柴昌盛 陳翔

摘要：剎車材料是汽車工業(yè)的關(guān)鍵材料之一，現(xiàn)有國(guó)產(chǎn)剎車材料無法適應(yīng)交通要求。碳纖維剎車材料具有良好的制動(dòng)效果，但成本過高，主要應(yīng)用在航空航天和高端跑車等高端領(lǐng)域。因此開展低成本碳纖維剎車材料研究，尤其是從原材料、制備工藝和成本控制方面，開發(fā)低成本高效率制備技術(shù)，將彌補(bǔ)碳纖維剎車材料在民用領(lǐng)域的空缺，符合國(guó)內(nèi)汽車工業(yè)市場(chǎng)需求，對(duì)提高我國(guó)交通工具的安全性具有重要的意義。

關(guān)鍵詞：剎車材料;碳纖維;低成本制備技術(shù)

從世界上出現(xiàn)傳動(dòng)機(jī)械設(shè)備開始，制動(dòng)原件也應(yīng)運(yùn)而生，并逐漸演變?yōu)閷?duì)制動(dòng)用摩擦材料的深入研究[1]。剎車材料作為運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的制動(dòng)部件材料，已廣泛運(yùn)用于各種交通和動(dòng)力機(jī)械中領(lǐng)域，是動(dòng)力機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部件。剎車材料的各項(xiàng)指標(biāo)的優(yōu)劣，直接關(guān)系到動(dòng)力設(shè)備穩(wěn)定、可靠和安全的運(yùn)行。尤其是在交通領(lǐng)域，隨著各類交通工具的蓬勃發(fā)展，對(duì)運(yùn)行速度、載荷以及安全性要求越來越高，因此對(duì)制動(dòng)部件的摩擦系數(shù)、穩(wěn)定性、抗熱衰減性等提出了更為苛刻的要求。目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用的摩擦材料中，國(guó)產(chǎn)材料大多數(shù)無法滿足使用性能要求，絕大多數(shù)依靠進(jìn)口，超高速的摩擦材料更被國(guó)外封鎖，制約了我國(guó)交通領(lǐng)域的發(fā)展[2]。

早期剎車材料通常由無機(jī)纖維、金屬纖維和各種無機(jī)粉末，依托有機(jī)粘接劑壓制而成。石棉纖維是早期剎車材料主要應(yīng)用的無機(jī)纖維材料，成本低，摩擦性能較好，但容易吸水形成結(jié)晶水。在交通領(lǐng)域，一般的緊急制動(dòng)產(chǎn)生的瞬間溫度在達(dá)500-700℃，高溫下，石棉中的結(jié)晶水迅速升華蒸發(fā)，極易使制動(dòng)部件發(fā)生熱衰退，剎車材料磨損量急劇增大，甚至直接報(bào)廢。

另外，石棉粉有一定的致癌作用，在西方工業(yè)國(guó)家已被禁用，國(guó)內(nèi)也不建議推廣使用。后續(xù)各國(guó)相繼研發(fā)了半金屬的第二代剎車材料。大量使用了金屬纖維和金屬粉末，并引入石墨和二硫化鉬的等良性摩擦材料，采用熱壓成型工藝制備[3]。美歐等發(fā)達(dá)國(guó)家在50-70年代廣泛使用這類剎車材料。主要原因是剎車材料中耐磨金屬含量較高，使得耐磨性、摩擦系數(shù)、導(dǎo)熱性等參數(shù)比早期剎車材料提高很多，而且制備和加工方便，故而得到廣泛推廣應(yīng)用，也是國(guó)內(nèi)目前占主導(dǎo)地位的剎車材料[4-5]。其缺點(diǎn)也是大量的金屬引入導(dǎo)致的，金屬纖維容易氧化或腐蝕銹蝕，加劇磨耗，腐蝕表面容易形成潤(rùn)滑體系，降低制動(dòng)性能;硬質(zhì)金屬顆粒還會(huì)劃傷摩擦對(duì)偶件，縮短其壽命。時(shí)常發(fā)生硬點(diǎn)制動(dòng)噪音，不符合交通設(shè)備舒適化要求。金屬良好的導(dǎo)熱性能，在緊急制動(dòng)下，熱量快速傳導(dǎo)對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)密封件影響較大。

為了滿足剎車片環(huán)保舒適的高要求，國(guó)內(nèi)外相繼開展了大量相關(guān)材料的研發(fā)工作。如陶瓷基剎車材料、鋁基剎車材料、碳/碳化硅剎車材料和碳/碳剎車材料等復(fù)合材料。國(guó)內(nèi)方面，中南大學(xué)開發(fā)出了一種無銅陶瓷配方材料，只要引入碳化硅等耐磨耐高溫基因材料，因此其摩擦磨損性能和抗熱衰退性提高很多，制動(dòng)噪音控制也較好，但成本高，推廣難度高。

在新型剎車材料探索領(lǐng)域，碳纖維及其復(fù)合材料逐漸成為新的熱門剎車材料研究方向。碳纖維具有比強(qiáng)度高、彈性模量和耐熱性能良好，密度和膨脹系數(shù)小，摩擦磨損性能穩(wěn)定等優(yōu)異性能完全符合剎車材料性能需求，也是十三五新材料規(guī)劃主要技術(shù)攻關(guān)的材料類別。目前，碳纖維增強(qiáng)剎車材料主要分為碳纖維增強(qiáng)碳/碳化硅基復(fù)合材料和碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料。

文獻(xiàn)[6]等采用企業(yè)、行業(yè)及國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)方法，對(duì)超碼復(fù)合材料公司，英國(guó)Dunlop公司，法國(guó)Carbon Industy公司，美國(guó)B.F.Goodrich、ALS公司等生產(chǎn)的9種C/C復(fù)合材料飛機(jī)剎車盤的物理、力學(xué)、熱學(xué)、摩擦磨損的性能特征發(fā)現(xiàn)炭基體剎車盤各項(xiàng)性能優(yōu)異。

文獻(xiàn)[8]研究了碳/碳剎車材料制備和性能測(cè)試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)碳/碳剎車材料在制動(dòng)表面溫度超過2000℃時(shí)，外形基本良好，沒有發(fā)生熔融粘結(jié)現(xiàn)象，而對(duì)比實(shí)驗(yàn)的金屬基剎車材料（MMCs）在660℃左右已經(jīng)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)變形和退化;碳/碳剎車材料的比熱容、磨損量和使用壽命相比MMCs，提高兩倍以上，具有良好的吸熱性能高、耐磨性和抗衰退性。

文獻(xiàn)[9-13]從碳纖維骨架三維結(jié)構(gòu)、增密工藝（如化學(xué)氣相沉積和液相浸漬和反應(yīng)熔體浸滲）、碳纖維含量以及碳化硅成分等方面對(duì)C/SiC剎車材料進(jìn)行了深入研究表明平均摩擦系數(shù)達(dá)到0.23，摩擦穩(wěn)定性達(dá)到0.43，線性磨損率為9.3μm/次·面，質(zhì)量磨損率為2.6mg/次·面;在高頻率剎車測(cè)試中，摩擦系數(shù)穩(wěn)定，對(duì)剎車制動(dòng)頻次不敏感，摩擦穩(wěn)定性表現(xiàn)良好，也沒有熱衰趨勢(shì);對(duì)C/C-SiC剎車盤試樣的磨損表面形貌及缺陷進(jìn)行了觀察，發(fā)現(xiàn)表面磨損質(zhì)量在航標(biāo)允許范圍內(nèi)，C/SiC復(fù)合材料的表面能夠形成連續(xù)穩(wěn)定的摩擦面。

文獻(xiàn)[14-15]研究了碳纖維含量以及不同樹脂基體上的材料摩擦磨損性能研，結(jié)果表明，碳纖維加入后可顯著降低復(fù)合材料的摩擦系數(shù)，隨碳纖維加入方式不同，碳纖維對(duì)摩擦系數(shù)的影響作用也不同;其中FB、YSM、ALPF三種樹脂基的碳纖維增強(qiáng)摩擦材料的摩擦性能結(jié)果表明，樹脂基摩擦材料的摩擦性能主要和溫度有關(guān)，磨損率和摩擦系數(shù)都會(huì)隨溫度的變化而變化，但對(duì)應(yīng)于不同基體，受溫度的影響程度不同。摩擦材料受溫度的影響較小，具有良好的性能。無論是制動(dòng)性能、抗熱衰退性以及恢復(fù)性能等，碳纖維增強(qiáng)剎車材料均有著優(yōu)異的表現(xiàn)，也是當(dāng)前各國(guó)競(jìng)相研究的熱點(diǎn)。

上述碳纖維增強(qiáng)剎車材料研究中，主要針對(duì)碳纖維含量及其3D結(jié)構(gòu)、不同基體材料、增密工藝等研究較多，而從制備工藝和成本控制方面研究較少。而目前的研究表明，碳纖維增強(qiáng)剎車材料確實(shí)具有優(yōu)異性能，問題在于其成本太高，主要應(yīng)用于航空航天、職業(yè)賽車以及高檔跑車等，民用化推廣很不現(xiàn)實(shí)。研究探索低成本剎車材料項(xiàng)目具有較好的前景，尤其是從原材料、制備工藝和成本控制方面，開發(fā)低成本高效率制備技術(shù)，將彌補(bǔ)碳纖維剎車材料在民用領(lǐng)域的空缺，對(duì)提高我國(guó)交通工具的安全性具有重要的意義。

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基金項(xiàng)目：甘肅省高等學(xué)?？蒲许?xiàng)目，碳纖維剎車材料制備技術(shù)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)（2017C-21）。

作者簡(jiǎn)介：柴昌盛（1982-），男，甘肅靜寧人，碩士，講師，研究方向?yàn)閺?fù)合材料制備技術(shù)與仿真研究，陳翔（1964-），男，甘肅靜寧人，碩士，教授，研究方向?yàn)榈缆方煌ò踩?/p>