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      剎車片
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      汽車剎車片材料的研究與發展

      2020-04-21 11:00:37

      汽車剎車片        汽車剎車片于1897年,HerbertFrood首次發明了剎車片(使 用棉線作為增強纖堆),井用于馬車和早期的汽車,從此,世界著名的Ferodo公司成立了。隨后在1909年,該公司首次發明了固化石棉基剎車片;1968年,首次發明半金屬基剎車片,此后,汽車剎車片摩擦材料開始向無石棉化發展。國內外開始研究各種石棉的替代纖維如鋼纖維、玻璃纖維、芳綸纖維、碳纖維等在磨擦材料上的應用。增強纖維的種類雖然很多,卻沒有一種纖維能夠完全在成本和性能上取代石棉.因此國內外近年來的研究逐漸從單一纖維轉向了混雜纖維。

             我國汽車剎車片的研究比國外起步晚,與世界發達國家還有較大差距。為了及時掌握國內外剎車片領域的研究狀況,促進我國汽車剎車片工業的迅速發展,現將近幾年黏結劑.,增強纖維、摩擦性能調節劑,填料在汽車利車片上的應用作一簡單閘述。

       1,黏結劑材料的研究

            汽車剎車片黏結劑的主要作用是將剎車片的各組分緊密黏結在一起,保持剎車片在高溫機械作用下的結構完整性。剎車片中最常使用的黏結劑是酚醛樹脂,它其有優異的耐熱性能和機械性能,電絕緣性和成型加工性能良好,且原料易得,價格便宜,工藝及生產設備簡單。但純酚樹脂的使用會造成剎車片硬度過高、脆性大,耐熱極限沒度僅約為250`C。當超過300℃時,熱分解現象相當嚴重,會導致剎車片的性能顯著下降。因此必須對酚醛樹肪進行增韌和耐熱改性。

             國外用到的改性樹脂In主要有COPNA樹脂(分解溫度大約400-500`C),有機硅改性酚醛樹脂、氰脂改性酚醛樹脂《能耐350℃以上高溫》、環氧改性酚醛樹脂(在400℃下正常使用)、熱塑性聚酰亞胺樹脂(耐熱和耐磨性能都很好)、懸浮法樹脂。懸浮法樹脂是因酚醛樹脂懸浮聚合工藝而得名,它是國外20世紀70年代研制開發的一種新型酚醛樹脂,又被稱為Phenolic Thermosphere(簡稱PTS),分解沮度達到490℃,以該樹脂為黏結劑制成的汽車剎車片具有摩擦系數穩定、高溫摩擦性能好、噪音低、熱衰退小等優點。研究發現,使用改性酚醛樹脂的剎車片的各項摩擦性能(包括衰退前的摩擦系數,衰退后的摩擦系數.磨損率率,損對偶件等方面)都要比使用傳統酚醛樹脂的剎車片好;樹脂、剎車片的強度與磨損性能之間沒有必然的聯系。其中利用硼酸改性酚醛樹脂制備出的汽車剎車片,400℃的時候,仍然保持較高的摩擦系數(在0.4以上》。

            華東理工大學于20世紀80年代研制的腰果殼油、三聚氰胺改性酚醛樹脂(YSM).分解溫度為437.9℃ ,用YSM樹所制成的摩擦材料制品,耐熱性良好,在不同的溫度下摩擦系數較穩定,磨損率低。研究表明,酚醛樹脂含量對磨擦系數穩定性和磨損率影響很大。武漢理工大學以腰果油改性酚醛樹脂、丁腈橡膠粉為主要原料制備出高性能汽車剎車片樣品,試

      臉結果表明,腰果油改性酚醛樹脂和丁腈橡膠粉可改善剎車片中無機纖維、顆粒的界面結合狀況,從而導致試樣的熱分解、熱衰退和熱龜裂現象減少,有效地提高了試樣的耐磨性能和機械性能I61翻一桐油改性的附醛樹脂用于摩擦材料ITI效果理想,材料350℃的摩擦系數達到0.4,抗熱衰退性能好,熱恢復性好。                                                                           2,增強纖維在剎車片材料中的應用

            上世紀70年代摩擦材料開始向無石棉化發展,出現了各種石棉纖維的替代品,主要有陶瓷纖維、芳綸纖維、碳纖維、鋼纖維、銅纖維、鋁纖維、玻璐纖維、礦物纖維、纖維素纖維、性酸鉀品須和海泡石纖維等。隨著研究的深入,單一纖維增強的摩擦材料性能不全面,存在著各種缺陷,而幾種纖維棍合在一起,性能可互補,發揮混雜效應,制備的摩擦材料性能優異,于是混雜纖維增強摩按材料成為近年來研究的熱點。

            有研究表明,鈦酸鉀晶須與芳綸纖維黏附在一起,可提高摩擦表面薄膜的耐熱性和強度,但是當摩擦材料僅含有兩種纖維中的某一種成分時,這種有利的協同效應大大減小。含有玻璃纖維、鋁纖維的剎車片不能提供理想的摩擦系數和磨損率.而利用芳綸纖維代替玻瑞纖維,用鈦酸鉀作為摩擦性能調節劑,可全面提高剎車片性能:與不含欽酸鉀的剎車片相

      比,含有酞酸鉀的剎車片材料的摩擦系數穩定性、抗熱衰退性能和耐磨損性都提高了,據報道,銅纖維和鋼纖維剎車片的摩擦系數都隨著滑動速度的增加而減小,鋁纖維利車片的摩擦系數變化不大;加入銅纖維可使摩擦材料擁有高而穩定的摩擦系數和很低的磨損率。

            Satapathy等對比研究了芳綸纖維、塞珞珞纖維、PAN纖維(聚丙烯睛纖維)、碳纖維對本擦材料摩愉系數和耐峭性能的影響。結果表明,芳綸纖維能夠克服樹脂的熱暇感性,姍進摩擦系數穩定性,減小磨投率;塞路路纖維能夠顯若的提高奉擦系數,但是磨損較大;碳纖維增強摩擦材料擁有較好的抗熱衰退性能;聚丙烯脯纖維對制動載荷和滑動速度的教感性最小,對序擦系數和磨投率的w響也不大。

            我們在芳綸纖維增強序擦材料方面進行過大顯研究HIS-191,通過不同纖維的性能對比試臉,表明Kevlar纖維摸國杜邦公司所生產芳綸纖維的商品名)在提高摩擦性能穩定性和減小磨損率方面的優越性,這與國外學者的研究結果篆本一致。劉震云等側研究發現增強纖維含顯對汽車摩擦材料的序擦系數和磨損率影響都很大。Pi建偉等Inl研究了纖維狀坡縷石、芳綸纖維、鋼纖維含量對摩擦材料杭沖擊W度和摩擦磨投性能的影響,還采用H Scheffe典型多項式回歸模型和多變量約束函數的復合形式進行無石棉制動材料混雜纖維的配方設計和優化四。另外也有少徽關于硅械鋁陶瓷纖維增強摩擦材料方面的報道123 241e研究結果表明,硅權鋁陶瓷纖維能顯若提高摩擦系數穩定性;似是隴著含峨的增加,材料的磨很

      率增大,而摩擦系數變化不大。關于硅灰石/海泡石纖維增強摩擦材料方面的報道很少u,主要因為與其它增強纖維相比,這兩類纖維增強摩擦材料的性能不理想。另外,為了改善樹腸與纖維之間的鉆結,提高摩擦材料的耐磨性能還可對纖雄進行表面處理pM與樹脂、填料、摩擦性能調節劑相比,增強纖維更受剎車片研究人員的關注。各種增強纖維對汽車剎

      車片摩擦性能的形響,國內外進行了大從的研究,但是在陶瓷纖維增強剎車片領域的研究卻不多,僅局限于錢酸鉀晶須、硅飯鋁纖維方面,今后有必耍開拓其它種類的陶瓷纖維網在剎車片上的應用。

      3康擦性能調節劑

            摩擦性能調節劑是一類添加到摩擦材料中能改進摩擦系數和磨損*的物質,主耍分為潤滑劑和研磨劑兩大類。潤清劑的主耍目的是減小制動時摩擦系數的變化。常用的潤滑劑包括石員和各種類型的金屬硫化物。金屬硫化物被認為是比石墨較好的潤滑劑,因為酚醛樹肪鉆結劑與石里的低鉆結強度不能滿足現代汽車工業高效制動的要求,會加速摩擦材料的

      磨損,而金城硫化物不存在這個問越。但是一些化合物如鉛和銻的硫化物是有毒的,所以更加安全的金屬硫化物如錫、銅、州的硫化物有可能成為理想的潤滑劑。研磨劑能增加序擦材料的摩擦系數,但同時也會增加對佃件的磨權。它們可移除對偶材料上的鐵械化物以及制動時產生的有不利影響的表面膠,但a含從的研磨荊會增加摩擦系數的波動性。研磨利主要是金屬械化物、石英粉和硅酸鹽化合物的堅硬城拉。其莫氏硬度值一般為7-R;常川研磨劑有錯俄化物、硅酸鉆、權化鋁、碳化硅、二徽化硅和鉻議化物等。   加入氧化鋁可提高摩擦系數,減小磨擬率w;加入碳化硅,能夠人幅度提高摩擦系數,而磨損率只有少星增加PII;一定夙的只硫化二銻(Sb,S,》和硅酸鉻(ZrSiq)對汽車剎車片摩播系數的大小、穩定性有很大的形響'-M. Kim等1311研究了石戰和三硫化二銻的補足效應對剎車片序擦性能的影響。結果顯示,潤滑hll的種類和用最對摩擦特性形響很大,含三硫化二銻和石里的序擦材料有很好的抗熱衰退性能;試0中兩種固體潤滑荊的理想組合為6%(體積分扮的石M和3%的三硫化二銻13'I潘運娟網對比分析了以石墨、二硫化扣作為潤滑劉的摩擦材料的摩擦磨報性

      能,發現含氣硫化側的摩擦材料的率擦系數均比含石麟的要高0.1左右,且較穩定,高M衰退很小,肺擬率則高雌.另外,有研究人員認為Sb,S,用在剎車片中,在制動過程中會被部分地權化生成Sb2S3(一種可疑致燕物質),建議慎用IHI摩擦性能調節劑對摩擦材料的摩擦特性彭響很大,增加潤浴荊的含最可提高摩擦系數的穩定性,而增加研磨荊含從會琳加摩擦系數的波動性,所以協調好制動摩擦材料中潤滑劉與研磨荊的川Gt非常敢要。

      4填料類型對剎車片材料性能的影響

             坑料分有機坑料和無機填料兩大類。無機填料包括硫酸鋇、碳膠鈣、長石粉、云付、淆石、蠔石、高嶺土和硅燕上等。硫酸鋇和碳酸鈣都是很常用的填料,能夠提高摩擦材料的熱德定性,同時也能改稗材料的熱衰退性能,但在更高似度下.前者不如后者穩定。云毋和蛙石是另外兩種常用城料,具有平面網狀結構.都能夠抑制低頗制動噪聲,但蛙石在大約800℃時呈片狀迅速剝落,云毋在高沮下耐磨性能很差。腰果殼油摩擦粉和操膠粉部是常用的有機填料,有相似的性能,都有優異的彈性,因此常被添加到剎車片中以達到降低噪聲的目的1351三x化鑰是城料家族的一個新品種,熔點較高,大約為800 'C ,據報道,三氧化鉗可防止摩擦材料在高沮下發生熱衰退和開裂。Kim等u研究發現,硫欣銀對剎車片的摩擦性能影響很大。通過對蠔石、重品石、藍晶石、鉀長石和泡沫鐵粉五種常用填料對制動磨擦材料性能的影響研究訓.發現填料含最對材料摩擦系數的影響井不明顯.對醉投率的影響同樣很小,只有鉀長石除外。隨鉀長石含星的增加,摩擦材料的磨損率也增加。另外,還有報道利用一種新的縱合方法研究齊種填料對剎車片腳損性能的彭響,提出了減小磨損率的三種機理IN.

              填料對摩擦材料的機械性能、物理性能和摩擦性能都有重要影響,能調n序擦材料的硬度,改稗制動噪音和制品外觀,降低成本。但是在剎車片的開發和應用中,研究人員大都集中在增強纖維的研究上,而對填料的研究很少,在實際生產中也往往只憑經驗和習慣選擇填料,沒有一套系統科學的理論作指導。5高性能剎車片材料的使用要求及展望

        5.1高性能剎車片材料的基本性能要求

              5.1.1合適的摩擦系數:剎車片摩擦系數必須適中.如果摩擦系數低干0.30,剎車時就會超過安全制動蔽離甚至剎車失靈,如果摩娜系數高于。.40,剎車容易突然抱死,出現翻車事故。迪瑞寶高端陶瓷剎車片的摩擦系數是0.40.很好地滿足了系數適中的要求。

             5.1.2??康姆€定性:汽車高速行駛或緊急制動時會產生瞬時的商a:在高沮狀態下,剎車片的摩擦系數會下降.稱為熱衰退。剎車片杭熱衰退性能的好壞決定了汽車制動的安全性.所以剎車片必須有適中且穩定的摩擦系數。

             5.1.3滿意的舒適性:舒適性是摩擦性能的直接體現,包括制動感覺、噪音、粉塵、異味等。在舒適性指標中,車主往往最關心的是剎車片的嗓音情況。

             5.1.4合理的壽命:使川壽命是大家普這關注的產品指標。正常行駛的車輛,前制動器剎車片壽命為3萬km,后制動器剎車片的使用壽命為8萬km.

        5.2存在問題

             隨著科技的進步,汽車向高速、環保、節能、輕贊化方向發艦,這促使剎車片向商性能化方向發展。擬從日前的研究現狀來看.仍然存在以下問題:

             5.2.1黏劑品種單一:在生產剎車片用的所有原料中,對溫度最敏感的就是樹脂鉆結荊,黏結劑耐高溫性能的好壞直接決定了剎車片杭熱衰退性能的好壞,因此耐高溫樹胎的開發是研制高性能剎車片的關鍵。日前剎車片工業上使用的鉆結劑大都是改性fo隴樹脂,可選擇的種類有限,無法滿足剎車片產品高性能化的發展要求,所以很有必耍開發不含酚醛樹脂的粘結劑p

             5.2.2磨損機理問題。汽車剎車片成分復雜,這使得它與對倆件之間的磨損也變得十分復雜。汽車緊急制動時,在高退和機械力的共同作用下,剎車片與對偶件之間的界面處會發生諸如權化、高沮分解、頤?;?、爆裂觸化、蒸發和升華等一系列物理化學變化,導致材料磨損。國內外在磨損機理方面傲了大且研究,但是由于摩擦表面的復雜性,至今仍然沒形成一套成熟的理論。報道比較多的磨損機理主要有鉆著肺創、磨拉磨損、疲勞腳損、熱磨損,但究竟哪方面起主要作用,還有待進一步研究與完善。

             5.2.3熱衰退問題:目前對剎車片熱衰退現象的研究主要集中在應用方面,如選用耐高沮樹脂、耐高沮纖維、金屬纖維、金麟粉末等來提高剎車片的杭熱衰退性能。但要從根本_上解決這個問題,還需要對熱衰退機理作深入系統的研究。





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