汽車制動器摩擦材料的研究現(xiàn)狀和發(fā)展

黃嘉偉 彭斌 鄭柯

摘要：介紹汽車制動器摩擦材料的研究現(xiàn)狀。探討半金屬基摩擦材料、非石棉有機摩擦材料和粉末冶金摩擦材料的優(yōu)缺點。提出汽車制動摩擦材料研究的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：摩擦材料；摩擦；磨損；增強纖維

1研究現(xiàn)狀

1.1半金屬摩擦材料

半金屬摩擦材料是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的一種新型制動材料。該材料以鋼纖維代替石棉制成，材料熱穩(wěn)定性好、耐磨性優(yōu)越、導(dǎo)熱性好，克服了石棉摩擦材料表現(xiàn)的熱衰退嚴(yán)重、摩擦表面易開裂等缺點，目前，國內(nèi)許多廠家已批量生產(chǎn)，半金屬摩擦襯片在國產(chǎn)轎車如奧迪、桑塔納、夏利等多種車型上得到應(yīng)用。但鋼纖維硬度較高，對對偶件有攻擊性，制動時產(chǎn)生制動噪聲，并且鋼纖維容易生銹，摩擦片生銹后強度降低、磨損加劇。研究表明[1]，加入一定量的鋅粉可以增強材料的防銹性能，而對摩擦性能無明顯影響。

1.2非石棉有機摩擦材料

非石棉有機摩擦材料采用改性的高溫樹脂及橡膠作黏結(jié)劑，將纖維質(zhì)增強材料與增摩劑和減摩劑，經(jīng)配料及混合后，通過壓制成形或熱壓及固化而成。它采用其他纖維代替石棉，其增強纖維主要有碳纖維、芳綸纖維、玻璃纖維、陶瓷纖維及多種纖維混雜增強。

1.2.1碳纖維增強摩擦材料

碳纖維具有比強度高、比模量高、耐熱、耐磨、耐腐蝕及熱膨脹系數(shù)適宜等一系列優(yōu)點。由于碳纖維表面活性低、比表面積小、與基體樹脂相容性差，導(dǎo)致層間強度低且本身具有潤滑性，因此要對碳纖維采用預(yù)處理，如表面清潔、氣相氧化、表面涂層等。P.Gopal等人研究表明，碳纖維增強材料有良好的恢復(fù)性能，在高溫和較高滑動速度下，較玻璃纖維摩擦材料具有更高的摩擦因數(shù)和更低的磨損率。Satapa-hy[1]等研究認(rèn)為，摩擦材料中加入3wt%碳纖維提高了材料的抗磨損和抗衰退能力，但摩擦因數(shù)有所降低。文獻[3]研究了用碳纖維增強摩擦材料的摩擦/磨損性能，結(jié)果表明，摩擦材料的摩擦因數(shù)和磨損率都隨著碳纖維的含量增加而減小。

1.2.2芳綸纖維增強摩擦材料

芳綸纖維具有較高的斷裂強度、非常高的拉伸模量、較低的斷裂伸長、密度比鋼纖維和玻璃纖維低，在非復(fù)合形式下具有高韌性，沒有碳纖維和玻璃纖維所呈現(xiàn)的脆性，因此非常適合于高溫高摩擦下工作的摩擦材料。用于摩擦材料的芳綸纖維主要包括6～13mm的短纖維和2～ 5mm的漿粕形式的纖維。Kato等人用芳綸增強的摩擦材料具有很好的摩擦學(xué)性能，特別是在高溫下具有和半金屬摩擦材料相近的耐磨性、噪聲低、密度小等優(yōu)點。文獻[4]研究由少量的Kevlar纖維并配合蛭石等補強礦物制成的摩擦制動材料，具有優(yōu)良的摩擦/磨損性能和足夠的強度，且硬度小、成本低。

1.2.3玻璃纖維增強摩擦材料

玻璃纖維具有原料易得、拉伸強度高、斷裂伸長低、彈性模量高、防水、耐熱、耐腐蝕和尺寸穩(wěn)定性好的優(yōu)點。其表面工藝也得到了較廣泛的研究，研究出多種偶聯(lián)劑。李志軍[4]等使用表面處理的玻璃纖維為增強材料，研制的摩擦材料各項性能均達(dá)要求，得出玻璃纖維的最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%～ 25%，最佳長度為4～8mm。但玻璃纖維也存在不足：工作溫度超過800℃時易形成玻璃珠，容易損傷對偶件；在重載高溫下摩擦因數(shù)波動較大，磨損量大。

1.2.4陶瓷纖維增強摩擦材料

陶瓷纖維化學(xué)組成隨原料選用的不同而有所差異，但總的來說，它主要是一種金屬氧化物。其主要優(yōu)點是：高耐熱性、不燃性、低導(dǎo)熱性、較大的比表面積、較好的摩擦性以及制造容易等。研制成功的陶瓷制動盤與傳統(tǒng)的相比有著明顯的優(yōu)勢，振動小、噪聲低、磨損少[6，7]。Kim[8，9]等研究認(rèn)為，在樹脂基復(fù)合材料中加入陶瓷纖維可以提高材料摩擦因數(shù)的穩(wěn)定性和材料耐磨性。

1.2.5其他纖維增強摩擦材料

其他比較常用的纖維有海泡石纖維、硅灰石纖維、硅纖維、玄武巖纖維、礦渣棉、巖棉等。海泡石纖維具有較好的熱穩(wěn)定性，由于其多孔性及表面積大，與樹脂浸潤性好，界面黏結(jié)強度高。但海泡石的硬度低，過量加入會導(dǎo)致摩擦因數(shù)下降，影響制品的強度。

2.發(fā)展趨勢

（1）對于摩擦/磨損機理的研究近年來取得了一些進展，但目前尚無主導(dǎo)性的理論，特別是聚合物基摩擦材料，表面發(fā)生一系列物理/化學(xué)變化使得磨損過程更加復(fù)雜，應(yīng)充分利用現(xiàn)代檢測手段系統(tǒng)研究摩擦/磨損機理，為改進材料的配比提供理論依據(jù)。

（2）聚合物基摩擦材料以其結(jié)構(gòu)的可設(shè)計性、優(yōu)良的摩擦/磨損性能，成為現(xiàn)在摩擦材料研究的熱點。今后還會有更多種類的高性能的纖維在摩擦材料中應(yīng)用。

（3）納米材料作為高新技術(shù)，在摩擦材料中的應(yīng)用正處在研究階段，有望今后應(yīng)用于摩擦材料領(lǐng)域內(nèi)。

參考文獻：

[1]Satapathy，eta.l Performance of friction materials based on variation in nature of organic fibres Part I.Fade and recovery behaviour[J].Wear，2004（257）：573-584.

[2]張西奎，等.碳纖維增強汽車摩擦材料的研究[J].汽車工藝和材料，2003（4）：9-11.

[3]曹獻坤，等.Kevler短纖維摩擦材料性能的影響效應(yīng)綜述現(xiàn)代制造工程2006年第10期[J].非金屬礦，2004（5）：48-51.

[4]李志軍，等.玻璃纖維增強酚醛基摩擦材料摩擦磨損性能研[J].西安交通大學(xué)學(xué)報.2000，34（4）：67-70.

作者簡介：

黃嘉偉，籍貫：廣西南寧，學(xué)歷：本科；

彭斌，籍貫：重慶忠縣，學(xué)歷：本科；

鄭柯，籍貫：河南駐馬店，學(xué)歷：本科。