汽车刹车片中的陶瓷基摩擦材料研究

2022-09-06冯柯

时代汽车 2022年17期

冯柯

福建省产品质量检验研究院福建省福州市 350002

1 引言

近年来，我国汽车工业得到蓬勃发展，呈现出轻量化、高寿命发展趋势，在汽车行驶速度明显提升的同时，对汽车制动能力、刹车片材料性能提出了更高要求，原有刹车片材料的性能有待提升，没有满足汽车制造需要。与此同时，陶瓷基摩擦材料在汽车制造领域中展露出广阔的应用前景，是汽车制动摩擦片的首选材料，也是满足现代汽车高速行驶、舒适与安全等方面要求的关键。

2 陶瓷基摩擦材料概述

2.1 陶瓷基摩擦材料含义

陶瓷基摩擦材料是由陶瓷纤维、少量金属、不含铁填料物质以及粘接剂等原料制备形成，属于一种全新品种的摩擦材料，也可将其视作为一种以陶瓷组分为主、着重突出陶瓷性能的一种摩擦材料。相比与传统类型的汽车刹车片，陶瓷刹车片有着无噪音、不会腐蚀轮毂、节能环保、使用寿命长、硬度高、耐高温的性能优势，一般情况下，在汽车总里程不超过10 万km 时无需更换陶瓷刹车片，而传统刹车片的使用寿命一般在5万km 以内。

2.2 陶瓷基摩擦材料种类

现阶段，在汽车制造过程中，应用最为常见的陶瓷基摩擦材料为两种，分别为C/C-SiC 复合材料以及AlO材料，不同类型陶瓷基摩擦材料的性能、使用寿命、制造成本存在明显差异，应按照汽车制造要求加以选择。

第一，C/C-SiC 复合材料是以碳化硅与碳纤维增强碳为基体制作而成，最早出现在上世纪末，兼备陶瓷与碳纤维增强体材料卓越的热稳定性能、力学性能与化学性能，并具有良好的环境适应能力，这也是早期C/C 复合材料不具备的。同时，C/C-SiC 材料也存在着摩擦性能稳定性差、低速条件下摩擦系数过高、易出现粘着反应、高能载刹车时的制动平稳性差等缺陷，需要对材料配合比方案与制造工艺加以改进，如添加适量的Ti 组分来控制残余Si 相含量、添加Fe 粉来强化材料摩擦磨损性能、选用新型熔融SI 与Cu 浸渗工艺。

第二，AlO材料是以氧化铝为基体制成的一种陶瓷基摩擦材料，有着抗高温、化学稳定性强、原料来源广泛、耐磨损的性能优势，具备大规模工业生产条件。同时，国内各家汽车制造企业对氧化铝基陶瓷摩擦材料广泛开展研究工作，材料性能得到明显改善，如在氧化铝陶瓷中加入适量CrO和SiO材料可以降低烧结温度、将钛酸钾晶含量控制在10%时取得最佳力学性能与摩擦磨损性能。

3 陶瓷基摩擦材料的性能

3.1 陶瓷基摩擦材料制备

为保证材料性能测试结果具备实际参考价值，需要制备陶瓷基摩擦材料作为试样，开展一系列性能测试。首先，以200 目电厂粉煤灰废渣作为陶瓷组分，使用PF6530A 型改性酚醛树脂为粘接剂，使用AlO含量在95%以上且直径为3-5μm 的氧化铝纤维为增强相，使用ZrO与YO总含量超过95%且直径为5-8μm 的氧化锆纤维为增强相，使用黑色粉末状二硫化钼、白色粉末状冰晶石、60 目石墨粒为调节剂，粉煤灰化学组分以AlO与SiO为主，含量分别为38.04%与49.43%。随后，使用电子天平、裁样机、干燥箱等设备，选取冷压成型-热压固化组合工艺，依次开展涂料、混料、冷压成型、热压固化、热处理与后处理作业，即可完成陶瓷基材料制备作业。

3.2 物理性能

为测试陶瓷基摩擦材料的物理性能，先后开展密度测试与孔隙率测试试验。其中，在密度测试环节，可选用阿基米德排水法，将试样经过超声清洗与干燥处理后，在表面涂抹凡士林和计量空气中试样质量，向烧杯中注入蒸馏水并记录水位、质量，将试样放入烧杯中，使试样完全浸泡在蒸馏水内，对比试样放入前后的烧杯水位值与总质量，以此来计算试样密度，试验结果表明，陶瓷基摩擦材料的密度较小，远低于含有金属的刹车片制作材料。而在孔隙率测试环节，采取油浸法，预先测量试样规格尺寸与记录体积，使用天平秤量试样质量，将试样悬浸在盛满工业齿轮油的水槽内，将齿轮油加热至90℃-100℃后放置8h，始终保持恒定温度，到达时间后取出试样放入室温油液内浸泡12h，随后取出试样，擦拭表面油污后称重记录，再将室温齿轮油注入量筒测量密度，从而计算试样孔隙率。根据试验结果，表明陶瓷基摩擦材料的孔隙率较大，原因在于这类材料表面存在大量孔隙。

3.3 力学性能

为测试陶瓷基摩擦材料的力学性能，需要开展硬度测试和压缩强度测试试验。其中，在硬度测试环节，使用XHRD-150 型洛氏硬度计等仪器设备来测量材料硬度，对各组材料测定5-6 次，在试样表面均匀布置测试点，取各次测试结果的平均值作为最终硬度值，从而判断材料表面抵抗硬物压入时的塑性变形能力，根据试验结果表明，陶瓷基摩擦材料的硬度为90HRL，稍低于树脂基等含有较多重金属的刹车片材料，但满足汽车刹车片性能要求，不会因硬度过高而在汽车制动期间产生噪音。在压缩强度测试环节，使用活塞驱动卡钳将制动盘夹紧，由摩擦材料与对偶盘在接触过程中产生摩擦力，致使车辆减速、静止，同步观察试验期间陶瓷基摩擦材料的表面情况，如是否出现表面崩缺、形成裂缝或是制动失效的现象，重复开展多次试验，使用液压式万能试验机测试材料压缩强度。

3.4 摩擦磨损性能

在摩擦磨损性能测试环节，可使用D-MSN 型定速试验机，将试验参数设定为1225N 载荷、480r/min 转速，将各组试样的摩擦表面温度保持为100℃、150℃、200℃与250℃，启动试验机转动5000 转，测定各组试样摩擦力与记录厚度变化情况，从而获取体积磨损率，判断陶瓷基摩擦材料的摩擦磨损性能。根据试验结果表明，陶瓷基摩擦材料的摩擦磨损性能明显强于树脂基等类型的刹车片材料，在200℃时的摩擦磨损性能最为优异，其原因在于，陶瓷基摩擦材料有着卓越的高温粘合能力，含有大量无机、有机材料，在高温条件下仍可保持表面光滑状态，快速形成转移膜与摩擦膜，凭借胶状体将各类材料粘合为一体。相比之下，树脂基材料在高温条件下会出现分解现象，表面形成油状物，进而导致刹车片出现混合摩擦问题，摩擦系数稳定性较差。此外，为更为深入、准确的判断陶瓷基摩擦材料的摩擦磨损性能，在摩擦磨损性能测试完毕后，可以使用MLA650型电子显微镜等仪器设备，细致观察陶瓷基摩擦材料表面机理与磨损程度。

4 汽车刹车片中陶瓷基摩擦材料的应用策略

4.1 应用强韧化技术

相比于金属材料，虽然陶瓷材料有着较高的强度硬度与良好耐高温性能，但单一陶瓷材料的脆性较大，塑性与变形能力有所不足，限制了陶瓷基磨损材料在汽车刹车片领域中的应用。因此，为改善材料性能，重点强化材料韧性，需要应用到纤维增韧技术或是颗粒增韧技术，具体如下。

第一，纤维增韧技术是在陶瓷基复合材料中添加适量的纤维材料，在陶瓷材料处于断裂过程时，纤维材料将起到吸收部分断裂时产生能量、在裂缝尖端部位形成全新表面、抑制裂纹扩展的作用。同时，需要重点考虑纤维材料对陶瓷基材料整体性能造成的影响，应根据材料强化要求来选择纤维种类，当前常用的增强纤维包括矿物纤维、金属纤维、C纤维、沉积层碳纤维等。例如，使用沉积层碳纤维作为增强材料，可以改善氧化铝陶瓷材料的断裂韧性与提高抗弯强度。而在使用氧化铝纤维来制备莫来石-氧化锆复相陶瓷材料时，可以针对性改善陶瓷基材料在常温条下的热震稳定性能与提高抗析强度。

第二，颗粒增韧技术由弥散颗粒增韧、纳米颗粒增韧、延性颗粒增韧三种方法组成。其中，弥散颗粒增韧是使用碳化物等颗粒与基体材料失配来形成增韧机制、提高材料韧性。纳米颗粒增韧是通过调整第二相颗粒尺寸等级、增加晶界数量和细化材料晶粒来实现增韧目的，如在Al2O3 陶瓷中添加5%含量Ni3Al 纳米颗粒来细化陶瓷，可以提升150%左右的抗弯强度，以及提升30%-35%的断裂韧性。延性颗粒增韧是在基体材料中添加适量Fe 颗粒、Al 颗粒或是Ag 颗粒，这类延性颗粒在陶瓷刹车片出现塑性变形现象或是形成裂纹时可以吸收部分扩展能量、改变裂纹扩展方向，如在ZrB2-SiC 陶瓷材料配比中添加少量碳黑颗粒来改善材料抗热冲击性能与提高韧性。

4.2 改进陶瓷基摩擦材料的配合比方案

陶瓷基摩擦材料配合比方案对材料性能造成直接影响，如果配方设计不当，会削弱陶瓷刹车片整体性能与缩短使用寿命，存在安全隐患。因此，在应用陶瓷基摩擦材料时，必须掌握单一陶瓷纤维、混杂纤维比例、混杂纤维含量三项要素对材料性能造成的具体影响，对材料配方进行优化改进。

单一陶瓷材料有着韧性差的特点，虽然可采取纤维增韧、颗粒增韧技术来提高材料韧性，但实际提升幅度有限，需要确定纤维品种与用量，进一步改善陶瓷基摩擦材料的整体性能。例如，在单一使用氧化铝纤维来增强陶瓷基摩擦材料时，未添加氧化铝纤维的材料表现为组分分布均匀、部分孔洞小颗粒被粘接剂堵塞，在添加10%-20%质量分数的棒状氧化铝纤维时，材料表现为无序均匀分布、纤维与基体结合良好的情况，而在添加25%质量分数氧化铝纤维时，在纤维团聚部位形成裂缝，纤维与基体结合效果不佳，因而单一氧化铝纤维的用量比例应控制在10%-20%范围内。

为突破单一陶瓷纤维材料的局限性，如氧化锆纤维摩擦系数波动过大、氧化铝纤维耐磨性差与高温条件下出现热衰退现象，可以在陶瓷基摩擦材料中同时加入多种纤维材料，起到混杂互补作用，但需要严格把控混杂纤维比例。例如，从物理性能角度出发，当混杂纤维总含量为25%时，氧化锆与氧化铝纤维添加比例不会对密度、孔隙率造成明显影响，孔隙率保持在4.0%-4.5%以内，密度值保持在1.90-2.00 范围内，相差甚微。而从力学性能角度来看，可以将材料硬度值保持在90HRL 左右，压缩强度波动系数较大，在氧化锆与氧化铝纤维比例在1：1 或1：3时的压缩强度相对较高，在65MPa 左右。

在组合使用氧化锆纤维与氧化铝纤维时，需要将混杂纤维总含量保持在16%-24%左右，如果含量低于16%将无法明显改善陶瓷基摩擦材料性能。而在混杂纤维含量超出24%时，将因此出现部分纤维相互搭接形成明显孔隙、密度增长缓慢、纤维在基体中局部团聚、界面结合效果不佳、磨损率增加等问题。

4.3 改进陶瓷制动刹车片工艺技术

虽然陶瓷基摩擦材料相比于半金属型、粉末冶金等刹车片制作材料而言有着优异的综合性能，刹车片使用寿命有所延长。然而，根据陶瓷刹车片实际应用情况来看，仍旧存在一些问题有待解决，包括高温条件下摩擦系数发生变化、受限于摩擦热传递情况导致摩擦材料出现分解现象。因此，为改善陶瓷刹车片的使用工况，在使用陶瓷基摩擦材料的同时，还需要对陶瓷制动刹车片的工艺技术加以优化改进。首先，在陶瓷基摩擦材料配方中添加高温摩擦调节剂，起到抑制热衰退的作用，避免在刹车片温度骤然提升至200℃和后续冷却期间出现热衰退现象。其次，汽车制造厂重点开发与使用多孔填料，以此来改善陶瓷基摩擦材料热传导性能、摩擦热传递性能与降低刹车片材料密度，也可以选用固化热处理工艺来提升刹车片耐压强度和剪切强度。最后，使用新型的无机粘接剂，并要求粘接剂具备良好的耐热性与稳定性，不局限于使用橡胶或是树脂材料，可选用金属硫化物以及金属粉末等，从而解决粘接剂在高温条件下性能衰退、失效的问题。