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技術**
現代制動用剎車材料的應用研究和展望
在現代摩擦學的研究中,摩擦材料是指積極利用其摩擦特性,以提高摩擦磨損效能為目的,用於摩擦離合器與摩擦制動器的摩擦部分,實現動力的傳遞、阻斷,運動物體的減速、停止等行為所用的材料。在描述術語中,通常將使用在制動器中的摩擦材料稱為剎車材料,如汽車剎車材料、火車剎車材料及航空剎車材料等。
制動器是使運動中的機構或機器迅速減速、停止並保持停止狀態的裝置;有時也用於調節或限制機構或機器的運動速度。通常而言,應用於制動的剎車材料,其主要功能是通過摩擦,將動能轉變為熱能並將熱量吸收或散發掉,從而逐步降低剎車材料所在部件和被它貼合部件(剎車材料所在部件和被它貼合部件構成摩擦副,全部摩擦副構成剎車副總體)之間的相對運動速度,直至停止運動,達到制動目的,其工作過程在力學上可簡化為圖1所示模型。
制動過程可以簡單描述為通過對剎車材料部件施加壓力p使之與對偶材料部件貼合從而使主動件轉速降至0。在此過程中,假定tf和tr均為常數,為了達到制動目的,制動力矩tf除了應能克服主動件的慣性阻力矩tr以外,還應提供一減速力矩δt以克服主動件的慣性力矩,δt=tf-tr。制動初期,由於制動器的接合力矩不足以克服主動件的阻力矩,因而在這段時間內主動件仍保持原速,當tf=tr時,主動件開始減速,並過時間(t2-t1),速度逐漸降低為0。
制動器所產生的摩擦力矩應等於或大於制動力矩,其大小取決於剎車副材料的摩擦因數、制動壓力、幾何形狀與尺寸等。
要使剎車副完成上述制動過程,理想的剎車材料應具有以下效能:足夠而穩定的摩擦因數;高的導熱性與耐熱性;高的耐磨性;良好的耐油、溼和腐蝕能力;足夠的強度;在和被貼合的部件進行摩擦接觸時產生很少或不產生雜訊;在工作中不發生黏結或咬合;原材料**充裕,**效能比高,具有良好的工藝效能等。
要完全滿足上述各點要求是困難的,但應依據工況條件,基本滿足所需的摩擦因數及其在摩擦制動過程中允許的變化範圍和剎車副預定壽命。
1.剎車材料的分類及發展
剎車材料的分類方法主要有兩種,一種是以使用機構來劃分,如汽車剎車材料、火車剎車材料和航空剎車材料等,該分類法簡單且易理解,但存在材料的交叉;一種是根據材料材質型別來劃分,這種分類方法較為科學。現代制動用剎車材料主要包括以下3大類:樹脂基剎車材料(石棉剎車材料、無石棉剎車材料、紙基剎車材料)、粉末冶金剎車材料、碳/碳復合剎車材料和陶瓷基剎車材料。
1.1.1樹脂基剎車材料
樹脂基剎車材料是指採用樹脂為黏結劑的剎車材料,根據其主體摩擦組元的種類不同,又包括石棉剎車材料、無石棉剎車材料、紙基剎車材料和碳基剎車材料等。石棉剎車材料是採用石棉纖維新增適量填料,以樹脂為黏結劑,採用熱壓工藝製成的剎車材料。無石棉剎車材料是採用其他纖維如金屬纖維、植物纖維和合成纖維等替代石棉材料製成的剎車材料。
而紙基剎車材料是以紙漿為基體,新增適量的填料,以樹脂為黏結劑,採用造紙和熱壓工藝製造而成。從上述定義可以看出,不同樹脂基剎車材料除基體組成不一致外,製造工藝基本相同,因此也決定其使用條件和效能具有相似性。
20世紀20—80年代,石棉在剎車材料領域佔據主導地位。由於石棉是致癌物質,被禁止在剎車材料中使用而導致了無石棉剎車材料的出現[8]。同時,石棉在400℃左右將失去結晶水,在550℃時全部失去結晶水,失去了增強效果,從而剎車材料的制動效能不穩定,出現明顯的衰退現象,無法滿足現代機械尤其是汽車的高速制動需求,也催生了無石棉剎車材料。
無石棉剎車材料是在20世紀70年代由美國本迪克斯公司研製發展起來的,無石棉剎車材料除了綠色環保外,且在制動耐溫性、穩定性方面獲得較大的提高。在替代石棉纖維的過程中發展了半金屬剎車材料(採用金屬纖維替代石棉纖維,金屬含量超過50%)、玻璃纖維增強剎車材料和芳綸纖維增強剎車材料等多種無石棉剎車材料,但到目前為止,尚缺乏一種比石棉綜合性價比高的增強纖維,因此,對於無石棉剎車材料的研製仍是剎車材料的研究熱點之一。
紙基剎車材料主要是因為借用了造紙工藝而得名。紙基剎車材料主要應用在重型機械的制動器中,在電單車等運動機械中也逐步獲得應用。但紙基摩擦材料的主要應用還是在高效能自動變速離合器中,優點是在低摩擦制動要求條件下的成本較低,同時,紙基剎車材料還具有基體柔軟,不傷對偶的特點。
應用在制動器中的紙基剎車材料分量約只佔紙基摩擦材料總產量的10%左右。紙基剎車材料的研究主要集中在黏結劑的選擇和摩擦組元、強化纖維的研究等方面。
1.1.2粉末冶金剎車材料
粉末冶金剎車材料以金屬粉末為基體,新增適量的潤滑組元和摩擦組分,採用粉末冶金工藝製造而成[13-15]。粉末冶金剎車材料採用高溫燒結,促進了剎車材料組元的冶金結合,使剎車材料的使用溫度得到大大提高,解決了樹脂基剎車材料的高溫摩擦因數低和磨損不穩定的問題,使剎車裝置的設計和使用獲得了較大的延伸。粉末冶金剎車材料已廣泛應用在航空、船舶、高速列車、過載卡車、坦克以及其他高速高載荷運動部件的制動器中,並獲得了較大的市場份額。
但是粉末冶金剎車材料**高,製造工藝複雜,制動雜訊大和對對偶材料磨損大等缺點又制約了它不能在汽車尤其是轎車制動器上獲得廣泛應用。對於粉末冶金剎車材料的研究工作,除了基本效能的研究外,主要集中在針對其缺點方面的研究和改進工作。
1.1.3碳/碳復合剎車材料
碳/碳復合剎車材料是以碳纖維(或碳布)為基體採用反覆緻密化和碳化工藝獲得的高效能剎車材料[16-18]。碳/碳復合剎車材料最早是在20世紀70年代研製的,主要應用於飛機剎車片。在高溫條件下由於其質量輕、能載高、耐高溫能量強、使用壽命長等特點,一出現,便迅速得到推廣應用。
以飛機剎車為例:在波音747飛機上採用碳/碳復合剎車材料後,相對於金屬剎車而言,質量下降81615kg;而熱庫是金屬剎車的3～5倍,在2000℃下材料強度不發生任何變化,3000℃以下模量反而增加,因此可在2200℃下安全工作;同時,在該條件下工作時未見發生黏結和變形情況。碳/碳復合剎車材料在不同速度、比壓和能載條件下摩擦因數變化小,磨損較穩定,在波音7572200型飛機的使用中壽命可達3000起落,是金屬剎車材料的3倍以上。
作為新型剎車材料,碳/碳復合剎車材料自一出現,其研究就集中在降低產品成本的問題上。由於其單次剎車成本高,而使其發明時認為能全部占領高能制動市場的預計,依然未能實現,目前其他高效能剎車材料在高能制動領域依然占有主導地位。
1.1.4陶瓷基剎車材料
陶瓷基剎車材料是指新增相當數量具有陶瓷效能氧化物並總體體現一定陶瓷效能的剎車材料。
粉末冶金剎車材料也常稱為金屬陶瓷材料,但通常所說的陶瓷基剎車材料主要是指非金屬基陶瓷剎
車材料。陶瓷基剎車材料結合了粉末冶金剎車材料的高溫燒結和碳/碳復合剎車材料的低密度和耐高溫效能,同時克服了碳/碳復合剎車材料高溫氧化的缺點。
目前,對於陶瓷基復合剎車材料的研究重點是採用借助部分粉末冶金工藝,獲得具有低密度、耐高溫、抗氧化、長壽命等優越綜合性能的剎車材料,典型的有碳/碳/碳化矽陶瓷剎車材料,逐漸在高速列車、過載汽車、坦克等極端條件下獲得應用。
2.剎車材料研製過程中存在的問題及解決辦法
2.1.1大力推廣綠色環保汽車剎車材料
石棉剎車材料從研製開始至今,曆了近百年的歷史,由於其良好的使用效能和低廉的成本、成熟的製造工藝等原因,儘管從2023年國際腫瘤醫學會確認石棉及高溫揮發物屬於致癌物,但由於替代石棉的增強纖維存在混合和分散性差,易斷裂、結團和**高等原因,許多國家仍在使用石棉剎車材料。在我國,雖然有明確的法規要求放棄石棉剎車材料,但很大一部分制動器生產廠仍在選用石棉剎車材料,尤其是在低端的二級零配件市場,石棉剎車材料製品的銷售量依然佔據著很高的比重。隨著科技的進步和人類對於生產環境要求的不斷提高,在立法的基礎上,應加大綠色環保剎車材料使用的宣傳,並在適當的時候,強制性地執行相關法規,大力研製和推廣新型綠色環保無石棉剎車材料,並全面替代石棉剎車材料。
2.1.2加大低成本碳/碳復合剎車材料的研製
如前所述,碳/碳復合剎車材料存在技術難度大、工藝複雜、製造周期長、製造成本高(**在5000～10000元/kg)等問題,制約了其廣泛使用的前景,開展低成本碳/碳復合剎車材料的研究勢在必行。碳/碳復合剎車材料的成本主要體現在氣相沉積過程和高溫石墨化過程。文獻[21]開展了快速氣相沉積技術———定向流動法化學氣相沉積技術的研究,大大縮短了沉積時間。
文獻[22]研究了催化石墨化的研究工作,採用b4c作為催化劑,使石墨化溫度降低、時間縮短,獲得了降低成本的良好效果。中南大學採用多項研究成果,使碳/碳飛機剎車副的製造週期由原來的8個月縮短為3個月,成本得到有效的控制。
同時,借用粉末冶金技術,改變碳/碳坯體的製造工藝,使剎車材料的成本也得到大大降低,從而在除飛機以外的制動器上使用高效能碳/碳復合剎車材料成為可能。
2.1.3建立粉末冶金剎車材料資料庫
粉末冶金剎車材料在當前的使用條件要求下,既具有較碳/碳復合剎車材料低得多的**優勢,又能滿足高能制動的要求,是剎車材料中得到最廣泛應用的材料種類之一。但是,長期以來,粉末冶金剎車材料的研製均採用「抓中藥」、「炒菜」和「試行錯誤」的方法,不僅導致了資源、時間、人力和物力上的大量浪費。同時,由於研製基礎和思維的差異,在粉末冶金剎車材料百花齊放的大好局面下,存在魚龍混雜、質量參差不齊的混亂狀態,制約了粉末冶金剎車材料的全面推廣。
作者認為出現這種狀態的主要原因是:缺乏粉末冶金剎車材料研製所必需的基礎資料庫,從而使設計人員無可依據的資料基礎,研製人員進行著重複的研究工作。基礎資料庫的建立,涉及到多方面、多領域和多層面合作,需要大量的調查和基礎研究工作。
因此,需要國家在巨集觀實施上進行有效調控和濟投入,相關學會和工業協會協調,粉末冶金剎車材料研製和生產單位大力支援,以便在較短時間內建立必要的基礎資料庫,並定期更新。該資料庫的建立,不僅對粉末冶金剎車材料的研製和開發有指導作用,同時,也可輻射和推廣到整個摩擦材料領域,其社會效益及對國民濟的推動作用是不可估量的。
材料相互間的摩擦係數
材料名稱靜摩擦係數動摩擦係數 無潤滑有潤滑無潤滑有潤滑 鋼 鋼 0.15 0.1 0.12 0.15 0.05 0.1鋼 軟鋼0.2 0.1 0.2 鋼 鑄鐵 0.3 0.18 0.05 0.15鋼 青銅 0.15 0.1 0.15 0.15 0.1 0.15軟鋼 鑄鐵0.2 0.18 0.05 0...
摩擦材料相關知識的培訓實施計畫
一 培訓目的 使員工掌握各種摩擦材料的效能 優缺點，為以後的生產提供充足的理論知識方面的支援。二 培訓時間 2014年6月14日 2014年6月15日 為期兩天 上午7 30簽到，8 00正式開始培訓，中午12 00結束，下午13 15開始簽到，13 30培訓正式開始,下午17 30結束。三 受訓人...
常用材料摩擦係數
材料名稱靜摩擦係數動摩擦係數 無潤滑有潤滑無潤滑有潤滑 鋼 鋼 0.15 0.1 0.12 0.15 0.05 0.1鋼 軟鋼0.2 0.1 0.2 鋼 鑄鐵 0.3 0.18 0.05 0.15鋼 青銅 0.15 0.1 0.15 0.15 0.1 0.15軟鋼 鑄鐵0.2 0.18 0.05 0...