曠文敏，方志峰，張小浩，陳小剛

(泰明頓摩擦材料技術(shù)(上海)有限公司，上海 201807)

0 引言

在汽車制動(dòng)器中，摩擦材料的功能主要是將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能從而達(dá)到制動(dòng)的效果[1]，摩擦材料性能對(duì)行車制動(dòng)、駐車等安全方面有著重要影響。同時(shí)，隨著新能源汽車的發(fā)展，人們對(duì)整車尤其是制動(dòng)噪聲的要求也越來越高。壓縮反應(yīng)是制動(dòng)器襯片或襯塊重要的設(shè)計(jì)參數(shù)，它對(duì)制動(dòng)期間評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)移制動(dòng)液體積、制動(dòng)踏板運(yùn)動(dòng)和顫抖或噪聲的傾向是有一定的指導(dǎo)意義，它也是盤式制動(dòng)塊重要的質(zhì)量控制的參數(shù)[2]。一般認(rèn)為，較高的壓縮性能，有助于改善剎車片的NVH性能[3]。然而，過大的壓縮率會(huì)導(dǎo)致磨損過高。所以在摩擦材料開發(fā)階段，壓縮率的測(cè)試很受開發(fā)者重視。

一般而言，盤式剎車片摩擦材料由樹脂黏結(jié)劑、纖維增強(qiáng)材料、摩擦性能調(diào)節(jié)劑和低成本填料組成[4]。從復(fù)合材料結(jié)構(gòu)角度看，摩擦材料的壓縮率主要通過優(yōu)化樹脂黏結(jié)劑和成型工藝來調(diào)節(jié)，或者通過使用橡膠類等有機(jī)材料或者硬度相對(duì)較低的蛭石等彈性顆粒等材料來改善壓縮率[5]。纖維增強(qiáng)材料主要作用是將復(fù)合材料各組分抓附、連接在一起，通過纖維增強(qiáng)效應(yīng)，為復(fù)合材料提供符合要求的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，因此對(duì)摩擦材料的壓縮率影響比較復(fù)雜，而纖維材料本身對(duì)摩擦材料壓縮率貢獻(xiàn)較少。對(duì)于無機(jī)材料為主的填料材料而言，由于材料本身硬度大，且一般具有良好的晶體結(jié)構(gòu)，所以一般認(rèn)為無機(jī)材料對(duì)剎車片壓縮率影響不大。以石墨、焦炭為代表的碳材料，在配方中主要起到潤滑、導(dǎo)熱等功能，因此關(guān)于碳材料在摩擦材料中的研究主要集中在對(duì)摩擦因數(shù)穩(wěn)定性等方面[6]，而關(guān)于碳材料對(duì)摩擦材料壓縮率的影響，卻很少見于報(bào)道。

本文作者研究了焦炭材料對(duì)剎車片壓縮率的影響機(jī)制。結(jié)果表明，焦炭顆粒多孔、比表面積較大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致剎車片的壓縮率顯著增大。

1 試驗(yàn)部分

文中采用的配方設(shè)計(jì)見表1。研究采用兩種不同供應(yīng)商來源的焦炭，分別編號(hào)為焦炭1#和焦炭2#, 其物性基礎(chǔ)指標(biāo)見表2。從表2可見，兩種焦炭顆粒的常規(guī)理化指標(biāo)的檢測(cè)結(jié)果基本相同。

表1 摩擦材料配方設(shè)計(jì)

表2 不同焦炭的物性指標(biāo)

按照配方表1的比例，稱取適量的原材料，加入高速混料機(jī)充分混合10 min?；旌虾蟮哪Σ敛牧喜捎媚悍▔褐瞥尚?，主要壓制參數(shù)為：模壓溫度160 ℃，模壓壓力 35 MPa, 經(jīng)適當(dāng)?shù)膲褐?、放氣循環(huán)后保壓3 min。利用箱式烘箱對(duì)壓制后的產(chǎn)品進(jìn)行后固化處理，并將固化后的剎車片成品按照?qǐng)D紙要求進(jìn)行開槽、倒角加工成特定形狀。最后采用履帶式燒蝕機(jī)，在500 ℃條件下燒蝕，最后冷卻至室溫得到最終產(chǎn)品并進(jìn)行相關(guān)測(cè)試。

采用JURID壓縮試驗(yàn)機(jī)，根據(jù)GB/T 22311—2008/ISO 6310:2001的方法測(cè)試剎車片的壓縮率；采用德國萊卡公司的M125體式顯微鏡觀察焦炭顆粒微觀形貌；采用美國康塔儀器公司的Autosorb-iQ3全自動(dòng)比表面積及孔徑分析儀分析焦炭的BET比表面積；采用德國耐馳公司的STA 449 F5同步熱分析儀分析焦炭的熱失重性能。

2 結(jié)果與分析

2.1 壓縮率

GB/T 22311—2008/ISO 6310:2001中規(guī)定了剎車片產(chǎn)品的壓縮率測(cè)試方法，其測(cè)試考察剎車片在設(shè)定的壓力循環(huán)下，產(chǎn)品厚度變化值，反映剎車片的可壓縮水平，從而來反映產(chǎn)品的綜合特性。圖1采用箱線圖直觀地比較了配方F1和配方F2制得產(chǎn)品的壓縮率水平關(guān)系。表3為兩種配方產(chǎn)品的壓縮率統(tǒng)計(jì)，從圖1和表3中可以看出， 配方F1產(chǎn)品的壓縮率均值為113 μm，明顯低于采用配方F2的149 μm。而使用配方F2的產(chǎn)品壓縮率的標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)到6.09，同樣條件下的配方F1，標(biāo)準(zhǔn)差僅為2.49，這說明采用焦炭2#的配方，其壓縮率穩(wěn)定性較差。

圖1 兩種配方制得產(chǎn)品的壓縮率水平對(duì)比關(guān)系

表3 兩種配方產(chǎn)品的壓縮率統(tǒng)計(jì)

一般情況下，摩擦材料配方體系中，樹脂、橡膠等有機(jī)材料對(duì)產(chǎn)品壓縮率影響較大，而碳材料相對(duì)穩(wěn)定，因此一般認(rèn)為對(duì)剎車片壓縮率無明顯影響，但是從該研究中可以發(fā)現(xiàn)，不同焦炭對(duì)產(chǎn)品壓縮率具有顯著影響。

2.2 剎車片材料結(jié)構(gòu)分析

圖2為兩種配方產(chǎn)品燒蝕后的原始表面，從圖中可見配方F2的產(chǎn)品表面顏色更加暗淡，有燒焦現(xiàn)象，且材料結(jié)構(gòu)比較疏松，部分區(qū)域甚至有材料脫落跡象，說明配方F2產(chǎn)品樹脂已經(jīng)無法黏結(jié)部分材料。這一現(xiàn)象也與壓縮率檢測(cè)結(jié)果對(duì)應(yīng)，過于疏松的F2產(chǎn)品，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)不夠緊致，在高的壓力下，其壓縮率水平必然偏高。

為了排除燒蝕過程對(duì)產(chǎn)品強(qiáng)度影響，將兩種配方的產(chǎn)品均磨削3 mm，這樣可以完全去掉燒蝕層，所觀察的產(chǎn)品為產(chǎn)品真實(shí)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)情況，如圖3所示。所觀察到的結(jié)果和之前類似，F(xiàn)2產(chǎn)品結(jié)構(gòu)比較疏松、多孔，F(xiàn)1產(chǎn)品結(jié)構(gòu)緊致、均勻。

圖3 剎車片表面磨削掉3 mm的照片

2.3 焦炭的TGA分析

根據(jù)前面觀察到的F2剎車片表面燒焦情況，對(duì)兩種焦炭在N2氣氛下分別做TGA測(cè)試，如圖4(a)所示，分析F2表面燒焦問題是否是由于焦炭耐高溫差所導(dǎo)致的。從TGA曲線可看出，作為無機(jī)材料，焦炭的熱重和差熱曲線均相對(duì)簡單，在溫度達(dá)到1 200 ℃的條件下，焦炭顆粒仍然保持良好的熱穩(wěn)定性。

圖4 兩種焦炭的TG和DTA曲線

其中室溫至300 ℃可能是吸附在焦炭顆粒表面的部分小分子材料的脫附，這一范圍內(nèi)，焦炭2#的失重率高于焦炭1#，說明焦炭2#中吸附的小分子量相對(duì)較多。600～1 200 ℃的熱失重，對(duì)應(yīng)的是焦炭顆粒的輕微分解，這一范圍內(nèi)，焦炭2#的失重量同樣略高于焦炭1#，說明焦炭2#的熱穩(wěn)定性略差于焦炭1#。

圖4(b)是對(duì)應(yīng)的DTA曲線，焦炭2#的放熱量略大于焦炭1#，這與失重曲線的結(jié)果相對(duì)應(yīng)，說明焦炭1#在經(jīng)歷的溫度范圍內(nèi)，相對(duì)更加穩(wěn)定一些，但差異并不明顯。

2.4 粒微觀形貌和BET分析

為了探尋以上差異的根本原因，對(duì)焦炭材料進(jìn)一步分析。圖5是焦炭顆粒的微觀形貌照片，由圖中可以看到，在同樣放大倍數(shù)下，焦炭顆粒直徑很接近，這與表2中篩分結(jié)果相對(duì)應(yīng)。而觀察單個(gè)焦炭顆粒形貌可以發(fā)現(xiàn)，焦炭1#的顆粒相對(duì)比較致密，顆粒外表面規(guī)整。而焦炭2#的顆粒不規(guī)則，顆粒表面為多孔結(jié)構(gòu)。 BET的分析結(jié)果與顆粒形貌結(jié)果相對(duì)應(yīng)(見表4)，焦炭2#的比表面積顯著高于焦炭1#。這是由于焦炭2#的不規(guī)則多孔顆粒形貌所導(dǎo)致的。

圖5 剎車片磨削表面的顯微鏡照片

表3 焦炭BET測(cè)試

由此可見，由于焦炭2#的顆粒不規(guī)則， 比表面積較大，從而在復(fù)合材料中需要更多的樹脂來粘附和填充這些不規(guī)則表面。因而在配方相同的情況，較多的樹脂被大比表面積的焦炭顆粒所消耗，而無法有足夠的樹脂去粘附其他粉體顆粒，這就使復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)相對(duì)不夠緊致，最終導(dǎo)致圖2觀察到的結(jié)果。當(dāng)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)過于疏松，其壓縮率水平將偏高于正常水平。

3 結(jié)論

根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)剎車片產(chǎn)品壓縮率異常偏高，探尋了焦炭顆粒形貌對(duì)剎車片壓縮率的影響。結(jié)果顯示，雖然焦炭顆粒的物理檢測(cè)指標(biāo)非常接近，材料顆粒尺寸分布相同的情況下，比表面積大、顆粒表面多孔的焦炭，在復(fù)合材料中提供了過多的比表面積，因而消耗了較多的樹脂黏結(jié)劑，最終導(dǎo)致了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)疏松，樹脂無法將各種組分重復(fù)黏合在一起，使產(chǎn)品的壓縮率異常偏高。

摩擦材料作為多組分配方的復(fù)合材料，產(chǎn)品特性受影響因素非常多，一旦出現(xiàn)問題，很難在短時(shí)間內(nèi)找到根本原因，因此對(duì)原材料的質(zhì)量控制非常重要。但是在日常材料控制中，由于測(cè)試資源的限制，采用BET等相對(duì)高端設(shè)備作為批次質(zhì)量控制的難度較大，因此企業(yè)還應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)供應(yīng)商管理，從而提高產(chǎn)品穩(wěn)定性。