剎車片摩擦材料的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢*

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(重慶交通大學(xué)機(jī)電與車輛工程學(xué)院，重慶 400074)

專論與綜述

剎車片摩擦材料的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢*

鐘厲，陳夢青

(重慶交通大學(xué)機(jī)電與車輛工程學(xué)院，重慶 400074)

作為車輛和機(jī)械離合器總成及制動器中的關(guān)鍵性安全部件，高性能剎車片摩擦材料的研究廣泛受到各科研機(jī)構(gòu)和主機(jī)廠的關(guān)注。本文介紹了剎車片摩擦材料的可壓縮性、內(nèi)剪切強(qiáng)度、熱膨脹量等主要性能，同時從粘結(jié)劑、增強(qiáng)纖維、填料和摩擦性能調(diào)節(jié)劑等方面概述了主要影響剎車片摩擦材料性能的研究現(xiàn)狀，并歸納了正交試驗設(shè)計與模糊綜合評價法、黃金分割法與灰色相關(guān)度分析、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等摩擦材料配方設(shè)計及優(yōu)化方法的應(yīng)用情況，進(jìn)一步探索了剎車片摩擦材料的未來發(fā)展趨勢，指出摩擦材料各組分之間的耦合機(jī)理及對性能影響的研究是未來的熱點，多種優(yōu)化方法的融合將有利于新型剎車片摩擦材料的開發(fā)應(yīng)用。

剎車片摩擦材料，性能測試，配方優(yōu)化

剎車片摩擦材料作為制動裝置中的核心要素，利用摩擦材料的摩擦性能將轉(zhuǎn)動的動能轉(zhuǎn)化為熱能及其他形式的能量，從而實現(xiàn)運動裝置制動，其性能的優(yōu)良直接影響著整機(jī)裝備運行的安全性、可靠性、舒適性等[1-3]。自上世紀(jì)70年代，剎車片摩擦材料發(fā)生巨大的變革，從傳統(tǒng)的石棉型摩擦材料過渡到無石棉型，各國相繼推出半金屬摩擦材料、無石棉有機(jī)型(NAO)摩擦材料、粉末冶金摩擦材料、碳纖維摩擦材料和陶瓷摩擦材料等。然而隨著汽車、運載車等高速交通工具及機(jī)械裝備向著高速、高效、環(huán)保的方向發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)對摩擦材料的使用要求變得更為苛刻，因而研發(fā)性能優(yōu)良且具有較高性價比的新型剎車片是國內(nèi)外各科研機(jī)構(gòu)研究的重點方向。

1 剎車片摩擦材料的主要性能

高性能剎車片摩擦材料不僅要求具有優(yōu)異的摩擦磨損性能，而且具有良好的物理特性?？蓧嚎s性、內(nèi)剪切強(qiáng)度、熱膨脹量等物理特性是決定剎車片摩擦材料重要的性能指標(biāo)?？蓧嚎s特性與密度及彈性模量密切相關(guān)，能間接反映剎車片摩擦材料的制動噪音狀況，在影響制動滯后、制動踏板行程的同時，也影響制動的平順性和舒適性。剪切強(qiáng)度檢驗是剎車片摩擦材料必備的檢測項目，包括摩擦材料與背板(或蹄鐵)的粘結(jié)剪切強(qiáng)度以及摩擦材料自身的內(nèi)部剪切強(qiáng)度。剪切強(qiáng)度的降低容易導(dǎo)致制動系統(tǒng)失效，造成嚴(yán)重后果。熱膨脹量是剎車片摩擦材料的一個重要指標(biāo)，熱膨脹量過大將導(dǎo)致制動器不能徹底釋放，容易引發(fā)交通事故。

2 剎車片摩擦材料性能的影響因子

剎車片摩擦材料通常由粘結(jié)劑、增強(qiáng)纖維、填料和摩擦性能調(diào)節(jié)劑四大部分組成。通過各自獨特的性能以及成分間協(xié)同耦合作用構(gòu)成摩擦材料配方，確保摩擦材料在使用溫度范圍內(nèi)具有合適且相對穩(wěn)定的摩擦性能和較長的耐磨壽命。

2.1 粘結(jié)劑

粘結(jié)劑又稱高分子基體，它將成分中的填料、增強(qiáng)纖維和輔助材料(摩擦性能調(diào)節(jié)劑)以粘結(jié)薄膜的形式全部包裹粘結(jié)在一起形成摩擦材料整體，保證摩擦材料能在外加載荷和摩擦熱的雙重作用下有效地傳遞和均衡應(yīng)力[4-5]。其中酚醛樹脂和丁腈橡膠是目前應(yīng)用最廣泛的粘結(jié)劑。

普通酚醛樹脂基剎車片摩擦材料(樹脂含量為質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%～20%)硬度高、質(zhì)地脆、韌性及耐熱性不足，在使用過程中容易產(chǎn)生局部高溫而造成對偶材料的熱裂和損傷，因此，必須對樹脂進(jìn)行增韌和耐熱改性[6-8]。姚冠新[9]等利用有機(jī)化蛭石、硼酸、桐油為原料對酚醛樹脂進(jìn)行了改性，有機(jī)物、無機(jī)物和納米改性相結(jié)合的復(fù)合改性的酚醛樹脂提高了剎車片摩擦材料摩擦因數(shù)的高溫穩(wěn)定性，降低磨損率，緩解熱衰退。馮競偉[10]等將腰果酚(Cardanol)引入液體丁腈橡膠(C-g-LNBR)，采用原位聚合法制備改性酚醛樹脂，腰果酚接枝液體丁腈橡膠(C-g-LNBR)改性酚醛樹脂基摩擦材料的沖擊強(qiáng)度提高了14.8%，體積磨損率降低了13.6%。許文等[11]為了同時提高基體的韌性和耐熱性，利用單體原位插層法制備了有機(jī)化蒙脫土改性酚醛樹脂，改性后的酚醛樹脂基摩擦材料具有高摩擦因數(shù)和良好的穩(wěn)定性，體積磨損率下降了27.2%。

酚醛樹脂的改性及增韌是制備高性能剎車片摩擦材料的有效途徑。目前應(yīng)用廣泛的改性方法有無機(jī)物改性(鉬改性、硼改性)、有機(jī)物改性(橡膠改性、桐油改性、腰果殼油改性)和納米改性。然而，單一改性方式通常存在一定的不足，如橡膠改性可提高酚醛樹脂韌性，但耐熱性下降；納米改性可提高酚醛樹脂耐熱性，但易發(fā)生團(tuán)聚而影響其改性效果。因此，融合多種改性方式及引入結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的聚合物單元是酚醛樹脂基剎車片摩擦材料的發(fā)展趨勢之一。

2.2 增強(qiáng)纖維

增強(qiáng)纖維是摩擦材料的支撐骨架，作用是保證摩擦材料具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和一定的摩擦磨損性能，從而使得摩擦材料能承受生產(chǎn)和使用過程中所受到的剪切力、壓力、沖擊力等，避免由此引發(fā)的破裂及失效[12]?，F(xiàn)代廣泛使用的纖維包含有機(jī)纖維(芳綸纖維、復(fù)合礦物纖維、硅灰石纖維等)、無機(jī)纖維(陶瓷纖維、金屬纖維、晶須等)和碳纖維等。常用增強(qiáng)纖維種類及性能見表1。

表1 常用增強(qiáng)纖維的種類與性能[13]Table 1 Fiber and properties[13]

纖維增強(qiáng)組分對摩擦材料性能影響的研究是當(dāng)前摩擦材料領(lǐng)域的熱點之一，國內(nèi)外學(xué)者對此也做了大量報道[14-18]。李專等[19]研究了碳纖維增強(qiáng)雙基體(C/C-SiC)復(fù)合材料在不同制動速度下的摩擦磨損性能及機(jī)理，結(jié)果表明，C/C-SiC摩擦材料纖維/基體界面結(jié)合強(qiáng)度適中，摩擦性能穩(wěn)定?；〞攒奫20]探究了碳纖維/硅酸鋁陶瓷纖維增強(qiáng)樹脂基摩擦材料的增強(qiáng)機(jī)理，發(fā)現(xiàn)硅酸鋁陶瓷纖維可以提高摩擦材料的低溫耐磨性，碳纖維獨特的物理化學(xué)特性彌補(bǔ)了陶瓷纖維的缺陷。劉力[21]采用芳綸漿粕、六鈦酸鉀晶須、復(fù)合礦物纖維和銅纖維制備了混雜纖維增強(qiáng)少金屬型摩擦材料，研究了各種增強(qiáng)纖維對摩擦材料性能影響，經(jīng)實驗分析得出，復(fù)合礦物纖維對摩擦系數(shù)的影響最大，能顯著提高低溫摩擦系數(shù)；銅纖維對磨損率的影響最大，能在摩擦界面形成銅轉(zhuǎn)移膜，具有穩(wěn)定摩擦系數(shù)并有效降低磨損率的作用。

單一增強(qiáng)纖維在性能方面存在著嚴(yán)重的缺陷與不足，難以滿足當(dāng)前高性能剎車片摩擦材料的要求，如碳纖維具有良好的自潤滑性能和優(yōu)異的機(jī)械力學(xué)性能，但碳纖維摩擦材料制品制作工藝復(fù)雜、成本高；陶瓷纖維質(zhì)輕、耐高溫、熱穩(wěn)定好，但導(dǎo)熱率低，易引起材料斷裂；芳綸纖維具有高強(qiáng)度、高模量、吸附性強(qiáng)，但開散性差、成本高。因此利用纖維的復(fù)合效應(yīng)，在摩擦材料中同時采用兩種或兩種以上的纖維，不僅可以降低成本，而且能使纖維之間起到協(xié)同耦合作用，充分發(fā)揮每種纖維的優(yōu)勢，制備出綜合性能優(yōu)異的摩擦材料。

2.3 填料和摩擦性能調(diào)節(jié)劑

填料分為功能性填料和空間填料，對摩擦材料的硬度、密度、噪聲、強(qiáng)度、導(dǎo)熱性、沖擊韌性、熱膨脹系數(shù)等機(jī)械物理性能起著決定性的作用[22]。摩擦性能調(diào)節(jié)劑按照用途可以分為增摩材料和減摩材料。增摩材料又稱摩阻材料，莫氏硬度一般在3以上；減摩材料包括莫氏硬度為1～2且具有各向異性晶形的非金屬礦物和鉛、銅、鋅等軟金屬。常用摩擦改性劑種類及性能見表2。

表2 常用摩擦改性劑種類與性能Table 2 Friction modifier and properties

目前國內(nèi)關(guān)于填料和摩擦性能調(diào)節(jié)劑對摩擦材料性能影響的研究較多[23-24]。戴維福等[25]選取農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品稻殼粉為填料，研究發(fā)現(xiàn)稻殼粉填料在高溫條件下熱降解碳化形成碳化稻殼粉，其中含有的二氧化硅熔點高、化學(xué)性能穩(wěn)定和耐磨性好，能提高耐熱性和熱穩(wěn)定性。陳霞等[26]探究了長石粉含量對摩擦材料摩擦磨損性能和力學(xué)性能的影響規(guī)律，結(jié)果表明，添加適量的長石粉能夠提高摩擦材料的中低溫摩擦因數(shù)。Aranganathan N等[27]考察了人造石墨(TG)、天然石墨(NG)和石墨尺寸對無石棉有機(jī)摩擦材料的衰退性能和恢復(fù)性能的影響，與添加人造石墨的摩擦材料相比，添加天然石墨的摩擦材料具有更好的摩擦磨損性能，隨著人造石墨尺寸的減小，摩擦材料的抗衰退性增加。

為提高剎車片摩擦材料的綜合性能，開發(fā)新型填料和摩擦性能調(diào)節(jié)劑成為研究的熱點之一，研究的側(cè)重點可集中于各種填料之間的耦合機(jī)理及對性能的的影響。如作為新型填料的碳納米管的增韌機(jī)理及對摩擦材料噪音的影響；膨潤土作為摩擦性能改性劑對摩擦材料熱衰退性能的影響等。

3 剎車片摩擦材料的配方設(shè)計及優(yōu)化

新型摩擦材料的研究開發(fā)，主要以配方設(shè)計和優(yōu)化研究為主。在對典型的經(jīng)驗設(shè)計配方優(yōu)化的基礎(chǔ)上，通過樣品測試進(jìn)行各種調(diào)整，使產(chǎn)品滿足設(shè)計要求，并對產(chǎn)品性能進(jìn)行有效的預(yù)測和準(zhǔn)確的把握，定性地了解原材料間的相互耦合作用，定量地掌握原材料種類選擇和比例確定，使配方得到科學(xué)合理的設(shè)計，性能得到真正的優(yōu)化。目前摩擦材料的配方設(shè)計及優(yōu)化的方法主要有：正交試驗設(shè)計+模糊綜合評價法、黃金分割法+灰色相關(guān)度分析以及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。

3.1 正交試驗設(shè)計與模糊綜合評價法

正交試驗設(shè)計是研究與處理多因素試驗的一種科學(xué)方法。它借助于一種規(guī)格化的正交表，科學(xué)地、有計劃地、有代表性地挑選典型的試驗點(如粘結(jié)劑、增強(qiáng)纖維等)研究，并利用數(shù)理統(tǒng)計分析實驗結(jié)果探尋最優(yōu)的實驗方案。而模糊綜合評價法通過考察硬度、壓縮率、剪切強(qiáng)度、摩擦因數(shù)和磨損率等性能指標(biāo)，計算各配方的模糊綜合評價值，將所測試驗數(shù)據(jù)有機(jī)地聯(lián)系在一起，定量地表征摩擦材料的綜合性能。

鐘厲等[28]通過正交試驗設(shè)計新型低樹脂基摩擦材料配方，利用模糊綜合評價法對配方進(jìn)行優(yōu)化，經(jīng)實驗分析得出鱗片石墨對摩擦材料的摩擦因數(shù)影響最大，并通過降低配方中樹脂基體的含量，得到結(jié)構(gòu)疏松、氣孔率高、摩擦表面有較好的自潔性能的摩擦材料。Ma等[29]設(shè)計了三因素(竹纖維、黃麻纖維和羊毛纖維)三水平(纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%、2%、3%)的正交試驗表，探討了混雜生物纖維增強(qiáng)樹脂基摩擦材料的摩擦磨損性能，運用模糊綜合分析法計算了各配方摩擦因數(shù)和磨損率的模糊綜合評價值，結(jié)果表明，綜合性能最佳的摩擦材料配方中竹纖維、黃麻纖維和羊毛纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為3%、3%和1%。

3.2 黃金分割法與灰色相關(guān)度分析

黃金分割法是一種一維空間搜索最佳值的優(yōu)化方法，通過將黃金分割序列與摩擦材料配方中組分的體積分?jǐn)?shù)關(guān)聯(lián)，進(jìn)行摩擦材料配方的設(shè)計，實現(xiàn)摩擦材料配方的計算[30]。而灰色相關(guān)系數(shù)分析是灰色系統(tǒng)理論的重要內(nèi)容之一，通過將關(guān)聯(lián)的體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行灰色相關(guān)系數(shù)分析，可得到不同原材料組分對摩擦性能貢獻(xiàn)的敏感性序列，根據(jù)敏感性序列調(diào)節(jié)摩擦材料各組分的含量，實現(xiàn)配方優(yōu)化的目標(biāo)。

Lu Yafei等[31]提出利用黃金分割法將黃金分割序列與摩擦材料配方中組分的體積分?jǐn)?shù)相關(guān)聯(lián)設(shè)計摩擦材料配方，同時運用灰色相關(guān)度分析對配方進(jìn)行優(yōu)化。王發(fā)輝等[32]通過黃金分割法設(shè)計混雜纖維增強(qiáng)陶瓷基摩擦材料配方，運用灰色相關(guān)度分析得到各組分的敏感性序列，從而實現(xiàn)對配方的優(yōu)化。

3.3 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

摩擦材料配方影響因素的作用機(jī)理復(fù)雜，影響因素和實驗結(jié)果之間具有高度的非線性特點，而人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種用工程技術(shù)手段模擬生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的信息處理系統(tǒng)，因此能有效地解決摩擦材料的原材料比例與摩擦磨損性能之間的非線性關(guān)系[33-34]。

薛繼斌等[35]對比研究單隱含層和多隱含層人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在摩擦材料性能預(yù)測中的功效，發(fā)現(xiàn)多隱含層人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以優(yōu)化單隱含層人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在摩擦材料性能預(yù)測中的準(zhǔn)確性。Xiao等[36]運用實驗設(shè)計法(2kDOE)、響應(yīng)面法(RSM)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)研究了非石棉有機(jī)摩擦材料，采用響應(yīng)面方法優(yōu)化摩擦材料配方，使用訓(xùn)練良好的Elman人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測優(yōu)化配方的摩擦特性，實驗證明貝葉斯正則化算法訓(xùn)練的Elman循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在預(yù)測未知材料成分方面表現(xiàn)出潛在的優(yōu)勢，并且可拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域用于優(yōu)化摩擦材料配方。

剎車片摩擦材料的配方設(shè)計及優(yōu)化旨在建立摩擦和材料學(xué)理論與制品配方性能之間的有機(jī)聯(lián)系。正交試驗設(shè)計與模糊綜合評價法能直觀地反映剎車片摩擦材料各個性能之間的有機(jī)聯(lián)系，優(yōu)化多因素多水平目標(biāo)；黃金分割法與灰色相關(guān)分析能最大程度地減少試驗次數(shù)，縮小區(qū)間誤差，建立剎車片摩擦性能之間的聯(lián)系；人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)則主要側(cè)重于預(yù)測剎車片摩擦材料的性能，多種優(yōu)化方法的融合將更有利于尋找出綜合性能優(yōu)異的剎車片摩擦材料。

4 發(fā)展趨勢

目前對剎車片摩擦材料的研究重點集中在宏觀摩擦磨損性能研究上，而對各個組分間耦合機(jī)理的探究較少；對摩擦材料的微觀摩擦機(jī)制研究集中在高溫磨損面和磨屑逆推摩擦機(jī)制，并未從界面力學(xué)性能進(jìn)行考量；摩擦材料配方優(yōu)化設(shè)計往往是“試錯法”或者基于各種原料的經(jīng)驗搭配，多因素的組分變化對摩擦材料性能影響的研究也較少，并未建立摩擦和材料學(xué)理論與制品配方之間的有機(jī)聯(lián)系。因此，加快高性能摩擦材料的開發(fā)與研究成為一個關(guān)鍵性課題。

新型摩擦材料的每種組分對其摩擦磨損性能和機(jī)械物理性能的作用是不同的，配方結(jié)構(gòu)和組分特性通常是研究的重點。因此，當(dāng)前剎車片摩擦材料的發(fā)展趨勢是材料配方多元化，制作方法突破傳統(tǒng)，技術(shù)路線程序化，結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單化。低樹脂基剎車片摩擦材料具有良好的熱穩(wěn)定性、耐磨性，熱衰退小等優(yōu)點，而混雜纖維增強(qiáng)低樹脂基摩擦材料因結(jié)構(gòu)的可設(shè)計性，同時利用混雜纖維的協(xié)同耦合作用，解決了高樹脂含量摩擦材料硬度高、易在磨損表面形成碳化膜、易產(chǎn)生噪音等問題，成為剎車片摩擦材料未來的發(fā)展趨勢之一。

剎車片摩擦材料配方的設(shè)計及優(yōu)化對降低試驗費用、減少試驗次數(shù)、提升優(yōu)化效率具有重要的促進(jìn)作用。但單一的評價或優(yōu)化方法存在僅能優(yōu)化某一特性、不能全面優(yōu)化摩擦材料性能的缺點，限制了優(yōu)化方法在剎車片摩擦材料方面的應(yīng)用。因此，綜合當(dāng)前的研究技術(shù)，配方優(yōu)化的發(fā)展方向?qū)⒓性诙喾N優(yōu)化方法的融合和新理論方法的引入。

5 結(jié)語

高性能剎車片的開發(fā)與研究在保證提高性能的同時，還須從經(jīng)濟(jì)方面注重成本控制，著力完善還處于起步階段的剎車片關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)研究。針對剎車片摩擦材料組分耦合與界面特征建立關(guān)聯(lián)模型，通過組分耦合機(jī)理及其與摩擦性能、噪音的關(guān)聯(lián)機(jī)理，提出新型剎車片摩擦材料的新方法，建立研發(fā)模型；通過研發(fā)模型和實驗分析，開發(fā)新型剎車片摩擦材料新技術(shù)，對研發(fā)模型進(jìn)行優(yōu)化并建立材料優(yōu)化篩選模型；通過最優(yōu)化實驗，研制出高性能低成本的新型剎車片產(chǎn)品。

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ResearchSituationandDevelopmentofFrictionMaterialforBrakePads

ZHONG Li，CHEN Meng-qing

(College of Mechatronic and Vehicle Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China)

As a key safety component in vehicles and mechanical clutch assemblies and brakes，high-performance brake pads were widely concerned by scientific research institutes and OEMs.The main properties of the compressibility，internal shear strength and thermal expansion of friction materials for brake linings were introduced，and the research status of components which affect the performance of the friction material for brake pads were summarized from the aspects of binder，reinforcement fiber，filler and friction modifier. The application of orthogonal design，fuzzy comprehensive evaluation method，golden section method，gray correlation analysis and artificial neural network to the design and optimization of friction materials were induced. The future research trend of brake pad friction material was further explored，it was pointed out that the coupling mechanism between the components of the friction material and the influence on the performance was the hotspot in the future. The integration of the various optimization methods will be beneficial to the development and application of the new friction material.

brake pads friction material，performance testing，formulation optimization

重慶市基礎(chǔ)科學(xué)與前沿技術(shù)研究(重點)項目(cstc2015jcyjBX0140)

TB 333