陶瓷制动摩擦材料的分析及性能探究

摘要：汽车产业快速发展，对汽车的制动系统要求越来越高，作为汽车刹车片的摩擦材料要具有良好的热传递性和耐磨损性，同时摩擦系数要适度，而且还要具备优良的隔热性能，本文对摩擦材料的组成和性能进行了分析和探究，得出陶瓷制动摩擦材料热稳定性和热传导率的性能优异，并且还具有良好的硬度大、污染少、安全性、耐磨性、使用寿命长、轻量化等优点。

前言

目前，汽车产业、汽车制造环境的快速发展，使汽车制造过程向高速化、安全化、稳定和可靠的方向发展，同时对汽车的制动系统要求越来越高。由于汽车刹车过程都是靠摩擦产生的，而且都需要一种耐磨的材料铸成的摩擦片，与汽车的旋转部分紧密贴合，致使摩擦力快速增大，让旋转部位快速停止转动，车辆就停止下来，在此过程中伴随着温度的变化和能量的传递，会使局部温度急剧升高，从而影响摩擦性能。

因此，作为汽车刹车片的摩擦材料要具有良好的热传递性和耐磨损性，同时摩擦系数要适度，不能过大或过小，而且还要具备优良的隔热性能[1]。传统刹车片制动时起主要作用的材料是金属，而陶瓷刹车片起主要作用的是陶瓷，因此具备噪声小的优点。与此同时，陶瓷刹车片摩擦材料热稳定性和热传导率的性能优异，并且还具有良好的硬度大、污染少、安全性、耐磨性、使用寿命长、轻量化等优点[2]。

一、摩擦材料的组成

刹车片作为汽车制动体系中最重要的部位，性能优异的刹车片的，是通过多种摩擦材料的混合压制而成的，每种摩擦材料的含量对刹车片摩擦性能有很大的影响，所以我们应该控制每种摩擦材料的含量，使其刹车性能达到最优化。其中，长纤维、粘合剂、填料和摩擦改性剂对刹车片的性能影响最大。

刹车片的摩擦材料一般包括三部分，粘合剂、纤维增强材料和填料，每一种材料所起的作用都不同，通过对这三种材料和其他材料的混合、热处理等工艺，在经过一系制作工艺生产出的成品。

1.粘合剂

作为刹车片材料中的粘合剂，不只是树脂和橡胶，现在已经展到使用在高温下具有特殊性能的金属粉末或金属硫化物，是为了减少摩擦材料中树脂的含量，填补高温条件下树脂和橡胶的不足，从而改善高温条件下摩擦材料的不足之处，使在性能上更加优化。

2.纤维增强材料

作为制作刹车片的基本原材料，纤维增强材料提高了刹车片中摩擦材料的机械强度，使在车辆刹车时能够承受足够的冲击力、压力、剪切力和负载力。所谓的机械强度可以分成好多种，有抗弯强度、剪切强度、冲击强度和抗压强度等，为了使这些机械强度达到最大化，就必须选用适合纤维增强材料来提高这些材料的机械强度要求。

纤维增强材料的作用就是让刹车片中摩擦材料具备一定的冲击性能和磨性能，进而提高刹车片的硬度[3]。在制作刹车片时经常使用的纤维增强材料有石棉纤维、硼纤维、陶瓷纤维、玻璃纤维、碳纤维、晶须、芳纶纤维和高铝纤维等;但由于在刹车过程中会产生很高的温度，刹车片摩擦材料在高温条件下工作时间太长，会导致一些有机纤维不能够承受起其高温，所以我们应选择无机纤维类，它的种类有很多种，如：铝纤维、石英玻璃纤维、矿物纤维、金属纤维、紫铜纤维、高铝纤维、陶瓷纤维、碳纤维等。

3.填料

填料在摩擦材料中的作用是改善物理机械性、磨损性能和降低成本，并且对摩擦材料进行填充改性和补强[4]。其外观形态对刹车片性能也有很大的影响，在大多数情况下填料的粒子越小，活化性越高，即接触面积越大，所起的作用越大，对成品的冲击性、拉伸强度、刚性和外观在一定程度上有很大的改善。

填料的加入量对摩擦性能也有很大的影响。如果加入过量的情况下，会导致刹车片摩擦系数过大、成品表面状况下降，并在很大程度上影响性能;如果加入量不足的情况下，会使得刹车片摩擦系数过小，导致制动器失灵。

二、摩擦材料的性能要求

刹车片作为制动系统中最为关键的部分，其摩擦材料的组成是关乎着刹车片性能的优异，因为摩擦材料对制动效果有很大的影响，因此要选择摩擦性能优异的原材料。摩擦材料的摩擦系数要稳定，不能过大或过小，同时硬度要求要大，否则容易导致汽车刹车失灵;摩擦材料的化学稳定性要好，不能随车辆刹车时温度的上升而发生其他的化学变化，这样容易改变刹车片的性能;刹车时要防止热衰退现象的出现，同时也要提高刹车片的其他性能[5]。

与此同时，刹车片的原料选取和工艺过程也要考虑的环境因素，要对环境做到零污染，因为在汽车刹车过程中会释放一些有毒气体和重金属粉尘，对人体和动物的呼吸道会造成危害。因此，在提高摩擦材料性能的前提下，我们也要对刹车片对环境造成的影响加以重视。

三、摩擦材料在工艺过程中需要解决的相应技术

随着社会的进步，汽车制造业技术逐渐成熟，对刹车片的性能要求越来越严格，这就需要对摩擦材料做到深入的了解[6]。目前我们还需要解决摩擦材料一些相应的技术：

1.要防止热衰退现象的出现;

2.应该选用合适的填料，可以在一定范围内减少刹车片摩擦材料的损耗，并可延长刹车片的使用期限。

3.提高刹车片制动时的剪切力。

4.应尽可能的减少刹车过程中的噪声污染。

5.改进摩擦材料中树脂粘合剂性能，研发性能更加优异的粘合剂;

四、陶瓷摩擦材料的性能的探究

目前，世界各地的汽车制造商将刹车片摩擦材料的配方视为机密，而我国对刹车片摩擦材料的配方深入了解还不够，所以在配方优化方面还不够成熟。因此设计的刹车片配方存在一定问题，其呈现为：制动器制动时摩擦系数变化范围大，出现热衰退现象，硬度低和磨损率过大等问题。

煅烧石油焦碳可以让陶瓷摩擦材料在性能上进一步优化，其主要作用为防止摩擦材料粘结，提高陶瓷刹车片制动时的性能，此外，煅烧石油焦碳可以增大车辆制动过程中的摩擦系数，使汽车的制动噪声减小，而且有利于环保，同时煅烧石油焦碳可以降低热衰退现象的出現。硫酸钙晶须是一种很好的增强硬度材料，可以轻松对现有车辆在制动时出现的低频噪声问题给以解决，同时也可以对刹车片的摩擦磨损率过高、摩擦系数不稳定、硬度低等问题给以解决。硅灰棉是一种特殊的针状结构，同时硅灰石独有的物理机械效能，大大增强了成品的耐摩擦性、耐热性，填充硅灰棉可以提高摩擦灵活性与及稳定性。稳定剂作为陶瓷摩擦片中的填料，对稳定刹车片的摩擦系数有很大的作用，并可以提高刹车片的耐高温性能。锆英石粉的主要作用是调节刹车片摩擦材料的磨损性能，提高刹车片摩擦材料的使用期限。优选地，高温耐磨剂有沉淀硫酸钡、高铝纤维。轻质氧化镁是一种良好的高温调节剂，在车辆制动时具有稳定的摩擦系数。

沉淀硫酸钡可以对刹车片中摩擦材料的热稳定性起到良好的改善作用，同时也能降低刹车片摩擦材料的热衰退性能，尤其是在高温区形成比较稳定的摩擦表面。高铝纤维主要起到增强作用，同时在耐高温方面有突出优点，硬度适中，避免产生噪音和损伤摩擦对偶。腰果壳油摩擦粉是一种典型的非磨料型高摩擦类摩擦调节剂，它能够弥补摩擦材料在较低温时摩擦系数降低，解决噪音问题、改善耐磨性能和增加空隙度。轮胎粉别名橡胶粉屑，通常是粉碎加工而成，主要成分为丁苯硫化胶和天然硫化胶，在很大程度上可以降低汽车在刹车过程中的噪音。丁腈橡胶是一种性能优异的合成橡胶，具有粘结性、耐老化性、耐磨性和耐热性。因此，使用性能优异的摩擦材料制作的陶瓷刹车片具有抗高温热衰退性能好、使用寿命长、耐磨性能良好、摩擦系数稳定、轻量化等优点。在汽车上使用此刹车片，可以使汽车刹车灵敏、制动平稳、无制动噪声，安全性能和舒适性能较好。

参考文献：

[1] 焦龙. 磨料对陶瓷摩擦材料摩擦性能的影响[D]. 北京化工大学. 2008

[2] 盛钢， 马保吉. 制动摩擦材料研究的现状与发展[J]. 西安工业学院学报， 2000（20）： 127-133

[3] 刘莹， 王发辉. 增强纤维对陶瓷基摩擦材料摩擦磨损性能的影响[J]. 摩擦学学报， 2012， 32（01）： 27-33

[4] 罗玲， 姚冠新， 陶飞， 等. 填料粒度对汽车制动摩擦材料性能的影[J]，  表面技术， 2016， 45（2）： 49—52

[5] 齐士成， 江盛玲， 元荣平， 等. 原材料对制动摩擦材料磨损性能的影响[J]. 润滑与密封， 2012， 37（5）： 23

[6] 黄飞虎， 王思青， 张长瑞， 等. 高性能刹车材料的研究现状与发展趋势[J]. 材料导报 A： 述篇， 2012， 26（10）： 50—63

依托项目：潍坊科技学院2018年度校级课题《新能源汽车新型环保陶瓷刹车材料的配方设计及工艺研究》，项目编号：2018KJYB07

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