摩擦材料的发展与应用

摩擦材料的发展与应用

0保安零件性能要求摩擦材料广泛应用于汽车、火车、飞机和其他交通工具的制约和研磨材料。它是一个非常重要的安全部件，其性能直接影响机器的稳定性和用户的安全。因此,在制造、质量控制、检验等过程中都有严格的要求。本文概述了摩擦材料的发展史、种类及优缺点、制备工艺、影响摩擦磨损性能的因素,并阐述了非石棉摩擦材料的发展状况和趋势,对生产满足汽车工业和社会环保要求的摩擦材料具有重要意义。1其他填料材料摩擦材料可以粗略地划分为以下几个阶段:(1)1930年前,主要以石棉长纤维添加其他线类编织浸渍方式为主。(2)1930年,研制出一种柔性树脂粘合剂,具有很好的热稳定性,使得干法工艺有掺进更多填料的可能,并研制出鼓式制动片,在后续的30年,石棉原料仍然占据主导地位。(3)1950年,美国SKWELLMAN公司率先研制了用铁粉、石墨和其他填料加树脂作粘合剂热压的摩擦材料,即半金属摩擦材料。1970年,半金属摩擦材料被用于盘式制动器,至今仍被广泛应用。(4)1960年以来,由于汽车技术的不断改进,对制动器摩擦性能的要求越来越高,石棉摩擦材料已经不能满足汽车的发展要求,尤其是石棉对环境污染和对人体健康问题的提出,迫使许多发达国家汽车公司开始研究并寻求石棉材料的替代品,如复合纤维摩擦材料等。这些新型摩擦材料具有良好的摩擦磨损性能,适应时代发展的需要。1980年以来,盘式制动器和新型摩擦制动衬片得到快速发展并大规模地应用到汽车制动系统,人们更加关注汽车的舒适、环保、安全、轻量化等方面,摩擦材料行业不得不加快新型材料的开发,提高刹车材料的制动性能。另外,20世纪70年代中期研究者提出无石棉材料存在一些缺点,如半金属摩擦材料的钢纤维容易生锈,且对制动盘有一定的损伤;摩擦热引起制动密封圈软化和制动液“气阻现象”。纤维增强摩擦材料和复合纤维摩擦材料也存在一系列问题,如玻璃纤维浸润性不佳以及制造工艺复杂等。复合纤维摩擦材料成本高,应针对这一问题加以改进,完善制备工艺。随后出现的第二代和第三代半金属摩擦材料具有低导热率、低噪声等优点。2石榴与替代纤维性能的比较按发展过程摩擦材料可以分为石棉摩擦材料和非石棉摩擦材料。石棉与替代纤维的性能比较见表1。石棉摩擦材料按使用条件可分为干式和湿式两种;非石棉摩擦材料种类多,根据基体材质的不同可以分为金属基、半金属基、非金属基3类。2.1粉末一般情况金属基摩擦材料主要有熔铸金属和粉末冶金摩擦材料两种。熔铸金属主要指钢、铸铁、青铜等,但单体金属摩擦材料由于易粘结和高温高速下摩擦系数低等缺点而逐渐被淘汰。粉末冶金摩擦材料又称为烧结摩擦材料,是将铁基、铜基粉状物料混合、压型,并在高温下烧结而成。根据基体的类型一般可把粉末冶金摩擦材料分为铁基、铜基及铜-铁基3种常用类型。铁基摩擦材料有较高的耐热性、高温强度、硬度及热稳定性,经济性较好;铜基摩擦材料的摩擦因数稳定且较小,导热率高,耐磨性好;铁-铜基粉末冶金摩擦材料中铁和铜的含量差不多,兼有铁、铜优异的力学、导热性能和耐磨性能,在湿式和干式条件下都能应用。粉末冶金材料适用于较高温度下的制动与传动工况条件,如飞机、载重汽车、重型工程机械的制动与传动。2.2半金属基金属减磨剂半金属基摩擦材料是以金属纤维代替石棉纤维的无石棉摩擦材料。其材质配方主要为粘结剂,石墨粉、腰果壳油等减磨剂,其余为橡胶粉铁质金属物(如还原铁粉、铁钢合金纤维、泡沫铁粉),半金属摩擦材料因此而得名。其主要特点是导热系数大,耐热性好,吸收功率高,能满足汽车在高速、重负荷运行时的制动工况要求,但其存在制动低频噪音、边角脆裂等缺点。典型的半金属摩擦材料的主要性能如表2所示。2.3有机纤维、无机矿物材料的种类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磨剂、减磨剂配料及混合后,通过压制成形或热压及固化而成。其增强材料已经改为非石棉纤维,现应用较为普遍的有有机纤维(芳族聚酰胺纤维及其浆粕、碳纤维等)、金属纤维(钢纤维、铜纤维等)和无机矿物材料(玻璃纤维、硅灰石纤维等矿物)。在高温条件下具有质量轻、耐高温能力强、使用寿命长等特点,使其在交通运输中得到广泛应用,以飞机刹车为例:在波音747飞机上采用碳/碳复合刹车材料后,相比金属刹车,质量下降816.5kg,而热库是金属刹车的3~5倍,在2000℃下材料强度不发生任何变化,3000℃以下模量反而增加,可在2200℃下安全工作,该条件下材料没发现黏结变形。2.4按本产品工艺分类摩擦材料的制备过程主要分为配方筛选和批量生产,选用适当的配方,经测试满足需求后,投入批量生产。主要的生产环节包括以下几步:(1)检验材料。对采用的原材料进行检验,根据其物理化学指标特性,对在配方中的比例进行必要的调整。(2)配料。按照配方确定的比例进行计量。目前有人工计量和计算机自动配料系统自动计量两种,后者先进可靠。(3)混料。将配好的原料进行混合。分为湿法混料和半干法混料。常用混料机有三轴螺旋式、二轴式、犁耙式(较常用)。(4)压制成形。分为顶模一步成形法和板式模二步成形法。一步成形法就是将料装进模具,直接热压成形;二步法则是先将原料预压成毛坯,再装入热压模热压成形。(5)热处理。将热压成形的摩擦材料放进能够编程控温的热处理箱中进行热处理,使摩擦材料中的树脂等有机组分的化学反应完全充分。(6)外形加工。对产品进行必要的修整加工,如磨表面、倒角、喷漆等。一般地,经上述加工制成的摩擦材料,其摩擦磨损性能已经确定,后续加工只能改变其外观而不能改变其力学性能,但是“表面烧蚀处理”工序有助于摩擦材料工作初期的性能稳定。所谓烧蚀处理就是摩擦材料在出厂前经过600~700℃高温处理,使表面有机物迅速分解气化,防止制动初期气垫和热衰退的产生。3复合材料配方的确定。根据对于目前使用广泛摩擦材料通常由粘结剂、增强纤维、摩擦性能调节剂、工艺性能调节剂组成。这4种原料在配方中并非单一地起作用,好的配方在于恰到好处地发挥各种材料的互相作用潜能,确保摩擦材料在使用温度范围内有合适并相对稳定的摩擦性能和较长的磨损寿命。粘结剂一般选用热固性树脂和橡胶,作用是将配方中的组分粘结在一起,形成具有足够强度、适当硬度、耐高温和耐磨的固体。树脂种类与含量对摩擦材料力学性能和磨损性能有重要影响,如腰果壳油改性酚醛树脂为基体的摩擦材料的摩擦磨损性能优于纯酚醛树脂基摩擦材料的性能,树脂粘结剂含量增加时,摩擦材料的力学性能提高。当树脂粘结剂的含量为9%~12%时,摩擦材料具有优异的摩擦磨损性能;树脂粘结剂的含量小于6%时,摩擦系数较低且不稳定;树脂粘结剂的含量大于15%时,材料发生热衰退现象。增强纤维必须有足够的强度和好的耐热性和耐磨性,而且不能刮伤对偶。玻璃纤维、矿物纤维、芳纶纤维和片状蛭石等组成的多维复合增强体系具有“微米和纳米”尺度,“一维(纤维)和二维(片状)”形态,“无机和有机”材质等特点,经过优化配方制成的优化多维复合增强汽车摩擦材料的冲击强度为0.54J/cm2,总磨损率为1.35×10-7cm3/(N·m),摩擦系数的变异系数为5.86%,满足了汽车摩擦材料在力学、摩擦磨损等各方面性能的要求。摩擦性能调节剂可以提高和稳定摩擦系数,如非金属矿物BaSO4、铁及铁墨、Al2O3、陶土,它们的主要作用是使刹车具有足够的摩擦系数,不仅在常温段,而且在400~500℃的高温区段都能产生满足需要的制动力。对于石墨、云母、滑石等,其硬度很低,起润滑摩擦表面、稳定摩擦系数的作用。工艺性能调节剂有脱模剂和特殊填加剂。脱模剂使产品在生产过程中顺利脱模;特殊填加剂改善粘合剂性能,提高材料性能。4碳/碳复合材料在碳车系统中的应用科学技术的进步促进了汽车工业的飞速发展,摩擦材料的工作条件越来越苛刻。传统的石棉摩擦材料制品因高速制动而出现瞬时高温,使表面易产生严重的热衰退,对环境有很大污染,已经不适应时代的发展要求,新型耐高温无石棉摩擦材料,如用玻璃纤维、矿物纤维、金属纤维替代石棉的进程得到快速发展。1990年以来,西方发达国家着手研制低密度、高耐磨性和高温稳定的炭纤维增韧陶瓷基刹车材料,德国斯图加特大学和德国航天研究所等单位的研究人员开始进行C/C-SiC复合材料应用于摩擦领域的研究,并研制出C/C-SiC刹车片应用于保时捷轿车中,美国橡树岭国家实验室与HoneywellAdvancedComposites等公司合作正在研制低成本的C/C-SiC复合材料刹车片。近年来,以Al2O3陶瓷为基体的摩擦材料在摩擦领域中得到认可。Al2O3基陶瓷摩擦材料成本低,使用寿命长,用其取代纤维/树脂基材料,可使制动系统的使用寿命延长至少半年,而且使摩擦材料在高速工作状况下的摩擦性能得到改善。Tucci则研究了滑动系统中摩擦表面的第二相和物质转移;国内陈志刚、陈晓虎等先后以Al2O3为基材添加润滑组元,研究探索陶瓷基摩擦材料的摩擦磨损特性及组分构成形态,为新型陶瓷摩阻材料的研发提供了科学依据。少纤维或无纤维摩擦材料、纳米摩擦材料等新型材料正处在探索研究阶段,该摩擦材料具有无金属、无Kevlar等化学纤维、无石棉和天然纤维的特点,有望进入摩擦材料领域。随着人们环保意识的增强,新型无污染绿色环保摩擦材料将会成为摩擦业界研究的重点。5环保型、自动化材料将快速发展摩擦材料广泛用于汽车制动器、离