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汽车刹车片零件复合材料选择与加工随着对汽车燃料经济性和排放控制要求的提高。人们将目光集中在通过替代材料、改进设计或者先进的制造工艺找到制造轻量化汽车的方法。本文主要借助汽车刹车片复合材料的选择与加工来讨论复合材料的性能、成形与加工方法以及复合材料在汽车上未来发展动向。 近几年我国的汽车工业在不断的发展，高速公路网也在不断的发展。2011年7月国家科技部出台了《国家“十二五”科学和技术发展规划》明确规定要大力发展汽车行业，并使其朝着节能环保的方向前进。因此汽车用摩擦材料也将面临着高速化、高性能化、舒适化及环保的方向发展。汽车上的“刹车片”是制动器衬片的俗称，是接触制动盘(鼓)的摩擦材料。当驾驶员做出刹车行为时，刹车片就会受到一定的压力，然后它与制动盘(鼓)产生一定的摩擦力，最终使车辆减速。刹车片是车辆制动系统中的重要的部件，其质量好坏直接影响车辆的制动性能，更关系到车辆驾乘人员的生命财产安全[3]。汽车制动片属于摩擦材料而摩擦材料一般是树脂基复合材料，它由三部分组成： (1)以普通酚醛树脂或者改性酚醛树脂作为基体的粘结剂。它们的特点和作用是当处于一定加热温度下先呈软化而后进入粘流态，这些处于液态状的树脂在压力作用下流动并均勻的分布在材料中形成材料的基体，最后通过树脂固化作用，把增强纤维和填料粘结在一起，形成质地致密的有相当强度及能满足摩擦材料使用性能要求的摩擦片制品； （2)增强纤维，比如钢纤维、碳纤维、玻璃纤维等有机或无机的纤维。纤维增强材料是摩擦材料的基材也是摩擦材料中主要的承力部分； （3)填料，作为摩擦性能调节剂的填料很多主要可以归纳为两大类：减摩填料和增摩材料。这些填料不仅仅起到减摩和增摩的作用有时候还可以起到减震，吸收噪音的作用。作为车辆制动系统的关键部件之一的汽车刹车片，其制动效果将直接影响汽车的安全性能。现今高性能汽车刹车片需要具备的基本要求是：具有一个合适而且稳定的摩擦系数、适合的硬度、寿命要长即其磨损率要比较低、低磨屑毒性、较高的孔隙率、抗高温高速热衰退性能好、制动过程平稳、无噪音价格适中等特点。因此，乘用车制动刹车片会朝着以下几个趋势发展： 1、高速化、耐高温 2、低损耗、无噪音 3、舒适化、环保化 据中国汽车工业协会有关数据显示截止2012年8月底中国汽车保有量已经突破一亿辆。由于汽车摩擦材料寿命期比较短，既是安全件，又是易损件，所以其配件维修需用量很大，因此对汽车刹车片的研究不仅对改善人们生活品质具有一定的意义还对广阔的商业市场具有一定的意义。 1.刹车片的工作条件、失效方式及性能要求 1.1刹车片的工作条件 刹车片处于汽车外表面，与轮辋转向立柱相连接，长期受到雨水的腐蚀，太阳光的照射，汽车在行驶制动时，会受到摩擦和冲击，尤其是在高速制动时，刹车片与摩擦块产生摩擦，将车辆行进的动能转换成摩擦后的热能，从而达到车辆减速刹车的目的。 1.2刹车片的失效方式 可根据刹车片的工作条件来确定其失效形式。由于长期受到暴露在空气中受到雨水侵蚀，所以可能腐蚀失效；刹车片工作在车辆制动时，尤其是高速制动时，刹车瞬间产生的热量是相当大的，所以刹车片将要承受高温；由于摩擦制动，所以刹车片会磨损失效；并且刹车制动时刹车片也要受到很大的制动力，可能将会导致刹车片变形过大失效。 1.3刹车片的性能要求 轿车车速普遍较快因此刹车瞬间产生的热量是相当的大，刹车片是在高温、制动力极大及无液体润滑这样极其苛刻的条件下工作的，所以要求制造刹车片的材料必须密度小并具有高的耐磨性、高的热导性、高的耐蚀性、高的抗热性及较高的高速热衰退性能，另外高速制动时往往伴随有噪音的产生，所以刹车片还要求噪音低甚至是无噪音。 2.汽车刹车片候选材料 2.1钢纤维、芳纶纤维、玻璃纤维和碳纤维复合材料增强机制 汽车刹车片主要是有基体粘结剂、增强纤维以及摩擦性能调节剂组成。对于每一种具体的摩擦材料一般都是由几种到十几种组份组成，每种组份在其中都会起到一定的作用，而且各组份的性能、比例、物理化学状态都会影响摩擦材料的综合性能。作者将从汽车刹车片摩擦材料所用的增强纤维方面进行简单的选取。 增强纤维作为刹车片的骨架的主要组成部分，对摩擦材料的各种性能都有着重要影响。比如能够提高材料的模量、强度、耐高温性能等等，还可以减少比重和降低磨损率。因此增强纤维必须满足以下要求：比较高的模量和强度；高温时抗热衰退性能要好，在要求的温度范围内不会发生热分解、脱水、相变等；良好的摩擦磨损性能；良好的分散性及与基体树脂能很好的粘结在一起；合适的硬度，不损伤对偶件；来源广、价格合适、对环境友好等。 钢纤维、芳纶纤维、玻璃纤维和碳纤维复合材料通过下列机制起增强作用： 1）增强纤维是具有强结合键的物质或硬质材料。当这些硬质材料为块状时，其内部往往含有较多裂纹，容易断裂，表现出很大的脆性，使键的强度不能充分发挥。如果将这些硬质材料制成细的纤维，则由于尺寸小，其中出现裂纹的几率减低，裂纹的长度也减小，因此脆性明显改善，强度显著提高。 2）增强纤维处于集体中，彼此隔离，其表面受到基体的保护，不易遭受损伤，也不易在承载过程中产生裂纹，使其承载能力增大。 3）当材料受到较大应力时，一些有裂纹的增强纤维可能断裂，但基体能阻碍裂纹扩展并改变裂纹扩展方向，增加裂纹扩展行程，从而使材料的强度和韧性提高。 4）当增强纤维与基体有适当的界面结合强度时，纤维受力断裂后被从基体中拔出，这需克服基体对纤维的粘结力，使材料的断裂强度提高。 3.钢纤维、芳纶纤维、玻璃纤维、碳纤维复合材料的性能分析 3.1钢纤维复合材料的性能分析 钢纤维具有良好的力学性能、导热性能和较高摩擦系数。其缺点是比重大、表面容易氧化锈蚀、对对偶件有较大的伤害。 3.2芳纶纤维复合材料的性能分析 芳纶纤维性能优秀，在摩擦材料中对孔隙率提高和噪音的降低具有显著的作用。芳纶纤维单独作用时不但没有玻璃纤维与碳纤维的脆性而且具有很高的韧性，是一种适于高负载、高速、高温状况下工作的增强材料。但是在制动条件下非常恶劣的情况下，摩擦材料表层的芳纶纤维会因为局部过热而致软化甚至融化，这会让芳纶纤维的性能降低，此时融化的物质会在摩擦材料的表层形成一层润滑膜导致材料摩擦系数会骤然降低。另外，在使用芳纶纤维前必须对其进行一个开松处理，这样其性能才能更好的发挥出来。 3.3玻璃纤维复合材料的性能分析 玻璃纤维属于无机非金属材料，具有良好的耐热性能、抗腐蚀性能、电绝缘性能，机械强度较高。丝状玻璃纤维具有很好的柔软性，强度也比较大，但是也存在一些缺点如耐磨性能较差、材质较脆等等。相对芳纶纤维、碳纤维其成本相对较低，产品非常的丰富，能满足各类摩擦材料的基本要求。石棉虽然具有优异的物理化学性能、抗拉强度高、耐热性能好等特点，但由于它具有致癌作用己经被各国禁止使用，而玻璃纤维具有与石棉相近的物理化学性能因此它将会成为替代石棉的首选材料并且玻璃纤维的工业化生产对人体无害，使其在摩擦材料中得到广泛的使用。研究表明：玻璃纤维摩擦材料具有良好的抗冲击性能和抗压缩性能。玻璃纤维对改善摩擦材料的磨损性能具有好的作用，然而有的研究也表明：玻璃纤维对温度和载荷等因素的变化表现很敏感。 3.4碳纤维复合材料的性能分析 碳纤维是有机纤维（聚丙烯腈纤维）在惰性气体中经高温碳化而得到的纤维状碳化合物，其化学组成中碳含量高达90%以上，密度比铝小、强度比钢大，具有极好的耐腐蚀和耐高温性能。碳纤维具有很高的弹性模量，可以增强基体，使摩擦材料具有良好的力学性能；同时碳纤维还具有类似石墨的层片状结构，使摩擦材料具有自润滑性能。碳纤维作为摩擦材料的增强纤维表现出了良好的综合特性，将碳纤维进一步碳化处理效果将更为理想，并且碳纤维与其它纤维混合使用也能获得较好的效果。碳纤维虽然优点很多但是其表面光滑很难与基体树脂有效的相结合在一起。为此我们在使用碳纤维前需要对其进行表面处理。 4.汽车刹车片的材料选定及其加工方法 4.1材料使用性能、工艺性能及经济性等因素分析确定终选材料 根据刹车片工作的条件和性能要求知，所选材料具有一个合适而且稳定的摩擦系数、合适的硬度、寿命要长即其磨损率要比较低、低磨屑毒性、较高的孔隙率、抗高温高速热衰退性能好、制动过程平稳、无噪音和一定的耐腐蚀性等特点。 一般情况下我们按照加工温度来区分汽车刹车片的生产工艺，大致可以分为以下三类：热压法、温压法和冷压法。目前国内外生产中应用最为广泛的工艺是热压法。 它的基本原理是：将模压料放置于加热后的模型中此时模压料中的树脂在热的作用下由固体变成液体然后再在一定的压力作用下迅速的流动充满整个型腔。最终液体树脂在乌洛托品的作用下进行交联反应，树脂的分子量不断增大，固化程度逐渐增高，模压料的粘度也逐渐增加，直至变成固体，最后脱模成品。 热压成型法虽然技术成熟但是也有自己的缺点对环境污染严重，产品密度大、孔隙率低，并且高温时摩擦系数通常伴有衰退现象，需使用特殊材料来解决；另外，由于热压法制得摩擦材料致密所以制动时噪音较大，对偶件的伤害也较大。因此，在工艺方面国内外很多研究已经转向温压法和冷压法。 现今研究比较多工艺是温压法工艺，即模压料在温度为100—130°C的温度下配合一定压力而得到的成型制品然后辅以一定的热处理的一种摩擦材料加工工艺方法。美国一篇专利[54]提到用温压法工艺制备树脂基复合摩擦材料，证明了温压工艺的可行性。华东理工大学于毅[57]对温压法制备制动摩擦材料也进行了研究，制备出的刹车片具有摩擦系数稳定、抗热衰退性能好、硬度低、磨耗低、发生制动噪音概率低的特点，并且在摩擦面压力为0.5--2.0MPa或摩擦盘线速度为28--112km/h的高速高压摩擦试验中，350°C时材料的摩擦系数依然能维持在一个较好的数值，整个试验过程几乎不发生热衰退现象。 冷压成型工艺相对与热压法和温压法其成型温度的要求较低，一般在室温或者稍微加热就可以。冷压成型工艺制备的摩擦材料具有摩擦性能好、密度低、孔隙率高等特点，尤其是当孔隙率高时其制动噪音会有明显的改善。冷压工艺成型的摩擦材料性能稳定性不好、质量也不容易控制，因此对于冷压的工艺一般还是试验研究阶段，工业化上还没有成功的列子。 综合以上考虑，最终我们选择碳纤维为增强纤维的摩擦材料。首先，碳纤维为增强纤维的摩擦材料能够达到低噪音、舒适性好、摩擦系数稳定、使用寿命长的优点。其次，随着碳纤维应用领域的扩大，生产的厂家必然增多那么其价格也将会下降。而摩擦材料所用的碳纤维是短切的，对于其性能要求没有用于航空的那么高，即可以使用其他领域的边角料，这样就使得成本降低很多可以为广大摩擦材料厂家所接受。 4.2提高所选材料碳纤维复合材料性能的途径 前面我们已经提到碳纤维虽然优点很多但是其表面光滑很难与基体树脂有效的相结合在一起。为此我们在使用碳纤维前需要对其进行表面处理。 对碳纤维表面处理以后其表面能就会增加，弱边界层也会得到增强，从而提高表面的粘结性和湿润性等性能。显著改善了碳纤维与基体树脂之间的界面粘接，界面层可有效的传递热量和载荷，充分发挥增强碳纤维的高模量、高强度和良好的导电特性。 碳纤维的表面处理目前主要有两大类，分别是氧化法和非氧化法。非氧化法主要有电聚合法、气相沉积法、聚合物涂层法、偶联剂涂层法、等离子体法、晶须生长法等。氧化法有气相法、液相法、气液相结合双效法、电化学氧化法。气相氧化是用氧化性气体或者直接用空气来氧化碳纤维的表面，从而引入一些极性基团比如羟基、羧基，使得其表面变的粗糙可以让它与基体树脂更好的结合。气相氧化法有以下几个优点：首先，反应设备简单；其次，反应时间短；最后，与碳纤维工业生产线衔接容易，可以实现连续处理。碳纤维在气相氧化过程中，随处理时间的延长和处理温度的升高，强度会有所损失，其他性能也会发生或多或少的变化，但只要其内部结构没有发生明显的变化，表面刻蚀程度和比表面积都会随之增加，这样将更有利于复合材料的界面结合。同时，化学状态的变化也会提高复合材料的综合力学性能。气相氧化也有其自身的缺点：在进行氧化反应时一般都是很激烈，很难控制其精确的反应温度，如果温度过高就有可能导致强度损失过大，如果温度过低就可能对其表面的处理不够，这些都会影响碳纤维复合材料的力学性能。液相氧化法相对与气相氧化法柔和很多，不会那么激烈。它主要就是将碳纤维浸渍在某种氧化性较强的溶液中，然后通过溶液的强氧化性来氧化刻蚀碳纤维的表面。液相氧化所使用的氧化剂种类很多，如过硫酸铵、高锰酸钾、浓硝酸、次氯酸钠和硫酸混合溶液等等。浓硝酸是液相氧化中研究较多的一种氧化剂，用浓硝酸氧化碳纤维，可以使其表面产生羟基、羧基和酸性基团，这些基团的含量都会随着氧化时间的延长和温度的升高而增多。 采用液相氧化法氧化后的碳纤维表面所含的沟壑和各种含氧极性基团增多，有利于提高纤维与树脂之间的结合。该法与气相氧化法相比有以下优点：氧化较为温和，不容易使碳纤维产生过度的裂解和刻蚀，在一定条件下含氧基团数量比气相氧化法要多，所以处理效果相对气相氧化法要好。但是液相氧化法需要用到的均为强碱或强酸及其盐类，对设备的腐蚀相当严重，对后续的环境污染也比较严重，因此很少用于工业化生产。 气液相结合的氧化法就是先对碳纤维进行一定情况的气相处理然后在对其进行液相处理。王彦明，王威强，李爱菊等人[42]证明先在450~500度热空气中氧化处理5h左右，冷却后在68%的浓硝酸中连续煮沸5 h左右，然后用去离子水清洗纤维表面5次，每次30min, 100度烘干所得到的碳纤维的表面处理情况最好，与树脂的结合也很好。 5.复合材料的未来发展趋势 随着社会的发展和人们生活水平的提高，汽车的普及率也越来越高。我国的汽车工业的迸发式增长，目前，我国汽车保有量曾经打破1亿辆，汽车保有量的不继提升，在给汽车后市场带来了无限商机，然而汽车刹车片是汽配中的易损件因此其发展前景是非常乐观的。但是现在人们对环境保护、节能减排的意以越?碓角浚饩投云瞪渤灯岢隽诵碌囊蟆Ｌ枷宋唤鼍哂刑妓夭牧系哪湍ズ妥匀蠡裕志哂刑沾刹牧系哪褪葱阅透呶乱约爸柿壳岬奶匦裕咕哂薪鹗舨牧系娜菀椎既鹊嫉缧缘忍氐恪Ｋ栽谄的Σ敛牧现欣煤锰枷宋艽锏浇谀芗跖拧⒈；せ肪车淖饔谩Ｈ欢杂谔枷宋幸恍┪侍夂托碌南窒笮枰徊教剿鳎憾允允匝橹猩渤灯囊恍┙缑妗⒍厦娼薪徊轿⒐鄯治觯褂芯褪侨绾味蕴枷宋啾砻娲淼奈露冉芯返目刂啤� 作为车辆制动系统的关键部件之一的汽车刹车片，其制动效果将直接影响汽车的安全性能。现今高性能汽车刹车片需要具备的基本要求是：具有一个合适而且稳定的摩擦系数、适合的硬度、寿命要长即其磨损率要比较低、低磨屑毒性、较高的孔隙率、抗高温高速热衰退性能好、制动过程平稳、无噪音价格适中等特点。因此，乘用车制动刹车片会朝着以下几个趋势发展：高速化、耐高温；低损耗、无噪音；舒适化、环保化。因此碳纤维的进一步研究发展对广阔的商业市场将具有深远的意义。 |
