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                                  汽車陶瓷剎車片的研究現狀與前景
                                  編輯:   瀏覽:1018  時間:2014-10-24

                                  為適應現代汽車日益苛刻的高速、安全、舒適等要求,必須不斷努力發展制動系統及其剎車材料。這里就陶瓷剎車片的研究與發展的概況以及汽車陶瓷剎車片的制備工藝和關鍵的技術問題、以及巨大的市場潛力;提出了陶瓷剎車片將是汽車制動摩擦材料的發展趨勢,這對發展我國陶瓷剎車材料具有非常重要的意義。

                                  制動系統是汽車的關鍵部件之一,而剎車片的綜合性能直接影響到制動系統的穩定性和可靠性。汽車高速化要求越來越高,相應對制動摩擦材料以及結構也提出了更加苛刻的要求。目前國內已應用的摩擦材料中,無一能全面綜合滿足新的要求,因此導致一些賽車、進口車主要依靠進口來維持,這一狀況己嚴重制約了汽車的制動性能乃至我國汽車業的高速發展。因此盡快研制開發新型摩擦材料已成為摩擦材料業的當務之急。由于現在汽車制動系統主要使用的半金屬摩擦材料和無石棉摩擦材料剎車片存在噪音、振動、磨損率高、使用壽命短等問題,而可替代的碳/碳復合摩擦材料雖然性能優異,但其成本較高,通常只是在飛機上使用。而陶瓷材料具有比重小、熔點高、硬度大、化學穩定性好和耐腐蝕等優點,已被廣泛地使用在摩擦材料上。因此,開發摩擦性能穩定、磨損率低、使用壽命長、無噪音和振動的新型陶瓷摩擦材料已經成為現在摩擦材料研究的一個熱門領域

                                  1 剎車片材質使用沿革

                                  傳統的剎車片材料系用石棉纖維填充酚醛樹脂制造,其中石棉由硅酸鹽礦物而制得,其組成中含有一定數量的結晶水。現代汽車速度的提高,使制動部件表面溫度高達300~500℃。石棉摩擦材料導熱性和耐熱性差,在400℃左右將失去結晶水,550℃時結晶水完全喪失,已基本失去增強效果。石棉脫水后會造成摩擦性不穩定、工作層材料變質、磨損加劇,出現明顯的“熱衰退”現象。加上石棉在加工、使用中其粉塵具有致癌作用,因此石棉基剎車片在西方工業國家已被禁用,我國也已限制該類材料的使用。很明顯石棉有機摩擦材料已不適應汽車工業和現代社會發展需求,將逐步被新材料所取代。

                                  第二代剎車片材料系半金屬石墨復合材料。其主要成分是鋼纖維、石墨、金屬粉及其輔料,用改性酚醛樹脂粘結成型,因剎車片中金屬含量占總重的一半而得名。美、歐、日等國家在60年代開始大面積推廣使用。半金屬片的耐磨性能比石棉片提高25%以上,同時具有摩擦系數高、導熱性好、加工成型容易等優點,因此該類材料目前在我國剎車片市場上占主導地位。但產品還存在以下缺點:1.鋼纖維易生銹,銹蝕后易粘著或易損傷對偶,且銹蝕后產品強度降低、磨損加大;2.熱傳導率高,在高溫時易使制動系統產生氣阻導致摩擦片層與鋼板脫開;3.硬度較高,會損傷對偶材料,產生振顫和低頻制動噪音;4.密度大。

                                  第三代剎車片材料系無石棉有機摩擦材料(NAO)。主要使用玻璃纖維、芳香族聚酰纖維或其它纖維(碳、陶瓷等)來作為加固材料。其主要優點是無論在低溫還是高溫都保持良好的制動效果,減少磨損,降低噪音,延長剎車盤的使用壽命。NAO型剎車片的材料已經歷了幾次變革,現在的NAO材料在諸多方面已經有效超過了石棉剎車片的性能,這主要是在抗摩性能及噪音等方面。陶瓷剎車片是摩擦材料中的新品種,最初由日本剎車片企業于上世紀90年代研制成功。陶瓷剎車片是由陶瓷纖維、不含鐵的填料物質、膠黏劑和少量的金屬所組成的,具有無噪音、無落灰、不腐蝕輪轂、使用壽命長、環保等優點。

                                  2 國內外汽車陶瓷摩擦材料的研究現狀

                                  陶瓷作為摩擦學構件的研究和應用已成為當前國際摩擦學研究的前沿課題。目前,陶瓷摩擦學研究主要集中在Si3N4、SiC、ZrO2、Al2O3等少數幾種陶瓷的添加上。而國內外陶瓷摩擦材料的研究主要有C/C-SiC復合摩擦材料和Al2O3基陶瓷摩擦材料。

                                  2.1 C/C-SiC復合摩擦材料

                                  陶瓷基摩擦材料的典型代表是C/C-SiC復合材料,即碳纖維增強碳化硅基體的C/SiC復合材料。德國斯圖加特大學和德國航天研究所等單位的研究人員對C/C-SiC復合材料應用于摩擦領域進行了研究,并研制出C/C-SiC剎車片應用于保時捷轎車中,美國橡樹嶺國家實驗室與Honeywell Advnanced composites公司、Honeywell Aireratf Lnading Systems公司、Honeywell Commercial Vehicle systems公司合作,正在研制低成本的C/SiC復合材料剎車片,替代用于載重汽車的鑄鐵和鑄鋼剎車片。

                                  德國宇航院(DLR)的Walter Krekel等人研究了C/C-SiC復合摩擦材料的結構、制備及摩擦磨損等性能。他們先采用ZD碳布疊層的方法制備C/C-SiC摩阻材料,這種材料的特點是各向異性,即力學性能、熱物理性能等在平行于碳布和垂直于碳布的方向上差異很大。由于成本太高及軸向熱導率太低造成摩擦性能的不穩定,發現它不適合用于制造剎車盤與剎車片。通過選取合適的纖維含量進行改進,Kreknel采用反應熔體浸滲法工藝成功制備了不同種的C/C-SiC剎車盤。同時他們認為對于汽車應用來說,采取碳布作為預制體是生產高性能剎車片的最佳選擇,采用短碳纖維預制體加之合適的模壓工藝是以后大批量生產C/C-SIC 剎車盤最有前途的一種方法。

                                  2.2 氧化鋁基摩擦材料

                                  Al2O3陶瓷價格低廉, 具有高彈性模量, 較好的耐磨性, 化學穩定性, 高溫穩定和力學穩定等性能,是目前應用最廣的結構陶瓷及功能陶瓷材料,近年來,開發以Al2O3陶瓷為基體的摩擦材料己開始引起人們的關注。國外對于Al2O3陶瓷作為摩擦材料的摩擦性能已有研究。L.Esposito等人對低純Al2O3陶瓷的摩擦和磨損性能進行了研究。Scott L.McCOY提到Al2O3陶瓷由于它的來源低廉,高硬度及簡單的操作工藝而被最常選為制動材料。

                                  K.Poser等人在工業單晶Al2O3表面嵌入TiN粒子,研究了其在干摩擦條件下的性能。V.Ucar和A.Miaroglu等人分別在Al2O3陶瓷中添加SiO2/Mno2和Cr2O3/SiO2對他們的摩擦性能進行研究。Antonella Tucci則研究了滑動系統中摩擦表面的第二相和物質轉移。國內陳志剛、陳曉虎、劉蘇等人先后以Al2O3為基材通過添加不同種類的潤滑組元研究了陶瓷基摩擦材料的組織組成、力學性能和摩擦磨損特性,為開發適于重載高速下使用的新型陶瓷摩阻材料提供科學依據。鄧建新研究了Al2O3,Al2O3/TiB2和Al2O3/TiB2/SiCW在25℃到900℃時與合金滑動摩擦時的摩擦磨損特性。李雪源對增韌Al2O3陶瓷與鋼在無潤滑條件下對磨的摩擦學性能進行了研究。

                                  2.3 剎車片制備的工藝

                                  對于模壓產品,國外發達國家采用的基本工藝流程如下:配料→混料→預壓成型→熱壓→熱處理→機械加工→表面處理→印標→包裝。配料基本實現計算機自動控制,減少了人工配料的誤差;熱壓大多采用大噸位壓力機,并采用計算機控制技術,大大提高了產品質量和生產率。

                                  對于編織纏繞產品,采用的基本工藝流程如下:非石棉纖維→(橡膠→混煉→切片+溶劑→膠料;樹脂+溶劑→樹脂漿液)→浸漬干燥→編織纏繞→熱壓固化→熱處理→機械加工→清洗干燥→印標→包裝。這一工藝主要采用了自動控制的編織機、浸噴處理裝置、烘干系統,以及其它先進的輔助工裝設備。

                                  2.4 無機高分子聚合物材料在汽車陶瓷摩擦材料上的應用特點及解決的技術問題

                                  無機高分子聚合物材料在剎車盤上的應用特點是利用無機高分子聚合物的材料特點,以陶瓷合金的角度切入到汽車陶瓷摩擦材料的應用,成功的解決了目前汽車陶瓷摩擦材料需要改進的幾項關鍵技術問題:

                                  (1) 解決摩擦材料用粘結劑(樹脂及橡膠)的性能與質量(如熱分解溫度高、熱量損失小、游離酚含量低、軟化點高、粒度細、韌性好等)問題;

                                  (2) 提高摩擦材料的熱傳導性,以加快摩擦熱的傳遞,防止摩擦材料的熱衰導致的性能降低問題;

                                  (3) 解決了以減小制品密度,降低制動噪聲;

                                  (4) 提高粉碎、混料、熱壓及熱處理(固化)等關鍵工藝設備水平,完善工藝操作和質量檢測及控制手段,確保產品大批量生產質量的穩定性;

                                  (5) 減少摩擦片誘發制動噪聲;

                                  (6) 提高制動摩擦片安全制動的剪切強度、耐壓強度等。

                                  3 我國汽車陶瓷剎車片的現狀及發展前景

                                  陶瓷剎車片具有無噪聲、不腐蝕輪轂、耐用、環保等優點。日本和北美汽車市場現在使用非常廣泛,歐洲新車型也開始裝配陶瓷剎車片。國際市場對陶瓷摩擦材料的認可,加速了我國對陶瓷剎車片的研發。目前,國內主流剎車片企業還沒有具備了中高端陶瓷剎車片的自主研發與生產能力,還不能為國外一些大汽車制造商配套,更不要說進入國外中高端市場。同時,國內市場尚未得到很好的開發。原因在于國內雖然有一些廠家也生產一些所謂的陶瓷摩擦材料(僅僅是添加了一些陶瓷填料,而不是一種真正意義上的陶瓷摩擦材料),但價格高,主機廠很難接受。其次國外對噪聲、環保要求較高,陶瓷摩擦材料因其無噪聲、耐用、環保等優點在國外備受青睞,而國內在這些方面還沒有這方面的要求,消費者這方面的意識也比較欠缺。國內汽車剎車片的發展還停留在注重制動效果與安全性的階段,沒有發展到注重舒適性、環保性的階段。陶瓷剎車片雖然短期內不太可能替代傳統剎車片,但現代汽車正朝著高性能、高速度、安全舒適等方向發展,這就要求作為汽車重要組成部分的制動系統必須安全可靠,同時必須不斷開發新的剎車材料以滿足更嚴格的要求,陶瓷剎車片必然成為今后的一個發展趨勢。

                                  4 展 望

                                  無機高分子聚合物材料在汽車陶瓷摩擦材料的應用上,特別是耐高溫、低噪音、無金屬、無纖維剎車片的研究并進一步研制成功,可望會改變我國現有剎車片的應用狀況,將具有非常重要的社會意義、經濟意義和良好的發展前景,同時其深入的理論研究將具有重大的科學意義和理論價值。

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