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汽車摩擦材料

一、概論

摩擦材料是一種應(yīng)用在動力機械上，依靠摩擦作用來執(zhí)行制動和傳動功能的部件材料。它主要包括制動器襯片（剎車片）和離合器面片（離合器片）。剎車片用于制動，離合器片用于傳動。

任何機械設(shè)備與運動的各種車輛都必須要有制動或傳動裝置。摩擦材料是這種制動或傳動裝置上的關(guān)鍵性部件。它最主要的功能是通過摩擦來吸收或傳遞動力。如離合器片傳遞動力，制動片吸收動能。它們使機械設(shè)備與各種機動車輛能夠安全可靠地工作。所以說摩擦材料是一種應(yīng)用廣泛又甚關(guān)鍵地材料。

摩擦材料是一種高分子三元復(fù)合材料，是物理與化學(xué)復(fù)合體。它是由高分子粘結(jié)劑（樹脂與橡膠）、增強纖維和摩擦性能調(diào)節(jié)劑三大類組成及其它配合劑構(gòu)成，經(jīng)一系列生產(chǎn)加工而制成的制品。摩擦材料的特點是具有良好的摩擦系數(shù)和耐磨損性能，同時具有一定的耐熱性和機械強度，能滿足車輛或機械的傳動與制動的性能要求。它們被廣泛應(yīng)用在汽車、火車、飛機、石油鉆機等各類工程機械設(shè)備上。民用品如自行車、洗衣機等作為動力的傳遞或制動減速用不可缺少的材料。

二、摩擦材料發(fā)展簡史

自世界上出現(xiàn)動力機械和機動車輛后，在其傳動和制動機構(gòu)中就使用摩擦片。初期的摩擦片系用棉花、棉布、皮革等作為基材，如：將棉花纖維或其織品浸漬橡膠漿液后，進行加工成型制成剎車片或剎車帶。其缺點：耐熱性較差，當(dāng)摩擦面溫度超過120℃后，棉花和棉布會逐漸焦化甚至燃燒。隨著車輛速度和載重的增加，其制動溫度也相應(yīng)提高，這類摩擦材料已經(jīng)不能滿足使用要求。人們開始尋求耐熱性好的、新的摩擦材料類型，石棉摩擦材料由此誕生。

石棉是一種天然的礦物纖維，它具有較高的耐熱性和機械強度，還具有較長的纖維長度、很好的散熱性，柔軟性和浸漬性也很好，可以進行紡織加工制成石棉布或石棉帶并浸漬粘結(jié)劑。石棉短纖維和其布、帶織品都可以作為摩擦材料的基材。更由于其具有較低的價格（性價比），所以很快就取代了棉花與棉布而成為摩擦材料中的主要基材料。1905年石棉剎車帶開始被應(yīng)用，其制品的摩擦性能和使用壽命、耐熱性和機械強度均有較大的提高。1918年開始，人們用石棉短纖維與瀝青混合制成模壓剎車片。20世紀20年代初酚醛樹脂開始工業(yè)化應(yīng)用，由于其耐熱性明顯高于橡膠，所以很快就取代了橡膠，而成為摩擦材料中主要的粘結(jié)劑材料。由于酚醛樹脂與其他的各種耐熱型的合成樹脂相比價格較低，故從那時起，石棉－酚醛型摩擦材料被世界各國廣泛使用至今。

20世紀60年代，人們逐漸認識到石棉對人體健康有一定的危險性。在開采或生產(chǎn)過程中，微細的石棉纖維易飛揚在空氣中被人吸入肺部，長期間處于這種環(huán)境下的人們比較容易患上石棉肺一類的疾病。因此人們開始尋求能取代石棉的其它纖維材料來制造摩擦材料，即無石棉摩擦材料或非石棉摩擦材料。20世紀70年代，以鋼纖維為主要代替材料的半金屬材料在國外被首先采用。80年代－90年代初，半金屬摩擦材料已占據(jù)了整個汽車用盤式片領(lǐng)域。20世紀90年代后期以來，NAO（少金屬）摩擦材料在歐洲的出現(xiàn)是一個發(fā)展的趨勢。無石棉，采用兩種或兩種以上纖維（以無機纖維為主，并有少量有機纖維）只含少量鋼纖維、鐵粉。NAO（少金屬）型摩擦材料有助于克服半金屬型摩擦材料固有的高比重、易生銹、易產(chǎn)生制動噪音、傷對偶（盤、鼓）及導(dǎo)熱系數(shù)過大等缺陷。目前，NAO（少金屬）型摩擦材料已得到廣泛應(yīng)用，取代半金屬型摩擦材料。2004年開始，隨汽車工業(yè)飛速發(fā)展，人們對制動性能要求越來越高，開始研發(fā)陶瓷型摩擦材料。陶瓷型摩擦材料主要以無機纖維和幾種有機纖維混雜組成，無石棉，無金屬。其特點為：

1. 無石棉符合環(huán)保要求；

2. 無金屬和多孔性材料的使用可降低制品密度，有利于減少損傷制動盤（鼓）和產(chǎn)生制動噪音的粘度。

3. 摩擦材料不生銹，不腐蝕；

4. 磨耗低，粉塵少（輪轂）。

三、摩擦材料分類

在大多數(shù)情況下，摩擦材料都是同各種金屬對偶起摩擦的。一般公認，在干摩擦條件下，同對偶摩擦系數(shù)大于0.2的材料，稱為摩擦材料。

材料按其摩擦特性分為低摩擦系數(shù)材料和高摩擦系數(shù)材料。低摩擦系數(shù)材料又稱減摩材料或潤滑材料，其作用是減少機械運動中的動力損耗，降低機械部件磨損，延長使用壽命。高摩擦系數(shù)材料又稱摩阻材料（稱為摩擦材料）。

1.按工作功能分可分為傳動與制動兩大類摩擦材料。如傳動作用的離合器片，系通過離合器總成中離合器摩擦面片的貼合與分離將發(fā)動機產(chǎn)生的動力傳遞到驅(qū)動輪上，使車輛開始行走。制動作用的剎車片（分為盤式與鼓式剎車片），系通過車輛制動機構(gòu)將剎車片緊貼在制動盤（鼓）上，使行走中的車輛減速或停下來。

2.按產(chǎn)品形狀分可分為剎車片（盤式片、鼓式片）、剎車帶、閘瓦、離合器片、異性摩擦片。盤式片呈平面狀，鼓式片呈弧形。閘瓦（火車閘瓦、石油鉆機）為弧形產(chǎn)品，但比普通弧形剎車片要厚的多，25～30mm范圍。剎車帶常用于農(nóng)機和工程機械上，屬軟質(zhì)摩擦材料。離合器片一般為圓環(huán)形狀制品。異性摩擦片多用于各種工程機械方面，如摩擦壓力機，電葫蘆等。

3.按產(chǎn)品材質(zhì)分可分為石棉摩擦材料、無石棉摩擦材料兩大類。

A、石棉摩擦材料分為以下幾類：

a、石棉纖維摩擦材料，又稱為石棉絨質(zhì)摩擦材料。生產(chǎn)：各種剎車片、離合器片、火車合成閘瓦、石棉絨質(zhì)橡膠帶等。

b、石棉線質(zhì)摩擦材料。生產(chǎn)：纏繞型離合器片、短切石棉線段摩擦材料等。

c、石棉布質(zhì)摩擦材料。生產(chǎn)：制造層壓類鉆機閘瓦、剎車帶、離合器面片等。

d、石棉編織摩擦材料。生產(chǎn)：制造油浸或樹脂浸剎車帶。石油鉆機閘瓦等。

B、無石棉摩擦材料分為以下幾類：

a、半金屬摩擦材料。應(yīng)用于轎車和重型汽車的盤式剎車片。其材質(zhì)配方組成中通常含有30％～50％左右的鐵質(zhì)金屬物（如鋼纖維、還原鐵粉、泡沫鐵粉）。半金屬摩擦材料因此而得名。是最早取代石棉而發(fā)展起來的一種無石棉材料。其特點：耐熱性好，單位面積吸收功率高，導(dǎo)熱系數(shù)大，能適用于汽車在高速、重負荷運行時的制動工況要求。但其存在制動噪音大、邊角脆裂等缺點。

b、 NAO摩擦材料。從廣義上是指非石棉－非鋼纖維型摩擦材料，但現(xiàn)盤式片也含有少量的鋼纖維。NAO摩擦材料中的基材料在大多數(shù)情況下為兩種或兩種以上纖維（以無機纖維，并有少量有機纖維）混合物。因此NAO摩擦材料是非石棉混合纖維摩擦材料。通常剎車片為短切纖維型摩擦塊，離合器片為連續(xù)纖維型摩擦片。

c、粉末冶金摩擦材料。又稱燒結(jié)摩擦材料，系將鐵基、銅基粉狀物料經(jīng)混合、壓型，并在在高溫下燒結(jié)而成。適用于較高溫度下的制動與傳動工況條件。如：飛機、載重汽車、重型工程機械的制動與傳動。優(yōu)點：使用壽命長；缺點：制品價格高，制動噪音大，重而脆性大，對偶磨損大。

d、碳纖維摩擦材料。系用碳纖維為增強材料制成的一類摩擦材料。碳纖維具有高模量、導(dǎo)熱好、耐熱等特點。碳纖維摩擦材料是各種類型摩擦材料中性能最好的一種。碳纖維摩擦片的單位面積吸收功率高及比重輕，特別適合生產(chǎn)飛機剎車片，國外有些高檔轎車的剎車片也使用。因其價格昂貴，故其應(yīng)用范圍受到限制，產(chǎn)量較少。在碳纖維摩擦材料組分中，除了碳纖維外，還使用石墨，碳的化合物。組分中的有機粘結(jié)劑也要經(jīng)過碳化處理，故碳纖維摩擦材料也稱為碳——碳摩擦材料或碳基摩擦材料。

四、摩擦材料的技術(shù)要求

摩擦材料是車輛與機械的離合器總成和制動器中的關(guān)鍵安全零件，在傳動和制動過程中，主要應(yīng)滿足以下技術(shù)要求：

1.適宜而穩(wěn)定的摩擦系數(shù)。

摩擦系數(shù)是評價任何一種摩擦材料的一個最重要的性能指標(biāo)，關(guān)系著摩擦片執(zhí)行傳動和制動功能的好壞。它不是一個常數(shù)，而是受溫度、壓力、摩擦速度或表面狀態(tài)及周圍介質(zhì)因素等影響而發(fā)生變化的一個數(shù)。理想的摩擦系數(shù)應(yīng)具有理想的冷摩擦系數(shù)和可以控制的溫度衰退。由于摩擦產(chǎn)生熱量，增高了工作溫度，導(dǎo)致了摩擦材料的摩擦系數(shù)發(fā)生變化。

溫度是影響摩擦系數(shù)的重要因素。摩擦材料在摩擦過程中，由于溫度的迅速升高，一般溫度達200℃以上，摩擦系數(shù)開始下降。當(dāng)溫度達到樹脂和橡膠分解溫度范圍后，產(chǎn)生摩擦系數(shù)的驟然降低，這種現(xiàn)象稱為“熱衰退”。嚴重的“熱衰退”會導(dǎo)致制動效能變差和惡化。在實際應(yīng)用中會降低摩擦力，從而降低了制動作用，這很危險也是必須要避免的。在摩擦材料中加入高溫摩擦調(diào)節(jié)劑填料，是減少和克服“熱衰退”的有效手段。經(jīng)過“熱衰退”的摩擦片，當(dāng)溫度逐漸降低時摩擦系數(shù)會逐漸恢復(fù)至原來的正常情況，但也有時會出現(xiàn)摩擦系數(shù)恢復(fù)得高于原來正常的摩擦系數(shù)而恢復(fù)過頭，對這種摩擦系數(shù)恢復(fù)過頭我們稱之為“過恢復(fù)”。

摩擦系數(shù)通常隨溫度增加而降低，但過多的降低也是不能忽視。我國汽車制動器襯片臺架試驗標(biāo)準(zhǔn)中就有制動力矩、速度穩(wěn)定性要求。（QC/T 239-1997 貨車、客車制動器性能要求；QC/T 582-1999 轎車制動器性能要求；T564-1999 轎車制動器臺架試驗方法；QC/T 479-1999 貨車、客車制動器臺架試驗方法），因此當(dāng)車輛行駛速度加快時，要防止制動效能的下降因素。

摩擦材料表面沾水時，摩擦系數(shù)也會下降，當(dāng)表面的水膜消除恢復(fù)至干燥狀態(tài)后，摩擦系數(shù)就會恢復(fù)正常，稱之為“涉水恢復(fù)性”。

摩擦材料表面沾有油污時，摩擦系數(shù)顯著下降，但應(yīng)保持一定的摩擦力，使其仍有一定的制動效能。

2.良好的耐磨性。

摩擦材料的耐磨性是其使用壽命的反映，也是衡量摩擦材料耐用程度的重要技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)。耐磨性越好，表示它的使用壽命越長。但是摩擦材料在工作過程中的磨損，主要是由摩擦接觸表面產(chǎn)生的剪切力造成的。工作溫度是影響磨損量的重要因素。當(dāng)材料表面溫度達到有機粘結(jié)劑的熱分解溫度范圍時，有機粘結(jié)劑如橡膠、樹脂產(chǎn)生分解、碳化和失重現(xiàn)象。隨溫度升高，這種現(xiàn)象加劇，粘結(jié)作用下降，磨損量急劇增大，稱之為“熱磨損”。

選用合適的減磨填料和耐熱性好的樹脂、橡膠，能有效地減少材料的工作磨損，特別是熱磨損，可延長其使用壽命。

摩擦材料的耐磨性指標(biāo)有多種表示方法，我國GB5763-98“汽車制動器襯片”國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的磨損指標(biāo)（定速式摩擦試驗機）100℃～350℃溫度范圍的每檔溫度（50℃為一擋）時磨損率。磨損率系樣品與對偶表面進行相對滑動過程中做單位摩擦功時體積磨損量，可由測定其摩擦力的滑動距離及樣品因磨損的厚度減少而計算出。但由于被測樣品在摩擦性能測試過程中，受高溫影響會產(chǎn)生不同程度的熱膨脹，掩蓋了樣品的厚度磨損，有時甚至出現(xiàn)負值，即樣品經(jīng)高溫磨損后的厚度反而增加。這就不能真實正確反映出實際磨損。故有的生產(chǎn)廠家除測定樣品的體積磨損外，還要測定樣品的重量磨損率。

3.具有良好的機械強度和物理性能。

摩擦材料制品在裝配使用之前，有需進行鉆孔、鉚裝裝配等機械加工，才能制成剎車片總成或離合器總成。在摩擦工作過程中，摩擦材料除了要承受很高溫度的同時，還要承受較大的壓力與剪切力。因此要求摩擦材料必須具有足夠的機械強度，以保證在加工或使用過程中不出現(xiàn)破損與碎裂。如：鉚接剎車片：要求有一定的抗沖擊強度、鉚接應(yīng)力、抗壓強度等。粘結(jié)剎車片：盤式片要具有足夠的常溫粘結(jié)強度與高溫（300℃）粘結(jié)強度，以保證摩擦材料與鋼背粘結(jié)牢固，可經(jīng)受盤式片在制動過程中高剪切力，而不產(chǎn)生相互脫離，造成制動失效的嚴重后果。離合器片要求具有足夠的抗沖擊強度、靜彎曲強度、最大應(yīng)變值以及旋轉(zhuǎn)破壞強度，為了保證離合器片在運輸、鉚裝加工過程中不致?lián)p壞，也為了保障離合器片在高速旋轉(zhuǎn)的工作條件下不發(fā)生破裂。

4.制動噪音低。

制動噪音關(guān)系到車輛行駛的舒適性，而且對周圍環(huán)境特別是對城市環(huán)境造成噪音污染。對于轎車和城市公交車來說，制動噪音是一項重要的性能要求。就轎車盤式片而言，摩擦性能良好的無噪音或低噪音剎車片成為首先產(chǎn)品。隨汽車工業(yè)的發(fā)展，現(xiàn)對制動噪音人們越來越重視，有關(guān)部門已經(jīng)提出了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。一般汽車制動時產(chǎn)生的噪音不應(yīng)超過85dB。

引起制動噪音的因素很多，因剎車片只是制動總成的一個零件，制動時剎車片與剎車盤（鼓）在高速與高壓相對運動下的強烈摩擦作用，彼此產(chǎn)生振動，從而放大產(chǎn)生不同程度的噪音。

就摩擦材料而言，長期使用經(jīng)驗告訴我們，造成制動噪音的因素大致有：

（1）摩擦材料的摩擦系數(shù)越高，越易產(chǎn)生噪音，達到0.45～0.5或更高時，極易產(chǎn)生噪音。

（2）制品材質(zhì)硬度高易產(chǎn)生噪音。

（3）高硬度填料用量多時易產(chǎn)生噪音。

（4）剎車片經(jīng)高溫制動作用后，工作表面形成光亮而硬的碳化膜，又稱釉質(zhì)層。在制動摩擦?xí)r會產(chǎn)生高頻振動及相應(yīng)的噪音。

盤產(chǎn)生振動的因素：

盤的變化，硬度公差

制動器振動盤的熱變化

盤的生銹

（1）制動鉗加黃油，隔離振動頻率。

（2）盤的變形、公差、硬度均布性等。

由此可知，適當(dāng)控制摩擦系數(shù)，使其不要過高，降低制品的硬度，減少硬質(zhì)填料的用量，避免工作表面形成碳化層，使用減震墊或涂膠膜以降低震動頻率，均有利于減少與克服噪音。

5. 對偶面磨損較小。

摩擦材料制品的傳動或制動功能，都要通過與對偶件即摩擦盤（鼓）在摩擦中實現(xiàn)。在此摩擦過程中，這一對摩擦偶件相互都會產(chǎn)生磨損，這是正?，F(xiàn)象。但是作為消耗性材料的摩擦材料制品，除自身應(yīng)該盡量小的磨損外，對偶件的磨損也要小，也就是應(yīng)該使對偶件的使用壽命相對的較長。這才充分顯示出具有良好的摩擦性能的特性。同時在摩擦過程中不應(yīng)將對偶件即摩擦盤或制動鼓的表面磨成較重的擦傷、劃痕、溝槽等過渡磨損情況。

五、摩擦材料的結(jié)構(gòu)與組成

摩擦材料屬于高分子三元復(fù)合材料，它包括三部分：

（1）以高分子化合物為粘結(jié)劑；

（2）以無機或有機纖維為增強組分；

（3）以填料為摩擦性能調(diào)節(jié)劑或配合劑。

1.有機粘結(jié)劑

摩擦材料所用的有機粘結(jié)劑為酚醛類樹脂和合成橡膠，而以酚醛類樹脂為主。它們的特點和作用是當(dāng)處于一定加熱溫度下時先呈軟化而后進入粘流態(tài)，產(chǎn)生流動并均勻分布在材料中形成材料的基體，最后通過樹脂固化作用的橡膠硫化作用，把纖維和填料粘結(jié)在一起，形成質(zhì)地致密的有相當(dāng)強度及能滿足摩擦材料使用性能要求的摩擦片制品。

對于摩擦材料而言，樹脂和橡膠的耐熱性是非常重要的性能指標(biāo)。因為車輛和機械在進行制動和傳動工作時，摩擦片處于200℃～450℃左右的高溫工況條件下。此溫度范圍內(nèi)，纖維和填料的主要部分為無機類型，不會發(fā)生熱分解。而對于樹脂和橡膠，有機類的來說，又進入熱分解區(qū)域。摩擦材料的各項性能指標(biāo)此時多會發(fā)生不利的變化（摩擦系數(shù)、磨損、機械強度等），特別是摩擦材料在檢測和使用過程中發(fā)生的三熱（熱衰退、熱膨脹、熱龜裂）現(xiàn)象，其根源都是由于樹脂和橡膠、有機類的熱分解而致。因此選擇樹脂與橡膠對摩擦材料的性能具有非常重要的作用。選用不同的粘結(jié)劑就會得出不同的摩擦性能和結(jié)構(gòu)性能。目前使用酚醛樹脂及其改性樹脂。如：腰果殼油改性、丁腈粉改性、橡膠改性及其它改性酚醛樹脂作為摩擦材料的粘結(jié)劑。

對樹脂的質(zhì)量要求是：

（1）耐熱性好，有較好的熱分解溫度和較低的熱失重。

（2）粉狀樹脂細度要高，一般為100目～200目，最好在200目以上，有利于混料分散的均勻性，可降低樹脂在配方中的用量。

（3）游離粉含量低，以1％～3％為宜。

（4）適宜的固化速度 40s～60s（150℃）和流動距離（120℃ 40～80mm）

2. 纖維增強材料

纖維增強材料構(gòu)成摩擦材料的基材，它賦予摩擦制品足夠的機械強度，使其能承受摩擦片在生產(chǎn)過程中的磨削和鉚接加工的負荷力以及使用過程中由于制動和傳動而產(chǎn)生的沖擊力、剪切力、壓力。

我國有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及汽車制造廠根據(jù)摩擦片的實際使用工況條件，對摩擦片提出了相應(yīng)的機械強度要求。如：沖擊強度、抗彎強度、抗壓強度、剪切強度等。為了滿足這些強的性能要求，需要選用合適的纖維品種增加、滿足強度性能。

摩擦材料對其使用的纖維組分要求：

（1）增強效果好。

（2）耐熱性好。在摩擦工作溫度下不會發(fā)生熔斷、碳化與熱分解現(xiàn)象。

（3）具有基本的摩擦系數(shù)。

（4）硬度不宜過高，以免產(chǎn)生制動噪音和損傷制動盤或鼓。

（5）工藝可操作性好。

3. 填料

摩擦材料組分中的填料，主要是由摩擦性能調(diào)節(jié)劑和配合劑組成。使用填料的目的，主要有以下幾個方面：

（1）調(diào)節(jié)和改善制品的摩擦性能、物理性能與機械強度。

（2）控制制品熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱性、收縮率，增加產(chǎn)品尺寸的穩(wěn)定性。

（3）改善制品的制動噪音。

（4）提高制品的制造工藝性能與加工性能。

（5）改善制品外觀質(zhì)量及密度。

（6）降低生產(chǎn)成本。

在摩擦材料的配方設(shè)計時，選用填料必須要了解填料的性能以及在摩擦材料的各種特性中所起到的作用。正確使用填料決定摩擦材料的性能，在制造工藝上也是非常重要的。

根據(jù)摩擦性能調(diào)節(jié)劑在摩擦材料中的作用，可將其分為“增磨填料”與“減磨填料”兩類。摩擦材料本身屬于摩阻材料，為能執(zhí)行制動和傳動功能要求具有較高的摩擦系數(shù)，因此增摩填料是摩擦性能調(diào)節(jié)劑的主要成分。不同填料的增摩作用是不同的。

增摩填料的莫氏硬度通常為3～9。硬度高的增摩效果顯著明顯。5.5硬度以上的填料屬硬質(zhì)填料，但要控制其用量、粒度。（如氧化鋁、鋯英石等）

減磨填料：一般為低硬度物質(zhì)，低于莫氏硬度2的礦物。如：石墨、二硫化鉬、滑石粉、云母等。它既能降低摩擦系數(shù)又能減少對偶材料的磨損，從而提高摩擦材料的使用壽命。

摩擦材料是在熱與較高壓力的環(huán)境中工作的一種特殊材料，因此就要求所用的填料成分必須有良好的耐熱性，即熱穩(wěn)定性，包括熱物理效應(yīng)和熱化學(xué)效應(yīng)等。

填料的堆砌密度對摩擦材料的性能影響很大。摩擦材料的不同的性能要求，對填料的堆砌密度的要求也是不同的，

2016-04-16 23:02:04