汽車摩擦材料固體潤滑劑的研究進展

種詳遠，甄明暉,，仇溢

(1.山東金麒麟股份有限公司，山東德州 253000；2.濟南金麒麟剎車系統有限公司，山東濟南 250000)

汽車摩擦材料固體潤滑劑的研究進展

種詳遠1，甄明暉1,2，仇溢2

(1.山東金麒麟股份有限公司，山東德州 253000；2.濟南金麒麟剎車系統有限公司，山東濟南 250000)

綜述了當前汽車摩擦材料固體潤滑劑的摩擦特性和應用情況，闡述了不同固體潤滑劑的潤滑機制，指出了今后汽車摩擦材料固體潤滑劑的研究方向。

摩擦材料；摩擦層；固體潤滑劑；潤滑機制

0 引言

汽車摩擦材料主要分為盤式制動片和鼓式制動片，通常是由黏結劑、增強纖維、增摩劑、潤滑劑和空間填料等10種以上的原材料組成[1]。

一般摩擦材料初始性能不佳，摩擦因數穩定性低，磨合之后，摩擦表面形成穩定摩擦層，摩擦因數穩定性得以提高。摩擦層是由主、次支撐平臺組成，主支撐平臺是摩擦材料表面的增強纖維和硬質顆粒微凸點，次支撐平臺是磨合時微凸點周圍鉚釘的磨屑[1-3]。摩擦層并不連續，且厚度較薄，但是對降低磨損、提高制動壽命和噪聲性能具有重要作用[1-3]。

摩擦材料初始性能不佳是由于初始盤片表面粗糙，真實接觸是表面微凸點的齒合。真實接觸面積相比名義接觸面積很小，僅為15%～20%[4-7]；磨合之后摩擦層形成，真實接觸面積增大，接觸界面穩定性提高，制動性能提高。摩擦對偶件間的界面穩定性，尤其是摩擦層的穩定性對提高制動性能具有關鍵性的作用。

潤滑劑是摩擦材料的主要成分之一，通常具有較低的莫氏硬度，因為能夠降低摩擦因數提高耐磨性也被稱為減摩材料或者減磨材料。潤滑劑剪切強度低，對摩擦層的形成具有重要作用，目前研究和使用的固體潤滑劑主要包括碳素類固體潤滑劑、金屬硫化物、其他無機潤滑劑、聚合物類潤滑劑、軟金屬和納米材料。

1 固體潤滑劑種類

1.1 碳素類固體潤滑劑

摩擦材料常用的碳素類材料主要有鱗片石墨、合成石墨、焦炭粉和炭黑等[8]。此外，在高性能配方中碳纖維也有應用。

鱗片石墨是六方晶系呈層狀結構的天然顯晶質石墨，具有良好的潤滑效果，廣泛應用在汽車摩擦材料中。合成石墨具有穩定的潤滑效果，是汽車摩擦材料中另一個常用潤滑劑，它具有微孔結構，對改善熱衰退、降低制動噪聲有一定的效果。合成石墨的顆粒大小對摩擦性能有一定影響，常用顆粒粒徑大小為20～80目[8-9]。

焦炭對比天然石墨和人造石墨的層狀結構規則性差，潤滑作用差，壓縮性能低。摩擦材料中常用的焦炭是石油焦炭，其中煅燒石油焦炭結構疏松，質地較軟，能降低制動噪聲，常用粒徑為20～80目[8-9]，粒徑大的效果更好。碳纖維導熱和耐熱性好，碳纖維增強摩擦材料的摩擦磨損性能優良[10]，但是目前價格昂貴，更適用于一些高端配方。

1.2 金屬硫化物

常見金屬硫化物包括MoS2、SnS、SnS2、Sb2S3、FeS、FeS2、WS2、MnS、CuS、CrS、 ZnS和合金硫化物等。許多金屬硫化物因為具有類似石墨的六方層狀結構，具有良好的固體潤滑效果，其中常見硫化物中層狀結構的硫化物有MoS2、SnS2、FeS、WS2、CrS和ZnS等[11-13]。

層狀結構的硫化物中，MoS2是文獻報道最多的，在很多應用領域中具有優良的性能[14]。對于FeS，在潤滑膜方面研究較多，它和MoS2潤滑膜層的研究應用最為廣泛[15]。SnS2是目前在汽車摩擦材料中應用廣泛且頗具前景的硫化物。FeS和FeS2在摩擦材料中都有應用，但是兩者的作用機制存在很大的區別。FeS為六方層狀結構，具有良好潤滑效果；FeS2是立方晶體結構，不具有潤滑性[16]，FeS2在摩擦高溫條件下吸收材料周邊空氣中的氧氣造成局部缺氧，可保護基體樹脂。WS2也是一種摩擦材料常用潤滑劑，它也具有類似石墨的層狀結構，潤滑溫度比MoS2更高。WS2晶系中層與層之間的結合力很弱，在摩擦時很容易沿分子力結合面滑動[17-18]。

但是并非所有硫化物都是因為具有層狀結構才產生潤滑效果，一些軟金屬的硫化物例如Sb2S3、MnS、CuS和SnS不具有層狀結構，但是也作為潤滑劑在摩擦材料中使用[13]。Sb2S3是摩擦材料中應用最廣泛的硫化物之一，它可改善摩擦磨損性能是由于高溫時氧化產生的類燒結作用。文獻[19]中的研究表明：Sb2S3在300～430 ℃會氧化成Sb2O5和Sb2O3，在570 ℃會進一步氧化成Sb2O4，這種氧化產生的類燒結會在一定程度上抵消樹脂高溫分解產生的衰退，維持高溫系數的穩定性。文獻[20-21]中的研究表明：Sb2S3高溫下能保持較好的穩定性，一定程度驗證了Sb2S3的類燒結作用機制。盡管Sb2S3目前仍被廣泛使用，但是氧化產生的Sb2O3具有致癌性嫌疑[22]，應引起足夠的重視。

1.3 其他無機潤滑劑

無機潤滑劑除了包括碳素類潤滑劑、金屬硫化物，還包括六方氮化硼h-BN、氧化鉛PbO、氧化鋅ZnO和氟化物等。

h-BN顏色呈白色，有“白石墨”之稱，與石墨具有類似的層狀晶體結構，具有優良的潤滑特性[23]。在所有的層狀固體潤滑劑中，WS2、PbO和h-BN高溫潤滑性能更好[14]。文獻[24]中的研究發現：h-BN在一些應用中的潤滑效果優于目前常用的硫化鉬和石墨。文獻[25]中的研究發現：h-BN在樹脂基摩擦材料中具有較好的摩擦性能，溫度高于125 ℃時具有良好的抗磨性能。h-BN除了具有較寬的潤滑溫度范圍，同時還能夠改善制動落灰、提高清潔性，在汽車摩擦材料中的應用性應引起足夠的重視。PbO因為具有環境危害，國外法規中已經限定其應用，在摩擦材料中并不具備實際的應用價值。ZnO是一種良好的高溫潤滑劑，其納米顆粒潤滑效果更佳[26]。

氟化物固體潤滑劑主要包括BaF2、CaF2和稀土氟化物等。氟化物潤滑劑的顯著特點是高溫潤滑性，BaF2和CaF2在500～900 ℃的高溫不被氧化且具有良好的潤滑效果[27]。文獻[28]中在對CaF2和碳纖維的研究中發現：CaF2和碳纖維在摩擦過程中產生了協同作用，CaF2高溫高壓條件生成了含鈣的轉移膜，使復合材料具有優異的自潤滑性能。稀土氟化物是另一類高溫潤滑劑[29]，稀土元素是一種神奇的元素在很多材料中起到獨特的作用[30]，在汽車摩擦材料中具備一定的探索價值。

1.4 聚合物類潤滑劑

聚合物類潤滑劑包括聚合物和聚合物基復合材料，其中PTFE的潤滑性能優良，是各種場合下廣泛應用的一種主要的固體潤滑劑[31]。PTFE的分子間力很弱，容易滑動，易在摩擦對偶表面形成轉移膜[31-32]。PTFE自潤滑摩擦因數很低，潤滑溫度也較低，最高潤滑溫度約為260 ℃[14]，可滿足駐車制動器和輕型車鼓式制動器用。單一PTFE無法完全承擔汽車摩擦材料潤滑劑的使用要求，但是通過與其他潤滑劑組合可改善綜合的摩擦性能[33]。

1.5 軟金屬

許多軟金屬在一定條件下具有良好的潤滑效果，軟金屬具有潤滑性是由于剪切強度低、韌塑性好。在眾多軟金屬中，錫、鋅和銅在汽車摩擦材料中最具實用價值，其中對銅的應用和研究是最廣泛的。

銅具有良好的導熱性和耐磨性等優點，常用于粉末冶金摩擦材料中[34-35]，在樹脂基摩擦材料中也被廣泛使用。文獻[36]中的研究發現：銅粉提高半金屬摩擦材料在中高溫的摩擦因數，改善抗熱衰退性和穩定性，降低中溫磨損率。文獻[37]中在NAO配方體系下對銅粉和銅纖維研究表明：兩種形態的銅對摩擦磨損的影響不同，但是都能提高摩擦性能。文獻[34]中通過透射電鏡分析觀察到摩擦層的銅納米顆粒，認為銅對摩擦層的形成十分重要。但是，銅具有生態污染性，美國環保法規已經對汽車摩擦材料中銅的使用做出限定[38]。

1.6 納米材料

對比微米級材料，納米材料增加材料的耐磨損能力突出，但對沖擊性能的提高并不顯著[39]。納米顆粒對比微米顆粒，磨損機制發生變化，由嚴重的磨料磨損變為輕微的黏著磨損，納米顆粒起到潤滑劑作用[40]。納米顆粒還具有獨特的“微型球軸承效應”，使摩擦由滑動摩擦變為滾動摩擦，從而起到潤滑作用[41]。

納米材料在潤滑油脂中的應用研究較多，在汽車摩擦材料應用方面研究報道較少。盡管有研究表明納米材料具有良好的摩擦性能，但是其比表面積大，易團聚，所需包覆樹脂量多，在汽車摩擦材料中的實際應用還需進行更多的研究探索。

2 結束語

目前，關于固體潤滑劑的研究已經從單一固體潤滑劑的研究向多固體潤滑劑組合使用轉化。多種固體潤滑劑組合使用，實現不同固體潤滑劑的協同效應，能夠得到更佳的潤滑效果和更寬的潤滑溫度范圍。

摩擦材料其他組分與潤滑劑相互作用研究也正逐步深化。其他組分與潤滑劑的相互作用研究包括增強纖維與潤滑劑、增摩劑與潤滑劑等。

汽車摩擦材料的基礎研究和應用研究存在二元化問題?；A研究尤其是機制研究集中在科研機構，分析測試多采用小樣試驗，小樣試驗與真實制動差異較大，研究結果并不能完全反映真實制動摩擦特性。應用研究集中在制造商，制造商擁有專業模擬真實制動的臺架試驗機、測試程序和成熟的研究配方，但是分析手段有限，往往缺乏對機制的深入研究。在未來的研究中，如果能將兩者結合，汽車摩擦材料的研究包括汽車摩擦材料固體潤滑劑的研究將進入更高階段。

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Development of Research on Automotive Friction Materials Solid Lubricants

CHONG Xiangyuan1,ZHEN Minghui1,2,QIU Yi2

(1.Shangdong Gold Phoenix Co., Ltd., Dezhou Shandong 253000, China; 2.Jinan Gold Phoenix Brake Systems Co., Ltd., Jinan Shandong 250000, China)

Friction characteristics and applications of automotive friction materials solid lubricants were reviewed. The different lubricating mechanisms were described, and the research orientation in this field was predicted.

Friction material; Friction layer; Solid lubricant; Lubrication mechanism

2016-10-31

種詳遠(1985—)，男，碩士，研究方向為汽車制動摩擦材料。E-mail：chongxy@chinabrake.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.04.021

TH117；U473.4

A

1674-1986(2017)04-079-04