汽車剎車片中的陶瓷基摩擦材料研究

馮柯

福建省產品質量檢驗研究院 福建省福州市 350002

1 引言

近年來，我國汽車工業得到蓬勃發展，呈現出輕量化、高壽命發展趨勢，在汽車行駛速度明顯提升的同時，對汽車制動能力、剎車片材料性能提出了更高要求，原有剎車片材料的性能有待提升，沒有滿足汽車制造需要。與此同時，陶瓷基摩擦材料在汽車制造領域中展露出廣闊的應用前景，是汽車制動摩擦片的首選材料，也是滿足現代汽車高速行駛、舒適與安全等方面要求的關鍵。

2 陶瓷基摩擦材料概述

2.1 陶瓷基摩擦材料含義

陶瓷基摩擦材料是由陶瓷纖維、少量金屬、不含鐵填料物質以及粘接劑等原料制備形成，屬于一種全新品種的摩擦材料，也可將其視作為一種以陶瓷組分為主、著重突出陶瓷性能的一種摩擦材料。相比與傳統類型的汽車剎車片，陶瓷剎車片有著無噪音、不會腐蝕輪轂、節能環保、使用壽命長、硬度高、耐高溫的性能優勢，一般情況下，在汽車總里程不超過10 萬km 時無需更換陶瓷剎車片，而傳統剎車片的使用壽命一般在5萬km 以內。

2.2 陶瓷基摩擦材料種類

現階段，在汽車制造過程中，應用最為常見的陶瓷基摩擦材料為兩種，分別為C/C-SiC 復合材料以及AlO材料，不同類型陶瓷基摩擦材料的性能、使用壽命、制造成本存在明顯差異，應按照汽車制造要求加以選擇。

第一，C/C-SiC 復合材料是以碳化硅與碳纖維增強碳為基體制作而成，最早出現在上世紀末，兼備陶瓷與碳纖維增強體材料卓越的熱穩定性能、力學性能與化學性能，并具有良好的環境適應能力，這也是早期C/C 復合材料不具備的。同時，C/C-SiC 材料也存在著摩擦性能穩定性差、低速條件下摩擦系數過高、易出現粘著反應、高能載剎車時的制動平穩性差等缺陷，需要對材料配合比方案與制造工藝加以改進，如添加適量的Ti 組分來控制殘余Si 相含量、添加Fe 粉來強化材料摩擦磨損性能、選用新型熔融SI 與Cu 浸滲工藝。

第二，AlO材料是以氧化鋁為基體制成的一種陶瓷基摩擦材料，有著抗高溫、化學穩定性強、原料來源廣泛、耐磨損的性能優勢，具備大規模工業生產條件。同時，國內各家汽車制造企業對氧化鋁基陶瓷摩擦材料廣泛開展研究工作，材料性能得到明顯改善，如在氧化鋁陶瓷中加入適量CrO和SiO材料可以降低燒結溫度、將鈦酸鉀晶含量控制在10%時取得最佳力學性能與摩擦磨損性能。

3 陶瓷基摩擦材料的性能

3.1 陶瓷基摩擦材料制備

為保證材料性能測試結果具備實際參考價值，需要制備陶瓷基摩擦材料作為試樣，開展一系列性能測試。首先，以200 目電廠粉煤灰廢渣作為陶瓷組分，使用PF6530A 型改性酚醛樹脂為粘接劑，使用AlO含量在95%以上且直徑為3-5μm 的氧化鋁纖維為增強相，使用ZrO與YO總含量超過95%且直徑為5-8μm 的氧化鋯纖維為增強相，使用黑色粉末狀二硫化鉬、白色粉末狀冰晶石、60 目石墨粒為調節劑，粉煤灰化學組分以AlO與SiO為主，含量分別為38.04%與49.43%。隨后，使用電子天平、裁樣機、干燥箱等設備，選取冷壓成型-熱壓固化組合工藝，依次開展涂料、混料、冷壓成型、熱壓固化、熱處理與后處理作業，即可完成陶瓷基材料制備作業。

3.2 物理性能

為測試陶瓷基摩擦材料的物理性能，先后開展密度測試與孔隙率測試試驗。其中，在密度測試環節，可選用阿基米德排水法，將試樣經過超聲清洗與干燥處理后，在表面涂抹凡士林和計量空氣中試樣質量，向燒杯中注入蒸餾水并記錄水位、質量，將試樣放入燒杯中，使試樣完全浸泡在蒸餾水內，對比試樣放入前后的燒杯水位值與總質量，以此來計算試樣密度，試驗結果表明，陶瓷基摩擦材料的密度較小，遠低于含有金屬的剎車片制作材料。而在孔隙率測試環節，采取油浸法，預先測量試樣規格尺寸與記錄體積，使用天平秤量試樣質量，將試樣懸浸在盛滿工業齒輪油的水槽內，將齒輪油加熱至90℃-100℃后放置8h，始終保持恒定溫度，到達時間后取出試樣放入室溫油液內浸泡12h，隨后取出試樣，擦拭表面油污后稱重記錄，再將室溫齒輪油注入量筒測量密度，從而計算試樣孔隙率。根據試驗結果，表明陶瓷基摩擦材料的孔隙率較大，原因在于這類材料表面存在大量孔隙。

3.3 力學性能

為測試陶瓷基摩擦材料的力學性能，需要開展硬度測試和壓縮強度測試試驗。其中，在硬度測試環節，使用XHRD-150 型洛氏硬度計等儀器設備來測量材料硬度，對各組材料測定5-6 次，在試樣表面均勻布置測試點，取各次測試結果的平均值作為最終硬度值，從而判斷材料表面抵抗硬物壓入時的塑性變形能力，根據試驗結果表明，陶瓷基摩擦材料的硬度為90HRL，稍低于樹脂基等含有較多重金屬的剎車片材料，但滿足汽車剎車片性能要求，不會因硬度過高而在汽車制動期間產生噪音。在壓縮強度測試環節，使用活塞驅動卡鉗將制動盤夾緊，由摩擦材料與對偶盤在接觸過程中產生摩擦力，致使車輛減速、靜止，同步觀察試驗期間陶瓷基摩擦材料的表面情況，如是否出現表面崩缺、形成裂縫或是制動失效的現象，重復開展多次試驗，使用液壓式萬能試驗機測試材料壓縮強度。

3.4 摩擦磨損性能

在摩擦磨損性能測試環節，可使用D-MSN 型定速試驗機，將試驗參數設定為1225N 載荷、480r/min 轉速，將各組試樣的摩擦表面溫度保持為100℃、150℃、200℃與250℃，啟動試驗機轉動5000 轉，測定各組試樣摩擦力與記錄厚度變化情況，從而獲取體積磨損率，判斷陶瓷基摩擦材料的摩擦磨損性能。根據試驗結果表明，陶瓷基摩擦材料的摩擦磨損性能明顯強于樹脂基等類型的剎車片材料，在200℃時的摩擦磨損性能最為優異，其原因在于，陶瓷基摩擦材料有著卓越的高溫粘合能力，含有大量無機、有機材料，在高溫條件下仍可保持表面光滑狀態，快速形成轉移膜與摩擦膜，憑借膠狀體將各類材料粘合為一體。相比之下，樹脂基材料在高溫條件下會出現分解現象，表面形成油狀物，進而導致剎車片出現混合摩擦問題，摩擦系數穩定性較差。此外，為更為深入、準確的判斷陶瓷基摩擦材料的摩擦磨損性能，在摩擦磨損性能測試完畢后，可以使用MLA650型電子顯微鏡等儀器設備，細致觀察陶瓷基摩擦材料表面機理與磨損程度。

4 汽車剎車片中陶瓷基摩擦材料的應用策略

4.1 應用強韌化技術

相比于金屬材料，雖然陶瓷材料有著較高的強度硬度與良好耐高溫性能，但單一陶瓷材料的脆性較大，塑性與變形能力有所不足，限制了陶瓷基磨損材料在汽車剎車片領域中的應用。因此，為改善材料性能，重點強化材料韌性，需要應用到纖維增韌技術或是顆粒增韌技術，具體如下。

第一，纖維增韌技術是在陶瓷基復合材料中添加適量的纖維材料，在陶瓷材料處于斷裂過程時，纖維材料將起到吸收部分斷裂時產生能量、在裂縫尖端部位形成全新表面、抑制裂紋擴展的作用。同時，需要重點考慮纖維材料對陶瓷基材料整體性能造成的影響，應根據材料強化要求來選擇纖維種類，當前常用的增強纖維包括礦物纖維、金屬纖維、C纖維、沉積層碳纖維等。例如，使用沉積層碳纖維作為增強材料，可以改善氧化鋁陶瓷材料的斷裂韌性與提高抗彎強度。而在使用氧化鋁纖維來制備莫來石-氧化鋯復相陶瓷材料時，可以針對性改善陶瓷基材料在常溫條下的熱震穩定性能與提高抗析強度。

第二，顆粒增韌技術由彌散顆粒增韌、納米顆粒增韌、延性顆粒增韌三種方法組成。其中，彌散顆粒增韌是使用碳化物等顆粒與基體材料失配來形成增韌機制、提高材料韌性。納米顆粒增韌是通過調整第二相顆粒尺寸等級、增加晶界數量和細化材料晶粒來實現增韌目的，如在Al2O3 陶瓷中添加5%含量Ni3Al 納米顆粒來細化陶瓷，可以提升150%左右的抗彎強度，以及提升30%-35%的斷裂韌性。延性顆粒增韌是在基體材料中添加適量Fe 顆粒、Al 顆粒或是Ag 顆粒，這類延性顆粒在陶瓷剎車片出現塑性變形現象或是形成裂紋時可以吸收部分擴展能量、改變裂紋擴展方向，如在ZrB2-SiC 陶瓷材料配比中添加少量碳黑顆粒來改善材料抗熱沖擊性能與提高韌性。

4.2 改進陶瓷基摩擦材料的配合比方案

陶瓷基摩擦材料配合比方案對材料性能造成直接影響，如果配方設計不當，會削弱陶瓷剎車片整體性能與縮短使用壽命，存在安全隱患。因此，在應用陶瓷基摩擦材料時，必須掌握單一陶瓷纖維、混雜纖維比例、混雜纖維含量三項要素對材料性能造成的具體影響，對材料配方進行優化改進。

單一陶瓷材料有著韌性差的特點，雖然可采取纖維增韌、顆粒增韌技術來提高材料韌性，但實際提升幅度有限，需要確定纖維品種與用量，進一步改善陶瓷基摩擦材料的整體性能。例如，在單一使用氧化鋁纖維來增強陶瓷基摩擦材料時，未添加氧化鋁纖維的材料表現為組分分布均勻、部分孔洞小顆粒被粘接劑堵塞，在添加10%-20%質量分數的棒狀氧化鋁纖維時，材料表現為無序均勻分布、纖維與基體結合良好的情況，而在添加25%質量分數氧化鋁纖維時，在纖維團聚部位形成裂縫，纖維與基體結合效果不佳，因而單一氧化鋁纖維的用量比例應控制在10%-20%范圍內。

為突破單一陶瓷纖維材料的局限性，如氧化鋯纖維摩擦系數波動過大、氧化鋁纖維耐磨性差與高溫條件下出現熱衰退現象，可以在陶瓷基摩擦材料中同時加入多種纖維材料，起到混雜互補作用，但需要嚴格把控混雜纖維比例。例如，從物理性能角度出發，當混雜纖維總含量為25%時，氧化鋯與氧化鋁纖維添加比例不會對密度、孔隙率造成明顯影響，孔隙率保持在4.0%-4.5%以內，密度值保持在1.90-2.00 范圍內，相差甚微。而從力學性能角度來看，可以將材料硬度值保持在90HRL 左右，壓縮強度波動系數較大，在氧化鋯與氧化鋁纖維比例在1：1 或1：3時的壓縮強度相對較高，在65MPa 左右。

在組合使用氧化鋯纖維與氧化鋁纖維時，需要將混雜纖維總含量保持在16%-24%左右，如果含量低于16%將無法明顯改善陶瓷基摩擦材料性能。而在混雜纖維含量超出24%時，將因此出現部分纖維相互搭接形成明顯孔隙、密度增長緩慢、纖維在基體中局部團聚、界面結合效果不佳、磨損率增加等問題。

4.3 改進陶瓷制動剎車片工藝技術

雖然陶瓷基摩擦材料相比于半金屬型、粉末冶金等剎車片制作材料而言有著優異的綜合性能，剎車片使用壽命有所延長。然而，根據陶瓷剎車片實際應用情況來看，仍舊存在一些問題有待解決，包括高溫條件下摩擦系數發生變化、受限于摩擦熱傳遞情況導致摩擦材料出現分解現象。因此，為改善陶瓷剎車片的使用工況，在使用陶瓷基摩擦材料的同時，還需要對陶瓷制動剎車片的工藝技術加以優化改進。首先，在陶瓷基摩擦材料配方中添加高溫摩擦調節劑，起到抑制熱衰退的作用，避免在剎車片溫度驟然提升至200℃和后續冷卻期間出現熱衰退現象。其次，汽車制造廠重點開發與使用多孔填料，以此來改善陶瓷基摩擦材料熱傳導性能、摩擦熱傳遞性能與降低剎車片材料密度，也可以選用固化熱處理工藝來提升剎車片耐壓強度和剪切強度。最后，使用新型的無機粘接劑，并要求粘接劑具備良好的耐熱性與穩定性，不局限于使用橡膠或是樹脂材料，可選用金屬硫化物以及金屬粉末等，從而解決粘接劑在高溫條件下性能衰退、失效的問題。

5 結語

綜上所述，陶瓷基摩擦材料的綜合性能遠超過傳統剎車片材料，是汽車剎車片的必然發展趨勢。汽車制造企業必須正確認識到陶瓷基材料的應用價值，全面了解材料組成、種類與各方面性能，建立起一套圍繞陶瓷基摩擦材料的現代化汽車剎車片工藝體系，以此來提高產品質量。