汽車摩擦材料研究中常用測試方法的應用

張良 王迪 王焰孟 郭山 趙云霞

摘要：當前汽車制動法規、標準中對制動摩擦材料的要求有所提高，主要有高速、高溫制動性能;制動舒適性——無制動噪音、震動、制動平順;性能質量穩定一致等等。這些都要求必須加強汽車用摩擦材料的檢測。而采用怎樣的測試方法對汽車摩擦材料及其原材料的性能、結構進行表征和分析對于提高摩擦材料測試結果很關鍵。基于此，本文通過總結常用的幾種現代汽車摩擦材料測試方法，探討了紅外與拉曼光譜、X射線衍射、電子顯微鏡、激光共焦顯微鏡、原子力顯微鏡以及熱分析等現代測試方法在摩擦材料中的原材料結構、成分鑒定，性能分析，以及摩擦材料研究方面的應用。

關鍵詞：汽車摩擦材料;現代測試方法;摩擦性能。

1概述

隨著市場對汽車摩擦材料要求的不斷提高，目前迫切需要快速高效且經濟的摩擦材料檢測方法。文中介紹了紅外與激光拉曼光譜法、X射線衍射和X光小角散射法、透射電鏡、掃描電子顯微鏡、激光共焦掃描顯微鏡、熱分析等方法的原理，分析了其在摩擦材料及其原材料檢測、復合結構、摩擦界面、磨粒形態等方面的具體應用。通過對摩擦材料結構、摩擦表面、磨屑產物等的觀察和分析有助于研究人員把握其摩擦過程的具體變化，研究摩擦機理，進而設計出更好的摩擦材料產品。本文的目的是探討如何利用現代測試方法對汽車摩擦材料及其原材料的性能、結構進行表征和分析。

2常用測試方法

2.1紅外與激光拉曼光譜法

2.1.1紅外光譜與拉曼光譜的原理

紅外光譜是研究高聚物的結構及其化學與物理性質最常用的物理方法之一。紅外光譜和拉曼光譜統稱為分子振動光譜，分別對振動基團的偶極矩和極化率的變化敏感。紅外光譜為基團的鑒定提供最有效的信息，而拉曼光譜對研究共振高聚物骨架特征特別有效。紅外光譜的波長范圍是0.8--1000um，相應的頻率是12500-10cm-1（波數）。由于研究對象及實驗觀測的手段不同，紅外光譜通常劃分成三個部分，即近紅外區（波數為12500-4000cm-1）、中紅外區（波數為4000-200cm-1）和遠紅外區（波數為200-10cm-1）。中紅外區的光譜來自物質吸收光的能量后分子振動能級之間的躍遷，是分子振動的高頻吸收區;近紅外區為振動光譜的泛頻區;遠紅外區的光譜包括分子轉動能級躍遷的轉動光譜、重原子團或化學鍵的振動光譜以及品格振動光譜，較低能量的分子振動模式產生的振動光譜也出現在該區[1]。

2.1.2紅外與拉曼光譜在摩擦材料研究中的應用

在摩擦材料研究中，可以采用紅外光譜和拉曼光譜鑒定樹脂、橡膠、有機纖維以及其它有機類材料的化學結構和物理性質。通過對所選用的各種材料進行性質及成份上的鑒定，可以更有效的進行原材料篩選和配方分析。采用該方法可以了解材料的以下重要特征：（1）化學：結構單元、支化類型、支化度、端基、添加劑、雜質。（2）立構：順一反異構、立構規整度。（3）物態：晶態、介晶態、非晶態、晶胞內鏈的數目、分子間作用力、晶片厚度。（4）構象：高分子鏈的物理構象。（5）取向：高分子鏈和側基在各向異性材料中排列的方式和規整度。

2.2X射線衍射

2.2.1X射線衍射的原理

X射線是1895年由德國物理學家Roentgen發現的，也稱為倫琴射線。1912年Laue等發現了X射線的晶體衍射現象，并用實驗證明了晶體內部原子排列的周期性結構，使結晶學進入了一個新時代。使用一定波長X射線，若使用的是無規取向高聚多晶樣品，所得到的結果為許多同心圓環，又稱為Debye--Scherrer環。顯然只有X射線入射到面間距為d的原子面網（hkl），并滿足Bragg條件的特定φ角和2d=sinφ=nλ時才會引起n次反射。此時每個圓環代表一個面網（hkl），衍射圓軌跡為以入射X射線為軸，以2a為半頂角的圓錐。通過對衍射圓錐各衍射環的強度和位置進行測量可以得到所測材料的晶體結構，結晶度，材料類別等信息。

2.2.2 X射線衍射在摩擦材料研究中的應用

汽車摩擦材料所用的很大一部分填料為天然礦物，而不同產地的礦物形態、性能都相差甚遠，為了防止產品性能的波動，必需保證所用的材料的穩定性。而采用化學分析方法很難對材料的結構及性質做出鑒定。因此，在摩擦材料的原材料選用上，我們必需借助于X射線衍射分析所用礦物及有機材料的晶態結構，解理狀態，這對于原材料選用、控制以及探求礦物材料摩擦作用機理都是很重要的。通過對礦物結構的深入研究，可以更好的對原材料進行篩選和控制。特別是進行不同產地原材料替代時，我們需要詳細了解來自于各產地的材料在性質上相似性和差異，以設計恰當材料配比方案，維持配方的穩定。

2.3透射電鏡

2.3.1透射電鏡的原理

透射電鏡中，以電子速為光源，透鏡為電磁透鏡，其本質是一個通過直流電的線圈所產生的磁場，經過其磁場范圍的電子束因受到磁場力的作用而改變其運動方向和速度，從而像光束通過玻璃透鏡之后一樣，最終會聚到一個焦點上。加速電壓越大，則電子運動越快，故焦距較長。磁場力使電子束會聚，得到對應于被觀測點的放大的圖像，該圖像可直接觀察或拍照成為電鏡照片。

透射電鏡的樣品可以是很薄的薄片，稱為超薄切片。當電子束打在樣品上時，電子易透過，透過的電子稱為透射電子;而有的電子碰到原子核透不過而被散射，其運動方向和速度發生變化，這些電子被稱為散射電子。透射電鏡的原理就是利用透射電子和部分散射電子成像，其像顯示出不同的明暗程度即襯度。成像的襯度主要有振幅襯度和相位襯度，而振幅襯度主要包括散射襯度和衍射襯度。散射襯度是由于樣品對入射電子的散射而引起的，它是非晶態形成襯度的主要原因，主要取決于樣品各處參與成像的電子數目的差別，電子在試樣中與原子相碰撞的次數愈多，散射量就愈大。因此總散射量正比于試樣的密度和厚度的乘積，即試樣的“質量厚度”。當散射電子被物鏡光闌擋住而不能參與成像時，則樣品中散射強的部分在像中顯得較暗，而散射較弱的部分在像中顯得較亮。試樣中質量厚度低的地方，由于散射電子少，透射電子多而顯得較亮，反之，質量厚度大的區域則較暗。出于質量厚度不同形成的襯度稱為質厚襯度[2]。

2.3.2透射電鏡在摩擦材料研究中的應用

透射電鏡可用于觀察摩擦材料的多相體系相結構及界面。反映出材料在混合后各相的分布及填料被樹脂包覆情況。通過對材料進行觀察我們可以了解所添加的纖維及填料在基體中的分布，以幫助研究人員采用更合理的材料配比方案和制定更佳的工藝參數。通過對摩擦表面復型的觀察，可以得到摩擦表面粗糙峰起伏的圖像。通過摩擦表面粗糙度與摩擦系數的關系研究，有助于研究人員理解配方和摩擦性能之間的關系進而設計和改進配方。

2.4掃描電子顯微鏡

2.4.1掃描電子顯微鏡（SEM）的原理

掃描電鏡的成像是用二次電子和背散射電子成像。其圖像是按一定時間和空間順序逐點掃描形成，并在鏡體外的顯像管上顯示出來。掃描電鏡的襯度主要有兩種：

（1）表面形貌襯度：二次電子發射量的多少取決于樣品表面起伏的狀況，如電子束垂直樣品表面入射時，二次電子的發射量最少，而傾斜入射時，二次電子的發射量相對要多些。 SEM的襯度主要由樣品表面的凹凸決定，尖棱、小粒子和坑大邊緣對二次電子產率有較大的貢獻。

（2）原子序數襯度：二次電子發射量的多少同時也取決于元素的原子序數，序數高的元素產生的二次電子多，序數低的元素產生的二次電子少。掃描電鏡具有以下優點：①試樣制備方法簡便。②景深長、視野大：在放大100倍時，景深可達lmm;即使在放大1萬倍時，其景深還可達lum。③分辨率高：放大倍數低至幾十倍，高至幾十萬倍，仍可得到清晰的圖像。④可對試樣進行綜合分析和動態觀察：把掃描電鏡和X射線能譜微區分析及電子衍射等儀器相結合，可以在觀察微觀形貌的同時分析其化學成分和晶體結構。此外，可配備拉伸、彎曲、加熱或冷卻等試樣座，對試樣進行一系列動態現察。⑤可借助信號處理來調節圖像襯度，以增強圖像的立體感;也可以把幅度連續變化的信號處理成幾個固定的電平等級，以使圖像的層次分明、邊緣清晰。⑥掃描電鏡可以用軟片或極化相紙記錄圖像，也可以利用電荷輻合器件，通過計算機存儲數值結果，在實驗進行過程中實時了解圖像質量的優劣從而更進一步作圖像分析。

2.4.2掃描電子顯微鏡在摩擦材料研究中的應用

在材料的摩擦過程中，摩擦表面形貌直接反映材料的磨損、疲勞和腐蝕等特征行為，不同磨損過程后的磨損表面形貌差別很大，不同的摩擦表面狀態也會影響摩擦的性能。摩擦表面形貌是判定磨損機理最直接、最主要的判據。早期摩擦學研究中用放大鏡、金相顯微鏡、體視顯微鏡等觀測表面形貌。但這類儀器放大倍數低，分析效果差。20世紀70年代中期開始出現的以掃描電子顯微鏡為代表第二代顯微觀測技術將表面形貌的研究引入了一個新階段。電子掃描的圖像清晰、有立體感，放大倍數范圍寬。同時衍射技術和能譜分析可用于分析摩擦過程中表層結構的變化。將電子束、X射線等照射到被測表面，之后測量所獲得的衍射線的直徑面間距，并與標準物質相比較，可根據這些數值鑒別待檢測的物質。當用電子照射試樣表面時，表面受到激發而產生的是俄歇電子。俄歇能譜儀是通過電子束使表面激發而產生二次放射電子。收集這些電子進行能譜分析就能夠研究摩擦表面上二三層原子厚度內的組織變化。這樣就可以實現對摩擦表面形貌，結構和化學成分進行全面的分析，這將在摩擦性能、磨損機理研究中起到重要的作用。

2.5激光共焦掃描顯微鏡

2.5.1激光共焦掃描顯微鏡的原理

激光共焦掃描顯微鏡采用共軛焦點技術進行成像，采用激光為光源，使光源、被測樣品及探測器處在彼此對應的共軛位置上，激光束從光源針孔射出，由光源透鏡變為平行光，經過分光鏡，再由掃描透鏡聚集于樣品表面，對樣品內焦平面上的每一點進行掃描，然后激發出的熒光或者反向的激光束經由光電倍增管探測收集，并將信號采集輸入到計算機進行成像。在此過程中，只有來自樣品內焦平面上的光才能在探測針孔處是離焦的，將被探測針孔濾除，因此，非觀察點的背景呈黑色，反差增加，成像清晰。輔助于計算機圖像處理技術，可獲得高分辨率的摩擦表面三維圖像。

2.5.2激光共焦掃描顯微鏡在摩擦材料研究中的應用

摩擦面的表面形態是研究摩擦磨損的重要指標。在摩擦材料研制中采用該設備不但能用于對摩擦表面三維形貌進行分析，還能對磨粒的形貌進行分析。在汽車摩擦材料的摩擦過程中，磨粒對摩擦的貢獻占有很重要的地位，是磨擦、磨損過程中的重要信息載體和磨損機理判據。磨粒是由于摩擦副表面相對運動，并與界面介質和環境氣氛的相互作用，經歷一系列摩擦學過程，導致表面磨損形成的產物，含有豐富的關于材料表面摩擦、磨損的信息，其數量、大小、形狀、顏色、形貌及結構特征等與磨粒產生時的系統及材料的磨損方式密切相關。通過使用該設備對磨粒的形貌研究，能獲得能夠反映摩擦學系統時變特征的系統輸出變量，確定摩擦副系統特性。

2.6原子力顯微鏡

2.6.1原子力顯微鏡（AFM）的原理

原子力顯微鏡是通過將探針裝置在一個對于微弱力作用非常敏感的微懸臂上，并使探針的針尖與試樣表面原子輕微地接觸。通過壓電陶瓷控制試樣或探針在X，Y方向掃描運動，使探針在試樣表面上的相對位置改變。由于試樣表面形貌的高低起伏，將使微懸臂自由端隨著表面起伏而上下變形。通過用隧道電流或者激光光束檢測微懸臂自由端在Z方向的變形位移，就可以根據微懸臂的彈簧剛度實現對探針尖端原子與試樣表面原子之間作用力的測量，并得到試樣表面形貌圖像。

2.6.2原子力顯微鏡在摩擦材料研究中的應用

描述摩擦的摩擦學模型如大尺寸分子動力學模型，速率狀態模型，微彈性體模型，都是建立在對摩擦表面細微狀態的觀察和推測基礎上的。原子力顯微鏡的發明使得這種研究從理論推測變為真實的觀察，因為對于粗糙表面來說，摩擦力的大小主要由表面粗糙度決定。該設備不但可用于表面原子級形貌檢測，由于它在測量中對力的極為敏感的性能，還可以測量表面納米尺度范圍內的力學性質，例如微彈塑性變形、微硬度、接觸面積，以及探針與試樣間的范德瓦爾力或粘著力等等。對于納米摩擦學研究特別有意義的是：如果將原子力顯微加以改進，采用光學或其它檢測方法測量微懸臂自由端的橫向彎曲位移，還可以在原子尺度上測量摩擦力。有助于精確的從形貌機理上研究摩擦過程。

2.7熱分析

2.7.1熱分析的原理

熱分析是指用熱力學參數或物理參數隨溫度變化的關系進行分析的方法。熱分析技術主要用于反映物質的相變，如通過差示掃描熱法和差熱分析研究玻璃化轉變行為、熔融行為和結晶動態以及礦物晶體的結構變化。通過控制溫度變化速率，熱分析可以將樣品性質變化的速率通過調節樣品的溫度來控制;熱分析聯用技術的發展將提供更為全面、動態和微觀的信息。

2.7.2熱分析在摩擦材料研究中的應用

復合材料在摩擦時，把摩擦功轉化為熱能，其中聚合物受到摩擦熱的影響將產生性質上的變化，從而改變摩擦表面狀態。通過分析材料在熱狀態下的變化進而可以推知其在不同溫度下的摩擦特性。通過差示掃描熱法和差熱分析可以研究有機類材料如樹脂和橡膠等的玻璃化轉變行為、熔融行為和結晶動態。采用動態力學分析和熱介電分析表征力學松弛和分子運動對溫度或頻率的依賴性。其具體應用包括：（1）摩擦材料中有機物的玻璃化轉變以及熔融行為;（2）摩擦材料中有機物的熱分解或裂解以及熱氧化降解;（3）摩擦材料固化成型過程中釋放揮發物的固態反應及其反應動力學研究;（4）摩擦材料對水、揮發組分和灰分等的定量分析;（5）摩擦材料物相組成、形態以及相互作用的研究。

3結語

摩擦材料摩擦性能的好壞直接影響汽車的安全性能，因此，加強摩擦性能的檢測，提高產品的質量十分重要。對摩擦材料的性能測試方法有很多，本文主要介紹了紅外與拉曼光譜，X射線衍射，電子顯微鏡，激光共焦顯微鏡，原子力顯微鏡以及熱分析等現代測試方法在摩擦材料研究方面的應用。

參考文獻：

[1] 張俐娜，陳小平等.高分子物理近代研究方法[M].武漢大學出版社.2006.

[2] 任鋼.汽車用紙基摩擦材料國外研究進展[J].汽車技術，2014（11）：16-19.

[3] 石志剛. 汽車用摩擦材料測試設備及發展趨勢[J].中國設備工程，2017（18）：106-109.

[4] 田勇，趙繼昌，蘇廣平.汽車摩擦材料物理特性測試體系與試驗方法[J].中國科技信息.2015（04）：109-112.

[5] 趙小樓.汽車摩擦材料的研究現狀與發展趨勢[J].潤滑與密封.2016（08）：173-176.