制动摩擦材料的性能评价、环境友好性和摩擦机理研究

【摘要】：汽车用制动摩擦材料是一类多相的聚合物基复合材料,主要由粘合剂、增强体、摩擦改性剂和填料组成,现在常用类型可分为半金属型(SM)和无石棉有机型(NAO)。无石棉化和高性能化是近几十年来汽车用制动摩擦材料的发展驱动力。汽车用制动摩擦材料今后的发展趋势主要是高性能、高载荷、环境友好性和经济性。 本文研究了原材料对制动摩擦材料摩擦磨损性能的影响,包括磨料(氧化铝和碳化硅)、增强体(芳纶和天然纤维)和填料(蛭石)；采用组合摩擦材料研究方法设计并制备了6个系列的制动摩擦材料,包括氧化铝增强型、碳化硅增强型、芳纶增强型、芳纶-天然纤维增强型、蛭石增强型和环境友好型；采用定速式摩擦材料试验机、摩擦材料评价和筛选试验机(FAST)、汽车用单端全惯量台架试验机测试了摩擦材料的摩擦性能；采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线电子能谱(EDX)、X射线衍射(XRD)、电子微探针分析(EMA)、X射线荧光光谱(XRF)、热失重分析(TGA)、表面轮廓分析(Profilometry)等分析手段分析了摩擦材料的表面形貌、微观结构、化学组成和耐热性能等,并对其摩擦机理进行了讨论,重点讨论了磨粒磨损和粘着磨损相互竞争的“V”型摩擦机理；研究了摩擦温度测量中红外测温手段的辐射系数规律,建立了用于温度校正的数学模型,并进行了验证；构建了基于摩擦材料性能评价的单指标可拓评价模型和多指标可拓综合评价模型,总结了用于摩擦材料可拓评价的关联函数类型,采用综合关联度(加权平均可拓关联度)来描述摩擦材料的摩擦综合性能,并对所制备的摩擦材料实施了可拓评价。 本论文主要研究结果总结如下： (1)摩擦材料的性能和机理研究。磨料氧化铝和碳化硅可以改善摩擦材料的热衰退性和高温负磨损率,但其改善作用不会随着磨料使用量增加而明显改善。鉴于磨料的高硬度,使用少量即可(氧化铝5.6 vol.%；碳化硅3.4 vol.%)。芳纶在提高摩擦稳定性和改善耐磨性能方面作用明显,鉴于其价格昂贵,建议采用3.4 vol.%芳纶即可。摩擦稳定性和耐磨性随蛭石使用量增大而提高,摩擦材料配方中可以使用14.6 vol.%蛭石。通过对摩擦表面微观结构和化学成分的分析,可得出磨料磨损和粘着磨损的“V”型竞争机理,即摩擦表面富铁膜和硫酸钡膜相对多少取决于摩擦类型是磨粒磨损还是粘着磨损。此机理在电子微探针分析(EMA)和X射线荧光光谱(XRF)等分析手段得到了验证。 (2)摩擦温度的测量和校正研究。设计了红外测温仪测温的校正装置,并进行了数据拟合,结果表明覆盖有摩擦层的铸铁摩擦盘表面辐射系数随温度呈指数式衰减趋势。温度校正公式为简单的线性方程(y=Ax+B),其常数A、B可由其与辐射系数的关系式求出,最终得到了红外测温仪通用的校正模型,采用试验数据验证的情况良好。 (3)制动摩擦材料的绿色化研究。基于各国对摩擦材料相关的环境影响和健康问题越来越受到关注,以目前国际市场的主流产品——半金属(低金属)摩擦材料为模型配方,利用环保型的天然纤维素纤维和钛酸盐片晶来取代原有配方中的金属成分(钢棉、铜丝、铁粉、铜粉和铅粉等)、三硫化二锑和芳香纤维,经过优化制备出了无金属、无石棉、无芳纶的“三无”摩擦材料(Eco-pad),实现了成本降低、性能可比和新型环保的目标。制备的Eco-pad通过了SAE J2430惯性台架测试和制动器效能评估(BEEP),与原厂配套摩擦片具有可比拟的制动性能,还具备成本低、耐磨性好的优势,具有商业化的可行性 (4)制动摩擦材料的可拓评价研究。基于可拓学理论,建立了适用于制动摩擦材料评价的可拓评价模型,引入了综合可拓关联度来描述摩擦材料的综合性能,并对所制备的摩擦材料试样进行了评价和排序。通过对摩擦系数或磨损率的单指标可拓评价模型进一步发展,建立了多目标多参数综合可拓评价模型并应用于摩擦材料的筛选和评测,有望成为摩擦材料行业的综合性能评价的有效工具。 (5)制动摩擦材料的评价结果。摩擦材料良好的综合性能主要考虑其具有适宜和稳定的摩擦系数、较低的磨损率、对摩擦盘伤害小、原材料成本低和环境友好等,反映在可拓评价结果中就是具有较大的综合可拓关联度。本论文设计的摩擦材料系列中,综合性能最好的分别是：氧化铝体积分数5.6%；碳化硅体积分数3.4%；芳纶浆粕体积分数3.4%；蛭石体积分数14.6%。环保型摩擦材料中,无金属、无石棉、无芳纶的“三无”摩擦材料综合性能最好,且具有商业化的可行性。