汽車摩擦材料比重測(cè)量?jī)x

朱亞雄 田翔

摘要：汽車摩擦材料比重測(cè)量?jī)x在摩擦材料生產(chǎn)質(zhì)量監(jiān)控和材料配方開發(fā)中是不可缺少的重要儀器。測(cè)量?jī)x在表面活性劑的蒸餾水密度的條件下，根據(jù)浮力定律能夠測(cè)量出汽車摩擦材料的比重，特別是多種不同材料結(jié)合為一體時(shí)，若已知第一種材料的比重和重量，能夠自動(dòng)測(cè)量出其它混合材料的重量及比重，并能夠自動(dòng)進(jìn)行溫度補(bǔ)償、計(jì)算、打印測(cè)量結(jié)果和測(cè)量環(huán)境條件等。

關(guān)鍵詞：汽車摩擦材料;比重;自動(dòng)測(cè)量

1測(cè)量基本原理

單質(zhì)固體材料的平均密度，將物體浸沒于靜止液體中后的平均密度為式中為物體在空氣中的重量（g）;為浸入液體后物體的重量（g）;為靜止的液體密度（g/cm？）;V為物體的體積（cm？）。

通常選用蒸餾水作為測(cè)量液體，因?yàn)檎麴s水體積膨脹系數(shù)小，成本低。對(duì)蒸餾水的密度研究也比其它液體更為透徹。由于水的密度與溫度有關(guān)，所以實(shí)際測(cè)量時(shí)，還應(yīng)同時(shí)測(cè)量水溫，以便測(cè)得水的實(shí)際密度。另外，加入少量的表面活性劑能夠清除固體浸入水中時(shí)表面產(chǎn)生的氣泡。

當(dāng)兩種不同的固體材料膠結(jié)在一起時(shí)，已知第一種材料的重量及比重，若忽略材料的影響，可近似測(cè)量出第二種材料的密度。

設(shè)兩種不同材料分別為材料A和材料B，則，。兩種材料復(fù)合后的平均密度為式中為不同水溫時(shí)水的密度（g/cm？）;、分別為材料A、材料B在空氣的重量（g）;、分別為材料A、材料B在水中的重量（g）;為復(fù)合材料在空氣中的重量（g）;為復(fù)合材料在水中的重量（g）。

如果復(fù)合材料中，已知材料A的質(zhì)量和平均密度，就可以測(cè)量計(jì)算出材料B的平均密度。

2 汽車摩擦材料比重測(cè)量?jī)x結(jié)構(gòu)及電路原理

汽車摩擦材料比重測(cè)量?jī)x主要由高精度電子稱、精密運(yùn)算電路、放大及單片機(jī)系統(tǒng)組成。將試件用不吸水的細(xì)絲線吊于稱重傳感器之下，水槽由直流伺服電機(jī)、機(jī)械螺旋機(jī)構(gòu)帶動(dòng)自動(dòng)上升，將試件浸入水中，單片機(jī)系統(tǒng)完成對(duì)稱重?cái)?shù)據(jù)及溫度數(shù)據(jù)的采集計(jì)算，直流伺服電機(jī)的控制，打印機(jī)的控制等，它是整機(jī)的核心。其中稱重傳感器的最大量程為500g，稱重放大器分為4檔，分別為500g、200g、100g及50g。最小分辨率為0.01g。整個(gè)測(cè)量過程由單片機(jī)自動(dòng)完成，并自動(dòng)打印測(cè)試結(jié)果（包括：試件在空氣中的質(zhì)量、試件在水中的質(zhì)量、測(cè)試液體溫度、試件比重、測(cè)試日期、試件編號(hào)等）。

3摩擦材料的分類

汽車制動(dòng)用摩擦材料的種類繁多，按照其發(fā)展歷程可分為兩大類：石棉摩擦材料和無石棉摩擦材料。按照材料材質(zhì)的類型可分為3大類：樹脂基摩擦材料、粉末冶金摩擦材料、碳復(fù)合摩擦材料和陶瓷基摩擦材料。

3.1樹脂基摩擦材料

樹脂基摩擦材料是指采用樹脂為黏結(jié)劑的摩擦材料，根據(jù)其主體摩擦組元的種類不同，又包括石棉摩擦材料、無石棉摩擦材料、紙基摩擦材料和碳基摩擦材料等。石棉摩擦材料是采用石棉纖維添加適量填料，以樹脂為黏結(jié)劑，采用熱壓工藝制成的摩擦材料。無石棉摩擦材料是采用其他纖維如金屬纖維、植物纖維和合成纖維等替代石棉材料制成的摩擦材料。而紙基摩擦材料是以紙漿為基體，添加適量的填料，以樹脂為黏結(jié)劑，采用造紙和熱壓工藝制造而成。為此，不同樹脂基摩擦材料除基體組成不一致外，其使用條件和性能具有相似性。

石棉纖維是較早作為增強(qiáng)劑應(yīng)用摩擦材料的纖維材料，由于其具有熱穩(wěn)定性好，價(jià)格低，機(jī)械性能優(yōu)良，與樹脂基體匹配良好等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于摩擦材料增強(qiáng)領(lǐng)域。近年來，經(jīng)研究由于石棉傳熱性能差，使摩擦熱不易迅速散發(fā)，加重了材料的磨損，并且石棉纖維在400℃左右將失去結(jié)晶水，在550℃時(shí)全部失去結(jié)晶水，失去了增強(qiáng)效果，不僅摩擦性能大幅度的降低，而且在制動(dòng)過程中產(chǎn)生的石棉磨屑顆粒粉塵，具有強(qiáng)烈的致癌作用。所以在70年代起，許多國(guó)家開始就開始禁止生產(chǎn)使用石棉纖維制品。

20世紀(jì)70年代由美國(guó)本迪克斯公司研制出無石棉摩擦材料，它除了綠色環(huán)保外，且在制動(dòng)耐熱性、穩(wěn)定性方面去的了較大的提高。并在替代石棉纖維的過程中發(fā)展了半金屬摩擦材料（采用金屬纖維替代石棉纖維，金屬含量超過50%）、玻璃纖維增強(qiáng)摩擦材料和芳綸纖維增強(qiáng)摩擦材料等多種無石棉摩擦材料。但到目前為止，任何一種增強(qiáng)纖維的綜合性價(jià)比都沒有石棉的性能優(yōu)良，為此，對(duì)于無石棉摩擦材料的研制仍是摩擦材料的研究熱點(diǎn)之一。

3.2粉末冶金摩擦材料

粉末冶金摩擦材料以金屬粉末為基體，添加適量的潤(rùn)滑組元和摩擦組分，采用粉末冶金工藝制造而成。用粉末冶金生產(chǎn)的鐵基、銅基金屬陶瓷摩擦材料，可用于較高的使用溫度，很大程度上解決了高溫摩擦系數(shù)熱衰退和熱磨損問題，使剎車裝置的設(shè)計(jì)和使用獲得了較大的延伸。但是其價(jià)格高、制造工藝復(fù)雜、制動(dòng)噪音大、脆性大以及對(duì)偶件的擦傷和磨損大等缺點(diǎn)，制約了它不能在汽車尤其是轎車制動(dòng)器上獲得廣泛應(yīng)用，只能應(yīng)用在坦克、航空、船舶、重載卡車、高速列車以及其他高速高載荷運(yùn)動(dòng)部件的制動(dòng)器中。

為了降低成本，各國(guó)紛紛研究開發(fā)鐵基粉末冶金摩擦材料并致力解決對(duì)偶件磨損大的問題。美國(guó)專利4415363和歐洲專利E P0093673A提供了美國(guó)Bendix公司將鐵基摩擦材料專用于盤式制動(dòng)器并成功地解決與鑄鐵不相容的問題。另一項(xiàng)研究對(duì)銅-鐵基粉末冶金摩擦材料的摩擦磨損特性進(jìn)行了詳細(xì)探討。因此，對(duì)粉末冶金摩擦材料的研究工作，應(yīng)主要集中在對(duì)其缺點(diǎn)方而的研究和改進(jìn)工作。

3.3C/C復(fù)合摩擦材料

C/C復(fù)合摩擦材料是以碳纖維（或碳布）為基體采用反復(fù)致密化和碳化工藝獲得的高性能摩擦材料。它的摩擦性能十分優(yōu)異，密度低（僅為鋼的1/4）;能載水平高，具有比粉末冶金材料、鋼材高得多的熱容量;熱強(qiáng)度高;無變形、粘結(jié)的現(xiàn)象，工作溫度可達(dá)2200℃;摩擦磨損性能良好，使用壽命長(zhǎng)，在剎車過程中其摩擦系數(shù)穩(wěn)定適中。C/C復(fù)合摩擦材料最早是在20世紀(jì)70年代研制的，主要應(yīng)用于飛機(jī)剎車片。在高溫條件下由于其質(zhì)量輕、能載高、耐高溫能量強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，一經(jīng)出現(xiàn)，便迅速得到推廣應(yīng)用。

C/C復(fù)合摩擦材料具有良好的熱穩(wěn)定性、耐磨損性、導(dǎo)電性、比強(qiáng)度、比彈性率等。但是C/C復(fù)合摩擦材料也存在著以下缺點(diǎn)：摩擦系數(shù)不穩(wěn)定，受濕度的影響很大;抗氧化性能差（在空氣中500℃以上發(fā)生嚴(yán)重氧化），對(duì)環(huán)境（干燥、干凈）的要求較高;單次剎車成本高，限定在特殊領(lǐng)域范圍內(nèi)應(yīng)用，不易大范圍推廣，目前其他高性能剎車材料在高能制動(dòng)領(lǐng)域依然占有主導(dǎo)地位。

3.4陶瓷基摩擦材料

陶瓷基剎車材料是指添加一定數(shù)量具有陶瓷性能氧化物并總體呈現(xiàn)出陶瓷性能的剎車材料。陶瓷基剎車材料結(jié)合了粉末冶金剎車材料的高溫?zé)Y(jié)和C/C復(fù)合剎車材料的低密度和耐高溫性能，同時(shí)克服了C/C復(fù)合剎車材料高溫氧化的缺點(diǎn)，無論在低溫還是高溫都能保持良好的制動(dòng)效果，減少磨損，降低噪音;通常具有高熱容量、低磨損率以及抗熱沖擊的特點(diǎn)，而且具有較高的摩擦系數(shù)，在干摩擦條件下，陶瓷/金屬配副的摩擦系數(shù)一般在0.4-1.0之間。

在摩擦學(xué)領(lǐng)域中，基于陶瓷的這些性能特點(diǎn)，人們很早對(duì)它的應(yīng)用做出了研究。由于陶瓷的容易斷裂制約了它的應(yīng)用，但陶瓷基體經(jīng)纖維或晶須增強(qiáng)后，不僅強(qiáng)度提高，而且韌性大大上升，為它在其他領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供了保證，并逐漸在高速列車、重載汽車等條件下獲得應(yīng)用。目前陶瓷基復(fù)合摩擦材料的研究重點(diǎn)是采用借助部分粉末冶金工藝，研制出具有耐高溫、抗氧化、磨損少等綜合性能優(yōu)良的剎車材料。C/C-SiC復(fù)合摩擦材料和A1203基摩擦材料成為國(guó)內(nèi)外陶瓷基復(fù)合剎車材料的研究重點(diǎn)。因此，纖維增強(qiáng)陶瓷是陶瓷基復(fù)合材料中最有發(fā)展前景的。

4結(jié)語(yǔ)

由于汽車摩擦材料的形體是不規(guī)則的，因此很難準(zhǔn)確計(jì)算出它的實(shí)際體積，其實(shí)際密度計(jì)算也就成了一個(gè)難題。汽車摩擦材料比重測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)方法，巧妙的解決了這一難題。它使用方便，設(shè)有不同的重量測(cè)量檔次，使精度更高，測(cè)量速度更快，汽車摩擦材料生產(chǎn)質(zhì)量監(jiān)控和摩擦材料配方開發(fā)的重要設(shè)備。它可以實(shí)現(xiàn)摩擦材料帶鋼背、不帶鋼背、總成、小樣等多種比重測(cè)量，同時(shí)也可以延伸到其它短時(shí)間內(nèi)不吸水固體材料的比重測(cè)量。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱文婷，劉洋，岳建設(shè).汽車用制動(dòng)摩擦材料性能試驗(yàn)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展[J].咸陽(yáng)師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，06：39-42.

[2]崔艷芹，劉學(xué)慶.汽車制動(dòng)摩擦材料比重測(cè)量?jī)x的性能要求及影響因素[J].材料導(dǎo)報(bào)，2014，S1：413-416+421.

[3]李云鵬，邢記龍.從制動(dòng)副的摩擦磨損特性看陶瓷基剎車片的性能優(yōu)勢(shì)[J].非金屬礦，2011，02：72-75.