淺析天然復(fù)合材料在汽車剎車片中的應(yīng)用

摘 要：剎車片是汽車的重要部件，其中摩擦學(xué)性能是主要關(guān)注點。傳統(tǒng)上使用的是石棉剎車片，后來被銅基材料取代。隨著剎車襯里材料的發(fā)展，合成摩擦復(fù)合材料被探索作為替代方案。研究表明，香蕉皮、棕櫚仁和棕櫚渣等天然纖維可有效替代傳統(tǒng)剎車片材料。本文分析了天然纖維主要優(yōu)勢、石棉材料和天然纖維的生命周期評估、天然纖維對剎車片性能的影響、天然復(fù)合材料剎車片的制造及主要表征。

關(guān)鍵詞：剎車片 天然纖維 復(fù)合材料

1 緒論

剎車系統(tǒng)是汽車中的關(guān)鍵系統(tǒng)之一，其通過摩擦將動能轉(zhuǎn)化為熱能，從而使汽車減速或停止。因此，剎車片必須具備高且穩(wěn)定的摩擦系數(shù)。這使得選擇合適的剎車片摩擦材料變得至關(guān)重要，很多研究都致力于摩擦材料的選擇和新材料的開發(fā)。在選擇摩擦材料時，需要考慮的因素包括制造工藝和材料要求。通常，摩擦材料可以分為三類： 金屬剎車襯片，碳—碳復(fù)合材料，有機聚合物（樹脂結(jié)合）。

金屬剎車襯片通常由鐵或銅制成，廣泛應(yīng)用于重型和高速飛機、高速列車、汽車。這主要是因為金屬剎車襯片具有較高的熱穩(wěn)定性，這是這些應(yīng)用所必需的特性。盡管其易于制造且成本低廉，金屬剎車襯片的高密度會降低系統(tǒng)的能效。

碳—碳復(fù)合摩擦材料主要用于航空應(yīng)用，汽車應(yīng)用較少。與金屬剎車襯片相比，它們的重量輕40%，并且在高溫下具有較高的強度，是鋼的兩倍，這使它們具有更長的使用壽命。然而，碳—碳復(fù)合材料的主要局限性在于其高成本和易氧化性。

另一方面，有機聚合物用于生產(chǎn)輕型剎車系統(tǒng)，這些剎車系統(tǒng)通常用于普通離合器。有機聚合物通常由30%-40%的有機樹脂組成，并包含多種成分和配方。有機聚合物材料的主要成分分為四類：粘合劑、填料、摩擦調(diào)節(jié)劑和增強材料。因此，為特定應(yīng)用選擇合適的有機聚合物摩擦材料是一項具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。剎車片的材料本質(zhì)上是異質(zhì)且多樣的，且配方復(fù)雜。一個世紀以來，剎車片的主要生產(chǎn)材料一直是由聚合物基體增強石棉纖維及其他多種成分組成的復(fù)合材料。石棉具有良好的物理和化學(xué)性能，能夠在較寬的溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，使其非常適合用于摩擦材料。然而，石棉是一種已知的致癌物質(zhì)，對健康構(gòu)成重大威脅。因此，在該領(lǐng)域開展了大量研究，旨在通過研究替代材料來開發(fā)無石棉復(fù)合剎車片材料，以替代各種聚合物基體材料中的石棉纖維。研究提出的一種有前景的解決方案是使用天然纖維作為石棉基材料的替代品。與合成纖維相比，天然纖維更具環(huán)保性且成本更低。

2 天然纖維主要優(yōu)勢

天然纖維正在成為合成增強材料的可行替代品。這主要歸因于其低成本和低密度、適宜的比強度特性、分離工藝簡單、能夠吸收二氧化碳以及可生物降解性。此外，天然纖維是地球上估算最為豐富的生物聚合物，全球年產(chǎn)量約為1.3×101?噸。天然纖維不僅可再生，而且具有可持續(xù)性。這些纖維可以從不同的被視為廢棄的可持續(xù)來源中獲取，例如：森林廢棄物（如樹枝、不需要的樹干和枯萎的葉子），工業(yè)廢棄物（如廢紙和拆除的木材），以及農(nóng)業(yè)廢棄物（如棕櫚殘渣、秸稈、甘蔗渣、玉米芯等）。這對緩解資源過度開發(fā)問題具有積極作用，尤其是在氣候變化持續(xù)加劇和全球溫室氣體排放增加的情況下。這些因素都促使人們減少對不可再生礦物資源的依賴以及生產(chǎn)合成纖維過程中產(chǎn)生的碳足跡。

使用環(huán)保（綠色）材料，如木質(zhì)纖維素，可以大幅降低碳排放并解決環(huán)境毒性問題。木質(zhì)纖維素殘渣特別適用于此類用途，因為它們是豐富且可再生的生物聚合物，并且在超過200種應(yīng)用中被研究為可持續(xù)材料。例如，木質(zhì)纖維素纖維可以用于制造建筑材料、中等強度復(fù)合材料、粘合劑、包裝、涂層、牙科填料、植入物和藥物輸送裝置等。由于這些優(yōu)點，多個政府推動增加木質(zhì)纖維素殘渣在各類應(yīng)用中的使用。此外，在用于剎車片的摩擦材料中使用木質(zhì)纖維素（天然）纖維，不僅是替代石棉纖維的良好選擇，同時還能夠減少環(huán)境廢棄物。例如，水果殘渣已被視為關(guān)鍵的生物廢棄物來源，因此通過回收它們生產(chǎn)天然纖維用于制造剎車片等應(yīng)用，可以顯著減少環(huán)境廢棄物。

3 石棉材料和天然纖維的生命周期評估

3.1 石棉材料的生命周期評估

石棉的使用已被證明與環(huán)境及潛在人類健康危害有關(guān)，因此推動了尋找替代材料的努力。然而，許多提議的解決方案要么耗能極高，要么尚未完全開發(fā)成熟，因此可能只是將環(huán)境影響轉(zhuǎn)移到了石棉生命周期的不同階段。為解決這一問題，有必要對不同的含石棉廢料（ACW）管理情景進行一致且量化的環(huán)境評估，以確定一種可靠的方法，這是考慮其整個生命周期后影響較小的關(guān)鍵。

生命周期評估（簡稱LCA）是一項重要環(huán)境管理工具。按ISO14040的定義，生命周期評估是用于評估與某一產(chǎn)品（或服務(wù)）相關(guān)的環(huán)境因素和潛在影響的方法，它是通過編制某一系統(tǒng)相關(guān)投入與產(chǎn)出的存量記錄，評估與這些投入、產(chǎn)出有關(guān)的潛在環(huán)境影響，根據(jù)生命周期評估研究的目標解釋存量記錄和環(huán)境影響的分析結(jié)果來進行的。盡管其有用，但針對ACW不同管理方案的LCA研究相對較少，這歸因于缺乏評估石棉對土壤、水和空氣影響的方法。近年來，含石棉材料（ACM）的管理取得了顯著進展，包括建立優(yōu)先干預(yù)風(fēng)險圖、對ACM進行封裝和消除處理，以及含石棉廢料的生命周期末期管理。

3.2 天然纖維的生命周期評估

為了減輕ACM的負面影響，表征因子的引入使得石棉惰化處理被認為是地方和國家顧問推薦的可靠且量化的解決方案。特別是在處理后生成的惰性材料可以作為二次原料使用，從而減少環(huán)境損害。根據(jù)生命周期評估的結(jié)果，植物纖維增強復(fù)合材料（PFRCS）被發(fā)現(xiàn)比合成纖維復(fù)合材料更具可持續(xù)性。植物纖維作為PFRCS中的增強劑具有促進復(fù)合材料在不同應(yīng)用中可持續(xù)性的巨大潛力。

來自果汁工業(yè)、食品市場和其他工業(yè)加工的大量水果殘渣是具有重要環(huán)境影響的潛在生物資源。這些廢料占總水果生物量的三分之一，并因其低體積密度而帶來了顯著的運輸挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的處理水果殘渣的方法，如直接填埋，由于甲烷（CH4）和二氧化碳（CO2）的排放而在環(huán)境問題上變得越來越不可行。這些氣體是溫室氣體（GHG）排放的主要原因。解決這些環(huán)境和經(jīng)濟問題的一種方法是將這些殘渣轉(zhuǎn)化為有用材料，例如汽車剎車片的摩擦材料。這種利用天然纖維的方法不僅減少了石棉的有害環(huán)境影響，還將水果廢料轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟效益。

多項研究報告表明，天然纖維增強復(fù)合材料（NFRC）在摩擦學(xué)和機械性能上表現(xiàn)更佳。這些研究還展示了成分之間的粘附作用及其對機械和摩擦學(xué)性能的影響。

影響纖維粘附性的因素之一是對纖維進行的堿性處理。這種處理用于去除纖維中的不需要的元素，如雜質(zhì)。堿性處理是一種清潔和改性處理方法，旨在降低纖維表面的表面張力，增強天然纖維的界面粘附性。

4 天然纖維對剎車片性能的影響

當(dāng)天然纖維作為增強材料使用時，通過控制纖維含量在某些水平上，可以改善摩擦學(xué)性能。天然纖維的含量影響摩擦學(xué)性能，主要是由于粘合劑（基體）與天然纖維的比例變化。粘合劑與天然纖維的比例影響粘附力，從而直接影響摩擦學(xué)性能。天然纖維的使用可以改善機械性能，直到達到某個點，之后機械性能會開始下降。這一點可以在香蕉纖維和棕櫚核纖維的不同配料和不同重量百分比中觀察到。例如，當(dāng)這種比例低于最佳值時，纖維含量不足以增強基體。此外，當(dāng)比例高于最佳值時，纖維需要更多的粘合劑才能粘合在一起。因此，當(dāng)纖維含量高于或低于這些最佳值時，機械和摩擦學(xué)性能的惡化是可以預(yù)期的。國內(nèi)外研究人員將重點放在測量使用不同粘合劑和天然纖維類型及含量制備的天然纖維復(fù)合材料的不同機械和摩擦學(xué)性能上。他們還測量了所制備復(fù)合材料的孔隙率、密度、硬度、熱導(dǎo)率、壓縮性、磨損率和摩擦系數(shù)。

使用天然纖維作為剎車片的增強劑可以減少其環(huán)境影響，并降低與使用石棉相關(guān)的人體健康毒性。纖維含量的變化可以影響機械性能，特別是摩擦學(xué)性能。例如，通過在最佳水平加入天然纖維，剎車片的摩擦學(xué)性能，如摩擦系數(shù)（COF）和磨損率，可以顯著改善。然而，預(yù)測這些新材料的性能和纖維含量的趨勢相關(guān)性是一個復(fù)雜的過程，原因有以下幾點：多個參數(shù)影響測量過程，不同的纖維分數(shù)范圍，以及不同的木質(zhì)纖維來源。一些趨勢和關(guān)系如下所示：

（1）當(dāng)天然纖維的重量百分比低于10%時，香蕉皮的密度增加，然后在重量百分比為20%時再次上升。

（2）隨著天然纖維在復(fù)合材料配方中的含量增加，孔隙率通常下降。

（3）對于香蕉皮和棕櫚核，復(fù)合材料的硬度增加，但在46%基體和棕櫚核纖維情況下除外。

（4）摩擦系數(shù)（COF）最初增加，然后減少并在天然纖維含量增加時趨于穩(wěn)定。

（5）僅在46%基體和棕櫚核纖維情況下，隨著其他成分百分比的變化，表現(xiàn)出下降，然后增加的趨勢，而不僅僅是纖維和樹脂。

（6）隨著天然纖維重量百分比的增加，磨損率增加，但對于棕櫚核（10%-50%）和35%酚醛樹脂情況除外。

（7）處理過程中的壓縮負載對機械和摩擦學(xué)性能有影響。

5 天然復(fù)合剎車片的制造

天然復(fù)合材料的制造方法包括手工鋪層法、真空袋成型、熱壓成型和樹脂傳遞成型過程。其中，熱壓成型工藝被廣泛應(yīng)用于剎車片的生產(chǎn)。然而，在強化天然纖維（尤其是有機纖維）之前，必須進行表面改性和處理。這主要是為了增強纖維的附著力和機械性能?；瘜W(xué)處理可去除纖維的纖維素成分。纖維的表面處理能減少其親水性，并改善復(fù)合材料的尺寸穩(wěn)定性。

一旦纖維經(jīng)過表面處理，它們將被嵌入到基體中，以根據(jù)應(yīng)用特定的要求實現(xiàn)所需的性能。纖維增強聚合物復(fù)合材料最初通過手工鋪層方法制造。雙向和單向的纖維最適合用于手工鋪層工藝。另一方面，短纖維需要更多關(guān)注和更好的工藝，以在制造過程中實現(xiàn)適當(dāng)?shù)幕旌虾妥钚〉目障?。已有文獻成功使用手工鋪層技術(shù)制備天然復(fù)合材料。真空袋成型工藝有助于克服手工鋪層工藝的困難和限制。通過真空袋成型工藝可以實現(xiàn)最低的空隙體積分數(shù)，因此它們被廣泛應(yīng)用于剎車片等摩擦學(xué)應(yīng)用的復(fù)合材料產(chǎn)品中。

剎車片由各種成分組成，其強化類型從纖維到顆粒不等。因此，適當(dāng)?shù)幕旌蠈τ趯崿F(xiàn)剎車片應(yīng)用所需的特性至關(guān)重要。熱壓成型和后固化處理工藝的組合適用于剎車片的生產(chǎn)，并能得到可靠的產(chǎn)品。因此，熱壓成型工藝被廣泛采用。最初，將摩擦調(diào)節(jié)劑、添加劑、纖維等成分在混合器中混合10-20分鐘，以獲得均勻的混合物。各種文獻中使用了機械混合器和電動攪拌機來混合這些成分?；旌虾蟮木鶆蚧旌衔锉晦D(zhuǎn)移到模具腔中。通過逐漸施加壓力對混合物（或配料）進行壓縮。施加的壓力主要用于消除可能導(dǎo)致復(fù)合材料中出現(xiàn)空隙的氣體或空氣。隨后施加二次壓力以達到所需的復(fù)合材料密度。壓制的復(fù)合材料在120℃–160℃的高溫下進行固化，施加的壓力范圍為10 MPa到80 MPa，固化時間為7–30分鐘。熱壓固化的時間根據(jù)溫度和壓力的組合而有所不同。熱壓制備樣本是一種廣泛使用的方法，固化時間為7–10分鐘。在此過程中，氣體會多次釋放，表明通過聚合釋放的氣體已被消除。此步驟確保形成具有所需形狀的固化和硬化的復(fù)合材料樣本。固化后的樣本在100℃–200℃的溫度范圍內(nèi)在烘箱中進行后固化，時間為1–4小時。后固化過程有助于提高所獲得復(fù)合材料樣本的機械性能。

6 天然復(fù)合剎車片的主要表征

剎車片的如密度、耐火性、水和油的吸收、灰分含量、丙酮提取、結(jié)晶度指數(shù)和降解分析，對于剎車片的應(yīng)用至關(guān)重要。

密度：復(fù)合材料的密度受其組成成分的密度、粉末的尺寸、成型技術(shù)和熱處理過程的影響。通常使用阿基米德原理根據(jù)ASTM B962進行密度測定。剎車片的密度非常重要，影響汽車的重量。近年來，研究重點轉(zhuǎn)向天然纖維作為合成纖維的替代品，因為它們的低密度、低成本和生物降解性。例如，增加胡桃殼粉的含量會提高復(fù)合材料的密度。此外，纖維的化學(xué)處理也會增加纖維的密度，從而提高增強剎車片的密度。化學(xué)處理可以填充表面不規(guī)則性，如孔隙和空洞，增強纖維的密度。

丙酮提?。罕崛y量復(fù)合材料中未固化的樹脂量。允許的丙酮提取百分比應(yīng)少于1.5%以確認更好的固化，但對于非石棉剎車片，最大值可達3%。

孔隙率：較粗顆粒的復(fù)合材料容易形成較大的孔隙，這有助于基體或粘合劑的固化，因為熱流更好?？紫堵实淖兓瘯绊憦?fù)合材料的固化效果和性能。

結(jié)晶度指數(shù)（CI）：CI用于確定樣本中結(jié)晶材料的量。材料的結(jié)晶度指數(shù)對其水分吸收能力和化學(xué)攻擊的抗性有直接影響?；瘜W(xué)處理（如堿處理和硅烷處理）可以增加天然纖維的CI值，提升其剛度和機械強度。

水和油的吸收：剎車摩擦材料的水和油吸收能力對其性能有重要影響。較高的吸收能力表明材料的孔隙率較高，可能導(dǎo)致較差的摩擦性能。例如，使用榛子粉作為增強材料的環(huán)保剎車片，其水和油的吸收能力與商業(yè)剎車片相當(dāng)。聚合物復(fù)合剎車片中的棕櫚仁纖維表現(xiàn)出比石棉基剎車片更高的水和油吸收能力。

7 結(jié)論

復(fù)合剎車片是汽車應(yīng)用中的重要部件。雖然石棉和銅基剎車片是最常用的類型，但由于石棉的致癌性和銅對水生生態(tài)系統(tǒng)的有害影響，石棉和銅基剎車片的應(yīng)用受到了限制。此外，工程應(yīng)用中對可持續(xù)摩擦材料的需求正在迅速增長。天然復(fù)合剎車片中強化了從植物的不同部位（如莖、果實）提取的生物質(zhì)材料，如纖維和顆粒，以及動物毛等。將工業(yè)廢料（如飛灰、水泥灰等）和天然礦物增強劑（如石墨、碳酸鈣、重晶石、玄武巖纖維和硅灰石粉）作為二次填料添加，以進一步改善剎車片的性能。此外，對植物基纖維進行化學(xué)和熱處理是必要的，通過去除纖維中的纖維素成分以提高復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能。堿處理和硅烷處理已經(jīng)顯示出良好的結(jié)果，能夠滿足所需的性能。

參考文獻：

[1]石永亮，黃偉青，陳存廣，等.銅基-碳纖維剎車片摩擦材料的制備及性能[J].粉末冶金工業(yè)，2020，30（06）：50-54.DOI：10.13228/j.boyuan.issn1006-6543.20190162.

[2]張錫榮.汽車剎車盤散熱性及摩擦磨損性能研究[J].價值工程，2014，33（06）：23-24.DOI：10.14018/j.cnki.cn13-1085/n.2014.06.057.

[3]趙天德.樹脂基碳纖維復(fù)合材料剎車片的制動性能研究[J].塑料工業(yè)，2019，47（07）：104-107.

[4]宋真玉.汽車剎車片金屬陶瓷復(fù)合材料制備及摩擦性能[J].工業(yè)加熱，2021，50（05）：41-43.

[5]余江，冉琳娜.飛機的碳纖維復(fù)合材料剎車性能仿真分析[J].機械研究與應(yīng)用，2019，32（06）：70-74.DOI：10.16576/j.cnki.1007-4414.2019.06.021.

[6]黃頻波，付成龍，李斌.碳/碳化硅復(fù)合材料剎車盤/片熱應(yīng)力場分析[J].合成纖維，2019，48（11）：43-48.DOI：10.16090/j.cnki.hcxw.2019.11.008.