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我国汽车制动材料的研究现状及发展趋势

来源:shxxzd.com  作者:新兴制动材料厂  发布日期:2013-02-26
核心提示:汽车制动材料多采用石棉作为增强体。在汽车制动材料配方优化设计的过程中,大量的专利技术和应用研究用来完善和提高制动材料的摩擦磨损性能。

内容摘要:汽车制动器衬片,俗称刹车片,是汽车制动系统中重要的安全部件。1 汽车制动材料的发展历程1.1 鼓式制动器与石棉型刹车片占主导地位20世纪70年代中期以前是摩擦材料发展的第一时期,汽车制动材料多采用石棉作为增强体。在汽车制动材料配方优化设计的过程中,大量的专利技术和应用研究用来完善和提高制动材料的摩擦磨损性能。

汽车制动器衬片,俗称刹车片,是汽车制动系统中重要的安全部件。它将汽车运动的动能转化为热能和其他形式的能量,从而使汽车减速或停止。制动材料是以摩擦为主,兼有结构性能要求的多组分复合材料。随着我国汽车制造业的不断壮大,制动材料也得到了突飞猛进的发展。根据2005年中国刹车片市场调查报告,04年国内摩擦材料产量为19.4万吨,其中盘式和鼓式刹车片占85%以上。国内方面,近年来我国汽车保有量已经达到2570.97万辆,全国每年需求刹车片4亿块左右,市场潜力巨大[1]。另外,据中国摩擦与密封协会的统计,我国摩擦材料产量保持快速增长的势头,2005年产量30万吨,产值56.27亿元,出口交货值13.3亿元;2006年产量达到37.34吨,产值67.34亿元,出口交货值20.51亿元。预计在"十一五"末期,我国摩擦材料总产量将达到60万吨,总产值超过100亿元,其中出口交易值40亿元。随着各国汽车工业的发展和现代社会环保意识的提高,制动材料的运行条件越来越苛刻,人们对它的性能要求也越来越高,可简单将其概括为"三化"。

(1) 无石棉,无污染化。自从1972年国际肿瘤医学会确认石棉及其高温挥发物属于致癌物后,各国家相继禁止使用石棉摩擦材料。我国于1999年10月1日开始实施国家标准《汽车制动系统结构、性能和试验方法》(GB12676-1999),其中明确规定"制动衬片应不含石棉",并在标准实施起48个月后强制施行。随着人们生活水平的提高,汽车所造成的污染也越来越受到人们的重视,其中刹车片产生的污染也引起了人们的关注。就制动材料而言,对环境的污染主要来自制动过程中产生的噪音及磨屑中的重金属污染。为了控制噪音污染,我国于1996年通过了《中华人民共和国环境噪声污染防治法》,欧洲各国也对机动车辆的噪声释放做出了严格规定(图1,图2)。最近的环境研究显示重金属对环境构成极大的危害,关于重金属污染,在国内还没有被完全了解和关注[2],而国外已有报道。欧盟为此已采取措施禁止或严格限制在汽车构件中使用重金属,不久前在斯德哥尔摩发表的一项研究表明,摩擦材料是铜污染最大的祸首之一。尽管与其它汽车部件相比其所含的铜量较低,但制动片却产生了环境中30%的铜污染。在美国加州,由于刹车片重金属造成的河流和海湾污染已经引起了相关部门的重视,其中很多金属如锑、铅、锌等被怀疑有致癌性。因此,制动材料的低金属及无金属化成为研究重点之一。汽车厂商及摩擦材料供货商正在寻找替代品。TRW(美国天合汽车集团)在环境及安全上的技术创新使其在提供无重金属制动片领域领先一步。通过深入的研究,TRW开发了矿物与陶瓷纤维的混合材料,不使用非环保材料,如紫铜、黄铜、锑铅等[3]。中国也将从TRW的这一成果中获益,一些环保制动产品将会逐步进入国内市场。

(2) 高速化。随着高速公路的普及及火车的再次提速,车辆的行驶速度越来越快。汽车在刹车过程中,制动材料吸收的能量基本和车速的平方成正比。以轿车为例,当车速为100km/h时,制动的热负荷达1130.436KJ。另外,目前小轿车和轻型货车大多从鼓式向盘式制动器转变。该制动器的散热性、热稳定性和水稳定性好,且易于维修和保养。但同时其摩擦面积也只有鼓式的1/4~1/6,单位面积吸收的能量增加4~6倍,高速制动时,摩擦副表面的闪点温度可达1000℃,这就对制动材料的耐热性能提出了更高的要求。

(3) 轻量化。从上世纪70年代开始,能源危机及石油的短缺日趋严重,汽车轻量化的问题被提上日程。当今世界能源紧缺,节能必将是摩擦材料发展的一个重要方向。因此,汽车工业相应的将汽车从较重的后轮驱动改为更小、更轻、更省油的前轮驱动,出现了更小、更轻的刹车片。也就是说在具有优良摩擦性能的同时,较低密度的刹车片将会更具优势。对高档汽车的刹车片而言,一般都要求其密度低于2.5g/cm3。

因此,为满足上述性能要求,开发高性能环保型制动材料已成为摩擦材料行业的当务之急。泛泛而谈,制动材料应满足多方面的性能要求:a具有适中且稳定的摩擦系数。通常,不同厂商对摩擦系数要求各不相同。用在亚洲车型上的有机摩擦材料的摩擦系数值(μ)为0.30~0.35,在美国常用的半金属摩擦材料(μ)为0.35~0.40。而在欧洲,对速度及温度要求显著不同。所用的无石棉有机材料(NAO)摩擦摩擦系数的要求值达0.40~0.45;b高的耐磨性,即较长的使用寿命;c具有良好的导热性、较大的热容量和一定的高温机械强度;d对对偶无攻击性;e无噪声、低成本且对环境无污染等[4-5]。

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