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贵州大学硕士学位论文 汽车摩擦材料中填料的优化设计 摘要 填料对摩擦材料无论在机械性能、物理性能还是摩擦性能上都有重要的影 响。它的主要作用是对摩擦材料的摩擦磨损性能进行多方面的调节，使摩擦材料 能更好的满足各种工矿条件下制动和传动功能的要求。此外，还常常通过用不同 的填料来控制、调节摩擦材料制品的硬度、比重、结构密实度、制品外观、改善 制动噪音、降低制品成本等。 但在摩擦材料的开发和应用中，多年来人们直将注意力放在树脂改性和寻 找石棉纤维的替代品作为增强纤维方面，对填料优化配比方面的研究不多。实际 生产过程中，一般只能凭借一些经验和习惯选择、试配填料，往往得不到很好的 效果。本课题通过大量实验，分析蛭石、重晶石、蓝晶石、钾长石和泡沫铁粉五 种常用填料对制动摩擦材料性能的影响，并对填料进行配方的优化设计，以提高 摩擦材料的性能。本课题研究的主要内容包括： 1 、填料对制动摩擦材科性能影响的研究 选定的填料分别在含量为7 9 ，8 2 、8 5 条件f 与j 腈改性酚醛柄骺；昆台， 用干法工艺压制成摩擦片，进行摩擦磨损性能、冲击强度以及硬度的测试，主要 研究了孟种选定填料在不同含量、不同温度下对制动摩擦材料摩擦磨损性能及力 学性能的影响。在此基础上，比较研究了五种填料对摩擦材料影响的差异。 2 、填料配方的优化设计 基于填料之间不存在交互作用和填料对制动摩擦材料性能的贡献线性叠加 的假设，建立了摩擦系数稳定性和磨损率最小填料配方优化数学模型，求出最优 配方，进行了实验验证，表明该优化方法可行，为制动摩擦材料中填料的配方优 化开发探索了一种新的途径。 关键词：填料；摩擦材料；优化；摩擦系数；磨损率 本课题受贵州省优秀人才省长基金资助。 贵州大学硕士学位论文 o p t i m i z a t i o no f f i l l e rd e s i g no fv e h i c l e b r a k i n g f r i c t i o nm a t e r i a l s u m m a r y t h ef i l l e r si nt h ef r i c t i o nm a t e r i a lh a v eg r e a ti n f l u e n c e so l lm e c h a n i e a l , p h y s i c a l a n df r i c t i o np r o p e r t i e so ft h ef r i c t i o np r o d u c t ，i n c l u d i n gf r i c t i o na n dw e a rp r o p e r t i e s ， r i g i d i t y , s p e c i f i cg r a v i t y , p o r o s i t y , a p p e a r a n c eo fp r o d u c t s ，b r a k i n gn o i s e ，a n dp r o d u c t c o s t ，e t c s i n c et h ep a s tt w od e c a d e s ，t h er e s e a r c h e so ft h ef r i c t i o nm a t e r i a lh a v eb e e n e m p l a c i n go ut h em o d i f i c a t i o no fr e s i na j a ds u b s t i t u t e so ft h ea s b e s t o sf i b e r s ，a n dt h e r e s e a r c ho ff i l l e r sl e s sr e p o r t e d u s u a l l y ，p e o p l eo n l yr e l yo ns o m ee x p e r i e n c e st o c h o o s ef i l l e r s s of r i c t i o nm a t e r i a lc a n to b t a i nt h ee x c e l l e n tp e r f o r m a n c e t h ep r e s e n t w o r k sa r et oo p t i m i z ef i u e rc o n s t i t u t e st oi m p r o v et h ep r o p e r t i e so ff r i c t i o nm a t e r i a l , b a s e do nt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t so ff r i c t i o nc o e f f i c i e n t w e a l r a t ea n d i m p a c ts 缸e n g t h o fv e r m i c u l i t eb a r i t e ，k y a n i t e ，f e l d s p a ra n dp o r o u si r o np o w d e r m a i nr e s e a r c h e so f t h i sp a p e ra r ea sf o l l o w i n g ： 1 、t h ef i l l e r s e f f e c t so np r o p e r t i e so f f r i c t i o nm a t e r i a l f r i c t i o nm a t e r i a l sm a n u f a c t u r e db yd r yp r o c e s sa r cc o m p o s e do f e a c hf i l l e r ( 7 9 ， 8 2 ，8 5 1a n dp h e n o l i cr e s i nm o d i f i e dw i t hn b r t h i sr e s e a r c ha n a l y z e dt h es e l e c t e d f i v ef i l l e r s 7e f f e c t0 1 1f r i c t i o na n dw e a rp r o p e r t i e sa n di m p a c ts t r e n g t ho ff r i c t i o n m a t e r i a lu n d e rt h ed i f f e r e n tc o n t e n ta n dt e m p e r a t u r e a n db a s e do nt h ea b o v er e s u l t s ， w e c o m p a r e da n ds t u d i e dt h ed i f f e r e n c e si nf i v ef i l l e r s a f f e c to nf r i c t i o nm a t e r i a l s 2 、o p t i m i z a t i o nd e s i g no ff i l l e r sf o r m u l a o nt h ea s s u m p t i o nt h a tn oi n t e r a c tb e t w e e nf i l l e r sa n dl i n e a rs u p e r p o s i t i o no f f d l e r sc o n t r i b u t i o no nf n c d o nm a t e r i a l s ，s e tu pm a t h e m a t i c a lm o d e lo ff i l l e rf o r m u l a o p t i m i z a t i o no ff r i c t i o nc o e f f i c i e n ts t a b i l i t ya n dw e a rr a t em i n i m u m ，a n dt h e ns o l v e o p t i m i z a t i o nv a l u eo ff o r m u l a t h et e s tr e s u l ts h o w e dt h a to p t i m m i n gm e t h o di s 贵州大学硕士学位论文 f e a s i b l ea n do f f e ra no r i g i n a lm e t h o df o rf i l l e r s f o r m u l ao p t i m i z a t i o ni nf r i c t i o n m a t e r i a l s k e yw o r d s ：f i l l e r ；f r i c t i o nm a t e r i a l ；o p t i m i z a t i o n ；f i i c t i o nc o e f f i c i e n t ；w e a rr a t e s u p p o r t e db yg o v e r n o rf o u n d a t i o nf o re x c e l l e n ts c h o l a ri ng u i z h o up r o v i n c e 贵州大学硕士学位论文 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 一 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究在做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：髦轴莹日期：2 q q i 生6 旦 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解贵州大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权贵州大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：曼盛导师签名 贵州大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 国内外汽车制动摩擦材料的发展现状及趋势 汽车的制动是通过摩擦片与刹车盘间的相对运动产生摩擦来实现的，因此， 汽车制动系统中摩擦副的性能与结构是影响汽车舒适性、耐久性，特别是行驶安 全性的根本因素。从材料组成以及历史发展的角度，摩擦材料可分为有机型和无 机型两大类。 摩擦材料 钢纤维摩攘材料 i 碳纤维摩擦材料 ，石棉摩擦材料磊然及混合无石棉纤维摩擦材料1 矿物纤维摩擦材料 有机型jl l 玻璃纤维摩擦材料 l 无石棉摩攘材料_ 混杂纤维增强摩擦材辩 1 l 无纤维摩擦材科 金属一本金属摩擦材料 粉末冶金摩擦材料 无机型1 陶瓷摩擦材料 l 碳一碳摩擦“科 随着汽车工业的发展，对汽车的速度、载荷和安全性的要求也日益提高，摩 擦副的性能在某种程度上限制了汽车高速化与重载化的发展；此外，随着人类环 境保护意识的增强，对汽车制动摩擦材料也提出了更高的要求。理想的制动材料 应该具有以下的特点1 1 叫： 具有足够并且稳定的摩擦系数，摩擦系数基本上不受速度、载荷、温度 和环境条件的变化的影响，具有抗衰退性同时又有良好的恢复性； 自身的耐磨性要好，磨损量小，同时也要使对偶材料的磨损要小； 具有足够的机械强度，尤其是高温机械强度，能够承受工作中的压力和 剪切力，导热性好，有较大的热容量； 在制动过程中应平稳，产生的噪音和振动要小； 原材料来源充足，制造工艺简单易行，造价低，无环境污染。 汽车摩擦材料的发展大致经历了三个阶段【卅： 贵州大学硕士学位论文 ( 1 ) 2 0 世纪7 0 年代中期以前，汽车制动系统多为鼓式制动方式，制动摩 擦材料几乎全都采用石棉摩擦材料。由于石棉摩擦材料具有较稳定的摩擦磨损性 能及良好的工艺性，以及成本低、比重小、不易损伤对偶材料等独特的优点，因 此获得广泛应用，并在其发明后的五六十年间一直主导着制动摩擦材料领域。 ( 2 ) 2 0 世纪7 0 年代中期至8 0 年代中期，为第二时期。世界能源危机、汽 车速度的加快，均促使汽车制动系统向盘式制动转化。这就要求提高摩擦材料的 高温摩擦性能和制动效率，要求克服因尺寸小而带来的噪声增强和震颤增强等问 题，石棉摩擦材料的性能已经逐渐不能适应这些要求。特别是1 9 7 2 年国际肿瘤 医学讨论会确认，石棉属于影响人体健康的致癌物质，被列入十大有害工业原料 之一，各国纷纷限制石棉摩擦材料的使用。因此，促使各国开始研究开发商性能、 适合汽车和社会发展要求的无石棉摩擦材料。此后出现了如半金属摩擦材料、烧 结摩擦材料、代用纤维增强聚合物粘结摩擦材料以及复合纤维摩擦材料等。这些 材料以增加金属成分来提高使用温度，延长寿命，并加入多种添加剂来提高摩擦 稳定性，降低制动噪声和震颤现象。 ， ( 3 ) 2 0 世纪8 0 年代中期至今，是摩擦材料发展的第三时期，盘式制动和新 型摩擦材料迅速发展，并实现了工业化生产。随着汽车工业向高速、高效、节能、 轻型化方向的发展，对制动摩擦材料也提出了更高的要求。各发达国家自u 速升发 新型摩擦材料，相继推出了低导热率、低噪音等第二代和第三代半金属摩擦材料， 耐高温、耐磨损、高摩擦稳定性的烧结新型铁基粉末冶金材料，高性模量、耐高 温、低噪音的烧结陶瓷型材料，以及具有高比强度、高比模量、低密度、好的热 稳定性、耐烧蚀性的c c 复合制动材料，并同时开始批量生产且在新生产的汽车 上装用这些新型摩擦材料。 由于历史原因，我国汽车工业起步较晚，汽车摩擦材料生产技术比较落后， 在工业基础、技术水平、工艺设备以及产品的品种、数量和性能等方面与国外发 达国家还有一定差距【8 钉。 2 0 世纪8 0 年代以前，我国汽车摩擦材料生产技术仅停留在欧洞二三十年代水 平。9 0 年代后，我国汽车摩擦材料生产开始引进国外先进技术，在吉林建立了汽 车摩擦材料样板生产线，该生产线是引进日本、韩国的技术，具有国际8 0 年代先 。 进生产水平，在技术改造方面比较适合我国国情，这在全国汽车摩擦材料生产方 2 贵州大学硕士学位论文 面起到了很大的推动作用。进入2 1 世纪以来，我国的汽车摩擦材料无论是在产品 质量还是在制造工艺、设备上都有很大提高，如半金属无石棉盘式衬片的开发和 制造取得了较大成效，对无石棉摩擦材料的研究开发也在不断开展，对非石棉增 强材料及树脂的选用做了较多的研究1 1 0 , 1 1 l ，对摩擦材料的生产工艺、测试方法和 设备等都有所研究和改进【1 2 j ，但是与国外相比还有较大的差距。主要表现在以下 几个方面： 1 ) 制造技术方面：我国摩擦材料生产自动化水平和生产效率普遍较低，设 备简陋，精度低，质量不高，难以形成规模化；生产工艺大多还采用干法及湿法 工艺，生产过程中能源消耗大，产品质量难以进一步提高；而其它先进国家早以 采用冷压法、挤出法、缠绕法和注射法等新工艺【1 3 】。对于模压产品，国外发达国 家采用的基本工艺流程如下：配科一混料一预压成型一热压热处理一机械加工一 表面处理一印标一包装。配料基本实现计算机自动控制，减少了人工误差；热压 大都采用大吨位压力机，并采用计算机控制技术，大大提高了产品质量和生产率。 ( 产品配方及性能方面：我国摩擦材料产品品种( 配方) 比较单一，系列 性差，且无石棉产品所占的比重小；在性能上，产品的稳定性差，热衰退率和磨 损率高，- 硬度和密度大，使用寿命短。而国外，当前采用先进的技术配方特征在 于：无石棉、无金属、无k e v l a r 等化学纤维、毒对艏含量少全5 6 ，采用第 二粘接剂及多孔性结构的原料，热压时间3 0 s 9 0 s ，热处理温度高达 2 4 0 - 2 8 0 。c i 圳。其具有符合环保要求、低成本、无制动噪音、热衰退小等优点。 ( 3 ) 汽车摩擦材料研究、测试技术方面：国外在摩擦材料生产上十分重视采 用先进的工艺设备和计算机控制技术，积极采用新技术、新材料、新工艺，不仅 产品产量高，而且产品外观、质感和性能都十分稳定。 1 2 汽车制动摩擦材料组份的研究 摩擦材料是通常由十几种组元构成，这些组元被分为高分子粘结剂、增强纤 维和填料三大类。以下主要对粘接剂和增强纤维的应用研究进展进行综述。 一、粘结剂 粘结剂是摩擦材料的基体，约占材料组分的7 - 3 0 ，其特点和作用是当处于 一定加热温度下，先呈软化而后进入粘流态，产生流动并均匀地分布在材料中形 3 贵州大学硕士学位论文 成材料的基体，最后通过树脂固化作用和橡胶硫化作用把各种纤维组分、填料和 辅助材料等全部均匀地粘结在一起，形成结构致密、有相当强度及能满足对摩擦 材料使用性能要求的摩擦材料整体。树脂基体是摩擦材料中的重要组分，但同时 也是摩擦材料中化学性能、热稳定性最差的组分，它的性能直接影响摩擦材料的 热衰退性能、恢复性能、磨损性能和机械性能。对摩擦材料而言，树脂和橡胶的 耐热性是非常重要的性能指标。当摩擦片在2 0 0 枷0 0 c 左右的高温工况下，纤维 和填料的主要部分为无机类型，不会发生分解，而对于树脂和橡胶来说已进入热 分解区域。摩擦材料的各项性能指标此时都会发生不利变化( 摩擦系数、磨损、 机械强度等) ，特别是摩擦材料在检测和使用过程中发生的三热( 热衰退、热膨 胀、热龟裂) ，其根源都是由于树脂和橡胶的热分解所致【1 5 l 。所以随着各种车辆 和机械使用工况条件的提高，对摩擦材料的热性能和制动力矩的稳定性要求不断 提高，从而对树脂基体提出了新的要求，如要求有较高的热分解温度、足够的摩 擦系数和良好的热恢复及耐磨性等。 摩擦材料中的粘结剂为有机高分子物，对于大部分的摩擦材料制品，粘结剂 采用酚醛树脂。橡胶常作为辅助材料加用( 有些制品中橡胶含量高于树脂) ，目 的是降低制品的硬度和弹性模量，提高韧性和冲击强度，常用橡胶是丁苯橡胶和 丁腈橡胶。如今已经很少有纯筋醛树腊型的摩擦材料制品，由于传统的酚醛树脂 脆性大，耐热性不足，用纯的酚醛树脂为粘结剂制得的摩擦材料存在材质脆硬、 硬度高、抗冲击性能差、热分解温度低、摩擦层的分解残留物性能不稳定的缺陷。 当摩擦片与刹车盘发生摩擦时，材料表面易产生龟裂，磨损加快，使用寿命缩短， 并且产生制动噪声。因此，必须对酚醛树脂进行改性，以提高其耐热性和柔韧性。 现在国内外采用的改性酚醛树脂有f 1 6 】：聚乙烯醇缩醛改性酚醛树脂、聚酰胺 改性酚醛树脂、环氧改性酚醛树脂、有机硅改性酚醛树脂、硼改性酚醛树脂、二 甲苯改性酚醛树脂、二苯醚甲醛树脂、腰果壳液改性酚醛树脂、纳米改性酚醛树 脂。此外还有其它类型的改性酚醛树脂，如：芳烃改性、丁腈改性、乳胶改性、 桐油改性等。 二、增强纤维 摩擦材料中增强纤维的作用主要是使材料具有一定的强度和韧性，使材料耐 得住冲击、剪切、拉伸等机械作用，而不至于出现裂纹、断裂、崩缺等机械损伤。 4 贵州大学硕士学位论文 因此增强纤维应满足以下性能要求： ( 1 ) 足够的强度和模量、较好的韧性，增强效果好： ( 2 ) 良好的摩擦磨损性能，在一定的温度范围内具有稳定的摩擦系数及适当 的摩擦损耗； 。 ( 3 ) 良好的可分散性及与树脂的粘附能力； ( 4 ) 耐热性好，在一定温度范围内不发生热分解、熔融、脱水、相变等现象； ( 5 ) 适当的硬度，以免残伤制动噪音和损伤对偶件； ( 6 ) 工艺可操作性好； ( 7 ) 量广、价廉、无毒性，不污染环境等【1 7 ，l s 】。 目前，国内外习惯将摩擦材料分为两大类：即：石棉摩擦材料和无石棉摩擦 材料。 1 、石棉摩擦材料 石棉是一种天然的矿物纤维，它具有较高的耐热性和机械强度，增强效果好， 还具有较长的纤维长度、较高的劈裂性和良好的分散性，以及很好的柔软性和浸 渍性。2 0 世纪3 0 年代，石棉有机摩擦材料产生，由于它具有较稳定的摩擦磨损 性能及良好的工艺性，价格低廉，因此在摩擦材料中得到了广泛的应用。但是自 从上世纪7 0 年代，石棉及其赢温分解物被确认属丁致癌物质后，许多酗家都对 石棉摩擦材料加以限制。此外，随着现代汽车速度的提高，使制动品表面温度达 3 0 0 5 0 0 ，石棉摩擦材料导热性和耐热性差，在4 0 0 c 左右就会失去结晶水， 5 5 0 c 时结晶水将完全丧失；同时也失去弹性和强度。石棉脱水后会造成摩擦性 不稳定、工作层材料变质、磨损加剧，会损伤对偶及出现制动噪声，出现明显的 “热衰退”现象f ”，已基本失去增强效果。很显然，石棉基摩擦材料已不能适应 汽车工业和现代社会发展需求，将逐步被新材料所取代。我国家有关部门已作出 规定，右棉基摩擦材料将会被其它纤维增强摩擦复合材料所替代【2 0 i 。 2 、无石棉摩擦材料 目前，国内外广泛开展了代用增强纤维的新型无石棉刹车片的研制工作，投 入了大量的人力、物力和财力，取得了许多突破性的进展相继开发出了多种类型 的新型摩擦材料，如钢纤维、玻璃纤维、碳纤维、有机纤维、陶瓷纤维、矿纤维 等增强的摩擦材料。从近年来美国、英国、德国、日本等发达国家所发表的专利 贵州大学硕士学位论文 分析，无石棉摩擦材料的专利占汽车摩擦材料专利总数的9 0 以上【2 1 - 2 3 1 。可以 看出，研究和开发非石棉摩擦材料是大势所趋，国内企业应引起高度重视，只有 加大开发研究力度才能跟上国际发展潮流。 实际上，非石棉纤维还存在着许多的不足： ( 1 ) 增强纤维与基体的相容性较差： ( 2 ) 价格较石棉基摩擦材料高出很多； ( 3 ) 增强纤维摩擦材料的制成品性能并不是很稳定； ( 4 ) 代用纤维摩擦材料虽然在某些方面已经超越石棉基摩擦材料，但就整体 性能而言还存在较大的差距，目前尚无任何一种纤维材料能够具有石棉的综合 性能。 、 1 3 填料对汽车制动摩擦材料影响的研究 1 3 1 填料应具备的性能 填料包括多种摩擦性能调节剂和其它配合剂，它的主要作用是对摩擦材料的 摩擦磨损性能进行多方面的调节，使摩擦材料能更好的满足各种工矿条件下的制 动和传动功能的要求。此外，还常常用4 i 同的填料来控制、调节摩擦材料制品的 硬度、比重、结构密实度、制品外观、改善制动噪音、降低制品成本等。概括来 说，填料在摩擦材料中的作用有以下六个方面； ( 1 ) 改善制品的摩擦性能( 摩擦系数、磨损率) ； ( 2 ) 改善制品的外观质量、刚度、硬度、制动噪音及密度； ( 3 ) 提高制品的加工性能与制造工艺性能； ( 4 ) 控制制品热膨胀系数、收缩率，增加产品尺寸的稳定性； ( 5 ) 改善制品的导热性； ( 6 ) 降低生产成本。 在摩擦材料的配方设计中，要从众多的填料中选用符合摩擦材料性能要求的 填料，就必须要首先了解和掌握填料的性能，以及它在摩擦材料各项性能中所起 的作用。正确选用填料对决定摩擦材料的性能以及制造工艺，都是非常重要的。 6 贵州大学硕士学位论文 1 3 2 填料的分类及作用 填料按其化学成分来分类，可分为无机填料、有机填料和金属。 1 、无机填料【1 4 ，2 4 删 无机填料又可分为增摩填料和减摩填料。 ( 1 ) 增摩填料：又称摩阻材料，主要是不会分解的耐热材料粉末，大部分的无 机填料都属于增摩填料。它们一般具有一定的硬度和剪切强度，莫氏硬度通常在 3 以上，而且有较好的摩擦系数，在摩擦材料中使用，可以提高材料的摩擦系数 以及改善材料的物理与机械性能。 在摩擦材料中，使用量较大的增摩填料的硬度为弘5 之间，如重晶石、碳酸 钙等。它们可以使摩擦来料具有较好的摩擦系数，又不会损伤对偶材料表面，也 不会产生明显的制动噪音。硬度为5 6 左右的填料属于硬质填料，粒度宜细，以 1 6 0 - 4 0 0 u 为宣，用量也不宜过大。实验表明，其用量超过6 - 7 后，会在制动噪 音和损伤对偶表面方面产生负面作用。硬度超过7 的填料属于高硬度填料，很少 用量就会产生明显的增摩效果，但同时对对偶表面的损伤和噪音的产生也会产生 很大的负面影响，所以应严格控制用量。 常用增窜填料有：熏晶石( b a r i t e ) 、硅灰石( w o l l a s t o n i t e ) 、萤石( f l u u l i t e ) 、 铬铁矿粉( c h r o m i t e ) 、钾长石( f e l d s p a r ) 、氧化铝( a l u m i n a ) 等。 ( 2 ) 减摩填料：主要以提高材料的稳定性和耐磨性、降低摩擦系数和减少制 动嗓音为目的。摩擦材料中使用的减摩填料包括两种类型材料，一类是莫氏硬度 为l 2 的具有各向异性的非金属矿物，如石墨( g r a p h i t e ) 、硫化钼( m o s 2 ) 、 滑石( t a l e ) 、云母( m i c a ) 等，添加量通常在1 0 以下；另一类是软金属如铅、 铜、锌等，它们的特点是硬度很低，剪切强度低，故而具有低摩擦系数和低磨损 的特性。 广泛应用的减摩填料是石墨和二硫化钼。 石墨的莫氏硬度为t 2 ，比重2 1 砣3 ，具有良好的导电、导热和耐高温性能， 熔点达到3 8 5 0 左右。在摩擦材料中添加石墨可改善材料的抗磨性能，一般使用 固定碳含量为8 0 一9 3 的中碳石墨。 二硫化钼的莫氏硬度为1 1 5 ，比重4 ，7 4 8 ，熔点1 1 8 5 。使用二硫化钼能 够改善材料的抗衰减性能，特别是二硫化钼在3 4 9 以下可以长期使用，因此还 7 贵州大学硕士学位论文 可以在较商温度下稳定摩擦状况。 随着汽车速度的提高，制动衬片尺寸减小，意味着比压和摩擦温度增高，单 纯依赖石墨与二硫化钼固体润滑剂已不能满足稳定摩擦系数的要求。近几年研究 发现，一些无机固体润滑剂和固体混合物，其在许多状况下可改善磨损和稳定摩 擦系数。例如，在传统配方中加入1 0 一5 0 的润滑性热塑性树脂如p t f e 、聚酰 亚胺、聚乙烯或聚丙烯树脂，可降低噪音并稳定摩擦系数。 2 、有机填料 有机填料又称有机摩擦粉，在摩擦材料中的主要作用为是降低制品硬度和模 量，提高制品的柔韧性，改善摩擦系数的稳定性，同时有利于减少制动噪音- z g 。 但是，由于有机填料的耐热性较低，在制动摩擦的工作温度下会发生分解，造成 摩擦性能的下降，因此用量不宜过多，必须严格控制。 常用的有机填料有粉末橡胶、沥青、腰果壳油摩擦粉、轮胎粉、胺基脂粉等。 3 、金属填料t 金属填料包括铜粉、铸铁粉、多孔铁粒、还原铁粉、铝粉及锌粉等，它们普 遍具有高吸热性，除了在低温下有一定的减摩作用外，在高温时也有减摩性能， 但必须注意其熔点与摩擦材料的工作温度相匹配，在高温时其金属氧化物会将使 孥捧系数升高二 国内外常用的金属减摩填料有铜和铝的粉状和切屑物。铜粉耐磨，易在对偶 件表面形成转移层，起到稳定摩擦系数的作用。铁粉尤其是铸铁粉可以提高耐磨 性和稳定摩擦系数。多孔铁粒具有一种磨蚀性表面，它在摩擦片和相应制动表面 初始贴合时，具有足够高的摩擦系数，特别是在低温条件下表现出良好的耐磨性。 锌粉在摩擦材料中起到防腐蚀和稳定摩擦系数作用。 摩擦材料中加用金属的另一个作用是有利于提高制品的热传导性和降低摩 擦表面的温度，高档刹车片中常加用5 8 的黄铜粉或屑。因为制动材料与对 偶金属材料相摩擦时，受摩擦表面散热情况的影响很大，如果散热情况不良，则 摩擦系数由于材料表面温度升高而降低。 摩擦材料的工作过程复杂，要在多种工况条件下提供较高而稳定的摩擦系数 并能耐磨，摩擦材料必然是一个多种组分的复合材料。所以，在实践中，有机摩 擦材料逐渐发展成一种包括树脂基体、增强纤维和填科的三元复合结构的材料。 8 贵州大学硕士学位论文 按照美国材料试验标准( a s t m ) 对填料的定义1 3 6 i ：为提高强度和改进各种性 能或是为了降低成本在高聚物中加入的惰性物质，也就是说纤维、薄片、粉末和 颗粒状的都属于填料的范畴。但在摩擦材料领域，我们所说的填料是指粉末、颗 粒或接近颗粒状的物质，即不包括纤维。 从填料所起的作用来看，其积极程度是按照“增量补强一赋予功能”的顺 序递增的【3 】a 摩擦材料如果单用树脂、橡胶等粘合剂和增强纤维组成，虽然也有 一定的摩擦系数及耐磨性，但性能是不理想的，需要加入各种填料来改进。填料 主要从以下几个方面影响摩擦材料的性能。 1 3 3 。填料对摩擦材料摩擦磨损性能的影响 摩擦性能是摩擦材料最主要、最关键的性能。填料分散在摩擦材料内，在表 面形成一个个徼凸体。当摩擦湿度( 包括这些突起与会属接触的埴料黟粒的体积 温度) 低于粘接剂的分解温度时，界面的机械作用是主要的阳。这些填料通过犁 沟和微切削作用，使表面层受到磨伤，其程度大小主要取决于摩擦副材质之间的 硬度差别以及微凸体的形状和高度。这可大致归入磨料磨损的现象。另外，摩擦 材料在工作时，有时温度会达至j j 3 0 0 以上，无论是暴露在空气中或在与对偶材 料贴合的情况下，都会发生氧化分解现象，分解物为苯、甲苯、甲酚、醛等低分 子化合物，以及甲烷、一氧化碳、二氧化碳等气体，这些低分子化合物在受热时 可以化为气体，冷却时又成为液体，并与甲烷、一氧化碳、二氧化碳等气体一起 组成了液气相的边界层，使原来摩擦材料与对偶材料之间的干摩擦成为有边界 摩擦、液体摩擦和半液体摩擦的混合摩擦，造成摩擦系数下降。而填料吸附在纤 维表面并分散在软的基体中形成一种有一定硬度的质点，承受一定的压力并和对 偶材料之间产生摩擦力，弥补因热衰退造成的摩擦系数下降，同时作为磨料在接 触表瓦清洁聚合物分解的残留物，从而使摩擦界面的宏观摩擦性能得以调节【3 8 l 。 现代使用的各种填料已经可以在相当大的范围内通过各种配比来解决摩擦 系数平稳、磨损率降低以及热衰退、过恢复、湿摩擦性能、表面自洁性等方面存 在的问题，因此又把填料称为摩擦性能调节剂。对填料的研究也越来越引起重视， 如k i m 和h u h p g 比较详细地研究了加入氧化铝、二氧化硅和氧化镁等填料的摩擦材 料摩擦磨损性能随温度变化的特性；h a n d a 等【4 0 】用多元回归的方法分析了铜粉、 9 贵州大学硕士学位论文 硫酸钡和腰果壳油粉的不同含量对材料性能的作用。 1 3 4 填料对摩擦材料机械性能的影响 一、冲击强度 摩擦材料中较多采用高模量的硬性材料填料，其柔性与基体材料不同，使摩 擦材料的脆性增加的，并容易成为应力集中的根源，使摩擦材料的抗冲击强度下 降。这种情况受两种因素的限制：相对基体，由于加入填料使摩擦材料的内聚强 度有所改进时，若填料颗粒能在与冲击应力垂直的更大面积上分布冲击应力的 话，那么冲击强度会有所提高，如纤维增强就是这样；如果填料与基体有良好的 粘合，能改进基体的抗撕裂性，也能使冲击强度有所提高【4 1 j 。 二、刚性( 模量) 在微粒增强的复合材料中，载荷是由基体和填料微粒共同承担的，微粒以机 械约束的方式限制基体变形，从而产生强化。当微粒比基体硬时，微粒以其坚硬 的界面限制基体的变形，产生压力水平较高的液体静压力，随着外载的增加，这 种应力也增大，可达到未受约束基体屈服强度的3 3 5 倍，一直到微粒开裂并导 致基体发生断裂、复合材料破坏【4 2 l 。 三、导热系数 填料的导热系数一般比聚合物的导热系数大，这对摩擦副是非常有利的。由 于在摩擦制动过程中，将动能转化为热能，摩擦表面的温度可以达到4 0 0 以上， 对摩擦材料本身来说，良好的导热性可以减小温度梯度，降低表面的温度：另一 方面可以减少金属对偶材料的热负荷降低其表面温度，有利于降低磨损。 四、热膨胀系数 一般无机填料的热膨胀系数为聚合物的几分之一，填充无机填料的复合材料 的热膨胀系数较单纯聚合物的要小得多，而与金属的热膨胀系数接近。这一点对 摩擦材料的制造菲常有利，因为热膨胀系数小，在加工过程中的变形就小。 贵舟大学硕士学位论文 1 4 国内外汽车制动材料摩擦磨损机理研究现状 1 4 1 汽车制动摩擦材料的摩擦机理 汽车制动是利用摩擦材料与对偶材料组成的摩擦副所产生的摩擦力工作的。 实际上，无论是鼓式、盘式还是带式结构的制动器摩擦副，多数处于干摩擦滑动 摩擦状态。制动衬片( 带) 与传动的制动盘( 鼓) 接触时所产生的摩擦阻力来自 表面接触分子间的引力所产生的粘着阻力，以及由于表面凹凸不平而产生的机械 变形阻力。 对于金属与高聚物组成的摩擦副，总的摩擦系数为f 4 3 】； 错呲川k 筹+ 眵蛔6 ( 1 - 1 ) 卢错+ p 变形。k 专+ ( 钞】t a l l 6 ( 1 - 1 ) 一 其中：弘粘着综台枯着阻力系数； 肛变形机械变形阻力； k 由摩擦力确定的常数； e 7 有效综合模量，其侑等于总应力与总变形( 按正府力方向) 之 比； 目作用力，n ； r 系数，r 一0 2 ； 配系数，由实验而定； n 常数，n 1 ： t a n 6 机械损失的损能角，t a n 6 一罟，其中掣为损耗模量，其值 等于与正应力成9 0 。方向上总应力与总变形之比。 在制动的过程中，制动衬片将吸收整个汽车动能8 0 的能量，以致制动盘上 的温度达到3 7 0 c ，某些接触区域的“闪温”高达6 0 0 i 鸲4 5 1 ，在此温度下，摩 擦系数将会骤然下降，我们称这一现象为“热衰退”。当温度逐渐降低时，摩擦 系数会逐渐恢复至原来的正常状态，称之为“热恢复”。传统认为【碉摩擦材料中 1 1 贵州大学硕士学位论文 的酚醛树脂的热分解是导致热衰退的主要原因。r h e e sk 【4 7 1 研究认为，在干摩擦 条件下制动时，由于接触处的高温超过了衬片材质中的低熔点金属组分的熔点， 使金属熔化，在法向和切向力的作用下，熔化的液态金属逐渐被展平而产生润滑 作用，或是高温下有机物组分的热分解所产生的液态物，润滑点的扩散而形成“润 滑膜”，使摩擦系数下降、制动性能降低。这也是造成“热衰退”的重要原因之 一。为了减少和避免“热衰退”，可以通过提高有机物的耐热性和减少低熔点金 属的组分、增加导热性强的金属含量等措施来实现。 摩擦系数值的大小及稳定性，不仅与摩擦副材料的性质( 物理性质、机械及 化学性质) 有关，还与制动时的工况条件( 制动作用力的大小、制动初速、制动 频率及制动时间等、表面状况( 摩擦表面的粗糙度及接触特性、表面的温度状 况) 、摩擦副周围的各种介质状况和制动副的结构参数等有关1 4 8 4 9 】，故只能在特 定的条件下，得出某些经验公式。 制动摩擦力受多种因素的影响。对于金属与有机衬片组成的制动副，摩擦表 面的温度对摩擦力的稳定性影响尤为突出，因此提高制动副材质的热容量、导热 率、耐热性，选用散热较好的结构设计，都将有利于稳定制动摩擦力。 1 4 2 汽车制动摩擦材料的磨损机理 摩擦材料的摩擦磨损机理是较复杂的物理化学过程 5 0 5 4 1 。磨损是摩擦副在 工作过程中，因表面的相互作用引起的表面材料的流失和转移，它是伴随着摩擦 而产生的必然结果。摩擦片在进行制动和传动时涉及的工况条件变化因素很多， 包括速度、温度、压力、负荷、气候和道路条件的变化，另外，还有金属对偶材 料的摩擦表面氧化层的形成及金相组织相交，其中特别重要的是摩擦材料秸结剂 在高温工况条件下的热分解。 虽然关于制动摩擦材料的磨损机理研究有很多，但由于摩擦材料中成分和组 织以及材料性能的复杂性，制动摩擦过程的磨损显然不是单一的磨损机理，因此 迄今为止还没有一个统一的理论能解释摩擦过程中摩擦磨损现象的机理，大多数 学者认为其磨损与温度有关【5 5 _ 5 7 l 。在低温下主要是粘着磨损和磨料磨损，在高 温则主要是以热磨损为主。如b r o s 洋】等人认为摩擦材料最重要的类型是磨料磨 损、粘着磨损和热磨损，它们随着温度和表面层条件的不同而变化。当温度低于 贵州大学硕士学位论文 粘接剂和组分的分解温度时，表面层发生强烈的机械变形，这也取决于表面层和 磨屑的微观形貌，在表面可以看到犁沟、微切削和剪切产生的凹凸不平。但也有 不同的观点，如r a k o w s k i 5 9 1 认为由于结构和物理化学性能的不同，在摩擦片上所 观察到的磨损类型和滑动接触时的机理与在金属表而所观察到的有很大区别，粘 着磨损、氧化磨损和疲劳磨损对金属的影响很大，而对摩擦材料则影响甚微，影 响摩擦材料的最主要的是热磨损和磨料磨损。 一般来说，摩擦材料与对偶金属体系可反映一下几种磨损类型： 一、粘着磨损 粘着磨损是当摩擦材料与对偶件做相对运动时，由于粘着作用使两表面的材 料由一个表面转移到另一个表面而引起的机械磨损。粘着的一般过程是：两表 面相互接触时，较高的微凸体首先发生接触，由于真实接触面积只占名义接触面 积的很小一部分，因此接触压力很高。高压使得微凸体产生塑性变形并出现粘着； 两表面相对运动时，滑动使粘着点产生剪切破坏，并把材料从较软表面转移到 较硬表面上；进一步滑动时由于摩擦作用，又使得转移到硬表面上的材料从表 面上剥落下来，形成磨屑。 二、磨料磨损 磨粒磨损是出于在摩擦过程中硬的颗粒或表面硬的凸起物0 j 起材料从其表 面脱落的现象【印】。磨粒磨损形成磨屑的机理有：微观切削、疲劳破坏和脆性剥落。 当磨料或硬表面微凸体的棱角比较尖锐时，相对滑动时这些磨粒会对材料表面产 生微观切削作用：当磨粒或硬表面微凸体的棱角比较圆滑时，相对滑动时把表面 犁成一条槽，把材料堆积在槽的两侧，形成隆起。堆积在槽两侧的材料在载荷的 反复作用下最终会因疲劳断裂而形成磨屑：磨粒对表面反复积压和冲击，在没有 相对滑动的情况下，也会使表面因疲劳破坏而形成磨屑。实际的磨粒磨损过程往 往是由以上几种机理共同作用。 摩擦材料内部含有纤维和硬颗粒，这些纤维和硬颗粒在摩擦材料中起到承接 和传递载荷的作用，并在摩擦表面形成一系列小突起，在摩擦过程中，这些小突 起对对偶件表面进行切削或刮擦断裂形成磨屑，或者是高温下树脂分解，硬质点 脱落形成磨屑。这些磨屑作用在摩擦材料和对偶之间作用，导致摩擦材料和对偶 的磨损加剧，摩擦系数增大。 贵州大学硕士学位论文 三、疲劳磨损 在汽车制动过程中，摩擦材料与对偶进行相对滑动，在它们接触区域造成很 大的应力和塑性变形。在长期反复的制动作用后，摩擦材料在某些薄弱环节将发 生疲劳裂纹，并逐步扩大，最后剥落下来。另外，在每次制动时，摩擦材料表面 温度升高，导致材料热疲劳，在长期作用下，加速材料裂纹的产生。 四、热磨损 热磨损是由于在高温时，有机粘接剂的分解而造成的材料损失。它包括了一 系列的物理化学现象【6 1 】，并伴随着机械力的作用。这些现象有：蒸发、熔化、升 华、热分解、裂解和氧化。 + 快速行驶的汽车在制动时，将动能转化为摩擦而产生热能，使摩擦表面温度 升高，致使摩擦材料中的某些组分发生如高温分解、氧化、蒸发，以及一系列物 理和化学变化，从而使磨损加剧，摩擦系数下降。 综上所述，在摩擦的过程中，材料的磨损不可能只是一种机理在起作用，随 着材料组成、工况的变化，会同时存在几种磨损机理，并且在不同的磨损阶段， 可能其中某些占主要地位，有时可能相互转化。 1 5 本课题研究的内容、目的和意义 从上面的综述可以看出，填料对摩擦材料无论在机械性能、物理性能还是摩 擦性能上都有重要的影响。但在摩擦材料的开发和应用中，多年来人们一直将注 意力放在对树脂基体改性和寻找石棉纤维的替代品作为增强纤维方面，对填料主 要是对其粒度效应的研究，在这方面的成果也出了不少，但对填料优化配比方面 的研究不多。本文选用蛭石，重晶石、蓝晶石、钾长石和泡沫铁粉五种常用填料 来进行以下研究： l 、填料对制动摩擦材料性能影响的研究 测试填料含量分别为7 9 、8 2 、8 5 的条件下与丁腈改性酚醛树脂混合 材料的摩擦磨损特性和冲击强度，研究填料种类和含量对制动摩擦材料摩擦磨损 性能及力学性能的影响。 2 、填料配方的优化设计以及制各工艺的研究 贵州大学硕士学位论文 根据制动摩擦材料性能要求，在分析各种填料对摩擦材料性能的影响基础 上，提出制动摩擦材料设计的原则和方法，并制定相应的制备工艺。通过大量实 验，对填料进行配方的优化设计。 该课题在对常用填料摩擦磨损实验基础上，开展填料配比的优化研究，将为 摩擦材料的配方设计提供理论依据和实验依据。 贵州大学硕士学位论文 第2 章填料对摩擦材料性能影响的研究 2 1 试样制备 2 1 1 实验材料及配比 1 、粘结剂 选用济南圣泉海沃斯生产的丁腈改性酚醛树脂( p f - 6 5 3 0 a ) ，1 5 0 时的聚 合时间为6 5 8 5 s ，游离酚含量= 2 5 ； 2 、填料 ( 1 ) 蛭石m m i c u l i t c ) 硬度1 1 5 ，熔点1 3 2 0 1 3 5 0 ，密度2 7 9 e r a 3 。石家 庄市金利静业有限公司生产，规格1 6 4 0 目。 ( 2 ) 赫( b a r i t e ) ：硬度2 5 3 5 ，密度4 4 4 6g c a n 3 。湖南省石门县三江矿 粉厂生产，3 2 5 目。 ( 3 ) 钾长石( f c l d s p a r ) ：临湘市诚信矿石粉厂生产，3 2 5 目。 ( 4 ) 磕晶石f k y a n j l e ) ：硬度为5 ，5 7 0 ，密度3 5 3 3 6 5 c m 3 ，热稳定性好。南 阳市隐山蓝晶石开发有限公司生产。 ( 5 ) 泡沫铁糊j ( f o r o u si r o np o w d e r ) ：北京金科复合材料有限公司生产，规格4 0 目至+ 1 2 0 目，密度1 踮_ 2 2 k g c m 3 。 每种填料分别以体积百分比为7 9 、8 2 、8 5 与树脂混合制备摩擦材料， 按以下制备工艺压制摩擦片，并进行摩擦磨损性能和冲击强度测试，以分析填料 对材料性能的影响。 2 1 2 制备工艺 制备工艺是保证摩擦材料性能的一个关键环节。摩擦材料常用的生产工艺一 般有干法和湿法两大类。 根据混杂纤维增强制动摩擦材料的原材料的特点，本实验采用干法成型中的 预