浅析天然复合材料在汽车刹车片中的应用

摘 要：刹车片是汽车的重要部件，其中摩擦学性能是主要关注点。传统上使用的是石棉刹车片，后来被铜基材料取代。随着刹车衬里材料的发展，合成摩擦复合材料被探索作为替代方案。研究表明，香蕉皮、棕榈仁和棕榈渣等天然纤维可有效替代传统刹车片材料。本文分析了天然纤维主要优势、石棉材料和天然纤维的生命周期评估、天然纤维对刹车片性能的影响、天然复合材料刹车片的制造及主要表征。

关键词：刹车片 天然纤维 复合材料

1 绪论

刹车系统是汽车中的关键系统之一，其通过摩擦将动能转化为热能，从而使汽车减速或停止。因此，刹车片必须具备高且稳定的摩擦系数。这使得选择合适的刹车片摩擦材料变得至关重要，很多研究都致力于摩擦材料的选择和新材料的开发。在选择摩擦材料时，需要考虑的因素包括制造工艺和材料要求。通常，摩擦材料可以分为三类： 金属刹车衬片，碳—碳复合材料，有机聚合物（树脂结合）。

金属刹车衬片通常由铁或铜制成，广泛应用于重型和高速飞机、高速列车、汽车。这主要是因为金属刹车衬片具有较高的热稳定性，这是这些应用所必需的特性。尽管其易于制造且成本低廉，金属刹车衬片的高密度会降低系统的能效。

碳—碳复合摩擦材料主要用于航空应用，汽车应用较少。与金属刹车衬片相比，它们的重量轻40%，并且在高温下具有较高的强度，是钢的两倍，这使它们具有更长的使用寿命。然而，碳—碳复合材料的主要局限性在于其高成本和易氧化性。

另一方面，有机聚合物用于生产轻型刹车系统，这些刹车系统通常用于普通离合器。有机聚合物通常由30%-40%的有机树脂组成，并包含多种成分和配方。有机聚合物材料的主要成分分为四类：粘合剂、填料、摩擦调节剂和增强材料。因此，为特定应用选择合适的有机聚合物摩擦材料是一项具有挑战性的任务。刹车片的材料本质上是异质且多样的，且配方复杂。一个世纪以来，刹车片的主要生产材料一直是由聚合物基体增强石棉纤维及其他多种成分组成的复合材料。石棉具有良好的物理和化学性能，能够在较宽的温度范围内保持稳定，使其非常适合用于摩擦材料。然而，石棉是一种已知的致癌物质，对健康构成重大威胁。因此，在该领域开展了大量研究，旨在通过研究替代材料来开发无石棉复合刹车片材料，以替代各种聚合物基体材料中的石棉纤维。研究提出的一种有前景的解决方案是使用天然纤维作为石棉基材料的替代品。与合成纤维相比，天然纤维更具环保性且成本更低。

2 天然纤维主要优势

天然纤维正在成为合成增强材料的可行替代品。这主要归因于其低成本和低密度、适宜的比强度特性、分离工艺简单、能够吸收二氧化碳以及可生物降解性。此外，天然纤维是地球上估算最为丰富的生物聚合物，全球年产量约为1.3×10¹⁰吨。天然纤维不仅可再生，而且具有可持续性。这些纤维可以从不同的被视为废弃的可持续来源中获取，例如：森林废弃物（如树枝、不需要的树干和枯萎的叶子），工业废弃物（如废纸和拆除的木材），以及农业废弃物（如棕榈残渣、秸秆、甘蔗渣、玉米芯等）。这对缓解资源过度开发问题具有积极作用，尤其是在气候变化持续加剧和全球温室气体排放增加的情况下。这些因素都促使人们减少对不可再生矿物资源的依赖以及生产合成纤维过程中产生的碳足迹。

使用环保（绿色）材料，如木质纤维素，可以大幅降低碳排放并解决环境毒性问题。木质纤维素残渣特别适用于此类用途，因为它们是丰富且可再生的生物聚合物，并且在超过200种应用中被研究为可持续材料。例如，木质纤维素纤维可以用于制造建筑材料、中等强度复合材料、粘合剂、包装、涂层、牙科填料、植入物和药物输送装置等。由于这些优点，多个政府推动增加木质纤维素残渣在各类应用中的使用。此外，在用于刹车片的摩擦材料中使用木质纤维素（天然）纤维，不仅是替代石棉纤维的良好选择，同时还能够减少环境废弃物。例如，水果残渣已被视为关键的生物废弃物来源，因此通过回收它们生产天然纤维用于制造刹车片等应用，可以显著减少环境废弃物。

3 石棉材料和天然纤维的生命周期评估

3.1 石棉材料的生命周期评估

石棉的使用已被证明与环境及潜在人类健康危害有关，因此推动了寻找替代材料的努力。然而，许多提议的解决方案要么耗能极高，要么尚未完全开发成熟，因此可能只是将环境影响转移到了石棉生命周期的不同阶段。为解决这一问题，有必要对不同的含石棉废料（ACW）管理情景进行一致且量化的环境评估，以确定一种可靠的方法，这是考虑其整个生命周期后影响较小的关键。

生命周期评估（简称LCA）是一项重要环境管理工具。按ISO14040的定义，生命周期评估是用于评估与某一产品（或服务）相关的环境因素和潜在影响的方法，它是通过编制某一系统相关投入与产出的存量记录，评估与这些投入、产出有关的潜在环境影响，根据生命周期评估研究的目标解释存量记录和环境影响的分析结果来进行的。尽管其有用，但针对ACW不同管理方案的LCA研究相对较少，这归因于缺乏评估石棉对土壤、水和空气影响的方法。近年来，含石棉材料（ACM）的管理取得了显著进展，包括建立优先干预风险图、对ACM进行封装和消除处理，以及含石棉废料的生命周期末期管理。

3.2 天然纤维的生命周期评估

为了减轻ACM的负面影响，表征因子的引入使得石棉惰化处理被认为是地方和国家顾问推荐的可靠且量化的解决方案。特别是在处理后生成的惰性材料可以作为二次原料使用，从而减少环境损害。根据生命周期评估的结果，植物纤维增强复合材料（PFRCS）被发现比合成纤维复合材料更具可持续性。植物纤维作为PFRCS中的增强剂具有促进复合材料在不同应用中可持续性的巨大潜力。

来自果汁工业、食品市场和其他工业加工的大量水果残渣是具有重要环境影响的潜在生物资源。这些废料占总水果生物量的三分之一，并因其低体积密度而带来了显著的运输挑战。传统的处理水果残渣的方法，如直接填埋，由于甲烷（CH4）和二氧化碳（CO2）的排放而在环境问题上变得越来越不可行。这些气体是温室气体（GHG）排放的主要原因。解决这些环境和经济问题的一种方法是将这些残渣转化为有用材料，例如汽车刹车片的摩擦材料。这种利用天然纤维的方法不仅减少了石棉的有害环境影响，还将水果废料转化为经济效益。

多项研究报告表明，天然纤维增强复合材料（NFRC）在摩擦学和机械性能上表现更佳。这些研究还展示了成分之间的粘附作用及其对机械和摩擦学性能的影响。

影响纤维粘附性的因素之一是对纤维进行的碱性处理。这种处理用于去除纤维中的不需要的元素，如杂质。碱性处理是一种清洁和改性处理方法，旨在降低纤维表面的表面张力，增强天然纤维的界面粘附性。

4 天然纤维对刹车片性能的影响

当天然纤维作为增强材料使用时，通过控制纤维含量在某些水平上，可以改善摩擦学性能。天然纤维的含量影响摩擦学性能，主要是由于粘合剂（基体）与天然纤维的比例变化。粘合剂与天然纤维的比例影响粘附力，从而直接影响摩擦学性能。天然纤维的使用可以改善机械性能，直到达到某个点，之后机械性能会开始下降。这一点可以在香蕉纤维和棕榈核纤维的不同配料和不同重量百分比中观察到。例如，当这种比例低于最佳值时，纤维含量不足以增强基体。此外，当比例高于最佳值时，纤维需要更多的粘合剂才能粘合在一起。因此，当纤维含量高于或低于这些最佳值时，机械和摩擦学性能的恶化是可以预期的。国内外研究人员将重点放在测量使用不同粘合剂和天然纤维类型及含量制备的天然纤维复合材料的不同机械和摩擦学性能上。他们还测量了所制备复合材料的孔隙率、密度、硬度、热导率、压缩性、磨损率和摩擦系数。

使用天然纤维作为刹车片的增强剂可以减少其环境影响，并降低与使用石棉相关的人体健康毒性。纤维含量的变化可以影响机械性能，特别是摩擦学性能。例如，通过在最佳水平加入天然纤维，刹车片的摩擦学性能，如摩擦系数（COF）和磨损率，可以显著改善。然而，预测这些新材料的性能和纤维含量的趋势相关性是一个复杂的过程，原因有以下几点：多个参数影响测量过程，不同的纤维分数范围，以及不同的木质纤维来源。一些趋势和关系如下所示：

（1）当天然纤维的重量百分比低于10%时，香蕉皮的密度增加，然后在重量百分比为20%时再次上升。

（2）随着天然纤维在复合材料配方中的含量增加，孔隙率通常下降。

（3）对于香蕉皮和棕榈核，复合材料的硬度增加，但在46%基体和棕榈核纤维情况下除外。

（4）摩擦系数（COF）最初增加，然后减少并在天然纤维含量增加时趋于稳定。

（5）仅在46%基体和棕榈核纤维情况下，随着其他成分百分比的变化，表现出下降，然后增加的趋势，而不仅仅是纤维和树脂。

（6）随着天然纤维重量百分比的增加，磨损率增加，但对于棕榈核（10%-50%）和35%酚醛树脂情况除外。

（7）处理过程中的压缩负载对机械和摩擦学性能有影响。

5 天然复合刹车片的制造

天然复合材料的制造方法包括手工铺层法、真空袋成型、热压成型和树脂传递成型过程。其中，热压成型工艺被广泛应用于刹车片的生产。然而，在强化天然纤维（尤其是有机纤维）之前，必须进行表面改性和处理。这主要是为了增强纤维的附着力和机械性能。化学处理可去除纤维的纤维素成分。纤维的表面处理能减少其亲水性，并改善复合材料的尺寸稳定性。

一旦纤维经过表面处理，它们将被嵌入到基体中，以根据应用特定的要求实现所需的性能。纤维增强聚合物复合材料最初通过手工铺层方法制造。双向和单向的纤维最适合用于手工铺层工艺。另一方面，短纤维需要更多关注和更好的工艺，以在制造过程中实现适当的混合和最小的空隙。已有文献成功使用手工铺层技术制备天然复合材料。真空袋成型工艺有助于克服手工铺层工艺的困难和限制。通过真空袋成型工艺可以实现最低的空隙体积分数，因此它们被广泛应用于刹车片等摩擦学应用的复合材料产品中。

刹车片由各种成分组成，其强化类型从纤维到颗粒不等。因此，适当的混合对于实现刹车片应用所需的特性至关重要。热压成型和后固化处理工艺的组合适用于刹车片的生产，并能得到可靠的产品。因此，热压成型工艺被广泛采用。最初，将摩擦调节剂、添加剂、纤维等成分在混合器中混合10-20分钟，以获得均匀的混合物。各种文献中使用了机械混合器和电动搅拌机来混合这些成分。混合后的均匀混合物被转移到模具腔中。通过逐渐施加压力对混合物（或配料）进行压缩。施加的压力主要用于消除可能导致复合材料中出现空隙的气体或空气。随后施加二次压力以达到所需的复合材料密度。压制的复合材料在120℃–160℃的高温下进行固化，施加的压力范围为10 MPa到80 MPa，固化时间为7–30分钟。热压固化的时间根据温度和压力的组合而有所不同。热压制备样本是一种广泛使用的方法，固化时间为7–10分钟。在此过程中，气体会多次释放，表明通过聚合释放的气体已被消除。此步骤确保形成具有所需形状的固化和硬化的复合材料样本。固化后的样本在100℃–200℃的温度范围内在烘箱中进行后固化，时间为1–4小时。后固化过程有助于提高所获得复合材料样本的机械性能。

6 天然复合刹车片的主要表征

刹车片的如密度、耐火性、水和油的吸收、灰分含量、丙酮提取、结晶度指数和降解分析，对于刹车片的应用至关重要。

密度：复合材料的密度受其组成成分的密度、粉末的尺寸、成型技术和热处理过程的影响。通常使用阿基米德原理根据ASTM B962进行密度测定。刹车片的密度非常重要，影响汽车的重量。近年来，研究重点转向天然纤维作为合成纤维的替代品，因为它们的低密度、低成本和生物降解性。例如，增加胡桃壳粉的含量会提高复合材料的密度。此外，纤维的化学处理也会增加纤维的密度，从而提高增强刹车片的密度。化学处理可以填充表面不规则性，如孔隙和空洞，增强纤维的密度。

丙酮提取：丙酮提取测量复合材料中未固化的树脂量。允许的丙酮提取百分比应少于1.5%以确认更好的固化，但对于非石棉刹车片，最大值可达3%。

孔隙率：较粗颗粒的复合材料容易形成较大的孔隙，这有助于基体或粘合剂的固化，因为热流更好。孔隙率的变化会影响复合材料的固化效果和性能。

结晶度指数（CI）：CI用于确定样本中结晶材料的量。材料的结晶度指数对其水分吸收能力和化学攻击的抗性有直接影响。化学处理（如碱处理和硅烷处理）可以增加天然纤维的CI值，提升其刚度和机械强度。

水和油的吸收：刹车摩擦材料的水和油吸收能力对其性能有重要影响。较高的吸收能力表明材料的孔隙率较高，可能导致较差的摩擦性能。例如，使用榛子粉作为增强材料的环保刹车片，其水和油的吸收能力与商业刹车片相当。聚合物复合刹车片中的棕榈仁纤维表现出比石棉基刹车片更高的水和油吸收能力。

7 结论

复合刹车片是汽车应用中的重要部件。虽然石棉和铜基刹车片是最常用的类型，但由于石棉的致癌性和铜对水生生态系统的有害影响，石棉和铜基刹车片的应用受到了限制。此外，工程应用中对可持续摩擦材料的需求正在迅速增长。天然复合刹车片中强化了从植物的不同部位（如茎、果实）提取的生物质材料，如纤维和颗粒，以及动物毛等。将工业废料（如飞灰、水泥灰等）和天然矿物增强剂（如石墨、碳酸钙、重晶石、玄武岩纤维和硅灰石粉）作为二次填料添加，以进一步改善刹车片的性能。此外，对植物基纤维进行化学和热处理是必要的，通过去除纤维中的纤维素成分以提高复合材料的摩擦学性能。碱处理和硅烷处理已经显示出良好的结果，能够满足所需的性能。

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