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                      我国汽车制动材料的研究现状及发展趋势

                      发表时间:2014-10-31 22:12 作者:admin 来源:未知 浏览:

                      汽车制动器衬片,俗称刹车片,是汽车制动系统中重要的安全部件。它将汽车运动的动能转化为热能和其他形式的能量,从而使汽车减速或停止。制动材料是以摩擦为主,兼有结构性能要求的多组分复合材料。随着我国汽车制造业的不断壮大,制动材料也得到了突飞猛进的发展。根据2005年中国刹车片市场调查报告,04年国内摩擦材料产量为19.4万吨,其中盘式和鼓式刹车片占85%以上。国内方面,近年来我国汽车保有量已经达到2570.97万辆,全国每年需求刹车片4亿块左右,市场潜力巨大[1]。另外,据中国摩擦与密封协会的统计,我国摩擦材料产量保持快速增长的势头,2005年产量30万吨,产值56.27亿元,出口交货值13.3亿元;2006年产量达到37.34吨,产值67.34亿元,出口交货值20.51亿元。预计在“十一五”末期,我国摩擦材料总产量将达到60万吨,总产值超过100亿元,其中出口交易值40亿元。随着各国汽车工业的发展和现代社会环保意识的提高,制动材料的运行条件越来越苛刻,人们对它的性能要求也越来越高,可简单将其概括为“三化”。 

                      (1) 无石棉,无污染化 

                      自从1972年国际肿瘤医学会确认石棉及其高温挥发物属于致癌物后,各国家相继禁止使用石棉摩擦材料。我国于1999年10月1日开始实施国家标准《汽车制动系统结构、性能和试验方法》(GB12676-1999),其中明确规定“制动衬片应不含石棉”,并在标准实施起48个月后强制施行。随着人们生活水平的提高,汽车所造成的污染也越来越受到人们的重视,其中刹车片产生的污染也引起了人们的关注。就制动材料而言,对环境的污染主要来自制动过程中产生的噪音及磨屑中的重金属污染。为了控制噪音污染,我国于1996年通过了《中华人民共和国环境噪声污染防治法》,欧洲各国也对机动车辆的噪声释放做出了严格规定(图1,图2)。最近的环境研究显示重金属对环境构成极大的危害,关于重金属污染,在国内还没有被完全了解和关注[2],而国外已有报道。欧盟为此已采取措施禁止或严格限制在汽车构件中使用重金属,不久前在斯德哥尔摩发表的一项研究表明,摩擦材料是铜污染最大的祸首之一。尽管与其它汽车部件相比其所含的铜量较低,但制动片却产生了环境中30%的铜污染。在美国加州,由于刹车片重金属造成的河流和海湾污染已经引起了相关部门的重视,其中很多金属如锑、铅、锌等被怀疑有致癌性。因此,制动材料的低金属及无金属化成为研究重点之一。汽车厂商及摩擦材料供货商正在寻找替代品。TRW(美国天合汽车集团)在环境及安全上的技术创新使其在提供无重金属制动片领域领先一步。通过深入的研究,TRW开发了矿物与陶瓷纤维的混合材料,不使用非环保材料,如紫铜、黄铜、锑铅等[3]。中国也将从TRW的这一成果中获益,一些环保制动产品将会逐步进入国内市场。 

                      (2) 高速化 

                      随着高速公路的普及及火车的再次提速,车辆的行驶速度越来越快。汽车在刹车过程中,制动材料吸收的能量基本和车速的平方成正比。以轿车为例,当车速为100km/h时,制动的热负荷达1130.436KJ。另外,目前小轿车和轻型货车大多从鼓式向盘式制动器转变。该制动器的散热性、热稳定性和水稳定性好,且易于维修和保养。但同时其摩擦面积也只有鼓式的1/4~1/6,单位面积吸收的能量增加4~6倍,高速制动时,摩擦副表面的闪点温度可达1000℃,这就对制动材料的耐热性能提出了更高的要求。 

                      (3) 轻量化 

                      从上世纪70年代开始,能源危机及石油的短缺日趋严重,汽车轻量化的问题被提上日程。当今世界能源紧缺,节能必将是摩擦材料发展的一个重要方向。因此,汽车工业相应的将汽车从较重的后轮驱动改为更小、更轻、更省油的前轮驱动,出现了更小、更轻的刹车片。也就是说在具有优良摩擦性能的同时,较低密度的刹车片将会更具优势。对高档汽车的刹车片而言,一般都要求其密度低于2.5g/cm3。 

                      因此,为满足上述性能要求,开发高性能环保型制动材料已成为摩擦材料行业的当务之急。泛泛而谈,制动材料应满足多方面的性能要求:a具有适中且稳定的摩擦系数。通常,不同厂商对摩擦系数要求各不相同。用在亚洲车型上的有机摩擦材料的摩擦系数值(µ)为0.30~0.35,在美国常用的半金属摩擦材料(µ)为0.35~0.40。而在欧洲,对速度及温度要求显著不同。所用的无石棉有机材料(NAO)摩擦摩擦系数的要求值达0.40~0.45;b高的耐磨性,即较长的使用寿命;c具有良好的导热性、较大的热容量和一定的高温机械强度;d对对偶无攻击性;e无噪声、低成本且对环境无污染等[4-5]。 

                      1 汽车制动材料的发展历程 

                      1.1 鼓式制动器与石棉型刹车片占主导地位 

                      20世纪70年代中期以前是摩擦材料发展的第一时期,汽车制动材料多采用石棉作为增强体。它是以石棉为骨架,其他添加剂和树脂复合而成,石棉在摩擦材料中的含量一般为30%~60%。由于石棉摩擦材料具有成本低、密度小、摩擦系数高、来源丰富等一系列优点,能满足摩擦材料的使用要求,因而获得了广泛的应用,长期占据统治地位[6-7]。 

                      1.2汽车制动器向盘式制动器与非石棉摩擦材料过渡时期 

                      70年代至80年代中期,随着汽车工业的飞速发展,石棉摩擦材料已不能适应现代汽车和社会发展的需要,同时由于石棉摩擦材料的致癌性,各国强烈要求禁止使用石棉摩擦材料。目前,国内外都在大力开展无石棉摩擦材料的研究,先后研制开发了十几种代替石棉制成的摩擦材料。归纳起来主要有以下几种:半金属摩擦材料,有机纤维摩擦材料,玻璃纤维摩擦材料,片状材料增强摩擦材料等[8]。 

                      1.3盘式制动器与新型摩擦材料大发展并得到大规模应用阶段 

                      20世纪80年代中期以来,汽车工业向高速、重载、舒适、环保、轻量化方向发展,制动系统得到不断的改进和完善。许多国家都致力于改进和开发新型无石棉摩擦材料,一大批新型制动材料相继涌现。最具代表性的有粉末冶金摩擦材料,新型混杂纤维摩擦材料,C/C复合材料及新型的陶瓷基摩擦材料。 

                      (1)粉末冶金摩擦材料 

                      粉末冶金摩擦材料又称烧结金属摩擦材料,是以金属及其合金为基体,添加摩擦组元和润滑组元,通过压制成型,然后在高温中烧结而成。采用粉末冶金技术生产摩擦材料时,不但在性能上有突出的优点,特别是在组分的设计上极具灵活性。法国、瑞典、加拿大等国的高速列车均使用这种闸瓦,且取得不错的效果。但其对对偶的磨损偏大,成本与有机摩擦材料相比偏高,尚有待进一步改进[9]。 

                      (2)新型混杂纤维摩擦材料 

                      目前世界上已极少采用单一纤维作为制动材料的增强纤维,混杂纤维增强是摩擦材料的发展方向。所谓新型混杂纤维摩擦材料是指采用两种或两种以上的纤维增强同一种树脂基体的摩擦复合材料。采用混杂技术时,一般都采用性能和价格互补的两种纤维。郭洪涛[10]研究认为炭纤维与芳纶浆粕的混杂表现出很好的摩擦学性能,芳纶纤维在材料摩擦过程中容易在对偶的界面上形成转移膜,摩擦曲线波动幅度比单一炭纤维增强的试样普遍要小,即加入了芳纶浆粕改善了摩擦系数的平稳性,证明了混杂的优异效应。中国专利[11]利用一种价格极为低廉的叶蜡作为填料,采用硅酸铝纤维、钢纤维混杂增强制得一种新型混杂纤维摩擦材料。通过实验测得该种材料在不同温度下摩擦系数稳定、磨损率小、制动效果好,具有很大的市场竞争优势。欧洲专利[12]涉及三种纤维混杂:10~15%的 aramid纤维,5~20%的棉花纤维,2~15%的炭纤维,所研制的摩擦材料比传统材料具有更佳的摩擦磨损性能。 

                      (3)C/C复合材料 

                      C/C复合材料,即炭纤维增强炭基体复合材料。自从1958年问世以来,由于其具有比重小(约为铁的1/5)、强度高(抗拉强度>2GP)、热膨胀系数小、耐高温等优点,在军工、航空、航天等方面取得了长足的发展。其在民用领域方面的应用也日益扩大,很多民用飞机(如波音系列:Boeing747、Boeing757等,空客系列:A330、A340等)和高档赛车(Ferrari F2005、Renault R25、Toyota TF105等)已开始装备C/C刹车副。目前国内中南大学、西北工业大学、中科院金属所、航天集团第四院43所、621所等几家单位的研究在国内居于领先水平。中南大学以博云新材料股份有限公司为依托,C/C刹车副已全面实现产业化、国产化[13-15]。由于C/C复合材料采用化学气相沉积(CVD),液相浸渍炭化的生产工艺,生产周期较长,因此成本较高,价格昂贵(一副C/C刹车盘价格高达上万元),这也制约了其在更广阔领域特别是汽车领域的应用。 

                      (4)新型陶瓷基摩擦材料 

                      由于无石棉有机制动材料存在耐热性问题,半金属摩擦材料又存在密度较大、攻击对偶、产生噪音等不足,而尽管C/C复合材料能解决上述问题,但其成本较高。陶瓷摩擦材料具有密度适中、耐高温、耐腐蚀、价格适宜等优点,已被广泛的应用于制动领域。一般来说,陶瓷基摩擦材料中陶瓷的体积分数至少占到45%以上,有的甚至达到80%~90%。常用的性能优良的陶瓷有:SiC、B4C、Si3N4、Al2O3、AlN等[16]。德国斯图加特大学和德国航天研究所等单位对C/C-SiC复合材料应用于摩擦领域进行了研究,并成功应用于保时捷高档轿车上[17]。Pinggen Rao[18]对低温烧结高纯Al2O3陶瓷的性能进行了探讨,L.E sposito等对低纯Al2O3陶瓷的摩擦磨损性能进行了研究[19]。目前在国外,添加陶瓷纤维作为增强材料,利用改性树脂和橡胶为粘合剂,以多种人工合成的有机和无机材料作为摩擦性能调节剂制成的一种非金属摩擦材料,也叫做陶瓷基摩擦材料。其特点是:1)无噪音。陶瓷配方不但很好的消除了行车制动噪音,而且通过对静摩擦系数和动摩擦系数的平衡,解决了半金属和少金属配方很难克服的低频噪音。2)无落灰,抗腐蚀能力强。陶瓷配方中没有金属成分的加入,很好的解决了金属纤维锈蚀的问题。对油酸不敏感,且其具有优异的摩擦粉尘性能,一般行车一千公里以内不会有明显的轮毂落灰现象。3)使用寿命长。陶瓷摩擦材料采用大量的有机和无机材料,材料之间有良好的亲和性能,并在制动过程中可以形成较好的摩擦膜和转移层,具有很好的润滑效果,大大提高了材料的使用寿命,与半金属相比,其使用寿命可提高1.5倍以上。4)绿色环保,制动舒适。陶瓷材料优异的理化性能以及不含重金属的配方,使制动材料具有噪音低、粉尘少的特点,且对环境无污染,完全符合日益提高的环保要求。 

                      2 汽车制动材料需要解决的关键技术 

                      近年来,国内外对汽车制动材料进行了广泛的研究,并取得了巨大的研究成果。但目前,汽车制动材料还需解决以下两项关键技术: 

                      1)提高摩擦材料粘结剂的性能。粘结剂是摩擦材料组成的核心,它性能的好坏直接影响刹车片的性能。一般来说,粘结剂应具有长寿命、良好的稳定性和较好的耐热性能,其中耐热性是关键。目前,人们普遍采用物理和化学的方法对酚醛树脂进行改性,其耐热性能大幅度提高。但随着车速的提高,对摩擦材料的热衰退性能提出了更高的要求。目前摩擦材料粘结剂的研究,已不再局限于树脂和橡胶,而且拓展到了利用金属粉末或金属硫化物在高温下具有的特殊性能,减少树脂在摩擦材料中的使用比例,以弥补树脂及橡胶在高温下的不足。因此,尽管采用高性能树脂能提高摩擦材料的耐热性能,但其改善毕竟有限,我们应更多的关注和利用金属粉末及金属硫化物的性能或开发一些新型的无机粘结剂。同时,材料的热传导性虽然是影响耐热性的间接因素,却非常重要。因此,为了降低制动温度,提高耐热性能,我们也可以从提高制动材料的导热系数入手,加快散热速度,防止材料因温度过高导致性能下降。 

                      2)随着现代环保意识的增强,人们对汽车产生的噪音的问题越来越关注。因此,减少刹车片诱发的制动噪音成为一个重要的研究课题。汽车刹车片噪音,涉及到制动器的总成结构,而不单是制动材料本身的问题。目前,科学界对噪音的产生及形成机理还没有统一的定论。一般认为,其原因不外乎三种[20]:一是刹车片与对偶不匹配,产生共振或伤盘;二是刹车片的摩擦稳定性差;三是刹车片与制动对偶随制动比压、温度、速率的变化,双方材质互为粘附。为解决此问题,一般可以添加一些润滑剂和增韧剂,积极开发轻质和性能优越的多孔填料,以降低制动噪音。 

                      3 汽车制动材料的发展趋势 

                      汽车工业的快速发展造成了汽车摩擦材料研究的白热化。为了开发能满足当代汽车工艺要求的全新制动材料,当前汽车制动材料发展趋势可以从以下几个方面来看。 

                      3.1 摩擦磨损理论的完善 

                      汽车在制动时,即是发生在制动材料和金属刹车盘之间的摩擦过程。现代摩擦学往往把摩擦材料/金属刹车盘这一对摩擦副的相对运动过程,视为是摩擦学系统[21-22]。其基本思想是,把相对运动和相互作用的诸表面及参加作用的介质,抽象成由摩擦学元素构成的系统,然后依据系统学理论,把摩擦学系统归属于开式、离散、动态系统,研究摩擦过程中能量和材料的损失。与此同时,摩擦学系统的结构和功能,也随摩擦过程变化。可由图4所示系统模型来描述这一摩擦学系统[23]。 

                      关于制动材料摩擦磨损机理的研究主要包括以下两方面:一方面是试图从理论上解释磨损机理,导致了不少磨损模型和假设的建立;另一方面是努力通过实验找到磨损的规律,使磨损机理的理论研究和实际应用结合起来,建立磨损的计算方法。迄今为止,关于制动材料摩擦磨损机理的研究很多,但由于制动材料中成分和组织以及材料性能的复杂性,还没有一个公认的理论能解释所有的摩擦磨损现象。目前己有的算式大部分是基于某一种磨损机理而建立的,或是根据特定的实验条件而建立的经验公式[24]。因此,关于其磨损机制的研究和磨损模型的建立还有待深入和完善[25]。一般来说,摩擦材料与金属对偶体系可反映5种磨损类型,即:磨粒磨损,粘着磨损,疲劳磨损,热磨损和宏观剪切磨损[26]。 

                      另外,目前关于汽车制动材料的报导绝大多数仅局限于宏观层次上的研究,而很少从微观上进行分析。为了能对制动材料摩擦磨损机理有更好的认识,更现代化检测手段的运用显得十分必要。譬如,由于扫描电镜对非导电体的观测并不充分,而原子力显微镜提供了在原子、分子尺度上观察非导体表面形貌的有效手段,所以可以从更加微观的角度上对摩擦材料表面、磨屑以及对偶件的形貌特征和化学成分特征进行分析研究。同时,随着新材料和微电子技术的迅速发展,人们将微电子技术和微传感器技术用于摩擦材料,形成能够自动检测制动过程中摩擦系数、摩擦力、摩擦量及表面温度的功能摩擦材料,进而通过控制技术自动调节制动过程中的制动力和表面温度,这将有助于更深入的了解制动过程中的摩擦磨损现象。这些都是未来制动材料发展的重要方向。 

                      3.2 材料的改性及配方的优化设计 

                      汽车制动材料是以高分子化合物为粘结剂,以无机或有机类纤维为增强成分,以矿物粉体和有机粉体为摩擦性能调节剂制备而成的功能材料。其组成成分少则十几种,有时甚至添加了几十种不同的材料。根据各个组分在摩擦材料中所起的作用,一般将其分为增强纤维、有机粘结剂和填料。 

                      3.2.1 原材料的改性研究 

                      在原材料方面,对于增强纤维,由于单一纤维各有优缺点,且在不同方向上具有不同的力学和物理性能。因此,对纤维增强的摩擦材料而言,使用混杂纤维进行合理复合,使其充分发挥各自的优点,制成性能优良、成本较低的摩擦材料,必将成为摩擦材料的研究方向之一。对于树脂粘结剂,目前主要还是选用酚醛树脂,其最突出的优点是耐热性好,但在高温下会分解,使摩擦材料发生热衰退,摩擦磨损性能变差,因此酚醛树脂的改性也是其研究方向之一。对填料而言,在现代汽车制动材料中,有机粘结剂和增强纤维的用量正逐渐减少,以矿物为主的填料用量越来越多。各国都在积极研究开发一些轻质、多孔的无机填料,特别是当一些纳米粒子的填料加入时,产生了一种新型的摩擦材料,即纳米摩擦材料。 

                      3.2.2 纳米摩擦材料 

                      纳米复合材料的概念于20世纪80年代中期由Roy提出[27]。纳米复合材料具有优异的性能和广泛的应用价值,利用纳米粒子取代普通无机填料与聚合物基体复合,能大幅度提高聚合物材料的整体性能[28]。贺鹏等[29]将其作用归纳为以下几点:提高热性能,如热膨胀系数降低、导热系数大幅提高、阻燃性增强;改善力学性能,如同时增加强度和增加韧性、增强耐磨性、改进光电性能等。葛世荣等[30]人,制备了纳米SiO2和纳米TiO2填充PA1010尼龙复合材料,测试结果表明:填充纳米颗粒可以提高尼龙复合材料的力学性能,纳米SiO2和纳米TiO2作为填料可以提高PA1010的耐磨性,降低摩擦系数。其中纳米颗粒的最佳质量分数为10%。马世宁[31]等对纳米固体润滑干膜的摩擦学性能进行了研究,试验表明:添加纳米Al2O3粉末在摩擦系数略有增加的同时,耐磨性也得到了很好的改善。美国马里兰大学[32]材料系在实验室研制成功纳米Al2O3与橡胶的复合材料。这种材料与常规橡胶相比,耐磨性大大提高,介电常数也提高了将近一倍。 

                      3.2.3 材料配方的优化设计 
                      汽车制动材料一般采用模压成形法,因此材料的成分配方至关重要。目前在代表世界摩擦材料先进水平的欧洲和北美国家中,其摩擦材料先进的配方技术主要体现在:1)无石棉、无金属、无Kevlar等化学纤维和天然纤维、树脂含量低至5%~6%,并采用第二粘结剂。2)多体系复合材料的配方优化。多年以来,摩擦材料研究及应用的主导体系一直是以1维唯象的纤维为增强体、0维唯象的颗粒为填料和3维唯象有机基体组合而成的0-1-3型聚合物基复合材料体系。目前,国内外开展了多种新结构体系摩擦材料的研究,有研究者选用多种纤维、以2维唯象的层片为增强体,并与多种有机无机微粒和树脂混合制得0-1-2-3型复合体系摩擦材料。发现以相同的填充分数,可获得比单纯纤维和单纯粒子增强材料高的力学性能,并能同时兼顾强度和韧性、高温摩擦和磨损性能、综合性能优越。 
                      在汽车制动材料配方优化设计的过程中,大量的专利技术和应用研究用来完善和提高制动材料的摩擦磨损性能。曹献坤[33]等人对Kevlar增强纤维的摩擦材料配方进行了研究设计。应用正交试验设计方法,以摩擦制品的摩擦系数、磨损量和冲击强度为试验指标,由多因素方差分析进行配方优化,得材料配比(Wt%)为:Kevlar纤维1~5,膨胀蛭石片40~50,改性酚醛树脂16~19,石墨5~8,有机摩擦粉10~15,无机填料10~18。杨金生[34]等对半金属制动材料的成分配方进行了改性并获得较好的制动摩擦磨损效果。国外商用摩擦材料的配方设计,由于涉及到商业秘密很少公开,在摩擦磨损机理研究中,只会简单给出实验材料的配方。韩国的Ho Jang等[35]学者,对复合摩擦材料中的Sb2S3ZrSiO4在表面摩擦过程中的特性进行了研究,并给出了材料的配方。美国专利[36]利用10%的aramid纤维,5%的钛酸钾纤维,与10%酚醛树脂和其他调节剂,在一定工况下,形成5~100µm厚的有机薄层,极大的减少了制动噪音与震颤。M.H.Choa[37]对灰铸铁制动鼓在摩擦过程中,灰铸铁摩擦表面的微观形貌变化进行了研究,并比较了有钢纤维摩擦材料与无钢纤维摩擦材料对灰铸铁表面的影响特性。同时给出了两种试验用复合摩擦材料的配方,如表1所示。

                      表1:某复合摩擦材料的配方和物理特性表 

                      3.3 制备工艺的改进及低成本化 

                      目前汽车刹车片的市场主要以树脂基和半金属基复合摩擦材料为主,其制备技术已相对稳定和成熟,但由于树脂耐热性的问题,其摩擦性能还有待进一步提高。而对于一些金属和金属陶瓷基摩擦材料,虽然各方面性能较佳,由于其价格高、制造工艺复杂、成本因素制约了其在中低档汽车上的推广应用。各个国家在制造工艺方面均做了大量的研究,采用了许多先进技术,如对金属纤维的软化处理,对非金属纤维的蓬松处理和浸渍处理,对硬质原料粉末的球化处理,喷涂、挤压、大气压力固结(CAP)技术,组合固结,Starmix混粉技术,快速多项移动成型(BOG)技术,以及后续加工和表面处理等,均是为了全面提高摩擦材料的综合性能[38]。 

                      4 结束语 

                      当今世界,节能和环保是汽车工业的两大主题。因此,今后汽车制动材料的主要研究方向是更安全、更轻量化、更省燃油。这不仅需要新材料的开发,还需要采用新结构、新系统,从而大幅度提高制动材料的摩擦磨损性能,实现轻量化,达到节能的目的。 
                      近几年来,随着我国汽车工业的突飞猛进,制动材料也取得了很大的发展。但跟国外相比,还有一定的差距。为开发新型的制动材料,我们应审时度势,随时跟踪国际市场,根据我国国情发展自己的汽车制动材料;在努力提高产品质量及批量稳定性的同时,开发新产品,满足不同车种和行驶条件的要求;改善树脂粘结剂质量并开发新型的无机粘结剂;采用新工艺、新型摩擦材料,为振兴我国汽车工业做出应有的贡献。(end)
                       

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