汽車傳動(dòng)和制動(dòng)系統(tǒng)的陶瓷摩擦材料探秘

洪桂香

(武漢市漢江工程材料公司，武漢 430055)

汽車傳動(dòng)和制動(dòng)系統(tǒng)的陶瓷摩擦材料探秘

洪桂香

(武漢市漢江工程材料公司，武漢 430055)

摘要:在汽車的制動(dòng)系統(tǒng)中，制動(dòng)摩擦片是最關(guān)鍵的安全零件,所有制動(dòng)效果的好壞都是制動(dòng)摩擦片起決定性作用,所以說，好的制動(dòng)摩擦片是人和汽車的保護(hù)神。針對(duì)研制開發(fā)新型摩擦材料已成為相關(guān)行業(yè)的當(dāng)務(wù)之急，論述了汽車陶瓷制動(dòng)摩擦片材料引領(lǐng)時(shí)尚潮流，分析了陶瓷制動(dòng)摩擦片的性能優(yōu)勢(shì)，介紹了摩擦材料的技術(shù)要求及陶瓷制動(dòng)摩擦片的關(guān)鍵技術(shù)，提出了我國(guó)陶瓷制動(dòng)片產(chǎn)品走向國(guó)際中高端市場(chǎng)。

關(guān)鍵詞:汽車傳動(dòng);制動(dòng)系統(tǒng);陶瓷摩擦材料;關(guān)鍵技術(shù)

眾所周知,汽車制動(dòng)摩擦片也叫剎車皮。在汽車的制動(dòng)系統(tǒng)中制動(dòng)摩擦片是最關(guān)鍵的安全零件,所有制動(dòng)效果的好壞都是制動(dòng)摩擦片起決定性作用,所以說好的制動(dòng)摩擦片是人和汽車的保護(hù)神。為適應(yīng)現(xiàn)代汽車日益苛刻的高速、安全、舒適等要求,必須不斷努力發(fā)展制動(dòng)系統(tǒng)及其制動(dòng)摩擦材料。特別是在高溫制動(dòng)時(shí),制動(dòng)摩擦材料的穩(wěn)定性及安全性至關(guān)重要。

1研制開發(fā)新型摩擦材料已成為相關(guān)行業(yè)的當(dāng)務(wù)之急

摩擦材料是一種應(yīng)用在動(dòng)力機(jī)械上，依靠摩擦作用來執(zhí)行制動(dòng)和傳動(dòng)功能的部件材料。它主要包括制動(dòng)器襯片(剎車片)和離合器面片(離合器片)。剎車片用于制動(dòng)，離合器片用于傳動(dòng)。任何機(jī)械設(shè)備與運(yùn)動(dòng)的各種車輛都必須要有制動(dòng)或傳動(dòng)裝置。摩擦材料是這種制動(dòng)或傳動(dòng)裝置上的關(guān)鍵性部件。它最主要的功能是通過摩擦來吸收或傳遞動(dòng)力。如離合器片傳遞動(dòng)力，制動(dòng)片吸收動(dòng)能。它們使機(jī)械設(shè)備與各種機(jī)動(dòng)車輛能夠安全可靠地工作。所以說摩擦材料是一種應(yīng)用廣泛又甚關(guān)鍵的材料。制動(dòng)摩擦材料對(duì)生態(tài)環(huán)境的負(fù)面影響和對(duì)人身健康的潛在威脅越來越受到人們的密切關(guān)注，并成為該行業(yè)的研究熱點(diǎn)。

摩擦材料是一種高分子三元復(fù)合材料，是物理與化學(xué)復(fù)合體。它是由高分子粘結(jié)劑(樹脂與橡膠)、增強(qiáng)纖維和摩擦性能調(diào)節(jié)劑三大類組成及其它配合劑構(gòu)成，經(jīng)一系列生產(chǎn)加工而制成的制品。摩擦材料的特點(diǎn)是具有良好的摩擦系數(shù)和耐磨損性能，同時(shí)具有一定的耐熱性和機(jī)械強(qiáng)度，能滿足車輛或機(jī)械的傳動(dòng)與制動(dòng)的性能要求。它們被廣泛應(yīng)用在交通車輛、石油鉆機(jī)等各類工程機(jī)械設(shè)備上；也可作為動(dòng)力的傳遞或制動(dòng)減速用不可缺少的材料。

制動(dòng)系統(tǒng)是汽車的關(guān)鍵部件之一，而剎車片的綜合性能直接影響到制動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。汽車高速化要求越來越高，相應(yīng)對(duì)制動(dòng)摩擦材料以及結(jié)構(gòu)也提出了更加苛刻的要求。目前國(guó)內(nèi)已應(yīng)用的摩擦材料中，無一能全面綜合滿足新的要求，因此導(dǎo)致一些賽車、進(jìn)口車主要依靠進(jìn)口來維持，這一狀況己嚴(yán)重制約了汽車的制動(dòng)性能乃至我國(guó)汽車業(yè)的高速發(fā)展。因此盡快研制開發(fā)新型摩擦材料已成為摩擦材料業(yè)的當(dāng)務(wù)之急。

由于現(xiàn)在汽車制動(dòng)系統(tǒng)主要使用的半金屬摩擦材料和無石棉摩擦材料剎車片存在噪音、振動(dòng)、磨損率高、使用壽命短等問題,而可替代的碳/碳復(fù)合摩擦材料雖然性能優(yōu)異,但其成本較高,通常只是在飛機(jī)上使用。而陶瓷材料具有比重小、熔點(diǎn)高、硬度大、化學(xué)穩(wěn)定性好和耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)已被廣泛地使用在摩擦材料上。因此,開發(fā)摩擦性能穩(wěn)定,磨損率低,使用壽命長(zhǎng),無噪音和振動(dòng)的新型陶瓷摩擦材料已經(jīng)成為現(xiàn)在摩擦材料研究的一個(gè)熱門領(lǐng)域。

陶瓷剎車片顛覆了傳統(tǒng)意義上的陶瓷剎車概念,它是由陶瓷纖維、不含鐵的填料物質(zhì)、膠粘劑和少量的金屬組成的。金屬陶瓷是一種既象鋼鐵那樣堅(jiān)硬又象陶瓷一樣耐高溫、耐腐蝕的復(fù)合材料。純金屬在高溫中容易被氧化使強(qiáng)度大大降低，而陶瓷能耐高溫、耐腐蝕，但脆性大，導(dǎo)電率低，高溫流動(dòng)性差。如果把金屬和陶瓷摻合在一起，就可以在高熔點(diǎn)的情況下得到強(qiáng)度高，硬度大、抗氧化能力強(qiáng)，并具有一定的延展性和良好的熱穩(wěn)定性的金屬陶瓷。

汽車離合器從動(dòng)盤是汽車傳輸動(dòng)力的關(guān)鍵部件。通常離合器從動(dòng)盤所用摩擦面片材料多為樹脂石棉摩擦材料。由于石棉摩擦材料在頻繁起停離合以及起步過程中滑摩功大，摩擦片溫度升高，會(huì)造成摩擦片的摩擦系數(shù)下降，降低離合器傳扭能力；或造成摩擦片燒蝕碳化，形成龜裂，降低摩擦片使用壽命等。國(guó)外已經(jīng)采用金屬陶瓷摩擦材料作為重載汽車、公共汽車及工程車輛的離合器從動(dòng)盤面片材料。它采用了價(jià)廉鋼纖維和粒狀石墨替代部分銅、錫等粉末和鱗片石墨，并研究了它們對(duì)金屬陶瓷摩擦材料的力學(xué)與摩擦磨損性能的影響規(guī)律，成功研發(fā)出多種汽車離合器用金屬陶瓷摩擦材料。主要力學(xué)和摩擦磨損性能為：抗彎強(qiáng)度≥55MPa，在0.4～1.0MPa比壓下摩擦系數(shù)0.30～0.48，20次制動(dòng)材料磨損0.045mm，對(duì)偶磨損≤0.005mm。已達(dá)到和超過了國(guó)外(日本)同類材料。其成本可降低10%～20%。金屬陶瓷摩擦材料和離合器摩擦片的制備是采用粉末冶金方法，其基本工藝為原材料按配方進(jìn)行混合均勻、采用模壓法制成壓坯、壓坯與鋼背組合后進(jìn)行保護(hù)氣氛下加壓燒結(jié)而制得，性能達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。金屬陶瓷摩擦片裝成的金屬陶瓷離合器從動(dòng)盤主要適用于需要頻繁起停離合以及起步過程中滑摩功大，如沙漠車、礦山載重車、山區(qū)載重車、公交客車以及工程等車輛。這種從動(dòng)盤在惡劣工況條件下性能可靠，在使用中不會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪及壓盤(摩擦對(duì)偶)造成損傷，可以同規(guī)格的樹脂石棉或玻纖摩擦片從動(dòng)盤互換，使用壽命里程與樹脂石棉從動(dòng)盤相比可提高1～3倍，可以取得巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

制造金屬陶瓷材料相對(duì)比較簡(jiǎn)單，只需要在氧化鋁中加入一些金屬鉻；在碳化鈦中加入一些金屬鎳，就可以制造成金屬陶瓷。摻有超微陶瓷粉末的金屬鋁，是一種重量輕、強(qiáng)度高、韌性大、耐熱性能好的金屬陶瓷。含20%的超微鈷粉末的金屬陶瓷是性能很好的耐高溫材料，主要用于運(yùn)載火箭的噴嘴。由于金屬陶瓷具有金屬和陶瓷兩者的優(yōu)點(diǎn)，因此，應(yīng)用范圍極為廣泛。金屬陶瓷具有很高的機(jī)械強(qiáng)度和硬度，有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，又有好的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性，而且比重小，很適合原子能工業(yè)和航空工業(yè)的需要。例如，要把原于反應(yīng)堆的體積縮小，以便在艦船、潛水艇中使用，就得提高它的工作溫度，用金屬做成的核燃料元件，在700℃就會(huì)破裂或變形，可是用金屬陶瓷作元件，溫度即使高達(dá)1000℃，反應(yīng)堆還能照常工作。火箭技術(shù)更需要耐高溫的材料,比如，洲際導(dǎo)彈、宇宙飛船等，當(dāng)它們返回大陸時(shí)，由于速度很高，和大氣劇烈地摩擦，會(huì)產(chǎn)生極高的溫度，金屬陶瓷可以“赴湯蹈火”地承擔(dān)這項(xiàng)重任。還有一種叫“發(fā)汗材料”的金屬陶瓷，當(dāng)溫度增加到一定高度時(shí)，發(fā)汗材料所含的金屬就被蒸發(fā)了。好象人發(fā)汗一樣，一出汗，就帶走了大量的熱量，使飛行器溫度下降，不至于被高溫?zé)龤А０l(fā)汗材料雖然“出汗”，可是其外部形狀和大小卻保持不變。這就可以保證飛行器正常運(yùn)行，能準(zhǔn)確地到達(dá)目的地。

2汽車陶瓷制動(dòng)摩擦片材料引領(lǐng)時(shí)尚潮流

傳統(tǒng)的汽車陶瓷制動(dòng)摩擦片材料系用石棉纖維填充酚醛樹脂制造，其中石棉由硅酸鹽礦物而制得，其組成中含有一定數(shù)量的結(jié)晶水?，F(xiàn)代汽車速度的提高，使制動(dòng)部件表面溫度高達(dá)300～500℃。石棉摩擦材料導(dǎo)熱性和耐熱性差，在 400℃左右將失去結(jié)晶水，550℃時(shí)結(jié)晶水完全喪失，已基本失去增強(qiáng)效果。石棉脫水后會(huì)造成摩擦性不穩(wěn)定、工作層材料變質(zhì)、磨損加劇，出現(xiàn)明顯的“熱衰退”現(xiàn)象。加上石棉在加工、使用中其粉塵具有致癌作用，因此石棉基剎車片在西方工業(yè)國(guó)家已被禁用，我國(guó)也已限制該類材料的使用。很明顯石棉有機(jī)摩擦材料已不適應(yīng)汽車工業(yè)和現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展需求，將逐步被新材料所取代。

第二代汽車制動(dòng)摩擦片材料系半金屬石墨復(fù)合材料。其主要成分是鋼纖維、石墨、金屬粉及其輔料，用改性酚醛樹脂粘結(jié)成型，因剎車片中金屬含量占總重的一半而得名。美、歐、日等國(guó)家在60年代開始廣泛推廣使用。半金屬片的耐磨性能比石棉片提高25%以上，同時(shí)具有摩擦系數(shù)高、導(dǎo)熱性好、加工成型容易等優(yōu)點(diǎn)，因此該類材料目前在我國(guó)剎車片市場(chǎng)上占主導(dǎo)地位。但產(chǎn)品還存在以下缺點(diǎn):鋼纖維易生銹，銹蝕后易粘著或易損傷對(duì)偶，且銹蝕后產(chǎn)品強(qiáng)度降低、磨損加大；熱傳導(dǎo)率高，在高溫時(shí)易使制動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生氣阻導(dǎo)致摩擦片層與鋼板脫開；硬度較高，會(huì)損傷對(duì)偶材料，產(chǎn)生振顫和低頻制動(dòng)噪音；密度大。

環(huán)境友好的無金屬、無石棉型制動(dòng)摩擦材料，根據(jù)客戶需要或工況需求可以加入少量的金屬組分。第三代汽車制動(dòng)摩擦片材料系無石棉有機(jī)摩擦材料(NAO)。主要使用玻璃纖維、芳香族聚酰纖維或其它纖維(碳、陶瓷等)來作為加固材料,主要優(yōu)點(diǎn)是無論在低溫還是高溫都保持良好的制動(dòng)效果,減少磨損,降低噪音,延長(zhǎng)剎車盤的使用壽命。NAO型剎車片的材料已經(jīng)歷了幾次變革,現(xiàn)NAO材料在諸多方面已經(jīng)有效超過了石棉制動(dòng)片的性能，這主要是在抗摩性能及噪音等方面。摩擦材料制動(dòng)器襯片以環(huán)保的天然礦物、天然纖維等為原材料，通過組合摩擦材料研究方法(包括原材料組合篩選、黃金分割法設(shè)計(jì)配方、灰色相關(guān)度優(yōu)化性能和摩擦性能可拓綜合評(píng)價(jià)等)開發(fā)了環(huán)境友好的無石棉有機(jī)摩擦材料，具有原材料成本低、產(chǎn)品性能和商業(yè)化價(jià)值等優(yōu)異良好的特點(diǎn)，受到消費(fèi)者歡迎。

更輕的制動(dòng)盤就意味著懸掛下重量的減輕。這令懸掛系統(tǒng)的反應(yīng)更快，因而能夠提升車輛整體的操控水平。另外，普通的制動(dòng)盤容易在全力制動(dòng)下因高熱產(chǎn)生熱衰退，而陶瓷制動(dòng)盤能有效而穩(wěn)定的抵抗熱衰退，其耐熱效果比普通制動(dòng)盤高出許多倍。陶瓷制動(dòng)盤并非就是普通陶瓷，而是在1700℃高溫下碳纖維與碳化硅合成的增強(qiáng)型復(fù)合陶瓷。

陶瓷制動(dòng)片的制動(dòng)能力要強(qiáng)于傳統(tǒng)制動(dòng)片，并且還很輕。當(dāng)然它最大的特點(diǎn)就是耐高溫和耐磨，陶瓷制動(dòng)片改善制動(dòng)性能。陶瓷制動(dòng)片可長(zhǎng)期使用溫度在1000℃，可適合各種高性能制動(dòng)材料的高性能要求，比如在F1賽車中，剎車片清一色都是還有陶瓷成分的制動(dòng)片。

陶瓷制動(dòng)片起源于F1賽車運(yùn)動(dòng)，一般來說，在直線行駛時(shí)，大家的發(fā)動(dòng)機(jī)排量相同，輸出功率相近，很難超車，要超越對(duì)手最好的辦法就是在入彎前延時(shí)剎車，這樣才能在激烈的對(duì)抗中戰(zhàn)勝對(duì)手。但是如果剎車性能不好，那賽車勢(shì)必會(huì)沖出賽道。因此源于賽車運(yùn)動(dòng)的剎車片必須具備制動(dòng)距離短，耐高溫，抗磨損等特征。陶瓷制動(dòng)片是從金屬陶瓷而非非金屬陶瓷的原理出發(fā)，剎車片由于高速大力制動(dòng)時(shí)，在摩擦表面產(chǎn)生高溫，據(jù)測(cè)定，可達(dá)到800～900℃，有的甚至更高。在此高溫下，制動(dòng)片表面會(huì)發(fā)生金屬陶瓷燒結(jié)類似反應(yīng)，使制動(dòng)片在此溫度下有良好的穩(wěn)定性。而傳統(tǒng)的制動(dòng)片在此溫度下不會(huì)產(chǎn)生燒結(jié)反應(yīng)，由于表面溫度急劇升高會(huì)使表面物質(zhì)熔化甚至產(chǎn)生氣墊，這就造成連續(xù)制動(dòng)后制動(dòng)性能急劇降低或者制動(dòng)失靈的情況。陶瓷盤的重量只有普通鑄鐵盤的一半不到，例如采用陶瓷制動(dòng)的SLRMCLAREN,其前輪制動(dòng)盤直徑為370mm但重量?jī)H為6.4kg。而采用普通制動(dòng)盤的CL-CLASS其前盤直徑為360mm但重量高達(dá)15.4kg。陶瓷制動(dòng)盤在制動(dòng)最初階段就能立刻產(chǎn)生最大的剎車力，因此甚至無需制動(dòng)輔助增加系統(tǒng)，而整體制動(dòng)比傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)更快、距離更短、為了抵抗高熱，在制動(dòng)活塞與制動(dòng)襯塊之間有陶瓷來隔熱，陶瓷制動(dòng)盤有非凡的耐用性，如果正常使用是終生免更換的，而普通的鑄鐵制動(dòng)盤一般用上幾年就要更換。

陶瓷制動(dòng)片是摩擦材料中的新品種，陶瓷制動(dòng)片是由陶瓷纖維、不含鐵的填料物質(zhì)、膠黏劑和少量的金屬所組成的，具有無噪音、無落灰、不腐蝕輪轂、使用壽命長(zhǎng)、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。陶瓷制動(dòng)片是一種最新的剎車片技術(shù)，它有著相對(duì)傳統(tǒng)制動(dòng)片更好的特性。陶瓷制動(dòng)片目前在一些高檔車或跑車上才有應(yīng)用。陶瓷制動(dòng)片改變了傳統(tǒng)的觀點(diǎn)。陶瓷制動(dòng)片的陶瓷是一種碳纖維增強(qiáng)碳化硅陶瓷復(fù)合材料。這種復(fù)合材料具有相當(dāng)好的特性，可根據(jù)客戶特殊應(yīng)用需要定制成型，比如需要高強(qiáng)度的超低密度材料。有人統(tǒng)計(jì)過，一個(gè)陶瓷制動(dòng)片的實(shí)用壽命大約是傳統(tǒng)制動(dòng)片的兩倍還要多，可實(shí)現(xiàn)10萬km不換制動(dòng)片，這無疑又降低了養(yǎng)車成本。除了賽車，陶瓷制動(dòng)片一般應(yīng)用在高檔轎車和跑車上，而作為全新A級(jí)車的朗逸上卻全車系配備了陶瓷制動(dòng)片，這在同級(jí)別車中，可謂引領(lǐng)潮流。

3陶瓷制動(dòng)摩擦片的性能優(yōu)勢(shì)

陶瓷制動(dòng)片相比其他類型的制動(dòng)片有如下的優(yōu)點(diǎn)：

摩擦系數(shù)是任何摩擦材料最重要的性能指標(biāo)，關(guān)系制動(dòng)片制動(dòng)能力的好壞。在制動(dòng)過程中由于摩擦產(chǎn)生熱量，工作溫度的增高，一般的制動(dòng)片的摩擦材料受溫度的影響摩擦系數(shù)開始下降。在實(shí)際的應(yīng)用中會(huì)降低摩擦力從而降低了制動(dòng)作用。普通制動(dòng)片摩擦材料不成熟，摩擦系數(shù)太高造成制動(dòng)過程中方向失控、燒片、刮傷制動(dòng)盤等不安全因素。即使制動(dòng)盤的溫度高達(dá)到650℃時(shí)，陶瓷制動(dòng)片的摩擦系數(shù)仍在0.45～0.55左右，能保證車輛具有良好的制動(dòng)性能。有較好的熱穩(wěn)定性和較低的熱傳導(dǎo)率,良好的耐磨性。長(zhǎng)期使用溫度在1000℃,此特性使陶瓷可適合各種高性能制動(dòng)材料的高性能要求,可滿足制動(dòng)片高速化、安全化、高耐磨等技術(shù)要求。有很低的熱衰減性，無論第一代陶瓷產(chǎn)品還是第四代陶瓷剎車片，仍然能保證車輛具有良好的制動(dòng)性能，以保證安全，制動(dòng)片熱衰減的現(xiàn)象很小。

有良好的機(jī)械強(qiáng)度和物理性能，能夠承受較大的壓力與剪切力。摩擦材料制品在裝配使用之前，有需進(jìn)行鉆孔、裝配等機(jī)械加工，才能制成制動(dòng)片總成。因此要求摩擦材料必須具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，以保證在加工或使用過程中不出現(xiàn)破損與碎裂。

因陶瓷材料的散熱快的緣故，所以用于制動(dòng)的制造中，它的摩擦系數(shù)都要高于金屬制動(dòng)片的摩擦系數(shù)。制動(dòng)片在制動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)的高溫，尤其在高速行駛或緊急制動(dòng)時(shí)。在高溫狀態(tài)下，摩擦片的摩擦系數(shù)會(huì)下降，稱為熱衰退性。普通制動(dòng)片熱衰退性的低，高溫狀態(tài)和緊急制動(dòng)時(shí)的產(chǎn)生制動(dòng)油溫度升高使制動(dòng)延遲，甚至喪失制動(dòng)效果安全系數(shù)低。

在舒適性指標(biāo)中，車主往往最關(guān)心的是制動(dòng)片的噪音情況，其實(shí)噪音也是普通制動(dòng)片長(zhǎng)久以來無法解決的問題。傳統(tǒng)制動(dòng)片中金屬是主要產(chǎn)生摩擦力的材料，制動(dòng)力大，但是磨損大，而且易出現(xiàn)噪音。安裝陶瓷制動(dòng)片后，在正常行駛中，不會(huì)產(chǎn)生異常囂叫(即刮嚓聲)。噪音產(chǎn)生于摩擦片與摩擦盤之間的非正常摩擦，其產(chǎn)生的原因非常復(fù)雜，制動(dòng)力、制動(dòng)盤溫度、車輛速度以及氣候條件都有可能是噪音產(chǎn)生的原因。此外，噪音在制動(dòng)起始、制動(dòng)實(shí)施和制動(dòng)釋放三個(gè)不同階段產(chǎn)生的原因是不一樣的。如果噪音頻率在0～550Hz之間，車內(nèi)是不會(huì)感覺到的，但如果超過800Hz，車主就能明顯感覺到制動(dòng)噪音。

陶瓷制動(dòng)片采用的大顆粒石墨/黃銅/高級(jí)陶瓷(非石棉)和半金屬等高科技材料具有耐高溫、耐磨、剎車穩(wěn)定、修復(fù)剎車盤、環(huán)保、無噪音使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，優(yōu)良的材質(zhì)特性，克服了傳統(tǒng)制動(dòng)片的材料和工藝上的缺陷是目前國(guó)際上最尖端的高級(jí)陶瓷制動(dòng)片。除此之外，陶瓷渣球含量低，增強(qiáng)性好，也可降低制動(dòng)片的對(duì)偶磨損和噪音。

使用壽命是大家非常關(guān)注的指標(biāo)，普通制動(dòng)片的使用壽命在2萬km以下，而陶瓷制動(dòng)片的使用壽命在2萬km以上。那是因?yàn)樘沾芍苿?dòng)片采用的獨(dú)特配方材料只有1～2種含靜電的粉末，其他的材料都為無靜電的材質(zhì)，這樣掉粉就會(huì)隨車輛的運(yùn)動(dòng)而被風(fēng)帶走，不會(huì)粘附在輪轂上影響美觀了。陶瓷材料的壽命比普通半金屬的提高50%以上。使用陶瓷制動(dòng)片后，在制動(dòng)盤上不會(huì)出現(xiàn)刮槽(即劃痕)，延長(zhǎng)了原車制動(dòng)盤20%的使用壽命。

從有關(guān)部門提供的定速試驗(yàn)中試樣的摩擦磨損性能測(cè)試結(jié)果可以看出,不管是摩擦系數(shù)的穩(wěn)定性還是材料的磨損率,新型陶瓷基制動(dòng)片都要優(yōu)于樹脂基制動(dòng)片。從 200～350℃的升溫過程中,樹脂基制動(dòng)片產(chǎn)生了較大的熱衰退,由200℃的0.44降到350℃的0.34,下降幅度達(dá)22.7 %。磨損方面,150℃以前,樹脂基制動(dòng)片和陶瓷基制動(dòng)片相差不大,即兩種材料低溫磨損接近；200℃以后,由于陶瓷基體具備優(yōu)異的高溫粘結(jié)效果,成倍地提高了材料的耐磨性能。在350℃時(shí),陶瓷制動(dòng)片的磨損率僅為0.27,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于樹脂基制動(dòng)片的1.35,總的磨損率(0.95)也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于樹脂基制動(dòng)片(3.23)。

陶瓷基制動(dòng)片經(jīng)歷高溫摩擦后,表面平整光潔,無剝落掉塊現(xiàn)象。由于陶瓷配方采用了大量人工合成的無機(jī)和有機(jī)填料,材料之間有良好的親和性,摩擦過程中形成了較好的摩擦層和轉(zhuǎn)移膜；同時(shí),陶瓷粘結(jié)相在高溫下不會(huì)發(fā)生分解,且仍然具有良好的粘結(jié)效果,各種填料能牢靠地鑲嵌在基體里面,因此試驗(yàn)過程中摩擦系數(shù)穩(wěn)定,高溫?zé)崴ネ诵　６鴺渲苿?dòng)片在低溫時(shí)摩擦膜較為完整,摩擦表面光滑;經(jīng)過高溫摩擦后,高溫固化時(shí)樹脂的分解相對(duì)增加,分解形成的焦油狀物質(zhì)粘著在摩擦表面,使原來摩擦材料與對(duì)偶材料的干摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)檫吔缒Σ梁桶肓黧w摩擦的混合摩擦,導(dǎo)致摩擦系數(shù)大幅下降,材料發(fā)生熱衰退現(xiàn)象。同時(shí),由于樹脂的大量熱分解,降低了其粘結(jié)作用,因而材料磨損加劇，導(dǎo)致摩擦材料表面凹凸不平,有轉(zhuǎn)移膜,以及膜氧化、破裂后形成的碎片,材料發(fā)生了嚴(yán)重的熱衰退,熱氧化磨損嚴(yán)重。從定速試驗(yàn)結(jié)果來看,新型陶瓷基摩擦材料表現(xiàn)出了優(yōu)異的摩擦磨損性能。

陶瓷及樹脂基制動(dòng)片臺(tái)架試驗(yàn)制動(dòng)效能曲線，陶瓷基制動(dòng)片的效能曲線較為平穩(wěn),其摩擦系數(shù)穩(wěn)定性明顯高于樹脂基制動(dòng)片,表現(xiàn)出良好的速度和壓力相關(guān)性。陶瓷基制動(dòng)片的衰退率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于樹脂基制動(dòng)片,其熱穩(wěn)定性能好。和樹脂基制動(dòng)片相比,陶瓷基制動(dòng)片的摩擦系數(shù)表現(xiàn)出對(duì)制動(dòng)次數(shù)的不敏感性,整個(gè)曲線無明顯的大起大落,摩擦材料耐熱性能良好。陶瓷基制動(dòng)片整個(gè)制動(dòng)過程中較為平穩(wěn),無制動(dòng)噪音現(xiàn)象。陶瓷基制動(dòng)片摩擦表面較為光亮,而樹脂基制動(dòng)片相對(duì)灰暗一些,表面附有薄薄的一層磨屑,落灰較多。這說明陶瓷基制動(dòng)片的自清潔能力較強(qiáng),制動(dòng)過程中能不斷更新工作表面,形成穩(wěn)定的摩擦層,與制動(dòng)盤形成較好的貼合。制動(dòng)過程中,樹脂基摩擦片有輕微的傷盤現(xiàn)象,其對(duì)偶盤外環(huán)邊緣有一條較深的溝槽,明顯是硬質(zhì)顆粒夾雜在盤和片之間,在摩擦正壓力的作用下切削制動(dòng)盤形成的,這也就能很好地解釋樹脂基制動(dòng)片制動(dòng)過程中出現(xiàn)的輕微噪聲現(xiàn)象。

新型陶瓷配方由于采用多種輕質(zhì)多孔填料,且不含任何金屬成分(鋼纖維泡沫、鐵粉、重金屬等) ,和半金屬配方相比,陶瓷制動(dòng)片開孔隙度大,密度較低。同時(shí),和樹脂基摩擦材料相比,陶瓷基摩擦材料的硬度也較低。這主要有以下原因:首先,陶瓷基制動(dòng)片表面有較多孔隙的存在,減少了材料本身承受外界載荷的有效面積,導(dǎo)致硬度測(cè)試時(shí)數(shù)值較??；其次,酚醛樹脂是由如亞甲基聯(lián)接的剛性芳環(huán)緊密堆砌而成,經(jīng)高溫固化后,硬度較大；樹脂基配方中(普通半金屬配方)有較多的金屬成分(鋼纖維),也使得樹脂基摩擦材料整體硬度較高。沖擊強(qiáng)度方面,和陶瓷基制動(dòng)片相比,樹脂基制動(dòng)片中有機(jī)成分含量相對(duì)較多,特別是丁腈橡膠粉的加入,即在連續(xù)的剛性硬質(zhì)的樹脂基體上彌散分布有適量柔韌的橡膠微粒,構(gòu)成了所謂的高分子合金。當(dāng)樹脂-橡膠組成基體時(shí),由于橡膠粒子具有彈性,材料受到?jīng)_擊時(shí),應(yīng)力集中產(chǎn)生的裂紋發(fā)展到橡膠粒子時(shí)就被吸收掉,阻礙了裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)大,從而減緩了材料的破壞程度,在宏觀上表現(xiàn)出來就是材料沖擊強(qiáng)度的提高;陶瓷配方中無機(jī)粘結(jié)劑雖然高溫粘結(jié)效果較好,但柔韌性欠佳,這種缺點(diǎn)可通過對(duì)陶瓷基剎車片進(jìn)行材料改性，試著改變陶瓷基制動(dòng)片的彈性模量，利用Griffith微裂紋理論在陶瓷材料基體中加入塑性的粒子或纖維制成金屬陶瓷或復(fù)合材料，也可人為的在材料中造成大量極微細(xì)的裂紋，用其吸收能量，阻止裂紋擴(kuò)展。近來出現(xiàn)的韌性陶瓷就是在氧化鋁中加入氧化鋯，利用氧化鋯的相變產(chǎn)生體積變化，在基體上形成大量微裂紋或可觀的擠壓內(nèi)應(yīng)力，從而提高材料的韌性，以上的各種方法均可應(yīng)用于陶瓷基制動(dòng)片的研究與改進(jìn)中，從而使陶瓷基制動(dòng)片不僅具有極高的硬度，更有不遜于樹脂基制動(dòng)片的韌性。

4摩擦材料的技術(shù)要求及陶瓷制動(dòng)摩擦片的關(guān)鍵技術(shù)

摩擦材料是車輛與機(jī)械的離合器總成和制動(dòng)器中的關(guān)鍵安全零件，在傳動(dòng)和制動(dòng)過程中，主要應(yīng)滿足以下技術(shù)要求：摩擦系數(shù)是評(píng)價(jià)任何一種摩擦材料的一個(gè)最重要的性能指標(biāo)，關(guān)系著摩擦片執(zhí)行傳動(dòng)和制動(dòng)功能的好壞。它不是一個(gè)常數(shù)，而是受溫度、壓力、摩擦速度或表面狀態(tài)及周圍介質(zhì)因素等影響而發(fā)生變化的一個(gè)數(shù)。

理想的摩擦系數(shù)應(yīng)具有理想的冷摩擦系數(shù)和可以控制的溫度衰退。由于摩擦產(chǎn)生熱量，增高了工作溫度，導(dǎo)致了摩擦材料的摩擦系數(shù)發(fā)生變化。摩擦材料在摩擦過程中由于溫度的迅速升高，一般溫度達(dá)200℃以上，摩擦系數(shù)開始下降。當(dāng)溫度達(dá)到樹脂和橡膠分解溫度范圍后，產(chǎn)生摩擦系數(shù)的驟然降低，這種現(xiàn)象稱為熱衰退。嚴(yán)重的熱衰退會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)效能變差和惡化。在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)降低摩擦力，從而降低了制動(dòng)作用，這很危險(xiǎn)也是必須要避免的。在摩擦材料中加入高溫摩擦調(diào)節(jié)劑填料，是減少和克服熱衰退的有效手段。經(jīng)過熱衰退的摩擦片，當(dāng)溫度逐漸降低時(shí)摩擦系數(shù)會(huì)逐漸恢復(fù)至原來的正常情況。摩擦系數(shù)通常隨溫度增加而降低，但過多的降低也是不能快時(shí)，要防止制動(dòng)效能的下降因素。摩擦材料表面沾水時(shí)，摩擦系數(shù)也會(huì)下降，當(dāng)表面的水膜消除恢復(fù)至干燥狀態(tài)后，摩擦系數(shù)就會(huì)恢復(fù)正常。摩擦材料表面沾有油污時(shí)摩擦系數(shù)顯著下降，但應(yīng)保持一定的摩擦力使其仍有一定的制動(dòng)效能。

摩擦材料的耐磨性是其使用壽命的反映，也是衡量摩擦材料耐用程度的重要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。耐磨性越好，表示它的使用壽命越長(zhǎng)。但是摩擦材料在工作過程中的磨損，主要是由摩擦接觸表面產(chǎn)生的剪切力造成的。工作溫度是影響磨損量的重要因素。當(dāng)材料表面溫度達(dá)到有機(jī)粘結(jié)劑的熱分解溫度范圍時(shí)，有機(jī)粘結(jié)劑如橡膠、樹脂產(chǎn)生分解、碳化和失重現(xiàn)象。隨溫度升高，這種現(xiàn)象加劇，粘結(jié)作用下降，磨損量急劇增大。選用合適的減磨填料和耐熱性好的樹脂、橡膠，能有效地減少材料的工作磨損，特別是熱磨損，可延長(zhǎng)其使用壽命。

新型汽車陶瓷摩擦材料的關(guān)鍵技術(shù):提高摩擦材料用粘結(jié)劑(樹脂及橡膠)的性能與質(zhì)量(如熱分解溫度高、熱量損失小、游離酚含量低、軟化點(diǎn)高、粒度細(xì)、韌性好等)，開發(fā)摩擦材料用新型樹脂；提高摩擦材料的熱傳導(dǎo)性，以加快摩擦熱的傳遞，防止摩擦材料分解導(dǎo)致的性能降低；開發(fā)輕質(zhì)和性能優(yōu)越的多孔填料，以減小制品密度，降低制動(dòng)噪聲；提高粉碎、混料、熱壓及熱處理(固化)等關(guān)鍵工藝設(shè)備水平，完善工藝操作和質(zhì)量檢測(cè)及控制手段，確保產(chǎn)品大批量生產(chǎn)質(zhì)量的穩(wěn)定性；減少摩擦片誘發(fā)制動(dòng)噪聲；提高制動(dòng)摩擦片安全制動(dòng)的剪切強(qiáng)度、耐壓強(qiáng)度等。

粘結(jié)劑是摩擦材料組成的核心，它性能的好壞直接影響剎車片的性能。一般來說，粘結(jié)劑應(yīng)具有長(zhǎng)壽命、良好的穩(wěn)定性和較好的耐熱性能，其中耐熱性是關(guān)鍵。目前，人們普遍采用物理和化學(xué)的方法對(duì)酚醛樹脂進(jìn)行改性，其耐熱性能大幅度提高。但隨著車速的提高，對(duì)摩擦材料的熱衰退性能提出了更高的要求。目前摩擦材料粘結(jié)劑的研究，已不再局限于樹脂和橡膠，而且拓展到了利用金屬粉末或金屬硫化物在高溫下具有的特殊性能，減少樹脂在摩擦材料中的使用比例，以彌補(bǔ)樹脂及橡膠在高溫下的不足。因此，盡管采用高性能樹脂能提高摩擦材料的耐熱性能，但其改善畢竟有限，我們應(yīng)更多的關(guān)注和利用金屬粉末及金屬硫化物的性能或開發(fā)一些新型的無機(jī)粘結(jié)劑。同時(shí)，材料的熱傳導(dǎo)性雖然是影響耐熱性的間接因素，卻非常重要。因此，為了降低制動(dòng)溫度，提高耐熱性能，也可從提高制動(dòng)材料的導(dǎo)熱系數(shù)入手，加快散熱速度，防止材料因溫度過高導(dǎo)致性能下降。隨著現(xiàn)代環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，人們對(duì)汽車產(chǎn)生的噪音的問題越來越關(guān)注。因此，減少剎車片誘發(fā)的制動(dòng)噪音成為一個(gè)重要的研究課題。汽車剎車片噪音，涉及到制動(dòng)器的總成結(jié)構(gòu)，而不單是制動(dòng)材料本身的問題。目前，科學(xué)界對(duì)噪音的產(chǎn)生及形成機(jī)理還沒有統(tǒng)一的定論。一般認(rèn)為，其原因不外乎三種：一是剎車片與對(duì)偶不匹配，產(chǎn)生共振或傷盤；二是剎車片的摩擦穩(wěn)定性差；三是剎車片與制動(dòng)對(duì)偶隨制動(dòng)比壓、溫度、速率的變化，雙方材質(zhì)互為粘附。為解決此問題，一般可以添加一些潤(rùn)滑劑和增韌劑，積極開發(fā)輕質(zhì)和性能優(yōu)越的多孔填料，以降低制動(dòng)噪音。

陶瓷制動(dòng)片雖然短期內(nèi)不太可能替代傳統(tǒng)剎車片，但現(xiàn)代汽車正朝著高性能、高速度、安全舒適等方向發(fā)展，這就要求作為汽車重要組成部分的制動(dòng)系統(tǒng)必須安全可靠，同時(shí)必須不斷開發(fā)新的剎車材料以滿足更嚴(yán)格的要求，陶瓷制動(dòng)片必然成為今后的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。

新型汽車陶瓷制動(dòng)片，特別是耐高溫、低噪音、無金屬、無纖維制動(dòng)片的研究并進(jìn)一步研制成功，可望會(huì)改變我國(guó)現(xiàn)有制動(dòng)片的應(yīng)用狀況，將具有非常重要的社會(huì)意義、經(jīng)濟(jì)意義和良好的發(fā)展前景，同時(shí)其深入的理論研究將具有重大的科學(xué)意義和理論價(jià)值。

5我國(guó)陶瓷制動(dòng)片產(chǎn)品走向國(guó)際中高端市場(chǎng)

當(dāng)今世界，節(jié)能和環(huán)保是汽車工業(yè)的兩大主題。因此，今后汽車制動(dòng)材料的主要研究方向是更安全、更輕量化、更省燃油。這不僅需要新材料的開發(fā)，還需要采用新結(jié)構(gòu)、新系統(tǒng)，從而大幅度提高制動(dòng)材料的摩擦磨損性能，實(shí)現(xiàn)輕量化，達(dá)到節(jié)能的目的。

據(jù)了解，陶瓷制動(dòng)片最初由日本剎車片企業(yè)于上世紀(jì)90年代研制成功,逐漸成為制動(dòng)片市場(chǎng)的新寵,目前占據(jù)了北美、日本大部分汽車廠商原裝配套的市場(chǎng)份額。據(jù)介紹,陶瓷制動(dòng)片固然有許多優(yōu)點(diǎn)，但它只是摩擦材料中的一個(gè)新品種，并不是傳統(tǒng)制動(dòng)片的替代品。目前，因?yàn)楦⒅仄嚨牟倏匦?，及?duì)剎車靈敏度的要求比較高，包括奔馳和寶馬在內(nèi)的大部分歐洲汽車廠商仍然在使用傳統(tǒng)的低金屬制動(dòng)片。目前國(guó)際上長(zhǎng)期共存的摩擦材料種類有半金屬、低金屬、陶瓷、有機(jī)四大類。四大種類性能各有優(yōu)劣，每一個(gè)種類又分為高、中、低不同的檔次。陶瓷制動(dòng)片作為摩擦材料中的一個(gè)新品種，具有無噪聲、無落灰、不腐蝕輪轂、使用壽命長(zhǎng)、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。據(jù)悉，最近幾年歐洲汽車廠商也開始出現(xiàn)對(duì)陶瓷制動(dòng)片的需求趨勢(shì)，但由于低金屬制動(dòng)片與陶瓷制動(dòng)片摩擦方式的不同，歐系車要裝配陶瓷制動(dòng)片必須要對(duì)汽車的相關(guān)部位做比較大的改動(dòng)。我國(guó)已具備自主研發(fā)能力，目前國(guó)際上，除日本的兩三家制動(dòng)片企業(yè)外，中國(guó)主流制動(dòng)片企業(yè)已經(jīng)具備了中高端陶瓷制動(dòng)片的自主研發(fā)與生產(chǎn)能力。

據(jù)介紹，陶瓷制動(dòng)片生產(chǎn)研發(fā)是企業(yè)綜合能力的體現(xiàn)，花錢買不來核心技術(shù)，更買不來制造工藝。國(guó)外的技術(shù)只用于國(guó)外的原材料，如果靠買來的技術(shù)使用進(jìn)口原材料，陶瓷制動(dòng)片的成本就會(huì)更高。而借鑒國(guó)外技術(shù)指標(biāo)、自主研發(fā)的陶瓷制動(dòng)片，更適合使用國(guó)產(chǎn)原材料，同時(shí)具有一定的成本優(yōu)勢(shì)。我國(guó)陶瓷制動(dòng)片經(jīng)過多年的發(fā)展，產(chǎn)品正逐步進(jìn)入國(guó)際中高端市場(chǎng)。第一家為美國(guó)福特公司等汽車制造商配套的山東雙連制動(dòng)材料有限公司。摩擦材料中的新品種在摩擦材料領(lǐng)域，針對(duì)不同地區(qū)、不同車型、不同環(huán)境所使用的剎車片品種也不同。雙連公司憑借相同的技術(shù)水平、低廉的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，成功取代一家日本剎車片企業(yè)，為美國(guó)戴·克公司做原裝配套。據(jù)了解，國(guó)內(nèi)規(guī)模最大的制動(dòng)片企業(yè)金麒麟集團(tuán)，曾欲與一家日本制動(dòng)片企業(yè)合作開發(fā)陶瓷制動(dòng)片。但日方提出必須使用他們的品牌，合作期限由他們決定。對(duì)此，金麒麟集團(tuán)不能接受，決定自主研發(fā)。歷經(jīng)3年攻克一道道難關(guān)的金麒麟陶瓷制動(dòng)片終于研制成功，并一次通過美國(guó)格林實(shí)驗(yàn)室技術(shù)鑒定，成為目前國(guó)內(nèi)掌握陶瓷制動(dòng)片生產(chǎn)技術(shù)的廠家之一。年生產(chǎn)陶瓷制動(dòng)片1000萬套，占制動(dòng)片總產(chǎn)量的30%。

目前國(guó)內(nèi)汽車售后市場(chǎng)，半金屬制動(dòng)片占據(jù)了較大市場(chǎng)份額。在國(guó)內(nèi)原裝配套市場(chǎng)，美系及日系車大多使用陶瓷制動(dòng)片，歐系車大多使用低金屬制動(dòng)片，自主品牌汽車大多使用半金屬制動(dòng)片及陶瓷制動(dòng)片。此外，國(guó)內(nèi)制動(dòng)片行業(yè)出口額逐年遞增，但一個(gè)不容回避的現(xiàn)實(shí)是大量出口產(chǎn)品針對(duì)中低端市場(chǎng)，競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)更多地體現(xiàn)在價(jià)格方面。在目前出口的制動(dòng)片產(chǎn)品中，60%以上為半金屬制動(dòng)片，陶瓷制動(dòng)片占據(jù)不到10%的份額。盡管目前國(guó)內(nèi)制動(dòng)片企業(yè)在各個(gè)種類制動(dòng)片的生產(chǎn)研發(fā)方面已經(jīng)取得了一定進(jìn)步，但相對(duì)于國(guó)外的陶瓷制動(dòng)片，這種進(jìn)步只是某個(gè)點(diǎn)上的進(jìn)步，而不是全面的進(jìn)步。近年來，國(guó)內(nèi)主流制動(dòng)片企業(yè)在中高端陶瓷制動(dòng)片方面的研發(fā)突破，標(biāo)志著中國(guó)領(lǐng)軍制動(dòng)片企業(yè)邁向中高端市場(chǎng)的腳步更加穩(wěn)健。

近幾年來，隨著我國(guó)汽車工業(yè)的突飛猛進(jìn)，制動(dòng)材料也取得了很大的發(fā)展。但跟國(guó)外相比，還有一定的差距。為開發(fā)新型的制動(dòng)材料，我們應(yīng)審時(shí)度勢(shì)，隨時(shí)跟蹤國(guó)際市場(chǎng)，根據(jù)我國(guó)國(guó)情發(fā)展自己的汽車制動(dòng)材料；在努力提高產(chǎn)品質(zhì)量及批量穩(wěn)定性的同時(shí)，開發(fā)新產(chǎn)品，滿足不同車種和行駛條件的要求；改善樹脂粘結(jié)劑質(zhì)量并開發(fā)新型的無機(jī)粘結(jié)劑；采用新工藝、新型摩擦材料。陶瓷制動(dòng)片作為摩擦材料中的一個(gè)新品種，具有無噪聲、無落灰、不腐蝕輪轂、使用壽命長(zhǎng)、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，而中國(guó)的制動(dòng)片行業(yè)主流企業(yè)也都具備了陶瓷制動(dòng)片的自主研發(fā)能力。陶瓷制動(dòng)片作為目前市場(chǎng)上公認(rèn)的中高端產(chǎn)品，畢竟成為未來制動(dòng)片的發(fā)展方向，作為制動(dòng)系統(tǒng)的新寵，陶瓷制動(dòng)片擁有廣闊的發(fā)展空間。

6結(jié)束語(yǔ)

總之，通過新型陶瓷基汽車制動(dòng)片性能特點(diǎn)及摩擦磨損的研究分析，可以看出陶瓷制動(dòng)片具有摩擦系數(shù)穩(wěn)定、耐溫性好、使用壽命長(zhǎng)、制動(dòng)舒適、不傷害對(duì)偶盤、無制動(dòng)噪音等特點(diǎn),且性價(jià)比高。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，陶瓷摩擦材料的用途越來越廣泛，具有廣闊的應(yīng)用前景。相信陶瓷摩擦材料將在未來的技術(shù)領(lǐng)域中大顯身手。

Car Driving and Braking System of Ceramic Friction Material

Hong Guixiang

(Hubei Wuhan electronic materials company,Wuhan 430055)

Abstract:In the car’s braking system, brake lining is the most critical safety components, all the stand or fall of braking effect is crucial brake lining, so, good braking friction plate is the patron saint of people and cars. For research and development of new friction materials has become the industry's top priority, this paper discusses the auto ceramic brake lining materials leading the fashion trend, analysis the performance of ceramic brake lining advantages, this paper introduces the technology of friction material requirements and the key technology of ceramic brake friction plate, put forward China's ceramic brake products to the international high-end market.

Keywords:automobile transmission; braking system; ceramic friction material; key technology

doi:10.16253/j.cnki.37-1226/tq.2015.01.006