汽车制动器摩擦材料的研究现状和发展

黄嘉伟 彭斌 郑柯

摘要：介绍汽车制动器摩擦材料的研究现状。探讨半金属基摩擦材料、非石棉有机摩擦材料和粉末冶金摩擦材料的优缺点。提出汽车制动摩擦材料研究的发展趋势。

关键词：摩擦材料；摩擦；磨损；增强纤维

1研究现状

1.1半金属摩擦材料

半金属摩擦材料是20世纪70年代发展起来的一种新型制动材料。该材料以钢纤维代替石棉制成，材料热稳定性好、耐磨性优越、导热性好，克服了石棉摩擦材料表现的热衰退严重、摩擦表面易开裂等缺点，目前，国内许多厂家已批量生产，半金属摩擦衬片在国产轿车如奥迪、桑塔纳、夏利等多种车型上得到应用。但钢纤维硬度较高，对对偶件有攻击性，制动时产生制动噪声，并且钢纤维容易生锈，摩擦片生锈后强度降低、磨损加剧。研究表明[1]，加入一定量的锌粉可以增强材料的防锈性能，而对摩擦性能无明显影响。

1.2非石棉有机摩擦材料

非石棉有机摩擦材料采用改性的高温树脂及橡胶作黏结剂，将纤维质增强材料与增摩剂和减摩剂，经配料及混合后，通过压制成形或热压及固化而成。它采用其他纤维代替石棉，其增强纤维主要有碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维、陶瓷纤维及多种纤维混杂增强。

1.2.1碳纤维增强摩擦材料

碳纤维具有比强度高、比模量高、耐热、耐磨、耐腐蚀及热膨胀系数适宜等一系列优点。由于碳纤维表面活性低、比表面积小、与基体树脂相容性差，导致层间强度低且本身具有润滑性，因此要对碳纤维采用预处理，如表面清洁、气相氧化、表面涂层等。P.Gopal等人研究表明，碳纤维增强材料有良好的恢复性能，在高温和较高滑动速度下，较玻璃纤维摩擦材料具有更高的摩擦因数和更低的磨损率。Satapa-hy[1]等研究认为，摩擦材料中加入3wt%碳纤维提高了材料的抗磨损和抗衰退能力，但摩擦因数有所降低。文献[3]研究了用碳纤维增强摩擦材料的摩擦/磨损性能，结果表明，摩擦材料的摩擦因数和磨损率都随着碳纤维的含量增加而减小。

1.2.2芳纶纤维增强摩擦材料

芳纶纤维具有较高的断裂强度、非常高的拉伸模量、较低的断裂伸长、密度比钢纤维和玻璃纤维低，在非复合形式下具有高韧性，没有碳纤维和玻璃纤维所呈现的脆性，因此非常适合于高温高摩擦下工作的摩擦材料。用于摩擦材料的芳纶纤维主要包括6～13mm的短纤维和2～ 5mm的浆粕形式的纤维。Kato等人用芳纶增强的摩擦材料具有很好的摩擦学性能，特别是在高温下具有和半金属摩擦材料相近的耐磨性、噪声低、密度小等优点。文献[4]研究由少量的Kevlar纤维并配合蛭石等补强矿物制成的摩擦制动材料，具有优良的摩擦/磨损性能和足够的强度，且硬度小、成本低。

1.2.3玻璃纤维增强摩擦材料

玻璃纤维具有原料易得、拉伸强度高、断裂伸长低、弹性模量高、防水、耐热、耐腐蚀和尺寸稳定性好的优点。其表面工艺也得到了较广泛的研究，研究出多种偶联剂。李志军[4]等使用表面处理的玻璃纤维为增强材料，研制的摩擦材料各项性能均达要求，得出玻璃纤维的最佳质量分数为15%～ 25%，最佳长度为4～8mm。但玻璃纤维也存在不足：工作温度超过800℃时易形成玻璃珠，容易损伤对偶件；在重载高温下摩擦因数波动较大，磨损量大。

1.2.4陶瓷纤维增强摩擦材料

陶瓷纤维化学组成随原料选用的不同而有所差异，但总的来说，它主要是一种金属氧化物。其主要优点是：高耐热性、不燃性、低导热性、较大的比表面积、较好的摩擦性以及制造容易等。研制成功的陶瓷制动盘与传统的相比有着明显的优势，振动小、噪声低、磨损少[6，7]。Kim[8，9]等研究认为，在树脂基复合材料中加入陶瓷纤维可以提高材料摩擦因数的稳定性和材料耐磨性。

1.2.5其他纤维增强摩擦材料

其他比较常用的纤维有海泡石纤维、硅灰石纤维、硅纤维、玄武岩纤维、矿渣棉、岩棉等。海泡石纤维具有较好的热稳定性，由于其多孔性及表面积大，与树脂浸润性好，界面黏结强度高。但海泡石的硬度低，过量加入会导致摩擦因数下降，影响制品的强度。

2.发展趋势

（1）对于摩擦/磨损机理的研究近年来取得了一些进展，但目前尚无主导性的理论，特别是聚合物基摩擦材料，表面发生一系列物理/化学变化使得磨损过程更加复杂，应充分利用现代检测手段系统研究摩擦/磨损机理，为改进材料的配比提供理论依据。

（2）聚合物基摩擦材料以其结构的可设计性、优良的摩擦/磨损性能，成为现在摩擦材料研究的热点。今后还会有更多种类的高性能的纤维在摩擦材料中应用。

（3）纳米材料作为高新技术，在摩擦材料中的应用正处在研究阶段，有望今后应用于摩擦材料领域内。

参考文献：

[1]Satapathy，eta.l Performance of friction materials based on variation in nature of organic fibres Part I.Fade and recovery behaviour[J].Wear，2004（257）：573-584.

[2]张西奎，等.碳纤维增强汽车摩擦材料的研究[J].汽车工艺和材料，2003（4）：9-11.

[3]曹献坤，等.Kevler短纤维摩擦材料性能的影响效应综述现代制造工程2006年第10期[J].非金属矿，2004（5）：48-51.

[4]李志軍，等.玻璃纤维增强酚醛基摩擦材料摩擦磨损性能研[J].西安交通大学学报.2000，34（4）：67-70.

作者简介：

黄嘉伟，籍贯：广西南宁，学历：本科；

彭斌，籍贯：重庆忠县，学历：本科；

郑柯，籍贯：河南驻马店，学历：本科。