汽车陶瓷刹车片的研究现状与前景

中 国 陶 瓷 2009 年 第 4 期 18 │中国陶瓷│ CHINA CERAMICS │ 2009(45) 第 4 期 中 国 陶 瓷 2007 年 第 1 期 18 │中国陶瓷│ CHINA CERAMICS │ 2009(45) 第 4 期 第 45 卷 第 4 期 2009年 4 月 Vol.45 No.4 Apr.2009 中 国 陶 瓷 【摘 要】：为适应现代汽车日益苛刻的高速、安全、 舒适等要求，必须不断努力发展制动系统及其刹车材料。 本文简述了陶瓷刹车片的研究与发展的概况，探讨了汽车 陶瓷刹车片的制备工艺和关键的技术问、以及巨大的市 场潜力，提出了陶瓷刹车片将是汽车制动摩擦材料的发展 趋势，这对发展我国陶瓷刹车材料具有非常重要的意义。 【关键词】：陶瓷刹车片，摩擦材料，研究现状，前景 中图分类号 :TQ174.75+8 文献标识码 :B 引 言 制动系统是汽车的关键部件之一，而刹车片的综合 性能直接影响到制动系统的稳定性和可靠性。汽车高速 化要求越来越高，相应对制动摩擦材料以及结构也提出 了更加苛刻的要求。目前国内已应用的摩擦材料中，无 一能全面综合满足新的要求，因此导致一些赛车、进口 车主要依靠进口来维持，这一状况己严重制约了汽车的 制动性能乃至我国汽车业的高速发展。因此尽快研制开 发新型摩擦材料已成为摩擦材料业的当务之急。 由于现在汽车制动系统主要使用的半金属摩擦材料 和无石棉摩擦材料刹车片存在噪音、振动、磨损率高、使 用寿命短等问题，而可替代的碳／碳复合摩擦材料虽然 性能优异，但其成本较高，通常只是在飞机上使用。而 陶瓷材料具有比重小、熔点高、硬度大、化学稳定性好 和耐腐蚀等优点，已被广泛地使用在摩擦材料上。因此， 开发摩擦性能稳定、磨损率低、使用寿命长、无噪音和 振动的新型陶瓷摩擦材料已经成为现在摩擦材料研究的 一个热门领域 [1]。 1 刹车片材质使用沿革 传统的刹车片材料系用石棉纤维填充酚醛树脂制造， 其中石棉由硅酸盐矿物而制得，其组成中含有一定数量 的结晶水。现代汽车速度的提高，使制动部件面温度 高达 300 ～ 500℃。石棉摩擦材料导热性和耐热性差，在 400℃左右将失去结晶水，550℃时结晶水完全丧失，已基 本失去增强效果。石棉脱水后会造成摩擦性不稳定、工 作层材料变质、磨损加剧，出现明显的“热衰退”现象。 加上石棉在加工、使用中其粉尘具有致癌作用，因此石 棉基刹车片在西方工业国家已被禁用，我国也已限制该 类材料的使用。很明显石棉有机摩擦材料已不适应汽车 工业和现代社会发展需求，将逐步被新材料所取代 [2]。 第二代刹车片材料系半金属石墨复合材料。其主要 成分是钢纤维、石墨、金属粉及其辅料，用改性酚醛树 脂粘结成型，因刹车片中金属含量占总重的一半而得名。 美、欧、日等国家在 60 年代开始大面积推广使用。半金 属片的耐磨性能比石棉片提高 25% 以上，同时具有摩擦 系数高、导热性好、加工成型容易等优点，因此该类材 料目前在我国刹车片市场上占主导地位 [3]。但产品还存在 以下缺点 : ①钢纤维易生锈，锈蚀后易粘着或易损伤对偶， 且锈蚀后产品强度降低、磨损加大 ; ②热传导率高，在 高温时易使制动系统产生气阻导致摩擦片层与钢板脱开 : ③硬度较高，会损伤对偶材料，产生振颤和低频制动噪音 ; ④密度大 [4]。 第三代刹车片材料系无石棉有机摩擦材料（NAO）。 主要使用玻璃纤维、芳香族聚酰纤维或其它纤维（碳、陶 瓷等）来作为加固材料。其主要优点是无论在低温还是 高温都保持良好的制动效果，减少磨损，降低噪音，延 长刹车盘的使用寿命。NAO 型刹车片的材料已经历了几 次变革，现在的 NAO 材料在诸多方面已经有效超过了石 棉刹车片的性能，这主要是在抗摩性能及噪音等方面 [5]。 陶瓷刹车片是摩擦材料中的新品种，最初由日本刹 车片企业于上世纪 90 年代研制成功。陶瓷刹车片是由陶 瓷纤维、不含铁的填料物质、胶黏剂和少量的金属所组 成的，具有无噪音、无落灰、不腐蚀轮毂、使用寿命长、 环保等优点。 2 国内外汽车陶瓷摩擦材料的研究现状 陶瓷作为摩擦学构件的研究和应用已成为当前国际 摩擦学研究的前沿课题。目前，陶瓷摩擦学研究主要集 中在 Si3N4、SiC、ZrO2、Al2O3 等少数几种陶瓷上。而国 内外陶瓷摩擦材料的研究主要有 C/C-SiC 复合摩擦材料 和Al2O3 基陶瓷摩擦材料。 2.1 C/C-SiC 复合摩擦材料 陶瓷基摩擦材料的典型代表是 C/C-SiC 复合材料， 即碳纤维增强碳化硅基体的C/SiC 复合材料。 德国斯图加特大学和德国航天研究所等单位的研究 人员对 C/C-SiC 复合材料应用于摩擦领域进行了研究， 并研制出 C/C-SiC 刹车片应用于保时捷轿车中，美国 橡树岭国家实验室与Honeywell Advnanced composites 公 司、Honeywell Aireratf Lnading Systems 公 司、 Honeywell Commercial Vehicle systems 公司合作，正 汽车陶瓷刹车片的研究现状与前景 牛艳鸽 1，曾令可 1，刘艳春 1.2，王 慧 1，程小苏 1，税安泽 1，刘平安 1 （1 华南理工大学材料学院， 广州 510640; 2 广州锐得森特种陶瓷科技有限公司， 广州 510432） 收稿日期：2008-4-1 综述与评述 文章编号：1001-9642（2009）04-0018-03 2009 年 第 4 期 中 国 陶 瓷 中国陶瓷│ CHINA CERAMICS │ 2009(45) 第 4 期│ 19 在研制低成本的 C/SiC 复合材料刹车片，替代用于载重 汽车的铸铁和铸钢刹车片。 德国宇航院 (DLR) 的 Walter Krekel 等人研究了 C/C-SiC 复合摩擦材料的结构、制备及摩擦磨损等性能。 他们先采用ZD碳布叠层的方法制备C/C-SiC摩阻材料， 这种材料的特点是各向异性，即力学性能、热物理性能 等在平行于碳布和垂直于碳布的方向上差异很大。由于 成本太高及轴向热导率太低造成摩擦性能的不稳定，发 现它不适合用于制造刹车盘与刹车片。通过选取合适的 纤维含量进行改进，Kreknel 采用反应熔体浸渗法工艺成 功制备了不同种的 C/C-SiC 刹车盘。同时他们认为对于 汽车应用来说，采取碳布作为预制体是生产高性能刹车 片的最佳选择，采用短碳纤维预制体加之合适的模压工 艺是以后大批量生产 C/C-SIC 刹车盘最有前途的一种方 法。 2.2 氧化铝基摩擦材料 Al2O3 陶瓷价格低廉 , 具有高弹性模量 , 较好的耐 磨性 , 化学稳定性 , 高温稳定和力学稳定等性能，是目 前应用最广的结构陶瓷及功能陶瓷材料，近年来，开发 以Al2O3 陶瓷为基体的摩擦材料己开始引起人们的关注。 国外对于 Al2O3 陶瓷作为摩擦材料的摩擦性能已有 研究。L.Esposito 等人对低纯 Al2O3 陶瓷的摩擦和磨损性 能进行了研究。Scott L.McCOY 提到 Al2O3 陶瓷由于它 的来源低廉，高硬度及简单的操作工艺而被最常选为制 动材料。 K．Poser等人在工业单晶Al2O3表面嵌入TiN粒子， 研究了其在干摩擦条件下的性能。V.Ucar 和 A.Miaroglu 等人分别在 Al2O3 陶瓷中添加 SiO2/Mno2 和 Cr2O3/SiO2 对他们的摩擦性能进行研究。Antonella Tucci 则研究 了滑动系统中摩擦表面的第二相和物质转移。国内陈志 刚、陈晓虎、刘苏等人先后以 Al2O3 为基材通过添加不同 种类的润滑组元研究了陶瓷基摩擦材料的组织组成、力 学性能和摩擦磨损特性，为开发适于重载高速下使用的 新型陶瓷摩阻材料提供科学依据。邓建新研究了 Al2O3， Al2O3/TiB2 和 Al2O3/TiB2/SiCW 在 25℃到 900℃时与 合金滑动摩擦时的摩擦磨损特性。李雪源对增韧 Al2O3 陶 瓷与钢在无润滑条件下对磨的摩擦学性能进行了研究 [6]。 2.3 刹车片制备的工艺 对于模压产品 , 国外发达国家采用的基本工艺流程 如下 : 配料→混料→预压成型→热压→热处理→机械加 工→表面处理→印标→包装。配料基本实现计算机自动 控制 , 减少了人工配料的误差 ; 热压大多采用大吨位压 力机 , 并采用计算机控制技术 , 大大提高了产品质量和 生产率。 对于编织缠绕产品 , 采用的基本工艺流程如下 : 非 石棉纤维→ ( 橡胶→混炼→切片 + 溶剂→胶料 ; 树脂 + 溶剂→树脂浆液 ) →浸渍干燥→编织缠绕→热压固化→ 热处理→机械加工→清洗干燥→印标→包装。这一工艺 主要采用了自动控制的编织机、浸喷处理装置、烘干系统 , 以及其它先进的辅助工装设备 [7]。 2.4 关键的技术问题 目前，汽车陶瓷摩擦材料需要改进的几项关键技术 问题 : (1) 提高摩擦材料用粘结剂 ( 树脂及橡胶 ) 的性能与 质量 ( 如热分解温度高、热量损失小、游离酚含量低、软 化点高、粒度细、韧性好等 )，积极开发摩擦材料用新型 树脂 ; (2) 提高摩擦材料的热传导性，以加快摩擦热的传递， 防止摩擦材料分解导致的性能降低 ; (3) 积极开发轻质和性能优越的多孔填料，以减小制 品密度，降低制动噪声 ; (4) 提高粉碎、混料、热压及热处理 ( 固化 ) 等关键 工艺设备水平，完善工艺操作和质量检测及控制手段， 确保产品大批量生产质量的稳定性 ; (5) 减少摩擦片诱发制动噪声 ; (6) 提高制动摩擦片安全制动的剪切强度、耐压强度 等 [1]。 3 我国汽车陶瓷刹车片的现状及发展前景 陶瓷刹车片具有无噪声、不腐蚀轮毂、耐用、环保 等优点。日本和北美汽车市场现在使用非常广泛，欧洲 新车型也开始装配陶瓷刹车片。国际市场对陶瓷摩擦材 料的认可，加速了我国对陶瓷刹车片的研发。目前，国 内主流刹车片企业已经具备了中高端陶瓷刹车片的自主 研发与生产能力，并已为国外一些大汽车制造商配套，逐 步进入国外中高端市场。但是，国内市场尚未得到很好 的开发。原因在于首先陶瓷摩擦材料价格高，主机厂很 难接受。其次国外对噪声、环保要求较高，陶瓷摩擦材 料因其无噪声、耐用、环保等优点在国外备受青睐，而 国内没有这方面的要求，消费者这方面的意识也比较欠 缺。国内汽车刹车片的发展还停留在注重制动效果与安 全性的阶段，没有发展到注重舒适性、环保性的阶段。 陶瓷刹车片虽然短期内不太可能替代传统刹车片， 但现代汽车正朝着高性能、高速度、安全舒适等方向发展， 这就要求作为汽车重要组成部分的制动系统必须安全可 靠，同时必须不断开发新的刹车材料以满足更严格的要 求，陶瓷刹车片必然成为今后的一个发展趋势。 4 展 望 新型汽车陶瓷刹车片，特别是耐高温、低噪音、无 金属、无纤维刹车片的研究并进一步研制成功，可望会 改变我国现有刹车片的应用状况，将具有非常重要的社 会意义、经济意义和良好的发展前景，同时其深入的理 论研究将具有重大的科学意义和理论价值。 参 考 文 献 [1] 韩翎 . 陶瓷摩擦材料配方的优化 (D). 北京 : 北京化工大学 中 国 陶 瓷 2009 年 第 4 期 20 │中国陶瓷│ CHINA CERAMICS │ 2009(45) 第 4 期 硕士学位 ,2006 [2] 盛钢，马保吉 . 制动摩擦材料研究的现状与发展 [J]. 西安 工业学院学报，2000，20（1）：127 [3] 王海庆 , 孙玉璞 , 戈春刚等 . 碳纤维刹车片 [J]. 重型汽 车 ,1996(2):21 [4] 罗一新 . 工业发达国家摩擦材料发展动态 [J]. 湖南大学邵 THE PRESENT SITUATION AND PROSPECT OF RESERACH ON CERAMIC BRAKE OF CARS Niu Yange1，Zeng Lingke1，LiuYanchun1.2，Wang Hui1，Cheng Xiaosu1，Shui Anze1，Liu Ping’an1 (1 College of Material Science and Engineering, South China University of Technology. Guangzhou 510640 2 Guangzhou RedSun Special Ceramics Technology Limited Company. Guangzhou 510432) 【Abstract】: It is necessary to make great efforts to develop braking system and braking materials to adapt to increasingly slashing demands, such as high-speed，safety and comfort and so on. A brief review of research and development of ceramic brake is introduced. The preparation arts and crafts and critical technical problems and tremendous market potential were discussed. It is pointed out that ceramic brake will be main research directions for friction materials of cars. This will offer great meaning for the development of ceramic braking materials of cars. 【Keywords】: Ceramic brake，Friction material，Study actuality，Prospect 阳分校学报 1991,4(1):24 ～ 31 [5] 李卫东 . 浅谈刹车片 (J). 汽车维修与保养 ,2001(2):69 [6] 宋剑敏 .Al2O3 陶瓷摩擦材料的结构与性能研究 (D). 武汉 : 武汉理工大学硕士学位论文 ,2006 [7] 马 卫 平 , 叶 南 海 . 汽 车 用 摩 擦 材 料 国 外 研 究 进 展 (J),2007,26(5):31 ～ 32 OPTIMIZATION PARAMETER ALGORITHMS ON PREDICTION OF CERAMIC PRODUCT SHORT-TERM MARKET DEMAND Zhan Tangsen，Liu Weijie (Jingdezhen ceramica institution， Jingdezhen 333000) 【Abstract】:On the basic principle of analytic hierarchy process，this paper constructes optimization parameter agrithems on prediction of ceramic produt，which provide reliable theoretical basis for determining accurately future produt about ceramic enterprises，and gets weights of affecting inside and outsid factors of demand. and enterprises deeply understand every factors of affecting ceramic produt. 【Keywords】:analytic hierarchy process， prediction，optimization parameter algorithm ( 上接第 40 页·Continued from page 40)