新型绿色汽车制动摩擦材料影响因素分析

林少芳

摘 要：汽车制动摩擦片的摩擦材料是影响汽车制动效能和制动效能恒定性的关键因素，必须具有良好的摩擦系数和耐磨损性能，同时有一定的耐热性和机械强度。在绿色摩擦学概念的引导下，我国汽车摩擦材料的研究进一步环保化，主要特征为节能、节材、改善环境和生命质量。

关键词：绿色摩擦学;摩阻材料;影响因素

中图分类号：U463.5  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）16-164-04

Abstract： The friction material of automobile brake disc is the key factor that affects the braking efficiency and the constancy of the braking efficiency. It must have good friction coefficient and wear resistance， and have certain heat resistance and mechanical strength. Under the guidance of the concept of green tribology， the research of automotive friction materials in China is further environmental protection， which is characterized by energy saving， material saving， environmental improvement and quality of life.

Keywords： Green tribology; Friction material; Influencing factor

CLC NO.： U463.5  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）16-164-04

前言

近年来我国制动摩擦行业提出产品高性能化，即用户安全效益最大、制动摩擦材料质量性能更好、寿命使用更长和操作维护方便性更好。在市场和企业辐射带动、反复博弈的作用下，当前制动摩擦行业的水平越来越先进、技术越来越成熟，摩擦系数衰退小、磨损率低、抗冲击强度高等这些制动摩擦材料的基本性能要求，已不能满足现代制动摩擦材料的要求，因此研发“绿色"新型摩擦材料已经是整个社会的必然共识。汽车制动摩擦材料在满足制动基本前提条件下，开始提出制动振动小、无噪声、落灰少等环保化人性化的要求。

1 制动摩擦材料的磨损机理

磨损指的是在两物体相对运动过程中摩擦材料表层出现损耗等无法避免的现象。影响磨损因素主要有运动速度和载荷的大小、环境条件等。这些影响因素的交互作用导致磨损过程复杂化，产生的磨损效果或正或负。根据磨损机理，磨损主要分三种类型，分别为：粘着磨损、磨粒磨损和疲劳磨损。

1.1 粘着磨损

制动过程中接触的两摩擦表面是固相焊合，在相对滑动过程中两表面间的粘着节点发生剪切破坏，导致摩擦材料在两个面之间进行转移的现象，称为粘着磨损。总而言之，粘着磨损是一个循环过程，具体为：

两物质相互接触——变形——膜破裂——粘著（固相焊合）——剪断节点——再粘着。

1.2 磨粒磨损

磨粒磨损实质上是在硬质磨粒的作用下摩擦面局部出现变形、断裂的过程。一部分磨粒被压入界面下，一部分磨粒做切削运动，使摩擦面发生切向变形或断裂形成磨屑。

磨痕、沟槽、刮伤是磨粒磨损主要特征体现。影响磨粒磨损的基本因素是摩擦副表面微峰和磨粒的相对硬度。对偶件采用硬度相近的材料是减轻磨粒磨损的主要办法。

1.3 疲劳磨损

当周期性载荷作用时，制动过程中摩擦副接触表面作滚动或滑动摩擦，表面出现塑性变形引起裂纹、断裂，最后发生点蚀或剥落形成凹坑，称为疲劳磨损。

疲劳磨损是经过疲劳核心裂纹出现后发生的，不是一开始就出现的现象。当摩擦表面出现疲劳磨损时，摩擦面上不仅要承受交变压应力，表面还存在温升和塑性变形。主要特征有剥落、裂纹、麻点等。

2 汽车制动摩擦材料的技术要求

2.1 摩擦系数适宜、稳定

制动摩擦材料性能优劣评价的重要指标之一是摩擦系数。摩擦系数越大，表面摩擦力也越大。当制动器的转动速度、摩擦表面状态、系统温度和压力等任意因素发生变化时，摩擦系数也随之改变。该差值越小，意味着该材料的摩擦稳定性越好。由此可见，汽车制动摩擦材料应具备适宜、稳定的摩擦系数。

2.2 耐磨性能良好

汽车摩擦材料的耐磨性好坏意味着汽车制动片使用寿命的长短，因此它是衡量制动摩擦材料性能的非常重要指标之一。摩擦材料的滑动速度、压力、温度、环境等因素都对摩擦材料磨损量起到一定的影响作用。越低的磨损量，表明材料具有越好的耐久性，同样意味着该摩擦材料的使用寿命越长。

2.3 一定的高温机械强度

汽车制动时，刹车盘会产生瞬时的高温度，此时制动衬片上的温度可以达到400℃以上，因此制动摩擦材料的高温机械强度应足够大的，以保证刹车片在刹车情况恶劣条件下也能够承受外来较大的剪切力和压力等冲击，保证层间不会出现剪切破坏等不良现象，从而导致制品破损，甚至破裂。

2.4 导热性和抗高温氧化性能良好

汽车在刹车瞬间会因为摩擦产生大量的热能，使摩擦材料的温度迅速上升，当温度达到250℃以上时，树脂中酚羟基发生氧化反应，摩擦材料被分解，从而制动片损坏。因此，为了把制动产生的能量快速传导出去，提高行车安全性，汽车制动摩擦材料必须具备导热性能良好和抗高温氧化性能优异。

2.5 硬度适中

摩擦材料的硬度值越大，产生摩擦噪音越容易，摩擦对偶件被严重刮伤的几率越大。通常使用的制动片主要为树脂基摩擦材料，它的洛氏硬度为50HRM-100HRM之间。因此，为了减少制动噪声污染，提高制动器制动的安全性，制动摩擦材料的硬度应当适宜，不宜过大，也不宜过小。

2.6 抗热衰退性能和恢复性能良好

刹车片中的摩擦材料是一种热固性高分子聚合物材料，在行车过程中，当长时间高负荷状态下进行刹车工作或紧急制动或连续制动时，刹车盘温度骤升，导致摩擦系数骤然减小的现象，称为热衰退现象。抗热衰退性能的好坏对制动装置的安全性和经济性起到直接的影响作用。因此，制动摩擦材料必须具有良好的抗热衰退性能，同时当温度的下降时，摩擦系数能够恢复到衰退前的正常情况，不能出现“过恢复”。

2.7 无摩擦噪音

汽车行驶舒适程度和环保性的重要影响因素之一是制动器产生的噪音，研究还发现在噪音产生的同时，经常伴随着制动片磨损严重等不良现象。国外对制动器问题投诉进行统计分析，结果表明，60%多顾客投诉制动尖叫问题[1]。因此对汽车制动器噪音相关部门已经明确规定，制动噪音应不超过85dB。

2.8 较小的对偶材料磨损

在汽车制动过程中，制动片和对偶件通过摩擦对汽车进行制动，磨损是不可避免的。由于对偶件的价格远高于制动片，摩擦材料除了要求对制动片的磨损量小外，对对偶件的磨损更必须尽可能的小。也就是说，在制动过程中，对偶件（制动盘或制动鼓）不应出现明显的过度磨损现象，如擦伤、沟槽等。

3 制动摩擦性能的主要影响因素

磨损率、摩擦系数和摩擦稳定性是摩擦材料摩擦性能的主要体现，影响因素较杂。对摩擦磨损性能影响较大的是摩擦原材料，根据原材料对摩擦性能的影响大小，利用摩擦性能谱对摩擦原材料进行分类，共分为3个区域，即润滑区、过渡区、磨料区。Td2S3、MoS2和石墨等材料在摩擦过程中经常作为固体润滑剂，磨损为黏着磨损，耐磨性能较好，处于润滑区。磨料区中的物质具有较好的耐磨性，它们的摩擦机理主要表现为磨粒磨损，代表为Zr（SiO4）、Al2O3、SiC等物质。磨料区右边的物质的洛氏硬度都较高，随着硬度的增大，对偶件在摩擦过程中受到的损伤就越严重。润滑区左边的摩擦原材料的润滑作用较好。物质耐磨性表现最差的过渡区，却是大多数摩擦材料集中区;在过渡区和润滑区的边界上是具有弱固體润滑剂特征的芳纶等有机纤维;具有弱磨料特征的金属纤维如刚棉，位于磨料区与过渡区的边界[2]。

3.1 粘结剂的含量

制动摩擦材料主要由增强纤维、粘结剂和填料等复合材料组合。目前常用的粘结剂主要为酚醛类树脂和橡胶，作用是当温度达到一定时先软化后进入粘结态，成为材料的基体，然后包裹填料和纤维，形成质地致密的、摩擦性能好的摩擦片制品。但是由于常用粘结剂的化学性能和热稳定性都差，因此摩擦材料的热衰退性、恢复性、耐损性等摩擦性能都受到不可忽视的影响。为了寻求一种性能更优越的粘结剂，许多学者都在进行新型粘结剂的研究，曲庆文等[3]人自行研制了一种新型耐高温粘结剂，发现制备的新型粘结剂可以有效控制传统摩擦材料的热衰退的缺陷。雷绍民等[4]人用纳米矿物材料为载体作用，通过改性酚醛树脂，从而改善酚醛树脂的流动性和热稳定性，提高制品的高温抗衰退性。

摩擦材料摩擦性能影响因素中，粘结剂量的配比也是一个关键的因素。树脂含量对耐磨性的影响可以用临界体积分数来表示，当树脂含量小于临界体积分数时，由于树脂无法完全包裹填料和纤维，摩擦材料的耐磨性差，摩擦性能不好;当树脂含量等于临界体积分数时，填料和纤维被树脂完全包裹，制品的磨损率较低。如果基体树脂含量比临界体积分数大的多时，虽然纤维和填料都被树脂最大程度的包裹，然而由于它们的耐磨性大于树脂本身的耐磨性，制品的磨损率反而增加了。刘震云[5]研究改性酚醛树脂含量的不同对材料机械性能和摩擦的影响，实验表明在树脂含量对摩擦材料的摩擦性能有很大的影响，粘结剂量过少或树脂高温分解都会导致摩擦材料粘结力下降，使增强纤维容易被拨出，摩擦稳定性变差，磨损量加大。研究人员还发现树脂耐热性决定其在较高温度时的耐磨性，在温度较高时，摩擦过程中树脂经常被发现有热磨损现象，这主要是由于树脂容易出现氧化还原、碳化和降解等反应，因此耐磨性降低。黄四平[6]以酚醛树脂和轮胎粉作为粘结剂探讨不同含量的粘结剂对摩擦材料的影响。实验表明，粘结剂的含量对摩擦磨损性能和机械性能具有显著的影响。酚醛树脂比轮胎粉的粘结剂性能更好。

3.2 增强纤维含量

增强纤维是强力的、具有各向异性的纤维状物质，主要作用是提高制动摩擦材料的韧性和强度，使摩擦材料经受拉伸、冲击等作用时不会出现断裂、裂纹等机械损伤。它较大程度的影响摩擦材料的耐磨性、机械强度和耐热性等性质。增强纤维是一种增强助剂，与树脂复合后能很大程度提高树脂力学性能。它不仅使摩擦材料的冲击强度、杨氏模量、耐疲劳性、耐蠕变性、刚性等得到成倍乃至数倍的增加，同时还可使制品的尺寸稳定性提高，收缩率降低，热变形减小。

根据材料的性质，增强纤维可分为金属增强纤维、无机增强纤维及有机增强纤维。有机增强纤维主要是由聚合物通过物理或化学反应生成的具有增强作用的一类纤维，这种纤维的固体润滑剂特性弱，断裂韧性高，主要有植物纤维、芳纶纤维和玻璃纤维等。有机纤维能改善制动摩擦材料的磨损性能，具有明显的增强作用，但是由于有机纤维本身的特点，它在高温摩擦过程中经常会出现氧化、降解和碳化等各种化学反应，使得制品的磨损性能变差。

金属纤维通常指钢纤维、铜纤维和铝纤维等，具有弱磨料特征，在摩擦过程中产生的磨屑可形成铁膜，从而改善磨损。刚纤维具有导热性好，在使用过程中，可以降低摩擦表面温度，避免树脂基体因为温度过高而发生热分解导致磨损性能变差。但是刚纤维易锈蚀，会损伤对偶，易产生制动尖叫和振颤。

无机纤维中的矿物纤维来源丰富，价格低廉，广泛用于摩擦材料中。Satapathy等[7]通过对芳纶纤维、碳纤维等对制动摩擦材料摩擦学性能的影响进行对比分析，结果表明，芳纶纤维能够稳定摩擦材料的摩擦性能，提高摩擦系数和耐磨性能，碳纤维能够明显提高摩擦材料的抗热衰退性能。但是大部分无机纤维是脆性的，因此单一的无机纤维摩擦材料的耐磨性不理想。

随着研究的深入，人们发现虽然增强纤维种类多，但是没有一种单一纤维可以在性能和成本上完全替代石棉纤维。目前开始采用性能和价格互补的多种纤维进行混杂，制成无石棉混杂纤维摩擦材料。姚冠新等[8]研制重型汽车刹车片是采用玻璃纤维、硅灰石纤维和芳纶浆粕等多种混杂纤维，这种新型摩擦材料的机械性能良好，摩擦磨损性能和恢复性能优异，抗热衰退性能较好。

3.3 填料

填料主要由磨料、固体润滑剂和过渡区原材料组成，作用主要是改善摩擦材料的摩擦学性能、机械性能和物理性能。使汽车制动片能够在不同工况下更好地实现传动和制动要求。此外，填料也可以用来改善摩擦材料的制造工艺性能和加工性能、降低制动噪音、增加尺寸的稳定性和降低成本。

3.3.1 磨料

常用的磨料有硅酸锆、氧化铝、碳化硅，主要作用是提高制动摩擦材料中的摩擦系数和物理学性能，他们的莫氏硬度均大于6。磨料制动摩擦材料在摩擦过程中磨损机理主要表现为磨粒磨损，虽然提高摩擦材料的磨损性能，但又使摩擦盘受损。摩擦材料的磨损率和磨料的硬度、断裂韧性有关，硬度越大，断裂韧性越好，摩擦材料的磨损率越大。同时磨料的颗粒大小也是磨粒磨损的重要影响因素之一。罗玲等[9]人对填料粒度不同的树脂基摩擦材料的摩擦因数标准差和高温磨损率进行分析，结果表明，对摩擦稳定性的影响较大的是增摩填料，摩擦材料的磨损率和摩擦因数都随着氧化铝和硅酸锆的粒径增大而增大，相反对摩擦因数稳定性的没什么影响的是石墨粒度。

3.3.2 固体润滑剂

常用固体润滑剂的有金属硫化物和碳材料，它的作用是能减少对对偶件的损伤，降低摩擦与磨损，增加摩擦材料的使用寿命。这些填料具有层状晶体结构的、莫氏硬度小的特点，在摩擦过程中产生的磨屑会在制动摩擦材料表面集聚，形成摩擦膜。这层摩擦膜可以有效减小两个摩擦面的微凸体之间的摩擦，降低磨损。固体润滑剂在制品表面上形成的摩擦膜层可以通过SEM等设备明显观察到。不同类型的固体润滑剂具有不同的特点。在摩擦过程中不容易发生化学反应，性质相对稳定的固体润滑剂是碳材料;而金属硫化物这类固体润滑剂的高温稳定性较差，经过摩擦化学反应后生成新的氧化物。

3.3.3 过渡区原材料

摩擦过程的断裂韧性决定了脆性材料的耐磨性，过渡区中大部分原材料属于脆性材料，如石灰石、重晶石、硅灰石、钛酸钾（K4TiO4）等，这些材料具有较低的断裂韧性，因此在摩擦过程中磨损率较高。在试验过程中，可以通过扫描电镜观察摩擦断裂形态，从而判断该材料耐磨性质的优劣。

4 结论

近年来我国制动摩擦行业提出产品高性能化，即用户安全效益最大、制动摩擦材料质量性能更好、寿命使用更长和操作维护方便性更好。在市场和企业辐射带动、反复博弈的作用下，当前制动摩擦行业的水平越来越先进、技术越来越成熟，摩擦系数衰退小、磨损率低、抗冲击强度高等这些制动摩擦材料的基本性能要求，已不能满足现代制动摩擦材料的要求，因此研发“绿色"新型摩擦材料已经是整个社会的必然共识。汽车制动摩擦材料在满足制动基本前提条件下，开始提出制动振动小、无噪声、落灰少等环保化人性化的要求。

参考文献

[1] Jens Wahlstrom，Lars Olander，UIf Olofsson.Size，shape，and Elemental compositon of airbone wear particles from disc brake materials[J]. Tribology Lettem，2010，38（1）：15-24.Hossein Kakooei，Masode Yune -sian， Hossein Marioryad et a1.Assessment of airbone.

[2] 齐士成，江盛玲.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）：23-26.

[3] 曲庆文，万继祥.新型抗热衰退摩擦材料的研究[J].润滑與密封， 2008，33（2）：104-115.

[4] 雷绍民，孙振亚.纳米亚微米矿物改性酚醛树脂及应用研究[J].金属矿山，2004（338）：45-51.

[5] 刘震云，黄伯云.树脂粘结剂含量对汽车摩擦材料性能的影响[J].中南工业大学学报，1999，30（5）：509-511.

[6] 黄四平，于占江.粘结剂含量对摩擦材料摩擦性能的影响研究[J].合成材料老化与应用，2015，44（6）：16-19.

[7] Satapathy B K，Bijwe J.Composite friction materials based on organic fibers：Sensitivity of friction and wear to operating variables. Compo -sites： Part A，2006，37（10）：1557-1567.

[8] 姚冠新，魏龙庆.多纤维增强重型汽车制动器摩擦材料的摩擦磨损性能研究[J].材料导报，2011，25（9）：96-98.

[9] 罗玲，姚冠新.填料粒度对汽车制动摩擦材料性能的影响[J].表面术，2016，45（2）：97-102.