汽车摩擦材料研究中常用测试方法的应用

张良 王迪 王焰孟 郭山 赵云霞

摘要：当前汽车制动法规、标准中对制动摩擦材料的要求有所提高，主要有高速、高温制动性能;制动舒适性——无制动噪音、震动、制动平顺;性能质量稳定一致等等。这些都要求必须加强汽车用摩擦材料的检测。而采用怎样的测试方法对汽车摩擦材料及其原材料的性能、结构进行表征和分析对于提高摩擦材料测试结果很关键。基于此，本文通过总结常用的几种现代汽车摩擦材料测试方法，探讨了红外与拉曼光谱、X射线衍射、电子显微镜、激光共焦显微镜、原子力显微镜以及热分析等现代测试方法在摩擦材料中的原材料结构、成分鉴定，性能分析，以及摩擦材料研究方面的应用。

关键词：汽车摩擦材料;现代测试方法;摩擦性能。

1概述

随着市场对汽车摩擦材料要求的不断提高，目前迫切需要快速高效且经济的摩擦材料检测方法。文中介绍了红外与激光拉曼光谱法、X射线衍射和X光小角散射法、透射电镜、扫描电子显微镜、激光共焦扫描显微镜、热分析等方法的原理，分析了其在摩擦材料及其原材料检测、复合结构、摩擦界面、磨粒形态等方面的具体应用。通过对摩擦材料结构、摩擦表面、磨屑产物等的观察和分析有助于研究人员把握其摩擦过程的具体变化，研究摩擦机理，进而设计出更好的摩擦材料产品。本文的目的是探讨如何利用现代测试方法对汽车摩擦材料及其原材料的性能、结构进行表征和分析。

2常用測试方法

2.1红外与激光拉曼光谱法

2.1.1红外光谱与拉曼光谱的原理

红外光谱是研究高聚物的结构及其化学与物理性质最常用的物理方法之一。红外光谱和拉曼光谱统称为分子振动光谱，分别对振动基团的偶极矩和极化率的变化敏感。红外光谱为基团的鉴定提供最有效的信息，而拉曼光谱对研究共振高聚物骨架特征特别有效。红外光谱的波长范围是0.8--1000um，相应的频率是12500-10cm-1（波数）。由于研究对象及实验观测的手段不同，红外光谱通常划分成三个部分，即近红外区（波数为12500-4000cm-1）、中红外区（波数为4000-200cm-1）和远红外区（波数为200-10cm-1）。中红外区的光谱来自物质吸收光的能量后分子振动能级之间的跃迁，是分子振动的高频吸收区;近红外区为振动光谱的泛频区;远红外区的光谱包括分子转动能级跃迁的转动光谱、重原子团或化学键的振动光谱以及品格振动光谱，较低能量的分子振动模式产生的振动光谱也出现在该区[1]。

2.1.2红外与拉曼光谱在摩擦材料研究中的应用

在摩擦材料研究中，可以采用红外光谱和拉曼光谱鉴定树脂、橡胶、有机纤维以及其它有机类材料的化学结构和物理性质。通过对所选用的各种材料进行性质及成份上的鉴定，可以更有效的进行原材料筛选和配方分析。采用该方法可以了解材料的以下重要特征：（1）化学：结构单元、支化类型、支化度、端基、添加剂、杂质。（2）立构：顺一反异构、立构规整度。（3）物态：晶态、介晶态、非晶态、晶胞内链的数目、分子间作用力、晶片厚度。（4）构象：高分子链的物理构象。（5）取向：高分子链和侧基在各向异性材料中排列的方式和规整度。

2.2X射线衍射

2.2.1X射线衍射的原理

X射线是1895年由德国物理学家Roentgen发现的，也称为伦琴射线。1912年Laue等发现了X射线的晶体衍射现象，并用实验证明了晶体内部原子排列的周期性结构，使结晶学进入了一个新时代。使用一定波长X射线，若使用的是无规取向高聚多晶样品，所得到的结果为许多同心圆环，又称为Debye--Scherrer环。显然只有X射线入射到面间距为d的原子面网（hkl），并满足Bragg条件的特定φ角和2d=sinφ=nλ时才会引起n次反射。此时每个圆环代表一个面网（hkl），衍射圆轨迹为以入射X射线为轴，以2a为半顶角的圆锥。通过对衍射圆锥各衍射环的强度和位置进行测量可以得到所测材料的晶体结构，结晶度，材料类别等信息。

2.2.2 X射线衍射在摩擦材料研究中的应用

汽车摩擦材料所用的很大一部分填料为天然矿物，而不同产地的矿物形态、性能都相差甚远，为了防止产品性能的波动，必需保证所用的材料的稳定性。而采用化学分析方法很难对材料的结构及性质做出鉴定。因此，在摩擦材料的原材料选用上，我们必需借助于X射线衍射分析所用矿物及有机材料的晶态结构，解理状态，这对于原材料选用、控制以及探求矿物材料摩擦作用机理都是很重要的。通过对矿物结构的深入研究，可以更好的对原材料进行筛选和控制。特别是进行不同产地原材料替代时，我们需要详细了解来自于各产地的材料在性质上相似性和差异，以设计恰当材料配比方案，维持配方的稳定。

2.3透射电镜

2.3.1透射电镜的原理

透射电镜中，以电子速为光源，透镜为电磁透镜，其本质是一个通过直流电的线圈所产生的磁场，经过其磁场范围的电子束因受到磁场力的作用而改变其运动方向和速度，从而像光束通过玻璃透镜之后一样，最终会聚到一个焦点上。加速电压越大，则电子运动越快，故焦距较长。磁场力使电子束会聚，得到对应于被观测点的放大的图像，该图像可直接观察或拍照成为电镜照片。

透射电镜的样品可以是很薄的薄片，称为超薄切片。当电子束打在样品上时，电子易透过，透过的电子称为透射电子;而有的电子碰到原子核透不过而被散射，其运动方向和速度发生变化，这些电子被称为散射电子。透射电镜的原理就是利用透射电子和部分散射电子成像，其像显示出不同的明暗程度即衬度。成像的衬度主要有振幅衬度和相位衬度，而振幅衬度主要包括散射衬度和衍射衬度。散射衬度是由于样品对入射电子的散射而引起的，它是非晶态形成衬度的主要原因，主要取决于样品各处参与成像的电子数目的差别，电子在试样中与原子相碰撞的次数愈多，散射量就愈大。因此总散射量正比于试样的密度和厚度的乘积，即试样的“质量厚度”。当散射电子被物镜光阑挡住而不能参与成像时，则样品中散射强的部分在像中显得较暗，而散射较弱的部分在像中显得较亮。试样中质量厚度低的地方，由于散射电子少，透射电子多而显得较亮，反之，质量厚度大的区域则较暗。出于质量厚度不同形成的衬度称为质厚衬度[2]。

2.3.2透射电镜在摩擦材料研究中的应用

透射电镜可用于观察摩擦材料的多相体系相结构及界面。反映出材料在混合后各相的分布及填料被树脂包覆情况。通过对材料进行观察我们可以了解所添加的纤维及填料在基体中的分布，以帮助研究人员采用更合理的材料配比方案和制定更佳的工艺参数。通过对摩擦表面复型的观察，可以得到摩擦表面粗糙峰起伏的图像。通过摩擦表面粗糙度与摩擦系数的关系研究，有助于研究人员理解配方和摩擦性能之间的关系进而设计和改进配方。

2.4扫描电子显微镜

2.4.1扫描电子显微镜（SEM）的原理

扫描电镜的成像是用二次电子和背散射电子成像。其图像是按一定时间和空间顺序逐点扫描形成，并在镜体外的显像管上显示出来。扫描电镜的衬度主要有两种：

（1）表面形貌衬度：二次电子发射量的多少取决于样品表面起伏的状况，如电子束垂直样品表面入射时，二次电子的发射量最少，而倾斜入射时，二次电子的发射量相对要多些。 SEM的衬度主要由样品表面的凹凸决定，尖棱、小粒子和坑大边缘对二次电子产率有较大的贡献。

（2）原子序数衬度：二次电子发射量的多少同时也取决于元素的原子序数，序数高的元素产生的二次电子多，序数低的元素产生的二次电子少。扫描电镜具有以下优点：①试样制备方法简便。②景深长、视野大：在放大100倍时，景深可达lmm;即使在放大1万倍时，其景深还可达lum。③分辨率高：放大倍数低至几十倍，高至几十万倍，仍可得到清晰的图像。④可对试样进行综合分析和动态观察：把扫描电镜和X射线能谱微区分析及电子衍射等仪器相结合，可以在观察微观形貌的同时分析其化学成分和晶体结构。此外，可配备拉伸、弯曲、加热或冷却等试样座，对试样进行一系列动态现察。⑤可借助信号处理来调节图像衬度，以增强图像的立体感;也可以把幅度连续变化的信号处理成几个固定的电平等级，以使图像的层次分明、边缘清晰。⑥扫描电镜可以用软片或极化相纸记录图像，也可以利用电荷辐合器件，通过计算机存储数值结果，在实验进行过程中实时了解图像质量的优劣从而更进一步作图像分析。

2.4.2扫描电子显微镜在摩擦材料研究中的应用

在材料的摩擦过程中，摩擦表面形貌直接反映材料的磨损、疲劳和腐蚀等特征行为，不同磨损过程后的磨损表面形貌差别很大，不同的摩擦表面状态也会影响摩擦的性能。摩擦表面形貌是判定磨损机理最直接、最主要的判据。早期摩擦学研究中用放大镜、金相显微镜、体视显微镜等观测表面形貌。但这类仪器放大倍数低，分析效果差。20世纪70年代中期开始出现的以扫描电子显微镜为代表第二代显微观测技术将表面形貌的研究引入了一个新阶段。电子扫描的图像清晰、有立体感，放大倍数范围宽。同时衍射技术和能谱分析可用于分析摩擦过程中表层结构的变化。将电子束、X射线等照射到被测表面，之后测量所获得的衍射线的直径面间距，并与标准物质相比较，可根据这些数值鉴别待检测的物质。当用电子照射试样表面时，表面受到激发而产生的是俄歇电子。俄歇能谱仪是通过电子束使表面激发而产生二次放射电子。收集这些电子进行能谱分析就能够研究摩擦表面上二三层原子厚度内的组织变化。这样就可以实现对摩擦表面形貌，结构和化学成分进行全面的分析，这将在摩擦性能、磨损机理研究中起到重要的作用。

2.5激光共焦扫描显微镜

2.5.1激光共焦扫描显微镜的原理

激光共焦扫描显微镜采用共轭焦点技术进行成像，采用激光为光源，使光源、被测样品及探测器处在彼此对应的共轭位置上，激光束从光源针孔射出，由光源透镜变为平行光，经过分光镜，再由扫描透镜聚集于样品表面，对样品内焦平面上的每一点进行扫描，然后激发出的荧光或者反向的激光束经由光电倍增管探测收集，并将信号采集输入到计算机进行成像。在此过程中，只有来自样品内焦平面上的光才能在探测针孔处是离焦的，将被探测针孔滤除，因此，非观察点的背景呈黑色，反差增加，成像清晰。辅助于计算机图像处理技术，可获得高分辨率的摩擦表面三维图像。

2.5.2激光共焦扫描显微镜在摩擦材料研究中的应用

摩擦面的表面形态是研究摩擦磨损的重要指标。在摩擦材料研制中采用该设备不但能用于对摩擦表面三维形貌进行分析，还能对磨粒的形貌进行分析。在汽车摩擦材料的摩擦过程中，磨粒对摩擦的贡献占有很重要的地位，是磨擦、磨损过程中的重要信息载体和磨损机理判据。磨粒是由于摩擦副表面相对运动，并与界面介质和环境气氛的相互作用，经历一系列摩擦学过程，导致表面磨损形成的产物，含有丰富的关于材料表面摩擦、磨损的信息，其数量、大小、形状、颜色、形貌及结构特征等与磨粒产生时的系统及材料的磨损方式密切相关。通过使用该设备对磨粒的形貌研究，能获得能够反映摩擦学系统时变特征的系统输出变量，确定摩擦副系统特性。

2.6原子力显微镜

2.6.1原子力显微镜（AFM）的原理

原子力显微镜是通过将探针装置在一个对于微弱力作用非常敏感的微悬臂上，并使探针的针尖与试样表面原子轻微地接触。通过压电陶瓷控制试样或探针在X，Y方向扫描运动，使探针在试样表面上的相对位置改变。由于试样表面形貌的高低起伏，将使微悬臂自由端随着表面起伏而上下变形。通过用隧道电流或者激光光束检测微悬臂自由端在Z方向的变形位移，就可以根据微悬臂的弹簧刚度实现对探针尖端原子与试样表面原子之間作用力的测量，并得到试样表面形貌图像。

2.6.2原子力显微镜在摩擦材料研究中的应用

描述摩擦的摩擦学模型如大尺寸分子动力学模型，速率状态模型，微弹性体模型，都是建立在对摩擦表面细微状态的观察和推测基础上的。原子力显微镜的发明使得这种研究从理论推测变为真实的观察，因为对于粗糙表面来说，摩擦力的大小主要由表面粗糙度决定。该设备不但可用于表面原子级形貌检测，由于它在测量中对力的极为敏感的性能，还可以测量表面纳米尺度范围内的力学性质，例如微弹塑性变形、微硬度、接触面积，以及探针与试样间的范德瓦尔力或粘着力等等。对于纳米摩擦学研究特别有意义的是：如果将原子力显微加以改进，采用光学或其它检测方法测量微悬臂自由端的横向弯曲位移，还可以在原子尺度上测量摩擦力。有助于精确的从形貌机理上研究摩擦过程。

2.7热分析

2.7.1热分析的原理

热分析是指用热力学参数或物理参数随温度变化的关系进行分析的方法。热分析技术主要用于反映物质的相变，如通过差示扫描热法和差热分析研究玻璃化转变行为、熔融行为和结晶动态以及矿物晶体的结构变化。通过控制温度变化速率，热分析可以将样品性质变化的速率通过调节样品的温度来控制;热分析联用技术的发展将提供更为全面、动态和微观的信息。

2.7.2热分析在摩擦材料研究中的应用

复合材料在摩擦时，把摩擦功转化为热能，其中聚合物受到摩擦热的影响将产生性质上的变化，从而改变摩擦表面状态。通过分析材料在热状态下的变化进而可以推知其在不同温度下的摩擦特性。通过差示扫描热法和差热分析可以研究有机类材料如树脂和橡胶等的玻璃化转变行为、熔融行为和结晶动态。采用动态力学分析和热介电分析表征力学松弛和分子运动对温度或频率的依赖性。其具体应用包括：（1）摩擦材料中有机物的玻璃化转变以及熔融行为;（2）摩擦材料中有机物的热分解或裂解以及热氧化降解;（3）摩擦材料固化成型过程中释放挥发物的固态反应及其反应动力学研究;（4）摩擦材料对水、挥发组分和灰分等的定量分析;（5）摩擦材料物相组成、形态以及相互作用的研究。

3结语

摩擦材料摩擦性能的好坏直接影响汽车的安全性能，因此，加强摩擦性能的检测，提高产品的质量十分重要。对摩擦材料的性能测试方法有很多，本文主要介绍了红外与拉曼光谱，X射线衍射，电子显微镜，激光共焦显微镜，原子力显微镜以及热分析等现代测试方法在摩擦材料研究方面的应用。

参考文献：

[1] 张俐娜，陈小平等.高分子物理近代研究方法[M].武汉大学出版社.2006.

[2] 任钢.汽车用纸基摩擦材料国外研究进展[J].汽车技术，2014（11）：16-19.

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