【摘要】隨著汽車向高速、節(jié)能、環(huán)保方向的發(fā)展，摩擦材料性能的優(yōu)劣將直接影響汽車行駛的安全性、穩(wěn)定性、舒適性。本文從摩擦材料的分類、性能要求及影響性能的因素等方面介紹了汽車摩擦材料的狀況，對無石棉摩擦材料存在的問題進(jìn)行分析，并對其發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。
　　【關(guān)鍵詞】摩擦材料；性能要求；發(fā)展趨勢
　　【中圖分類號】TH【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A
　　【文章編號】1007-4309（2011）02-0043-2.5
　　
　　汽車摩擦材料作為制動(dòng)器、離合器和摩擦傳動(dòng)裝置中的關(guān)鍵材料，其作用是將汽車運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能和其他形式的能量，從而達(dá)到汽車制動(dòng)，它的性能好壞直接關(guān)系到汽車系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。
　　一、摩擦材料的分類
　　汽車制動(dòng)用摩擦材料的種類繁多，按照其發(fā)展歷程可分為兩大類：石棉摩擦材料和無石棉摩擦材料。按照材料材質(zhì)的類型可分為3大類：樹脂基摩擦材料、粉末冶金摩擦材料、碳碳復(fù)合摩擦材料和陶瓷基摩擦材料。
　�。ㄒ唬�樹脂基摩擦材料
　　樹脂基摩擦材料是指采用樹脂為黏結(jié)劑的摩擦材料，根據(jù)其主體摩擦組元的種類不同，又包括石棉摩擦材料、無石棉摩擦材料、紙基摩擦材料和碳基摩擦材料等。石棉摩擦材料是采用石棉纖維添加適量填料，以樹脂為黏結(jié)劑，采用熱壓工藝制成的摩擦材料。無石棉摩擦材料是采用其他纖維如金屬纖維、植物纖維和合成纖維等替代石棉材料制成的摩擦材料。而紙基摩擦材料是以紙漿為基體，添加適量的填料，以樹脂為黏結(jié)劑，采用造紙和熱壓工藝制造而成。為此，不同樹脂基摩擦材料除基體組成不一致外，其使用條件和性能具有相似性。
　　石棉纖維是較早作為增強(qiáng)劑應(yīng)用摩擦材料的纖維材料，由于其具有熱穩(wěn)定性好，價(jià)格低，機(jī)械性能優(yōu)良，與樹脂基體匹配良好等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于摩擦材料增強(qiáng)領(lǐng)域。近年來，經(jīng)研究由于石棉傳熱性能差，使摩擦熱不易迅速散發(fā)，加重了材料的磨損，并且石棉纖維在400℃左右將失去結(jié)晶水，在550℃時(shí)全部失去結(jié)晶水，失去了增強(qiáng)效果，不僅摩擦性能大幅度的降低，而且在制動(dòng)過程中產(chǎn)生的石棉磨屑顆粒粉塵，具有強(qiáng)烈的致癌作用。所以在70年代起，許多國家開始就開始禁止生產(chǎn)使用石棉纖維制品。
　　20世紀(jì)70年代由美國本迪克斯公司研制出無石棉摩擦材料，它除了綠色環(huán)保外，且在制動(dòng)耐熱性、穩(wěn)定性方面去的了較大的提高。并在替代石棉纖維的過程中發(fā)展了半金屬摩擦材料（采用金屬纖維替代石棉纖維，金屬含量超過50%）、玻璃纖維增強(qiáng)摩擦材料和芳綸纖維增強(qiáng)摩擦材料等多種無石棉摩擦材料。但到目前為止，任何一種增強(qiáng)纖維的綜合性價(jià)比都沒有石棉的性能優(yōu)良，為此，對于無石棉摩擦材料的研制仍是摩擦材料的研究熱點(diǎn)之一。
　　（二）粉末冶金摩擦材料
　　粉末冶金摩擦材料以金屬粉末為基體，添加適量的潤滑組元和摩擦組分，采用粉末冶金工藝制造而成。用粉末冶金生產(chǎn)的鐵基、銅基金屬陶瓷摩擦材料，可用于較高的使用溫度，很大程度上解決了高溫摩擦系數(shù)熱衰退和熱磨損問題，使剎車裝置的設(shè)計(jì)和使用獲得了較大的延伸。但是其價(jià)格高、制造工藝復(fù)雜、制動(dòng)噪音大、脆性大以及對偶件的擦傷和磨損大等缺點(diǎn)，制約了它不能在汽車尤其是轎車制動(dòng)器上獲得廣泛應(yīng)用，只能應(yīng)用在坦克、航空、船舶、重載卡車、高速列車以及其他高速高載荷運(yùn)動(dòng)部件的制動(dòng)器中。
　　為了降低成本，各國紛紛研究開發(fā)鐵基粉末冶金摩擦材料并致力解決對偶件磨損大的問題。美國專利4415363和歐洲專利E P0093673A提供了美國Bendix公司將鐵基摩擦材料專用于盤式制動(dòng)器并成功地解決與鑄鐵不相容的問題。另一項(xiàng)研究對銅-鐵基粉末冶金摩擦材料的摩擦磨損特性進(jìn)行了詳細(xì)探討。因此，對粉末冶金摩擦材料的研究工作，應(yīng)主要集中在對其缺點(diǎn)方而的研究和改進(jìn)工作。
　�。ㄈ�）C/C復(fù)合摩擦材料
　　C/C復(fù)合摩擦材料是以碳纖維（或碳布）為基體采用反復(fù)致密化和碳化工藝獲得的高性能摩擦材料。它的摩擦性能十分優(yōu)異，密度低（僅為鋼的1/4）；能載水平高，具有比粉末冶金材料、鋼材高得多的熱容量；熱強(qiáng)度高；無變形、粘結(jié)的現(xiàn)象，工作溫度可達(dá)2200℃；摩擦磨損性能良好，使用壽命長，在剎車過程中其摩擦系數(shù)穩(wěn)定適中。C/C復(fù)合摩擦材料最早是在20世紀(jì)70年代研制的，主要應(yīng)用于飛機(jī)剎車片。在高溫條件下由于其質(zhì)量輕、能載高、耐高溫能量強(qiáng)、使用壽命長等特點(diǎn)，一經(jīng)出現(xiàn)，便迅速得到推廣應(yīng)用。
　　C/C復(fù)合摩擦材料具有良好的熱穩(wěn)定性、耐磨損性、導(dǎo)電性、比強(qiáng)度、比彈性率等。但是C/C復(fù)合摩擦材料也存在著以下缺點(diǎn)：摩擦系數(shù)不穩(wěn)定，受濕度的影響很大；抗氧化性能差（在空氣中500℃以上發(fā)生嚴(yán)重氧化），對環(huán)境（干燥、干凈）的要求較高；單次剎車成本高，限定在特殊領(lǐng)域范圍內(nèi)應(yīng)用，不易大范圍推廣，目前其他高性能剎車材料在高能制動(dòng)領(lǐng)域依然占有主導(dǎo)地位。
　�。ㄋ模┨沾苫�摩擦材料
　　陶瓷基剎車材料是指添加一定數(shù)量具有陶瓷性能氧化物并總體呈現(xiàn)出陶瓷性能的剎車材料。陶瓷基剎車材料結(jié)合了粉末冶金剎車材料的高溫?zé)�結(jié)和C/C復(fù)合剎車材料的低密度和耐高溫性能，同時(shí)克服了C/C復(fù)合剎車材料高溫氧化的缺點(diǎn)，無論在低溫還是高溫都能保持良好的制動(dòng)效果，減少磨損，降低噪音；通常具有高熱容量、低磨損率以及抗熱沖擊的特點(diǎn)，而且具有較高的摩擦系數(shù)，在干摩擦條件下，陶瓷/金屬配副的摩擦系數(shù)一般在0.4-1.0之間。
　　在摩擦學(xué)領(lǐng)域中，基于陶瓷的這些性能特點(diǎn)，人們很早對它的應(yīng)用做出了研究。由于陶瓷的容易斷裂制約了它的應(yīng)用，但陶瓷基體經(jīng)纖維或晶須增強(qiáng)后，不僅強(qiáng)度提高，而且韌性大大上升，為它在其他領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供了保證，并逐漸在高速列車、重載汽車等條件下獲得應(yīng)用。目前陶瓷基復(fù)合摩擦材料的研究重點(diǎn)是采用借助部分粉末冶金工藝，研制出具有耐高溫、抗氧化、磨損少等綜合性能優(yōu)良的剎車材料。C/C-SiC復(fù)合摩擦材料和A1203基摩擦材料成為國內(nèi)外陶瓷基復(fù)合剎車材料的研究重點(diǎn)。因此，纖維增強(qiáng)陶瓷是陶瓷基復(fù)合材料中最有發(fā)展前景的。
　　二、摩擦材料的性能要求
　　在一定的制動(dòng)工況條件下，摩擦材料的性能應(yīng)滿足如下幾點(diǎn)要求：
　　1．適中的摩擦系數(shù)，當(dāng)外界條件（如制動(dòng)速度、壓力、溫度、環(huán)境介質(zhì)等）改變時(shí)對其影響較小，且動(dòng)、靜摩擦系數(shù)相差不大。對不同的工況條件，制動(dòng)性能要求有所不同，一般規(guī)定下限是保證制動(dòng)要求所必須的摩擦力，而上限是防止制動(dòng)副可能發(fā)生的情況；
　　2．有較高的耐磨性、良好的導(dǎo)熱性、較大的熱容量和一定的高溫機(jī)械強(qiáng)度；
　　3．剎車片對摩擦對偶件（盤或鼓）的表面損傷小，不易劃傷表面和產(chǎn)生嚴(yán)重粘著，磨合性好，無臭味、無污染；
　　4．良好的機(jī)械物理性能（強(qiáng)度、硬度、熱膨脹量、壓縮特性等）；
　　5．經(jīng)濟(jì)性好，原料來源充足、價(jià)格便宜、生產(chǎn)制造工藝簡單。
　　要完全滿足上述各點(diǎn)要求是困難的，對于汽車制動(dòng)副，即不但應(yīng)按工況條件滿足所需的摩擦系數(shù)以及在制動(dòng)過程中所允許的變化范圍和預(yù)定壽命所要求的耐磨性，而且還應(yīng)滿足制動(dòng)時(shí)平穩(wěn)、舒適的要求。
　　三、影響摩擦材料性能的因素
　　影響摩擦材料性能的內(nèi)因取決于原材料、配方設(shè)計(jì)和成型工藝。配方就是原材料的含量，而成型工藝包括制備工藝和后處理工藝。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，低溫低壓下生產(chǎn)的摩擦材料具有更好的摩擦磨損性能，且有孔隙結(jié)構(gòu)，密度低，節(jié)約能量，降低生產(chǎn)成本。而后處理工藝能夠起到穩(wěn)定摩擦磨損性能的作用。
　　汽車摩擦材料主要由基體材料（如樹脂、橡膠等）、增強(qiáng)材料（如石棉、鋼纖維、玻璃纖維、陶瓷纖維、碳纖維等）、摩擦性能調(diào)節(jié)劑（如石墨、銅纖維、重晶石等）三種成分組成。
　　酚醛樹脂由于具有良好的耐熱性能和力學(xué)性能，且原料充足、價(jià)格便宜、工藝和生產(chǎn)設(shè)備簡單等優(yōu)點(diǎn)，所以大多數(shù)摩擦材料的基體材料選取酚醛樹脂。但由于純酚醛樹脂耐熱性差、制品模量過高、硬度大，因此需要進(jìn)行改性。樹脂起著粘接成型的作用，直接影響著摩擦材料的摩擦磨損性能、衰退性能、硬度、沖擊強(qiáng)度、三點(diǎn)彎曲性能等。
　　增強(qiáng)材料是用以提高材料整體的強(qiáng)度、模量、耐高溫性能、導(dǎo)熱性，以及增大單位面積吸收功率，減小密度和磨損率，起到功能材料的作用。由于一種增強(qiáng)材料不可能同時(shí)具有摩擦材料所需的多種增強(qiáng)、改性功能，因此，人們把多種纖維混雜在一起，充分發(fā)揮各種纖維的優(yōu)點(diǎn)。
　　摩擦性能調(diào)節(jié)劑在摩擦材料中起調(diào)節(jié)摩擦系數(shù)、磨損率、沖擊強(qiáng)度、硬度、耐熱性，以及降低制動(dòng)噪音、保護(hù)對偶材料、降低成本等作用。但由于它的組分較多，要合理調(diào)配各組分的含量。常用的調(diào)節(jié)劑有金屬氧化物、硫化物、礦物粉等，制備時(shí)要確保它們在復(fù)合成型時(shí)不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，耐腐蝕、耐高溫、且不吸濕，便于分散。
　　影響摩擦材料性能的外因是溫度和PV值。當(dāng)急速剎車時(shí)，溫度瞬時(shí)上升，摩擦?xí)r的溫升對金屬-聚合物摩擦副的影響很大，聚合物材料受熱時(shí)產(chǎn)生熱分解、力學(xué)性能的下降，且在熱-力化學(xué)作用下還會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)變化等。因此，選擇粘結(jié)劑首先要考慮熱性能好，此外模量低、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、分解溫度高、分解速度慢、分解殘留物有一定摩擦性能等。
　　比壓（P）和速度（V）對材料性能的影響表現(xiàn)為因摩擦功轉(zhuǎn)化為熱能而導(dǎo)致材料表面產(chǎn)生軟化、熔融及炭化。PV值小于極限值時(shí)磨損率變化不大；超過極限值時(shí)磨損率急劇增加，導(dǎo)致材料出現(xiàn)嚴(yán)重磨損，甚至嚴(yán)重破壞而失效。平均摩擦系數(shù)隨負(fù)荷、速度和溫度的增加而減小。因此，要設(shè)法提高材料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。
　　此外，填料對摩擦材料的機(jī)械性能、物理性能和摩擦性能也有重要影響，它能調(diào)節(jié)摩擦材料的硬度，改善制動(dòng)噪音和產(chǎn)品外觀，降低成本。但在實(shí)際生產(chǎn)中研究人員往往只憑經(jīng)驗(yàn)和習(xí)慣選擇填料，沒有一套系統(tǒng)科學(xué)的理論作指導(dǎo)。
　　四、制動(dòng)用無石棉摩擦材料存在的問題及展望
　　盡管現(xiàn)階段我國對無石棉摩擦材料在研制和生產(chǎn)方面取得了一些成果，但仍存在一些亟待解決的問題：
　　首先，在生產(chǎn)剎車片用的所有原料中，樹脂黏結(jié)劑對溫度最為敏感，黏結(jié)劑耐高溫性能的好壞直接決定了剎車片抗熱衰退性能的好壞，因此耐高溫樹脂的開發(fā)是研制高性能剎車片的關(guān)鍵。目前剎車片工業(yè)上使用的黏結(jié)劑大都是改性酚醛樹脂，可選擇的種類有限，無法滿足剎車片產(chǎn)品高性能化的發(fā)展要求，所以有必要開發(fā)不含酚醛樹脂的黏結(jié)劑。
　　其次，目前對剎車片熱衰退現(xiàn)象的研究主要集中在應(yīng)用方面，如選用耐高溫樹脂、耐高溫纖維、金屬纖維、金屬粉末等來提高剎車片的抗熱衰退性能。但要從根本上解決這個(gè)問題，還需要對熱衰退機(jī)理作深入系統(tǒng)的研究。
　　再次，剎車片與對偶件之間的磨損十分復(fù)雜。汽車緊急制動(dòng)時(shí)，在高溫和機(jī)械力的共同作用下，剎車片與對偶件之間的界面處會(huì)發(fā)生一系列的物理化學(xué)變化（氧化、高溫分解、顆�；�、爆裂融化、蒸發(fā)、升華等），導(dǎo)致材料磨損。國內(nèi)外在磨損機(jī)理方面做了大量研究，主要有粘著磨損、磨粒磨損、疲勞磨損、熱磨損，但是由于摩擦表面的復(fù)雜性，還有待進(jìn)一步研究與完善。
　　最后，原材料的混配及稱量自動(dòng)化程度不高，工藝參數(shù)大都為人工控制，不可避免地帶來人為因素對性能造成的影響。為此，通過精密控制剎車片生產(chǎn)過程中的壓力、溫度和時(shí)間，最大限度滿足成形過程中的所有技術(shù)要求，等比壓壓制的方法將得到普遍重視。
　　綜上所述，開發(fā)研制新型高性能無石棉摩擦材料已經(jīng)成為企業(yè)和科研人員的迫切追求。同時(shí)，要吸收并借鑒國外的先進(jìn)技術(shù)，盡早解決現(xiàn)實(shí)存在的問題，進(jìn)一步縮短與國外的差距，推動(dòng)我國汽車摩擦材料行業(yè)的發(fā)展。
　　
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　　【收稿日期】2011年1月10日
　　【作者簡介】李云鵬：吉林大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院。邢記龍：吉林大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院。鄭陽：吉林大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院。王鐵山：吉林大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，吉林大學(xué)機(jī)電設(shè)備研究所。曲波：吉林大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，吉林大學(xué)機(jī)電設(shè)備研究所。

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