摩擦制动器用摩擦材料的研究

摩擦制动器用摩擦材料的研究

摩擦将运动物体的动能和势能转化为动能，从而缩短或停止物体。21世纪科技的发展方向是快速、环保、节能。因此，目前使用的摩擦材料主要分为石材有机摩擦材料、非石材有机摩擦材料、半金属摩擦材料和金属陶瓷摩擦材料。1关于研究现状1.1现代汽车产品特色原料的使用20世纪20～80年代,石棉有机摩擦材料几乎是一统天下.从1972年国际肿瘤医学会确认石棉及高温挥发物属于致癌物后,国际上掀起一股禁止使用石棉摩擦材料的浪潮,美国职工安全与保护研究所(NIOSH)把石棉列为86种主要工业原料中十个强致癌原料之一.此外,现代汽车速度的提高,使制动品表面温度达300～500℃.石棉摩擦材料导热性和耐热性差,在400℃左右将失去结晶水,550℃时结晶水完全丧失,已基本失去增强效果.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,出现明显的“热衰退”现象.很明显,石棉有机摩擦材料已不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.虽然石棉摩擦材料对人体健康和环境污染有害,但到目前为止还很难找到一种能够完全替代石棉的增强纤维,加之非石棉纤维还存在着混合性不好、易断、结团、分散性差、价格偏高、制品性能稳定性差等问题.因此在一定时期内,特别是对发展中国家来讲,石棉摩擦材料仍将继续使用.1.2现半金属基金属材料以钢纤维或金属粉(铸铁粉、海棉粉、还原铁粉)代替石棉纤维,是70年代初美国本迪斯公司开发的无石棉摩擦材料.半金属摩擦材料具有如下主要特点:①摩擦系数在400℃以下非常稳定,不产生热衰退,热稳定性好;②耐磨性好,使用寿命是石棉摩擦材料的3～5倍;③在较高负荷下具有良好的摩擦性能,摩擦系数稳定;④导热性好,温度梯度小,特别适合尺寸较小的盘式制动品;⑤制动噪音小.到70年代末,使用中发现半金属摩擦材料存在如下缺点:①钢纤维容易生锈,锈蚀后或者出现粘着对偶或者损伤对偶,使摩擦片强度降低,磨损加剧,摩擦系数稳定性变差;②由于半金属摩擦材料热传导率高,当摩擦温度高于300℃时,一方面易于使摩擦材料与钢基板间粘结树脂分解,加之温度差引起热应力甚至出现剥落现象;另一方面大量的摩擦热迅速传递到活塞的液压施力机构,导致密封圈软化和制动液发生气化而造成制动失灵;③半金属摩擦材料虽然消除了石棉摩擦材料容易产生的高频噪音,却易产生低速下的低频噪音.半金属摩擦材料的组成是决定其摩擦学特性的主要因素.有学者将模糊优化技术应用于半金属摩擦材料配方的优化设计和综合评价中.在组成半金属摩擦材料的组分中,粘结剂、增强纤维和填料是主要成分.因为酚醛树脂耐热性、成型加工性和成本方面都比较优越,因而是目前广泛使用的粘结剂.文献也报道了使用橡胶与酚醛树脂共混物作为粘结剂所获得的良好效果.至于用硅树脂、聚酰亚胺树指、邻二甲酸二烯脂等树脂作为粘结剂还处在研究阶段.半金属摩擦材料使用的增强纤维主要是钢纤维和铜纤维,也有使用Al2O3、SiO2等陶瓷纤维和碳纤维.虽然钢纤维有一定的缺点,但在认真设计下仍可满足现阶段的使用要求.目前,国内许多厂家已开始批量生产钢纤维,其价格也降至每吨约6000元.生产的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.1.3擦材料的选择近20年的研究绝大部分集中在非石棉有机摩擦材料方面.在代替石棉的纤维中,除了钢纤维外,目前比较多见的有:玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维以及这些纤维相混合的混杂纤维.1.3.1影响摩擦学特性的因素玻璃纤维的特点是硬度高、热稳定性较好、与树脂亲和性好、价格低廉.玻璃纤维发展历史较长,其表面处理工艺和粘结剂的研究已比较成熟.因此,玻璃纤维是早期无石棉摩擦材料中使用较多的纤维,以玻璃纤维为增强材料的无石棉摩擦材料已在汽车工业的一定范围内得到应用.玻璃纤维增强的有机摩擦材料的摩擦学特性主要取决于纤维的机械物理性能和摩擦条件.Vishwanath等的研究表明,其摩擦系数和磨损率受法向载荷滑动速度的影响较小.熔融的聚合物聚集于玻璃纤维的端部并变黑的现象,表明了粘结剂在摩擦过程发生熔融和聚集,从而对摩擦材料的摩擦学特性产生影响.表面粗糙度、载荷和滑动速度是影响其摩擦磨损特性的主要因素.环氧树脂、聚醛树脂、PEEK和PBT为基体玻璃纤维摩擦材料都表现出很高的磨损率,有的甚至超过未增强材料的磨损率.一般认为,造成高磨损率的原因是由于玻璃纤维的热传导率很差,从而使摩擦表面和次表层的温度很高且具有极高的温度梯度,聚合物在此高温下软化和分解使纤维和基体的粘结程度减弱.除此之外,玻璃纤维硬度过高而塑性极差也是造成高磨损率的原因之一,同时也会对偶件产生擦伤和磨损.有人认为玻璃纤维摩擦材料摩擦磨损特性对载荷、滑动速度及制动温度等因素反应敏感,在重载高温下,摩擦系数波动较大,稳定性较差.玻璃纤维磨擦表面形成的由无机填料、玻璃纤维材料、铁或碳组成的转化膜是引起热衰退的重要原因.这层转化膜极不稳定,一般在低温下滑动1～2min就会被破坏从而造成摩擦系数的不稳定.降低玻璃纤维的硬度和采用适当的改性树脂可以改善玻璃纤维摩擦材料磨损率大及热稳定性差等缺点.单一的玻璃纤维作为增强材料的摩擦材料很难满足高速制动下的高温摩擦学性能要求.1.3.2碳纤维对摩擦学性能的影响碳纤维有机摩擦材料的突出优点是其高温摩擦稳定性好、耐磨.因此作为摩擦材料常用在飞机刹车和赛车制动器上.碳纤维有机摩擦材料的研究已有许多,但结论却并不一致.Giltrow.J.P认为,碳纤维的类型(高模量和超高模量)对摩擦材料的摩擦磨损特性有较大的影响,而纤维的排列方向和摩擦过程中界面第三体对摩擦系数和磨损率影响甚小.1.3.3模压kevli材料芳纶纤维是一种芳族酰胺有机人造纤维,其一般特征是具有相当高的强度、中等的模量、很小的密度、耐磨、耐热、高温下尺寸稳定好.其主要特征是在非复合形式下具有高韧性,没有碳纤维与玻璃纤维所呈现的脆性,因此非常适合于作高温高摩擦下工作的摩擦材料,也最有希望取代石棉成为下一代摩擦材料的增强材料.用于摩擦材料的Kevlar纤维主要有6～13mm的短纤维和2～5mm的浆粕形式的纤维.LOKENY针对Kevlar纤维在搅拌中容易结团难以分散的问题进行了研究,结果表明,搅拌混合有一最佳时间,搅拌时间过长反而会引起结团而造成纤维在混合物中的不均匀分散.对不同长度、形态及排列方向的模压Kevlar摩擦材料,试验研究表明,Kevlar增强的摩擦材料具有较高的摩擦系数,而其耐磨性好于石棉摩擦材料,特别是高温下具有和半金属摩擦材料相近的耐磨性.摩擦材料中Kevlar的含量会对其摩擦学特性产生较大的影响.TAKAHISA.KaTo等人的研究认为,摩擦材料的硬度和导热率随Kevlar含量的增加而线性减少,当Kevlar的含量超过10%时,摩擦系数降低50%,磨损率降低一个数量级,但Kevlar含量继续增加,摩擦系数基本保持不变,而磨损率随Kevlar含量增加而继续下降,当摩擦材料中Kevlar含量达到40%时,其磨损率仅是不含Kevlar材料的1/100,这表明,Kevlar的加入极大地提高了摩擦材料的耐磨性,但其摩擦系数也随之下降.尽管芳纶纤维增强的摩擦材料具有极明显的耐磨性优势,并且在实车试验中也到了令人满意的结果,但由此引起的摩擦系数的降低却是汽车摩擦材料所不希望的.Briscoe对Kevlar增强的摩擦材料作了较系统的研究指出,对芳纶纤维增强的摩擦材料,在摩擦过程中产生的润滑膜与摩擦界面的温度有密切的联系.1.4铁基粉末材料用粉末冶金生产的铁基、铜基金属陶瓷摩擦材料,可用于较高的使用温度,一定程度上解决了高温摩擦系数热衰退和热磨损问题,但是其价格高、制造工艺复杂、制动噪音大、脆性大以及对偶件的擦伤和磨损大等缺点使其仅能应用于一些特殊场合而不能广泛用于汽车特别是轿车上.为了降低成本,各国纷纷研究开发铁基粉末冶金摩擦材料并致力解决对偶件磨损大的问题.美国专利4415363和欧洲专利EP0093673A提供了美国Bendix公司将铁基摩擦材料专用于盘式制动器并成功地解决与铸铁不相容的问题.另一项研究对铜-铁基粉末冶金摩擦材料的摩擦磨损特性进行了详细探讨.由于金属陶瓷层具有极好的耐磨性和耐高温性能,因此在重型和特殊工况下,采用金属陶瓷或在摩擦材料表面喷涂金属陶瓷涂层可以得到良好的使用效果.如武汉汽车工业大学和黄石摩擦材料厂采用在一般弹簧钢表面热喷MD及金属陶瓷(ZrO2、Al2O3),成功地研制出用于工程车辆的摩擦材料.1.5转移膜的摩擦学行为虽然关于制动摩擦副的摩擦磨损机理研究很多,但由于摩擦材料中成分和组织以及材料性能的复杂性,迄今为止还没有一个公认的理论能解释摩擦过程中摩擦磨损现象的机理.例如在低负荷和低温下,主要磨损机理既有认为是磨料磨损的,也有认为是粘着磨损或疲劳磨损的.但对用高分子树脂作为粘合剂的摩擦材料,在摩擦过程界面转移膜(摩擦转移膜)的形成及其在摩擦过程中的减磨作用和高温下的有机物分解造成热磨损方面的认识是比较一致的.对于摩擦界面转移膜的形成,一般认为,新制动摩擦副在初始阶段的跑合过程中,粗糙表面的微凸峰相互接触发生塑性变形和断裂,断裂形成的磨屑在界面压力和摩擦力作用下,由于有机成分较多而相互粘结,并粘结于两摩擦副表面.因为界面膜自身内部的粘结力大于其与两表面的粘结力,在摩擦作用下会沿其中部面剪开而粘结在两摩擦体表面,形成摩擦转移膜,转移膜的成分以有机物(或其分解物)和填料及金属元素组成.随着转移膜的不断形成,两摩擦表面的粗糙度降低直到形成稳定的转移膜.在这一过程中摩擦系数变化较大,而磨损率由大到小.一般认为,这段过程的磨损机理为磨料磨损.在随后的过程中,转移膜的形成、剪切处于动态平衡,在温度不太高的情形下,摩擦系数和磨损都处于相对稳定的状态.有人认为此阶段磨损机理主要是粘着或疲劳磨损.随着温度的增高,有机物发生降解从而使摩擦材料表面的无机填料成分增加,转移膜与摩擦材料的粘结程度降低,转移膜破裂而引起严重的热磨损.对于一些纤维增强的摩擦材料,有人认为纤维的加入有利于转移膜的形成并增加其稳定性,从而起到减磨作用.而对铝基复合材料制动盘,转移膜在其上形成的可能性和稳定性较铸铁高,故有人认为铝基复合材料中的硬颗粒起到了机械夹挤的作用.摩擦材料的表层成分、性质和结构对其摩擦磨损起着决定性作用.目前关于表面结构主要有两种模型,它们都是由表至里地将表层划分为五层,对三、四、五(即靠近基体的三层)的认识相同,分别为裂纹形成层、应变层和基体.而对一、二层的认识不同,一种认为一层是由分解和部分碳化且包含有微裂纹的树脂组成,二层是树脂的降解层;另一种模型认为一层是吸附层,二层是金属化层.这可能是由于材质和试验条件的不同所致.也有人将摩擦表层划分为四层,即表面工作层、疏松层、变形强化层和基体.由于对磨损机理的认识不尽相同,且各种磨损机理都未能完全地解释各种材质和工况下的摩擦学现象,所以就很难建立摩擦磨损的计算模型与公式.目前已有的算式大部分是基于某种磨损机理而建立的,或是根据特定的试验条件而建立的经验公式.基于粘着磨损理论模型的体积磨损量计算公式为ΔV=kPvt(1)ΔV=kΡvt(1)式中,ΔV是体积磨损量;P是法向载荷;v是滑动速度;t是滑动时间;k是磨损因子.但此式不适合绝大多数摩擦材料.质量磨损量计算公式为ΔW=αPavbtc(2)ΔW=αΡavbtc(2)式中,ΔW为质量磨损量;P、v、t意义同(1)式;α、a、b、c为常数.温度高于300℃的质量磨损量公式为ΔW=βPavbtexp(−E/TR)(3)ΔW=βΡavbtexp(-E/ΤR)(3)式中,E为材料的活化能;R为气体常数;T为绝对温度.摩擦材料的物理机械性能与磨损量关系为ΔW=Kiμ(HaKf)Pbvcβc(4)ΔW=Κiμ(ΗaΚf)Ρbvcβc(4)式中,Kf为摩擦材料冲击强度,μ为摩擦系数;H为摩擦材料布氏硬度;a、b、c、d、Ki为常数.Rhee还给出摩擦力的计算公式F=μPavb(5)F=μΡavb(5)BriscoeJ基于粘着磨损模型,用载荷指数建立了芳纶纤维增强的有机摩擦材料的摩擦力计算公式F=Kexp(cTb−aT)Pn+αP(6)F=Κexp(cΤb-aΤ)Ρn+αΡ(6)式中,K、c、a、α为常数;P为法向载荷;n为载荷数;Tb和T分别为体积温度和表面温升.2粘结剂和其它材料的发展方向在摩擦材料的非石棉化过程中,尽管进行了大量的研究并出现了各种非石棉纤维,但迄今为止,仍未找到能够完全具备石棉纤维所有特性的单一纤维.由于不同纤维具有不同的性能优势,且在不同方向上具有不同的力学和物理性能,因此,对纤维增强的摩擦材料而言,采用多种纤维进行合理复合,从而提高非石棉摩擦材料的摩擦性能和使用性能是非石棉摩擦材料发展的有效途径和必然趋势.用于摩擦材料的粘结剂在摩擦材料的组成中占有重要地位,目前普遍采用的粘结剂存在的一个共同问题就是耐热性差,在高速和较恶劣工况下产生的高温会引起其热分解,不能满足比较苛刻的制动工况.因此,通过化学改性等手段研究具有较高耐热性能的粘结剂乃是一个重要的发展方向.对于金属和金属陶瓷摩擦材料,由于其价格高、制造工艺复杂、制动噪音以及对偶件的擦伤大等限制了其应用范围,因此其发展需要解决的问题依然是成本、噪音及与对偶件的相容问题.随着新材料和微电子技术的迅速发展,将微电子技术和微传感器技术用于摩擦材料,形成能够自动检测制动过程中摩擦系数、摩擦力、摩擦量及表面温度的功能摩擦材料,进而