熱重分析在汽車制動摩擦材料中的應(yīng)用

曠文敏，熊丹

（泰明頓摩擦材料技術(shù)（上海）有限公司，上海 201807）

熱重分析在汽車制動摩擦材料中的應(yīng)用

曠文敏，熊丹

（泰明頓摩擦材料技術(shù)（上海）有限公司，上海 201807）

采用熱重分析方法測試了摩擦材料用4種樹脂的熱失重特性，通過對比樹脂的在不同溫度下的質(zhì)量損失比例，優(yōu)選出耐熱性能最好的樹脂。對生產(chǎn)批次混合料進(jìn)行熱重分析并與標(biāo)樣進(jìn)行比對，通過比較兩者熱重曲線的變化趨勢以及質(zhì)量損失比例對送檢混合料做出了有效的質(zhì)量判定。對售后索賠摩擦片進(jìn)行熱重分析并與正常產(chǎn)品對比，通過比較兩者的質(zhì)量損失比例，追溯了索賠摩擦片的真實使用溫度，為故障的解決提供了有效的參考依據(jù)。

熱重分析；摩擦片；產(chǎn)品開發(fā)；制造過程；售后服務(wù)

CLC NO.: U465.4 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)10-157-04

前言

汽車制動摩擦材料是由纖維或晶須混雜增強(qiáng)，以粉末或鱗片狀氧化物，碳素物質(zhì)為摩擦調(diào)節(jié)劑，通過樹脂粘接成型的有機(jī)復(fù)合材料[1]。其通過熱壓成型、固化、燒蝕、尺寸加工等工序制備成所需外觀形狀的制動摩擦片[1,2]。摩擦材料的其主要功效是通過成型后的摩擦片與制動對偶（鑄鐵制動盤）的摩擦作用產(chǎn)生摩擦力矩來實現(xiàn)車輛的停車制動和駐車制動[3]。制動摩擦片的物化性能主要包括硬度、沖擊強(qiáng)度、壓縮率、PH值。摩擦性能主要包括摩擦系數(shù)、磨損率、熱衰退和恢復(fù)等[1]。為保證摩擦片的上述性能指標(biāo)的達(dá)成以及開發(fā)、生產(chǎn)過程中的質(zhì)量控制，多種測試手段和測試設(shè)備被應(yīng)用于摩擦片的開發(fā)和生產(chǎn)[4,5]。如采用洛氏硬度計測量摩擦產(chǎn)品的硬度，測試標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 5766-2007。采用簡支梁測試摩擦產(chǎn)品的沖擊強(qiáng)度，測試標(biāo)準(zhǔn)為GB5763-2008。采用壓縮率儀測試摩擦產(chǎn)品的壓縮率，測試標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 22311-2008，ISO 6310：2001。采用PH測試儀檢測摩擦產(chǎn)品的PH值，測試標(biāo)準(zhǔn)為JASO C458-86。采用定速摩擦試驗機(jī)或Link臺架測工機(jī)測量摩擦產(chǎn)品的摩擦系數(shù)、磨損以及熱衰退、恢復(fù)， 測試標(biāo)準(zhǔn)為GB5763-2008，QC/T 564-2008，ISO 26867。但上述測試設(shè)備和標(biāo)準(zhǔn)都只規(guī)定了對成型后的制動摩擦片進(jìn)行相關(guān)的力學(xué)、化學(xué)和摩擦性能的測試和評估。對摩擦材料混合料及壓制成型后摩擦片的熱性能的測試與評價則未能進(jìn)行相關(guān)的研究和定義。

為研究和評價摩擦材料以及壓制后摩擦片的熱性能，本文引入熱重測試分析方法并通過介紹熱重分析在摩擦材料的產(chǎn)品開發(fā)、制造過程以及售后服務(wù)三個方面的應(yīng)用實例來闡述該方法應(yīng)用于摩擦材料中的有效性和可行性。

1、熱重分析方法介紹

熱重分析（Thermo gravimetric Analysis，TG/TGA）是在程序控溫下測量待測物質(zhì)的質(zhì)量與溫度變化關(guān)系的一種技術(shù)。熱失重測試可以研究晶體性質(zhì)的變化，如融化、蒸發(fā)、升華和媳婦等物質(zhì)的物理現(xiàn)象，也可研究物質(zhì)的熱穩(wěn)定性、分解過程、氧化、還原、成分的定量分析、水分與揮發(fā)分、反應(yīng)動力學(xué)等化學(xué)現(xiàn)象[5]。

其數(shù)學(xué)表達(dá)式為[6]：

△W為質(zhì)量變化，△W=mo-mt，mo為起始時刻的質(zhì)量，mt為t時刻的質(zhì)量。

T是溫度，動力學(xué)分析時用絕對溫度 。

t是時間，一般單位為s，等溫時間過長時可用min或h。

熱重法測試得到的曲線稱為熱重曲線（即TG）， TG曲線以質(zhì)量mg（或百分率%）為縱坐標(biāo)，從上到下表示質(zhì)量減少。以溫度或時間作橫坐標(biāo)，從左至右表示增加。

在本文中采用的熱重分析（TGA）測試設(shè)備為：NETZSCH STA449 F5

測試條件如下：

保護(hù)氣氛：氮氣。氣流速率：30K/min。升溫速率：10K/min。試驗容器：氧化鋁坩堝，7*22mm。

2、熱重分析在摩擦材料產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用

熱重分析（TGA）在摩擦片產(chǎn)品開發(fā)中可作為評估原材料質(zhì)量的判定方法 .

酚醛樹脂是汽車摩擦片材料基體的主要組成部分，其熱性能的高低直接影響到摩擦片在制動摩擦熱量下摩擦系數(shù)的穩(wěn)定性和磨損量大小[7]。產(chǎn)品開發(fā)過程中選擇一種熱性能合適的酚醛樹脂對制備出滿足使用要求的摩擦材料來說非常關(guān)鍵。利用熱失重分析技術(shù)就可以準(zhǔn)確的測定酚醛樹脂在升溫或者恒溫過程中質(zhì)量的得失，從而獲取樹脂的熱分解數(shù)據(jù)，進(jìn)而得到使用該類型樹脂制備的摩擦片的基本熱性能[8]。

下文選取了4種摩擦片行業(yè)常見的酚醛樹脂進(jìn)行TGA測試并進(jìn)行相關(guān)的分析 。

酚醛樹脂A：純酚醛樹脂，低分子量。

酚醛樹脂B：純酚醛樹脂，高分子量。

酚醛樹脂C：純酚醛樹脂，中等分子量。

酚醛樹脂D：改性酚醛樹脂，高分子量。

圖1 樹脂熱失重測試曲線

通過圖1 可見，樹脂隨著測試溫度的升高，其質(zhì)量損失不斷增加。在不同的溫度段下其質(zhì)量損失各有不同， 見下表1。通過對比可以發(fā)現(xiàn)樹脂D在測試溫度800℃下質(zhì)量損失比例最小，耐熱性最好，樹脂D的質(zhì)量損失比例為46.62%。

表1 不同溫度下樹脂的質(zhì)量損失(wt%)

汽車摩擦片由于其裝配的車型不同， 其使用過程中制動速度、車輛載荷以及道路狀況也是千差萬別。因此在摩擦片材料開發(fā)前期對粘接劑樹脂的選擇必須全面合理的考慮其使用的狀況。如果汽車摩擦片需要在極限工況下工作，考慮制動過程中摩擦片表面的閃點溫度可以達(dá)到800-1000℃[9,10]，使用耐熱性最好的D樹脂作為摩擦片用粘接樹脂則是最優(yōu)的選擇。

熱重測試在摩擦片用原材料的開發(fā)應(yīng)用主要集中在有機(jī)類材料（樹脂、橡膠、摩擦粉、有機(jī)纖維）和部分無機(jī)類材料（碳素材料、無機(jī)纖維、水合化合物鹽）。通過測試和收集各類原材料的熱重數(shù)據(jù)可以較好的評判該材料的耐熱特性。開發(fā)人員可以根據(jù)各原材料的熱性能數(shù)據(jù)來優(yōu)化配方設(shè)計，通過選擇不同熱性能的原材料并調(diào)整其組成比例就可以得到實際所需熱性能的摩擦片。

3、熱重分析在摩擦片制造過程中的應(yīng)用

熱重分析（TGA）在摩擦片制造過程中可以作為制造過程中質(zhì)量監(jiān)控的檢測方法。

在某型號的制動摩擦片批次首樣件生產(chǎn)中，工人反饋按照正常生產(chǎn)工藝壓制的產(chǎn)品出現(xiàn)開裂、鼓泡問題，同時伴隨較高的產(chǎn)品壓縮率。分析團(tuán)隊抽取了問題樣件，按照人、機(jī)、料、法、環(huán)、測的思路分析產(chǎn)生該異常的原因。在確認(rèn)其他方面都沒有發(fā)現(xiàn)異常的前提下，對生產(chǎn)用混合料的質(zhì)量進(jìn)行了分析驗證。通過檢測發(fā)現(xiàn)該混合料的常規(guī)物理測數(shù)據(jù)包括松裝密度、篩分、酸堿度等都未能發(fā)現(xiàn)異常。分析團(tuán)隊決定對該問題混合料進(jìn)行了熱重測試并與前期標(biāo)準(zhǔn)混合料進(jìn)行對比。

對比測試數(shù)據(jù)如下圖2 ，其中“分析樣”為該問題混合料，“標(biāo)樣”為正常混合料。

圖2 分析樣與標(biāo)樣的熱重測試曲線（wt%）

由熱重分析對比圖2 可見，分析樣與標(biāo)樣的熱重測試曲線整體的變化規(guī)律基本類似，失重曲線的臺階與轉(zhuǎn)折點以及其對應(yīng)的測試溫度基本相同。分析樣與標(biāo)樣的不同之處在當(dāng)測試溫度在300℃-600℃區(qū)間內(nèi)，分析樣的質(zhì)量損失比率是標(biāo)樣的1～1.5倍之間。 如標(biāo)樣質(zhì)量損失比率為4.08%時， 分析樣的質(zhì)量損失比率為7.08%。 標(biāo)樣質(zhì)量損失比率為6.34%，分析樣質(zhì)量損失比率為10.22%。 分析樣與標(biāo)準(zhǔn)之間的質(zhì)量損失比率差異成一定的比例關(guān)系，其失重差異主要發(fā)生在測試溫度300℃～600℃之間。根據(jù)摩擦材料配方中組成物質(zhì)如樹脂、橡膠、金屬纖維、氧化物粉末填料的耐熱特性，分析人員推斷在送檢的分析樣中樹脂含量可能偏高，高含量的樹脂導(dǎo)致分析樣在熱重測試中300℃～600℃之間質(zhì)量損失比率出現(xiàn)偏高。生產(chǎn)車間根據(jù)此報告立即隔離該批次的混合料并啟動追溯分析以及質(zhì)量8D分析。 后續(xù)的追溯分析也證實了該分析推測。

由此可見，利用熱重分析方法計算出送檢混合料在各溫度區(qū)間的質(zhì)量損失比率并與前期積累的標(biāo)樣數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，可對送樣的混合料質(zhì)量做出正確的質(zhì)量判定。熱重測試分發(fā)擴(kuò)展了我們在生產(chǎn)制造過程中發(fā)現(xiàn)問題的手段，提高了我們對過程質(zhì)量監(jiān)控的能力。

4、熱重分析在摩擦片售后服務(wù)中的應(yīng)用

熱重分析（TGA）測試同樣可用于摩擦片售后服務(wù)中故障件產(chǎn)品的問題分析和原因追溯。

圖3 售后異常件圖片

某車型的4S售后服務(wù)點反饋售后車輛發(fā)現(xiàn)剎車片異常偏磨，同時伴隨有制動噪音。市場人員前往4S 服務(wù)點并帶回故障件摩擦片進(jìn)行技術(shù)分析。故障件外觀如下圖 3，摩擦片在外側(cè)圓弧角區(qū)域材料發(fā)白，同時酥松多孔，摩擦片中部出現(xiàn)熱裂紋。摩擦片左右出現(xiàn)不對稱的異常磨損。

分析人員觀察異常件外觀后推測該摩擦片在使用過程中摩擦面出現(xiàn)異常高溫，且持續(xù)時間較長,該異常使用工況（高溫）是造成摩擦面材料發(fā)白的主要原因[11]。為證實上述推測以及得到異常工況的溫度范圍。分析人員取故障件發(fā)白區(qū)域材料(圖3紅框處)進(jìn)行熱重分析。 其結(jié)果見圖 4。E為售后異常件表面材料的熱重曲線， F為正常產(chǎn)品表面材料的熱重曲線。

圖4 售后異常件E與正常產(chǎn)品F的熱失重曲線

如圖4可見，售后異常件E的熱重曲線與正常產(chǎn)品熱重曲線相比，整體變化趨勢類似。曲線的質(zhì)量損失平臺和對應(yīng)的測試溫度基本相同，當(dāng)測試溫度超過500℃后，熱重曲線的變化趨于相同。不同之處在于異常件E的整體質(zhì)量損失比正常件F的低，如1000℃時，E的質(zhì)量損失比率為25.4%，F(xiàn)的質(zhì)量損失比率為33.6%。對比觀察可以發(fā)現(xiàn)，其質(zhì)量損失比率的差異主要發(fā)生在測試溫度500℃之間。如圖4所示，500℃時E的質(zhì)量損失比率為5.24%，F(xiàn)的質(zhì)量損失比率為15.23%。當(dāng)溫度超過500攝氏度后，其質(zhì)量損失比率差異不大。分析可以推測E材料在本次分析測試前必定經(jīng)歷過稍低于500℃的工作溫度，該工作溫度對E材料產(chǎn)生熱的燒蝕和熱損失。所以在圖4所示的對比測試中E材料未出現(xiàn)如F相似的在250℃～500℃明顯的質(zhì)量損失，熱重曲線傾斜度不大。

根據(jù)摩擦片組成用原材料的熱特性，原材料中的粘接類基體樹脂、橡膠等材料在500攝氏度前會產(chǎn)生熱分解、失重、碳化，其失重效應(yīng)與F出現(xiàn)在250℃～500℃質(zhì)量損失效應(yīng)基本相同。結(jié)合異常件表面發(fā)白的形貌如圖3，分析人員推斷送檢的異常件摩擦片其工作摩擦面必定經(jīng)歷過較高的工作溫度，該異常高溫是由長時間的摩擦制動生熱產(chǎn)生[11,12]。此高溫導(dǎo)致摩擦片表面材料中的樹脂、橡膠隨高溫分解、灰化，造成表面發(fā)白，酥松[13]。摩擦產(chǎn)生的高溫聚集在摩擦片的中心區(qū)域，熱量不易散失且向縱深區(qū)域傳導(dǎo)并導(dǎo)致材料熱應(yīng)力開裂[14]。在隨后的摩擦制動過程中，粘接劑樹脂的分解和損傷導(dǎo)致摩擦片磨損偏大及不均勻磨損并伴隨異常制動噪音[15]。后續(xù)調(diào)查中該批次產(chǎn)品的出廠檢測數(shù)據(jù)后也未發(fā)現(xiàn)任何異常。綜合考慮制動對偶中摩擦片、卡鉗、制動盤的相對位置和工作原理后，分析人員發(fā)現(xiàn)卡鉗回位異常引起摩擦對偶的拖磨是此次異常的根本原因[16]。

5、結(jié)束語

本文通過應(yīng)用實例介紹了熱重分析(TGA)在汽車制動摩擦片的產(chǎn)品開發(fā)、制造過程質(zhì)量控制以及售后服務(wù)中的應(yīng)用。

1）在產(chǎn)品開發(fā)中采用熱重分析方法測試了摩擦材料用4種樹脂的熱失重特性,通過對比樹脂的在不同溫度下的質(zhì)量損失比例，優(yōu)選出耐熱性能最好的樹脂。

2）對生產(chǎn)過程中批次混合料進(jìn)行熱重分析并與標(biāo)樣進(jìn)行比對，通過比較兩者熱重曲線的變化趨勢以及質(zhì)量損失比例對送檢混合料做出了有效的質(zhì)量判定。

3）對售后索賠摩擦片進(jìn)行熱重分析并與正常產(chǎn)品對比，通過比較兩者的質(zhì)量損失比例，追溯了索賠摩擦片的真實使用溫度，為故障的解決提供了有效的參考依據(jù)。

當(dāng)然如能將熱重分析方法與其他分析方法如：差熱分析（DTA），差示掃描量熱法（DSC），激光閃光法(LFT)結(jié)合使用則能擴(kuò)展該分析的使用范圍與測試精確。

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TGA applied in auto braking friction material

Kuang Wenmin, Xiong Dan
( TMD Friction technology (Shanghai) Co., Ltd, Shanghai 201807 )

TGA method was applied to test the heat characteristics for 4 kinds of raw material resin which use on friction material. Optimize the best thermal performance resin by comparing the weight loss at different test temperature. TGA method was applied on production batch mixes quality check and compared with standard. Raise the effective quality evaluation after comparing the trend of TG curve and the mass weight loss.TGA method was applied on the after-sales compliant and service. After comparing the weight loss of complaining product and normal, trace the real applying temperature of complaining product and provide the effective evidence for trouble shooting.

TGA; braking pad; product development; manufacturing process; after-sale service

U465.4

A

1671-7988 (2017)10-157-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.10.055

曠文敏，男，(1982-)，碩士研究生，就職于泰明頓摩擦材料技術(shù)（上海）有限公司。主要從事汽車摩擦材料的研究和開發(fā)應(yīng)用。