汽車剎車片中的陶瓷基摩擦材料研究

馮柯

福建省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院 福建省福州市 350002

1 引言

近年來(lái)，我國(guó)汽車工業(yè)得到蓬勃發(fā)展，呈現(xiàn)出輕量化、高壽命發(fā)展趨勢(shì)，在汽車行駛速度明顯提升的同時(shí)，對(duì)汽車制動(dòng)能力、剎車片材料性能提出了更高要求，原有剎車片材料的性能有待提升，沒(méi)有滿足汽車制造需要。與此同時(shí)，陶瓷基摩擦材料在汽車制造領(lǐng)域中展露出廣闊的應(yīng)用前景，是汽車制動(dòng)摩擦片的首選材料，也是滿足現(xiàn)代汽車高速行駛、舒適與安全等方面要求的關(guān)鍵。

2 陶瓷基摩擦材料概述

2.1 陶瓷基摩擦材料含義

陶瓷基摩擦材料是由陶瓷纖維、少量金屬、不含鐵填料物質(zhì)以及粘接劑等原料制備形成，屬于一種全新品種的摩擦材料，也可將其視作為一種以陶瓷組分為主、著重突出陶瓷性能的一種摩擦材料。相比與傳統(tǒng)類型的汽車剎車片，陶瓷剎車片有著無(wú)噪音、不會(huì)腐蝕輪轂、節(jié)能環(huán)保、使用壽命長(zhǎng)、硬度高、耐高溫的性能優(yōu)勢(shì)，一般情況下，在汽車總里程不超過(guò)10 萬(wàn)km 時(shí)無(wú)需更換陶瓷剎車片，而傳統(tǒng)剎車片的使用壽命一般在5萬(wàn)km 以內(nèi)。

2.2 陶瓷基摩擦材料種類

現(xiàn)階段，在汽車制造過(guò)程中，應(yīng)用最為常見的陶瓷基摩擦材料為兩種，分別為C/C-SiC 復(fù)合材料以及AlO材料，不同類型陶瓷基摩擦材料的性能、使用壽命、制造成本存在明顯差異，應(yīng)按照汽車制造要求加以選擇。

第一，C/C-SiC 復(fù)合材料是以碳化硅與碳纖維增強(qiáng)碳為基體制作而成，最早出現(xiàn)在上世紀(jì)末，兼?zhèn)涮沾膳c碳纖維增強(qiáng)體材料卓越的熱穩(wěn)定性能、力學(xué)性能與化學(xué)性能，并具有良好的環(huán)境適應(yīng)能力，這也是早期C/C 復(fù)合材料不具備的。同時(shí)，C/C-SiC 材料也存在著摩擦性能穩(wěn)定性差、低速條件下摩擦系數(shù)過(guò)高、易出現(xiàn)粘著反應(yīng)、高能載剎車時(shí)的制動(dòng)平穩(wěn)性差等缺陷，需要對(duì)材料配合比方案與制造工藝加以改進(jìn)，如添加適量的Ti 組分來(lái)控制殘余Si 相含量、添加Fe 粉來(lái)強(qiáng)化材料摩擦磨損性能、選用新型熔融SI 與Cu 浸滲工藝。

第二，AlO材料是以氧化鋁為基體制成的一種陶瓷基摩擦材料，有著抗高溫、化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)、原料來(lái)源廣泛、耐磨損的性能優(yōu)勢(shì)，具備大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)條件。同時(shí)，國(guó)內(nèi)各家汽車制造企業(yè)對(duì)氧化鋁基陶瓷摩擦材料廣泛開展研究工作，材料性能得到明顯改善，如在氧化鋁陶瓷中加入適量CrO和SiO材料可以降低燒結(jié)溫度、將鈦酸鉀晶含量控制在10%時(shí)取得最佳力學(xué)性能與摩擦磨損性能。

3 陶瓷基摩擦材料的性能

3.1 陶瓷基摩擦材料制備

為保證材料性能測(cè)試結(jié)果具備實(shí)際參考價(jià)值，需要制備陶瓷基摩擦材料作為試樣，開展一系列性能測(cè)試。首先，以200 目電廠粉煤灰廢渣作為陶瓷組分，使用PF6530A 型改性酚醛樹脂為粘接劑，使用AlO含量在95%以上且直徑為3-5μm 的氧化鋁纖維為增強(qiáng)相，使用ZrO與YO總含量超過(guò)95%且直徑為5-8μm 的氧化鋯纖維為增強(qiáng)相，使用黑色粉末狀二硫化鉬、白色粉末狀冰晶石、60 目石墨粒為調(diào)節(jié)劑，粉煤灰化學(xué)組分以AlO與SiO為主，含量分別為38.04%與49.43%。隨后，使用電子天平、裁樣機(jī)、干燥箱等設(shè)備，選取冷壓成型-熱壓固化組合工藝，依次開展涂料、混料、冷壓成型、熱壓固化、熱處理與后處理作業(yè)，即可完成陶瓷基材料制備作業(yè)。

3.2 物理性能

為測(cè)試陶瓷基摩擦材料的物理性能，先后開展密度測(cè)試與孔隙率測(cè)試試驗(yàn)。其中，在密度測(cè)試環(huán)節(jié)，可選用阿基米德排水法，將試樣經(jīng)過(guò)超聲清洗與干燥處理后，在表面涂抹凡士林和計(jì)量空氣中試樣質(zhì)量，向燒杯中注入蒸餾水并記錄水位、質(zhì)量，將試樣放入燒杯中，使試樣完全浸泡在蒸餾水內(nèi)，對(duì)比試樣放入前后的燒杯水位值與總質(zhì)量，以此來(lái)計(jì)算試樣密度，試驗(yàn)結(jié)果表明，陶瓷基摩擦材料的密度較小，遠(yuǎn)低于含有金屬的剎車片制作材料。而在孔隙率測(cè)試環(huán)節(jié)，采取油浸法，預(yù)先測(cè)量試樣規(guī)格尺寸與記錄體積，使用天平秤量試樣質(zhì)量，將試樣懸浸在盛滿工業(yè)齒輪油的水槽內(nèi)，將齒輪油加熱至90℃-100℃后放置8h，始終保持恒定溫度，到達(dá)時(shí)間后取出試樣放入室溫油液內(nèi)浸泡12h，隨后取出試樣，擦拭表面油污后稱重記錄，再將室溫齒輪油注入量筒測(cè)量密度，從而計(jì)算試樣孔隙率。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，表明陶瓷基摩擦材料的孔隙率較大，原因在于這類材料表面存在大量孔隙。

3.3 力學(xué)性能

為測(cè)試陶瓷基摩擦材料的力學(xué)性能，需要開展硬度測(cè)試和壓縮強(qiáng)度測(cè)試試驗(yàn)。其中，在硬度測(cè)試環(huán)節(jié)，使用XHRD-150 型洛氏硬度計(jì)等儀器設(shè)備來(lái)測(cè)量材料硬度，對(duì)各組材料測(cè)定5-6 次，在試樣表面均勻布置測(cè)試點(diǎn)，取各次測(cè)試結(jié)果的平均值作為最終硬度值，從而判斷材料表面抵抗硬物壓入時(shí)的塑性變形能力，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果表明，陶瓷基摩擦材料的硬度為90HRL，稍低于樹脂基等含有較多重金屬的剎車片材料，但滿足汽車剎車片性能要求，不會(huì)因硬度過(guò)高而在汽車制動(dòng)期間產(chǎn)生噪音。在壓縮強(qiáng)度測(cè)試環(huán)節(jié)，使用活塞驅(qū)動(dòng)卡鉗將制動(dòng)盤夾緊，由摩擦材料與對(duì)偶盤在接觸過(guò)程中產(chǎn)生摩擦力，致使車輛減速、靜止，同步觀察試驗(yàn)期間陶瓷基摩擦材料的表面情況，如是否出現(xiàn)表面崩缺、形成裂縫或是制動(dòng)失效的現(xiàn)象，重復(fù)開展多次試驗(yàn)，使用液壓式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試材料壓縮強(qiáng)度。

3.4 摩擦磨損性能

在摩擦磨損性能測(cè)試環(huán)節(jié)，可使用D-MSN 型定速試驗(yàn)機(jī)，將試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定為1225N 載荷、480r/min 轉(zhuǎn)速，將各組試樣的摩擦表面溫度保持為100℃、150℃、200℃與250℃，啟動(dòng)試驗(yàn)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)5000 轉(zhuǎn)，測(cè)定各組試樣摩擦力與記錄厚度變化情況，從而獲取體積磨損率，判斷陶瓷基摩擦材料的摩擦磨損性能。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果表明，陶瓷基摩擦材料的摩擦磨損性能明顯強(qiáng)于樹脂基等類型的剎車片材料，在200℃時(shí)的摩擦磨損性能最為優(yōu)異，其原因在于，陶瓷基摩擦材料有著卓越的高溫粘合能力，含有大量無(wú)機(jī)、有機(jī)材料，在高溫條件下仍可保持表面光滑狀態(tài)，快速形成轉(zhuǎn)移膜與摩擦膜，憑借膠狀體將各類材料粘合為一體。相比之下，樹脂基材料在高溫條件下會(huì)出現(xiàn)分解現(xiàn)象，表面形成油狀物，進(jìn)而導(dǎo)致剎車片出現(xiàn)混合摩擦問(wèn)題，摩擦系數(shù)穩(wěn)定性較差。此外，為更為深入、準(zhǔn)確的判斷陶瓷基摩擦材料的摩擦磨損性能，在摩擦磨損性能測(cè)試完畢后，可以使用MLA650型電子顯微鏡等儀器設(shè)備，細(xì)致觀察陶瓷基摩擦材料表面機(jī)理與磨損程度。

4 汽車剎車片中陶瓷基摩擦材料的應(yīng)用策略

4.1 應(yīng)用強(qiáng)韌化技術(shù)

相比于金屬材料，雖然陶瓷材料有著較高的強(qiáng)度硬度與良好耐高溫性能，但單一陶瓷材料的脆性較大，塑性與變形能力有所不足，限制了陶瓷基磨損材料在汽車剎車片領(lǐng)域中的應(yīng)用。因此，為改善材料性能，重點(diǎn)強(qiáng)化材料韌性，需要應(yīng)用到纖維增韌技術(shù)或是顆粒增韌技術(shù)，具體如下。

第一，纖維增韌技術(shù)是在陶瓷基復(fù)合材料中添加適量的纖維材料，在陶瓷材料處于斷裂過(guò)程時(shí)，纖維材料將起到吸收部分?jǐn)嗔褧r(shí)產(chǎn)生能量、在裂縫尖端部位形成全新表面、抑制裂紋擴(kuò)展的作用。同時(shí)，需要重點(diǎn)考慮纖維材料對(duì)陶瓷基材料整體性能造成的影響，應(yīng)根據(jù)材料強(qiáng)化要求來(lái)選擇纖維種類，當(dāng)前常用的增強(qiáng)纖維包括礦物纖維、金屬纖維、C纖維、沉積層碳纖維等。例如，使用沉積層碳纖維作為增強(qiáng)材料，可以改善氧化鋁陶瓷材料的斷裂韌性與提高抗彎強(qiáng)度。而在使用氧化鋁纖維來(lái)制備莫來(lái)石-氧化鋯復(fù)相陶瓷材料時(shí)，可以針對(duì)性改善陶瓷基材料在常溫條下的熱震穩(wěn)定性能與提高抗析強(qiáng)度。

第二，顆粒增韌技術(shù)由彌散顆粒增韌、納米顆粒增韌、延性顆粒增韌三種方法組成。其中，彌散顆粒增韌是使用碳化物等顆粒與基體材料失配來(lái)形成增韌機(jī)制、提高材料韌性。納米顆粒增韌是通過(guò)調(diào)整第二相顆粒尺寸等級(jí)、增加晶界數(shù)量和細(xì)化材料晶粒來(lái)實(shí)現(xiàn)增韌目的，如在Al2O3 陶瓷中添加5%含量Ni3Al 納米顆粒來(lái)細(xì)化陶瓷，可以提升150%左右的抗彎強(qiáng)度，以及提升30%-35%的斷裂韌性。延性顆粒增韌是在基體材料中添加適量Fe 顆粒、Al 顆粒或是Ag 顆粒，這類延性顆粒在陶瓷剎車片出現(xiàn)塑性變形現(xiàn)象或是形成裂紋時(shí)可以吸收部分?jǐn)U展能量、改變裂紋擴(kuò)展方向，如在ZrB2-SiC 陶瓷材料配比中添加少量碳黑顆粒來(lái)改善材料抗熱沖擊性能與提高韌性。

4.2 改進(jìn)陶瓷基摩擦材料的配合比方案

陶瓷基摩擦材料配合比方案對(duì)材料性能造成直接影響，如果配方設(shè)計(jì)不當(dāng)，會(huì)削弱陶瓷剎車片整體性能與縮短使用壽命，存在安全隱患。因此，在應(yīng)用陶瓷基摩擦材料時(shí)，必須掌握單一陶瓷纖維、混雜纖維比例、混雜纖維含量三項(xiàng)要素對(duì)材料性能造成的具體影響，對(duì)材料配方進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

單一陶瓷材料有著韌性差的特點(diǎn)，雖然可采取纖維增韌、顆粒增韌技術(shù)來(lái)提高材料韌性，但實(shí)際提升幅度有限，需要確定纖維品種與用量，進(jìn)一步改善陶瓷基摩擦材料的整體性能。例如，在單一使用氧化鋁纖維來(lái)增強(qiáng)陶瓷基摩擦材料時(shí)，未添加氧化鋁纖維的材料表現(xiàn)為組分分布均勻、部分孔洞小顆粒被粘接劑堵塞，在添加10%-20%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的棒狀氧化鋁纖維時(shí)，材料表現(xiàn)為無(wú)序均勻分布、纖維與基體結(jié)合良好的情況，而在添加25%質(zhì)量分?jǐn)?shù)氧化鋁纖維時(shí)，在纖維團(tuán)聚部位形成裂縫，纖維與基體結(jié)合效果不佳，因而單一氧化鋁纖維的用量比例應(yīng)控制在10%-20%范圍內(nèi)。

為突破單一陶瓷纖維材料的局限性，如氧化鋯纖維摩擦系數(shù)波動(dòng)過(guò)大、氧化鋁纖維耐磨性差與高溫條件下出現(xiàn)熱衰退現(xiàn)象，可以在陶瓷基摩擦材料中同時(shí)加入多種纖維材料，起到混雜互補(bǔ)作用，但需要嚴(yán)格把控混雜纖維比例。例如，從物理性能角度出發(fā)，當(dāng)混雜纖維總含量為25%時(shí)，氧化鋯與氧化鋁纖維添加比例不會(huì)對(duì)密度、孔隙率造成明顯影響，孔隙率保持在4.0%-4.5%以內(nèi)，密度值保持在1.90-2.00 范圍內(nèi)，相差甚微。而從力學(xué)性能角度來(lái)看，可以將材料硬度值保持在90HRL 左右，壓縮強(qiáng)度波動(dòng)系數(shù)較大，在氧化鋯與氧化鋁纖維比例在1：1 或1：3時(shí)的壓縮強(qiáng)度相對(duì)較高，在65MPa 左右。

在組合使用氧化鋯纖維與氧化鋁纖維時(shí)，需要將混雜纖維總含量保持在16%-24%左右，如果含量低于16%將無(wú)法明顯改善陶瓷基摩擦材料性能。而在混雜纖維含量超出24%時(shí)，將因此出現(xiàn)部分纖維相互搭接形成明顯孔隙、密度增長(zhǎng)緩慢、纖維在基體中局部團(tuán)聚、界面結(jié)合效果不佳、磨損率增加等問(wèn)題。

4.3 改進(jìn)陶瓷制動(dòng)剎車片工藝技術(shù)

雖然陶瓷基摩擦材料相比于半金屬型、粉末冶金等剎車片制作材料而言有著優(yōu)異的綜合性能，剎車片使用壽命有所延長(zhǎng)。然而，根據(jù)陶瓷剎車片實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看，仍舊存在一些問(wèn)題有待解決，包括高溫條件下摩擦系數(shù)發(fā)生變化、受限于摩擦熱傳遞情況導(dǎo)致摩擦材料出現(xiàn)分解現(xiàn)象。因此，為改善陶瓷剎車片的使用工況，在使用陶瓷基摩擦材料的同時(shí)，還需要對(duì)陶瓷制動(dòng)剎車片的工藝技術(shù)加以優(yōu)化改進(jìn)。首先，在陶瓷基摩擦材料配方中添加高溫摩擦調(diào)節(jié)劑，起到抑制熱衰退的作用，避免在剎車片溫度驟然提升至200℃和后續(xù)冷卻期間出現(xiàn)熱衰退現(xiàn)象。其次，汽車制造廠重點(diǎn)開發(fā)與使用多孔填料，以此來(lái)改善陶瓷基摩擦材料熱傳導(dǎo)性能、摩擦熱傳遞性能與降低剎車片材料密度，也可以選用固化熱處理工藝來(lái)提升剎車片耐壓強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度。最后，使用新型的無(wú)機(jī)粘接劑，并要求粘接劑具備良好的耐熱性與穩(wěn)定性，不局限于使用橡膠或是樹脂材料，可選用金屬硫化物以及金屬粉末等，從而解決粘接劑在高溫條件下性能衰退、失效的問(wèn)題。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，陶瓷基摩擦材料的綜合性能遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)剎車片材料，是汽車剎車片的必然發(fā)展趨勢(shì)。汽車制造企業(yè)必須正確認(rèn)識(shí)到陶瓷基材料的應(yīng)用價(jià)值，全面了解材料組成、種類與各方面性能，建立起一套圍繞陶瓷基摩擦材料的現(xiàn)代化汽車剎車片工藝體系，以此來(lái)提高產(chǎn)品質(zhì)量。