的状况

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【摘 要】随着汽车向高速、节能、环保方向的发展,摩擦材料性能的优劣将直接影响汽车行驶的安全性、稳定性、舒适性.本文从摩擦材料的分类、性能要求及影响性能的因素等方面介绍了汽车摩擦材料的状况,对无石棉摩擦材料存在的问题进行分析,并对其发展趋势进行了展望.

【关 键 词】摩擦材料；性能要求；发展趋势

【中图分类号】TH【文献标识码】A

【文章编号】1007-4309（2011）02-0043-2.5

汽车摩擦材料作为制动器、离合器和摩擦传动装置中的关键材料,其作用是将汽车运动的动能转化为热能和其他形式的能量,从而达到汽车制动,它的性能好坏直接关系到汽车系统运行的可靠性和稳定性.

一、摩擦材料的分类

汽车制动用摩擦材料的种类繁多,按照其发展历程可分为两大类：石棉摩擦材料和无石棉摩擦材料.按照材料材质的类型可分为3大类：树脂基摩擦材料、粉末冶金摩擦材料、碳碳复合摩擦材料和陶瓷基摩擦材料.

(一)树脂基摩擦材料

树脂基摩擦材料是指采用树脂为黏结剂的摩擦材料,根据其主体摩擦组元的种类不同,又包括石棉摩擦材料、无石棉摩擦材料、纸基摩擦材料和碳基摩擦材料等.石棉摩擦材料是采用石棉纤维添加适量填料,以树脂为黏结剂,采用热压工艺制成的摩擦材料.无石棉摩擦材料是采用其他纤维如金属纤维、植物纤维和合成纤维等替代石棉材料制成的摩擦材料.而纸基摩擦材料是以纸浆为基体,添加适量的填料,以树脂为黏结剂,采用造纸和热压工艺制造而成.为此,不同树脂基摩擦材料除基体组成不一致外,其使用条件和性能具有相似性.

石棉纤维是较早作为增强剂应用摩擦材料的纤维材料,由于其具有热稳定性好,价格低,机械性能优良,与树脂基体匹配良好等特点,广泛应用于摩擦材料增强领域.近年来,经研究由于石棉传热性能差,使摩擦热不易迅速散发,加重了材料的磨损,并且石棉纤维在400℃左右将失去结晶水,在550℃时全部失去结晶水,失去了增强效果,不仅摩擦性能大幅度的降低,而且在制动过程中产生的石棉磨屑颗粒粉尘,具有强烈的致癌作用.所以在70年代起,许多国家开始就开始禁止生产使用石棉纤维制品.

20世纪70年代由美国本迪克斯公司研制出无石棉摩擦材料,它除了绿色环保外,且在制动耐热性、稳定性方面去的了较大的提高.并在替代石棉纤维的过程中发展了半金属摩擦材料（采用金属纤维替代石棉纤维,金属含量超过50%）、玻璃纤维增强摩擦材料和芳纶纤维增强摩擦材料等多种无石棉摩擦材料.但到目前为止,任何一种增强纤维的综合性价比都没有石棉的性能优良,为此,对于无石棉摩擦材料的研制仍是摩擦材料的研究热点之一.

(二)粉末冶金摩擦材料

粉末冶金摩擦材料以金属粉末为基体,添加适量的润滑组元和摩擦组分,采用粉末冶金工艺制造而成.用粉末冶金生产的铁基、铜基金属陶瓷摩擦材料,可用于较高的使用温度,很大程度上解决了高温摩擦系数热衰退和热磨损问题,使刹车装置的设计和使用获得了较大的延伸.但是其价格高、制造工艺复杂、制动噪音大、脆性大以及对偶件的擦伤和磨损大等缺点,制约了它不能在汽车尤其是轿车制动器上获得广泛应用,只能应用在坦克、航空、船舶、重载卡车、高速列车以及其他高速高载荷运动部件的制动器中.

为了降低成本,各国纷纷研究开发铁基粉末冶金摩擦材料并致力解决对偶件磨损大的问题.美国专利4415363和欧洲专利EP0093673A提供了美国Bendix公司将铁基摩擦材料专用于盘式制动器并成功地解决与铸铁不相容的问题.另一项研究对铜-铁基粉末冶金摩擦材料的摩擦磨损特性进行了详细探讨.因此,对粉末冶金摩擦材料的研究工作,应主要集中在对其缺点方而的研究和改进工作.

(三)C/C复合摩擦材料

C/C复合摩擦材料是以碳纤维（或碳布）为基体采用反复致密化和碳化工艺获得的高性能摩擦材料.它的摩擦性能十分优异,密度低（仅为钢的1/4）；能载水平高,具有比粉末冶金材料、钢材高得多的热容量；热强度高；无变形、粘结的现象,工作温度可达2200℃；摩擦磨损性能良好,使用寿命长,在刹车过程中其摩擦系数稳定适中.C/C复合摩擦材料最早是在20世纪70年代研制的,主要应用于飞机刹车片.在高温条件下由于其质量轻、能载高、耐高温能量强、使用寿命长等特点,一经出现,便迅速得到推广应用.

C/C复合摩擦材料具有良好的热稳定性、耐磨损性、导电性、比强度、比弹性率等.但是C/C复合摩擦材料也存在着以下缺点：摩擦系数不稳定,受湿度的影响很大；抗氧化性能差（在空气中500℃以上发生严重氧化）,对环境（干燥、干净）的要求较高；单次刹车成本高,限定在特殊领域范围内应用,不易大范围推广,目前其他高性能刹车材料在高能制动领域依然占有主导地位.

(四)陶瓷基摩擦材料

陶瓷基刹车材料是指添加一定数量具有陶瓷性能氧化物并总体呈现出陶瓷性能的刹车材料.陶瓷基刹车材料结合了粉末冶金刹车材料的高温烧结和C/C复合刹车材料的低密度和耐高温性能,同时克服了C/C复合刹车材料高温氧化的缺点,无论在低温还是高温都能保持良好的制动效果,减少磨损,降低噪音；通常具有高热容量、低磨损率以及抗热冲击的特点,而且具有较高的摩擦系数,在干摩擦条件下,陶瓷/金属配副的摩擦系数一般在0.4-1.0之间.

在摩擦学领域中,基于陶瓷的这些性能特点,人们很早对它的应用做出了研究.由于陶瓷的容易断裂制约了它的应用,但陶瓷基体经纤维或晶须增强后,不仅强度提高,而且韧性大大上升,为它在其他领域的广泛应用提供了保证,并逐渐在高速列车、重载汽车等条件下获得应用.目前陶瓷基复合摩擦材料的研究重点是采用借助部分粉末冶金工艺,研制出具有耐高温、抗氧化、磨损少等综合性能优良的刹车材料.C/C-SiC复合摩擦材料和A1203基摩擦材料成为国内外陶瓷基复合刹车材料的研究重点.因此,纤维增强陶瓷是陶瓷基复合材料中最有发展前景的.

二、摩擦材料的性能要求

在一定的制动工况条件下,摩擦材料的性能应满足如下几点要求：

1．适中的摩擦系数,当外界条件（如制动速度、压力、温度、环境介质等）改变时对其影响较小,且动、静摩擦系数相差不大.对不同的工况条件,制动性能要求有所不同,一般规定下限是保证制动要求所必须的摩擦力,而上限是防止制动副可能发生的情况；

2．有较高的耐磨性、良好的导热性、较大的热容量和一定的高温机械强度；

3．刹车片对摩擦对偶件（盘或鼓）的表面损伤小,不易划伤表面和产生严重粘着,磨合性好,无臭味、无污染；

4．良好的机械物理性能（强度、硬度、热膨胀量、压缩特性等）；

5．经济性好,原料来源充足、价格便宜、生产制造工艺简单.

要完全满足上述各点要求是困难的,对于汽车制动副,即不但应按工况条件满足所需的摩擦系数以及在制动过程中所允许的变化范围和预定寿命所要求的耐磨性,而且还应满足制动时平稳、舒适的要求.

三、影响摩擦材料性能的因素

影响摩擦材料性能的内因取决于原材料、配方设计和成型工艺.配方就是原材料的含量,而成型工艺包括制备工艺和后处理工艺.经实验证明,低温低压下生产的摩擦材料具有更好的摩擦磨损性能,且有孔隙结构,密度低,节约能量,降低生产成本.而后处理工艺能够起到稳定摩擦磨损性能的作用.

汽车摩擦材料主要由基体材料（如树脂、橡胶等）、增强材料（如石棉、钢纤维、玻璃纤维、陶瓷纤维、碳纤维等）、摩擦性能调节剂（如石墨、铜纤维、重晶石等）三种成分组成.

酚醛树脂由于具有良好的耐热性能和力学性能,且原料充足、价格便宜、工艺和生产设备简单等优点,所以大多数摩擦材料的基体材料选取酚醛树脂.但由于纯酚醛树脂耐热性差、制品模量过高、硬度大,因此需要进行改性.树脂起着粘接成型的作用,直接影响着摩擦材料的摩擦磨损性能、衰退性能、硬度、冲击强度、三点弯曲性能等.

增强材料是用以提高材料整体的强度、模量、耐高温性能、导热性,以及增大单位面积吸收功率,减小密度和磨损率,起到功能材料的作用.由于一种增强材料不可能同时具有摩擦材料所需的多种增强、改性功能,因此,人们把多种纤维混杂在一起,充分发挥各种纤维的优点.

摩擦性能调节剂在摩擦材料中起调节摩擦系数、磨损率、冲击强度、硬度、耐热性,以及降低制动噪音、保护对偶材料、降低成本等作用.但由于它的组分较多,要合理调配各组分的含量.常用的调节剂有金属氧化物、硫化物、矿物粉等,制备时要确保它们在复合成型时不发生化学反应,耐腐蚀、耐高温、且不吸湿,便于分散.

影响摩擦材料性能的外因是温度和PV值.当急速刹车时,温度瞬时上升,摩擦时的温升对金属-聚合物摩擦副的影响很大,聚合物材料受热时产生热分解、力学性能的下降,且在热-力化学作用下还会产生结构变化等.因此,选择粘结剂首先要考虑热性能好,此外模量低、结构强度高、分解温度高、分解速度慢、分解残留物有一定摩擦性能等.

比压（P）和速度（V）对材料性能的影响表现为因摩擦功转化为热能而导致材料表面产生软化、熔融及炭化.PV值小于极限值时磨损率变化不大；超过极限值时磨损率急剧增加,导致材料出现严重磨损,甚至严重破坏而失效.平均摩擦系数随负荷、速度和温度的增加而减小.因此,要设法提高材料的结构强度.

此外,填料对摩擦材料的机械性能、物理性能和摩擦性能也有重要影响,它能调节摩擦材料的硬度,改善制动噪音和产品外观,降低成本.但在实际生产中研究人员往往只凭经验和习惯选择填料,没有一套系统科学的理论作指导.

四、制动用无石棉摩擦材料存在的问题及展望

尽管现阶段我国对无石棉摩擦材料在研制和生产方面取得了一些成果,但仍存在一些亟待解决的问题：

首先,在生产刹车片用的所有原料中,树脂黏结剂对温度最为敏感,黏结剂耐高温性能的好坏直接决定了刹车片抗热衰退性能的好坏,因此耐高温树脂的开发是研制高性能刹车片的关键.目前刹车片工业上使用的黏结剂大都是改性酚醛树脂,可选择的种类有限,无法满足刹车片产品高性能化的发展要求,所以有必要开发不含酚醛树脂的黏结剂.

其次,目前对刹车片热衰退现象的研究主要集中在应用方面,如选用耐高温树脂、耐高温纤维、金属纤维、金属粉末等来提高刹车片的抗热衰退性能.但要从根本上解决这个问题,还需要对热衰退机理作深入系统的研究.

再次,刹车片与对偶件之间的磨损十分复杂.汽车紧急制动时,在高温和机械力的共同作用下,刹车片与对偶件之间的界面处会发生一系列的物理化学变化（氧化、高温分解、颗粒化、爆裂融化、蒸发、升华等）,导致材料磨损.国内外在磨损机理方面做了大量研究,主要有粘着磨损、磨粒磨损、疲劳磨损、热磨损,但是由于摩擦表面的复杂性,还有待进一步研究与完善.

最后,原材料的混配及称量自动化程度不高,工艺参数大都为人工控制,不可避免地带来人为因素对性能造成的影响.为此,通过精密控制刹车片生产过程中的压力、温度和时间,最大限度满足成形过程中的所有技术要求,等比压压制的方法将得到普遍重视.

综上所述,开发研制新型高性能无石棉摩擦材料已经成为企业和科研人员的迫切追求.同时,要吸收并借鉴国外的先进技术,尽早解决现实存

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【收稿日期】2011年1月10日

【作者简介】李云鹏：吉林大学生物与农业工程学院.邢记龙：吉林大学生物与农业工程学院.郑阳：吉林大学生物与农业工程学院.王铁山：吉林大学生物与农业工程学院,吉林大学机电设备研究所.曲波：吉林大学生物与农业工程学院,吉林大学机电设备研究所.