刹车片摩擦材料的研究现状与发展趋势*

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(重庆交通大学机电与车辆工程学院，重庆 400074)

专论与综述

刹车片摩擦材料的研究现状与发展趋势*

钟厉，陈梦青

(重庆交通大学机电与车辆工程学院，重庆 400074)

作为车辆和机械离合器总成及制动器中的关键性安全部件，高性能刹车片摩擦材料的研究广泛受到各科研机构和主机厂的关注。本文介绍了刹车片摩擦材料的可压缩性、内剪切强度、热膨胀量等主要性能，同时从粘结剂、增强纤维、填料和摩擦性能调节剂等方面概述了主要影响刹车片摩擦材料性能的研究现状，并归纳了正交试验设计与模糊综合评价法、黄金分割法与灰色相关度分析、人工神经网络等摩擦材料配方设计及优化方法的应用情况，进一步探索了刹车片摩擦材料的未来发展趋势，指出摩擦材料各组分之间的耦合机理及对性能影响的研究是未来的热点，多种优化方法的融合将有利于新型刹车片摩擦材料的开发应用。

刹车片摩擦材料，性能测试，配方优化

刹车片摩擦材料作为制动装置中的核心要素，利用摩擦材料的摩擦性能将转动的动能转化为热能及其他形式的能量，从而实现运动装置制动，其性能的优良直接影响着整机装备运行的安全性、可靠性、舒适性等[1-3]。自上世纪70年代，刹车片摩擦材料发生巨大的变革，从传统的石棉型摩擦材料过渡到无石棉型，各国相继推出半金属摩擦材料、无石棉有机型(NAO)摩擦材料、粉末冶金摩擦材料、碳纤维摩擦材料和陶瓷摩擦材料等。然而随着汽车、运载车等高速交通工具及机械装备向着高速、高效、环保的方向发展，现代工业对摩擦材料的使用要求变得更为苛刻，因而研发性能优良且具有较高性价比的新型刹车片是国内外各科研机构研究的重点方向。

1 刹车片摩擦材料的主要性能

高性能刹车片摩擦材料不仅要求具有优异的摩擦磨损性能，而且具有良好的物理特性。可压缩性、内剪切强度、热膨胀量等物理特性是决定刹车片摩擦材料重要的性能指标。可压缩特性与密度及弹性模量密切相关，能间接反映刹车片摩擦材料的制动噪音状况，在影响制动滞后、制动踏板行程的同时，也影响制动的平顺性和舒适性。剪切强度检验是刹车片摩擦材料必备的检测项目，包括摩擦材料与背板(或蹄铁)的粘结剪切强度以及摩擦材料自身的内部剪切强度。剪切强度的降低容易导致制动系统失效，造成严重后果。热膨胀量是刹车片摩擦材料的一个重要指标，热膨胀量过大将导致制动器不能彻底释放，容易引发交通事故。

2 刹车片摩擦材料性能的影响因子

刹车片摩擦材料通常由粘结剂、增强纤维、填料和摩擦性能调节剂四大部分组成。通过各自独特的性能以及成分间协同耦合作用构成摩擦材料配方，确保摩擦材料在使用温度范围内具有合适且相对稳定的摩擦性能和较长的耐磨寿命。

2.1 粘结剂

粘结剂又称高分子基体，它将成分中的填料、增强纤维和辅助材料(摩擦性能调节剂)以粘结薄膜的形式全部包裹粘结在一起形成摩擦材料整体，保证摩擦材料能在外加载荷和摩擦热的双重作用下有效地传递和均衡应力[4-5]。其中酚醛树脂和丁腈橡胶是目前应用最广泛的粘结剂。

普通酚醛树脂基刹车片摩擦材料(树脂含量为质量分数15%～20%)硬度高、质地脆、韧性及耐热性不足，在使用过程中容易产生局部高温而造成对偶材料的热裂和损伤，因此，必须对树脂进行增韧和耐热改性[6-8]。姚冠新[9]等利用有机化蛭石、硼酸、桐油为原料对酚醛树脂进行了改性，有机物、无机物和纳米改性相结合的复合改性的酚醛树脂提高了刹车片摩擦材料摩擦因数的高温稳定性，降低磨损率，缓解热衰退。冯竞伟[10]等将腰果酚(Cardanol)引入液体丁腈橡胶(C-g-LNBR)，采用原位聚合法制备改性酚醛树脂，腰果酚接枝液体丁腈橡胶(C-g-LNBR)改性酚醛树脂基摩擦材料的冲击强度提高了14.8%，体积磨损率降低了13.6%。许文等[11]为了同时提高基体的韧性和耐热性，利用单体原位插层法制备了有机化蒙脱土改性酚醛树脂，改性后的酚醛树脂基摩擦材料具有高摩擦因数和良好的稳定性，体积磨损率下降了27.2%。

酚醛树脂的改性及增韧是制备高性能刹车片摩擦材料的有效途径。目前应用广泛的改性方法有无机物改性(钼改性、硼改性)、有机物改性(橡胶改性、桐油改性、腰果壳油改性)和纳米改性。然而，单一改性方式通常存在一定的不足，如橡胶改性可提高酚醛树脂韧性，但耐热性下降；纳米改性可提高酚醛树脂耐热性，但易发生团聚而影响其改性效果。因此，融合多种改性方式及引入结构稳定的聚合物单元是酚醛树脂基刹车片摩擦材料的发展趋势之一。

2.2 增强纤维

增强纤维是摩擦材料的支撑骨架，作用是保证摩擦材料具有足够的机械强度和一定的摩擦磨损性能，从而使得摩擦材料能承受生产和使用过程中所受到的剪切力、压力、冲击力等，避免由此引发的破裂及失效[12]。现代广泛使用的纤维包含有机纤维(芳纶纤维、复合矿物纤维、硅灰石纤维等)、无机纤维(陶瓷纤维、金属纤维、晶须等)和碳纤维等。常用增强纤维种类及性能见表1。

表1 常用增强纤维的种类与性能[13]Table 1 Fiber and properties[13]

纤维增强组分对摩擦材料性能影响的研究是当前摩擦材料领域的热点之一，国内外学者对此也做了大量报道[14-18]。李专等[19]研究了碳纤维增强双基体(C/C-SiC)复合材料在不同制动速度下的摩擦磨损性能及机理，结果表明，C/C-SiC摩擦材料纤维/基体界面结合强度适中，摩擦性能稳定。花晓军[20]探究了碳纤维/硅酸铝陶瓷纤维增强树脂基摩擦材料的增强机理，发现硅酸铝陶瓷纤维可以提高摩擦材料的低温耐磨性，碳纤维独特的物理化学特性弥补了陶瓷纤维的缺陷。刘力[21]采用芳纶浆粕、六钛酸钾晶须、复合矿物纤维和铜纤维制备了混杂纤维增强少金属型摩擦材料，研究了各种增强纤维对摩擦材料性能影响，经实验分析得出，复合矿物纤维对摩擦系数的影响最大，能显著提高低温摩擦系数；铜纤维对磨损率的影响最大，能在摩擦界面形成铜转移膜，具有稳定摩擦系数并有效降低磨损率的作用。

单一增强纤维在性能方面存在着严重的缺陷与不足，难以满足当前高性能刹车片摩擦材料的要求，如碳纤维具有良好的自润滑性能和优异的机械力学性能，但碳纤维摩擦材料制品制作工艺复杂、成本高；陶瓷纤维质轻、耐高温、热稳定好，但导热率低，易引起材料断裂；芳纶纤维具有高强度、高模量、吸附性强，但开散性差、成本高。因此利用纤维的复合效应，在摩擦材料中同时采用两种或两种以上的纤维，不仅可以降低成本，而且能使纤维之间起到协同耦合作用，充分发挥每种纤维的优势，制备出综合性能优异的摩擦材料。

2.3 填料和摩擦性能调节剂

填料分为功能性填料和空间填料，对摩擦材料的硬度、密度、噪声、强度、导热性、冲击韧性、热膨胀系数等机械物理性能起着决定性的作用[22]。摩擦性能调节剂按照用途可以分为增摩材料和减摩材料。增摩材料又称摩阻材料，莫氏硬度一般在3以上；减摩材料包括莫氏硬度为1～2且具有各向异性晶形的非金属矿物和铅、铜、锌等软金属。常用摩擦改性剂种类及性能见表2。

表2 常用摩擦改性剂种类与性能Table 2 Friction modifier and properties

目前国内关于填料和摩擦性能调节剂对摩擦材料性能影响的研究较多[23-24]。戴维福等[25]选取农业副产品稻壳粉为填料，研究发现稻壳粉填料在高温条件下热降解碳化形成碳化稻壳粉，其中含有的二氧化硅熔点高、化学性能稳定和耐磨性好，能提高耐热性和热稳定性。陈霞等[26]探究了长石粉含量对摩擦材料摩擦磨损性能和力学性能的影响规律，结果表明，添加适量的长石粉能够提高摩擦材料的中低温摩擦因数。Aranganathan N等[27]考察了人造石墨(TG)、天然石墨(NG)和石墨尺寸对无石棉有机摩擦材料的衰退性能和恢复性能的影响，与添加人造石墨的摩擦材料相比，添加天然石墨的摩擦材料具有更好的摩擦磨损性能，随着人造石墨尺寸的减小，摩擦材料的抗衰退性增加。

为提高刹车片摩擦材料的综合性能，开发新型填料和摩擦性能调节剂成为研究的热点之一，研究的侧重点可集中于各种填料之间的耦合机理及对性能的的影响。如作为新型填料的碳纳米管的增韧机理及对摩擦材料噪音的影响；膨润土作为摩擦性能改性剂对摩擦材料热衰退性能的影响等。

3 刹车片摩擦材料的配方设计及优化

新型摩擦材料的研究开发，主要以配方设计和优化研究为主。在对典型的经验设计配方优化的基础上，通过样品测试进行各种调整，使产品满足设计要求，并对产品性能进行有效的预测和准确的把握，定性地了解原材料间的相互耦合作用，定量地掌握原材料种类选择和比例确定，使配方得到科学合理的设计，性能得到真正的优化。目前摩擦材料的配方设计及优化的方法主要有：正交试验设计+模糊综合评价法、黄金分割法+灰色相关度分析以及人工神经网络等。

3.1 正交试验设计与模糊综合评价法

正交试验设计是研究与处理多因素试验的一种科学方法。它借助于一种规格化的正交表，科学地、有计划地、有代表性地挑选典型的试验点(如粘结剂、增强纤维等)研究，并利用数理统计分析实验结果探寻最优的实验方案。而模糊综合评价法通过考察硬度、压缩率、剪切强度、摩擦因数和磨损率等性能指标，计算各配方的模糊综合评价值，将所测试验数据有机地联系在一起，定量地表征摩擦材料的综合性能。

钟厉等[28]通过正交试验设计新型低树脂基摩擦材料配方，利用模糊综合评价法对配方进行优化，经实验分析得出鳞片石墨对摩擦材料的摩擦因数影响最大，并通过降低配方中树脂基体的含量，得到结构疏松、气孔率高、摩擦表面有较好的自洁性能的摩擦材料。Ma等[29]设计了三因素(竹纤维、黄麻纤维和羊毛纤维)三水平(纤维质量分数为1%、2%、3%)的正交试验表，探讨了混杂生物纤维增强树脂基摩擦材料的摩擦磨损性能，运用模糊综合分析法计算了各配方摩擦因数和磨损率的模糊综合评价值，结果表明，综合性能最佳的摩擦材料配方中竹纤维、黄麻纤维和羊毛纤维的质量分数分别为3%、3%和1%。

3.2 黄金分割法与灰色相关度分析

黄金分割法是一种一维空间搜索最佳值的优化方法，通过将黄金分割序列与摩擦材料配方中组分的体积分数关联，进行摩擦材料配方的设计，实现摩擦材料配方的计算[30]。而灰色相关系数分析是灰色系统理论的重要内容之一，通过将关联的体积分数进行灰色相关系数分析，可得到不同原材料组分对摩擦性能贡献的敏感性序列，根据敏感性序列调节摩擦材料各组分的含量，实现配方优化的目标。

Lu Yafei等[31]提出利用黄金分割法将黄金分割序列与摩擦材料配方中组分的体积分数相关联设计摩擦材料配方，同时运用灰色相关度分析对配方进行优化。王发辉等[32]通过黄金分割法设计混杂纤维增强陶瓷基摩擦材料配方，运用灰色相关度分析得到各组分的敏感性序列，从而实现对配方的优化。

3.3 人工神经网络

摩擦材料配方影响因素的作用机理复杂，影响因素和实验结果之间具有高度的非线性特点，而人工神经网络是一种用工程技术手段模拟生物神经网络结构的信息处理系统，因此能有效地解决摩擦材料的原材料比例与摩擦磨损性能之间的非线性关系[33-34]。

薛继斌等[35]对比研究单隐含层和多隐含层人工神经网络在摩擦材料性能预测中的功效，发现多隐含层人工神经网络可以优化单隐含层人工神经网络在摩擦材料性能预测中的准确性。Xiao等[36]运用实验设计法(2kDOE)、响应面法(RSM)和人工神经网络(ANN)研究了非石棉有机摩擦材料，采用响应面方法优化摩擦材料配方，使用训练良好的Elman人工神经网络预测优化配方的摩擦特性，实验证明贝叶斯正则化算法训练的Elman循环神经网络结构在预测未知材料成分方面表现出潜在的优势，并且可拓宽其应用领域用于优化摩擦材料配方。

刹车片摩擦材料的配方设计及优化旨在建立摩擦和材料学理论与制品配方性能之间的有机联系。正交试验设计与模糊综合评价法能直观地反映刹车片摩擦材料各个性能之间的有机联系，优化多因素多水平目标；黄金分割法与灰色相关分析能最大程度地减少试验次数，缩小区间误差，建立刹车片摩擦性能之间的联系；人工神经网络则主要侧重于预测刹车片摩擦材料的性能，多种优化方法的融合将更有利于寻找出综合性能优异的刹车片摩擦材料。

4 发展趋势

目前对刹车片摩擦材料的研究重点集中在宏观摩擦磨损性能研究上，而对各个组分间耦合机理的探究较少；对摩擦材料的微观摩擦机制研究集中在高温磨损面和磨屑逆推摩擦机制，并未从界面力学性能进行考量；摩擦材料配方优化设计往往是“试错法”或者基于各种原料的经验搭配，多因素的组分变化对摩擦材料性能影响的研究也较少，并未建立摩擦和材料学理论与制品配方之间的有机联系。因此，加快高性能摩擦材料的开发与研究成为一个关键性课题。

新型摩擦材料的每种组分对其摩擦磨损性能和机械物理性能的作用是不同的，配方结构和组分特性通常是研究的重点。因此，当前刹车片摩擦材料的发展趋势是材料配方多元化，制作方法突破传统，技术路线程序化，结构设计简单化。低树脂基刹车片摩擦材料具有良好的热稳定性、耐磨性，热衰退小等优点，而混杂纤维增强低树脂基摩擦材料因结构的可设计性，同时利用混杂纤维的协同耦合作用，解决了高树脂含量摩擦材料硬度高、易在磨损表面形成碳化膜、易产生噪音等问题，成为刹车片摩擦材料未来的发展趋势之一。

刹车片摩擦材料配方的设计及优化对降低试验费用、减少试验次数、提升优化效率具有重要的促进作用。但单一的评价或优化方法存在仅能优化某一特性、不能全面优化摩擦材料性能的缺点，限制了优化方法在刹车片摩擦材料方面的应用。因此，综合当前的研究技术，配方优化的发展方向将集中在多种优化方法的融合和新理论方法的引入。

5 结语

高性能刹车片的开发与研究在保证提高性能的同时，还须从经济方面注重成本控制，着力完善还处于起步阶段的刹车片关键技术的基础研究。针对刹车片摩擦材料组分耦合与界面特征建立关联模型，通过组分耦合机理及其与摩擦性能、噪音的关联机理，提出新型刹车片摩擦材料的新方法，建立研发模型；通过研发模型和实验分析，开发新型刹车片摩擦材料新技术，对研发模型进行优化并建立材料优化筛选模型；通过最优化实验，研制出高性能低成本的新型刹车片产品。

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ResearchSituationandDevelopmentofFrictionMaterialforBrakePads

ZHONG Li，CHEN Meng-qing

(College of Mechatronic and Vehicle Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China)

As a key safety component in vehicles and mechanical clutch assemblies and brakes，high-performance brake pads were widely concerned by scientific research institutes and OEMs.The main properties of the compressibility，internal shear strength and thermal expansion of friction materials for brake linings were introduced，and the research status of components which affect the performance of the friction material for brake pads were summarized from the aspects of binder，reinforcement fiber，filler and friction modifier. The application of orthogonal design，fuzzy comprehensive evaluation method，golden section method，gray correlation analysis and artificial neural network to the design and optimization of friction materials were induced. The future research trend of brake pad friction material was further explored，it was pointed out that the coupling mechanism between the components of the friction material and the influence on the performance was the hotspot in the future. The integration of the various optimization methods will be beneficial to the development and application of the new friction material.

brake pads friction material，performance testing，formulation optimization

重庆市基础科学与前沿技术研究(重点)项目(cstc2015jcyjBX0140)

TB 333