制动用有机摩擦材料的研究进展_丛培红

第31卷　第1期摩擦学学报V o l31　N o1 2011年1月T r i b o l o g y J a n,2011制动用有机摩擦材料的研究进展丛培红1＊,吴行阳2,卜　娟1,李同生1(1.复旦大学高分子科学系,聚合物分子工程教育部重点实验室,上海　2004332.上海大学机电工程与自动化学院,上海　200072)摘　要:随着社会的不断发展和进步,人们对车辆的运行速度、安全性、舒适度和环保化等提出了更高的要求,迫切需要进一步提高制动用摩擦材料的综合性能.本文综述了有机黏结剂、增强纤维、摩擦性能调节剂和填料等有机摩擦材料4大类组分的研究进展,介绍了该领域的一些理论研究工作,希望为我国高性能有机摩擦材料的研制提供一些资料积累和思路.关键词:摩擦材料;有机黏结剂;增强纤维;填料;理论研究中图分类号:U463.5文献标志码:A文章编号:1004-0595(2011)01-0088-09 P r o g r e s s i nR e s e a r c ho f O r g a n i c F r i c t i o n a l M a t e r i a l sf o r A u t o m o b i l e a n d T r a i nB r a k i n gC O N GP e i-h o n g1＊,W UX i n g-y a n g2,B UJ u a n1,L I T o n g-s h e n g1(1.K e y L a b o r a t o r y o f M o l e c u l a r E n g i n e e r i n go f P o l y m e r s o f M i n i s t r y o f E d u c a t i o n,D e p a r t m e n t o f M a c r o m o l e c u l a r S c i e n c e,F u d a n U n i v e r s i t y,S h a n g h a i200433,C h i n a2.S c h o o l o f M e c h a t r o n i c s E n g i n e e r i n ga n dA u t o m a t i o n,S h a n g h a i U n i v e r s i t y,S h a n g h a i200072,C h i n a)A b s t r a c t:Wi t h t h e d e v e l o p m e n t a n da d v a n c e m e n t o f s o c i e t y,h i g h e r s p e e da n d s a f e t y,m o r ec o m f o r t a b l e a n de n v i r o n m e n tf r i e n d l y a r e r e q u i r e d f o r a u t o m o b i l e s a n d t r a i n s.I t i s u rg e n t t o i m p r o v e th ei n t e g r a t i n g p r o p e r t i e s o f b r a k e f r i c t i o n m a t e r i a l s.T h i s p a p e r r e v i e w s t h e p r o g r e s s i n r e s e a r c h o f t h e f o u r c o m p o n e n t s i n t h e o r g a n i c f r i c t i o n a l m a t e r i a l s,i.e.o r g a n i c b i n d e r s, r e i n f o r c e m e n t f i b e r s,f r i c t i o nm o d i f i e da g e n t s a n df i l l e r s,a l s oi n t r o d u c e s s o m et h e o r ys t u d i e s i nt h i s f i e l d,a n dd e s i r e s t o p r o v i d e s o m e i n f o r m a t i o n a c c u m u l a t i o na n d r e s e a r c hi d e a s f o r d e v e l o p i n g h i g h p e r f o r m a n c e f r i c t i o nm a t e r i a l s.K e yw o r d s:f r i c t i o nm a t e r i a l s,o r g a n i cb i n d e r s,r e i n f o r c i n gf i b e r s,f i l l e r s,m e c h a n i s ms t u d i e s 随着社会的不断发展和进步,人们对车辆的运行速度、安全性、舒适度和环保化等提出了更高的要求,进一步提高制动用摩擦材料(刹车片、闸片等)的综合性能是其中需要解决的关键性技术问题.通常摩擦材料可以分为有机和金属陶瓷(粉末冶金) 2类,有机摩擦材料又可分为少金属、半金属和无石棉有机(n o n-a s b e s t o s o r g a n i c,N A O)等几种.与金属陶瓷摩擦材料相比,有机摩擦材料具有如下特点:①化学结构、凝聚态结构、交联网络和共混组分等具有灵活的可设计性;②具有黏弹性,可同时利用黏着和弹性变形构成摩擦功,因而可实现摩擦功较大且使用寿命较长;③易于成型加工,与制动盘的贴合性好、制动噪音低;④对制动盘的攻击性较小、价格低廉等.因此有机摩擦材料是性价比最适宜的摩擦材料,可以应对当前的运行高速化、车体轻量化和负荷重载化等复杂制动工况.R e c e i v e d31M a y2010,r e v i s e d29J u n e2010,a c c e p t e d13D e c e m b e r2010,a v a i l a b l e o n l i n e28J a n u a r y2011.＊C o r r e s p o n d i n ga u t h o r.E-m a i l:c o n g p h@f u d a n.e d u.c n,T e l:+86-21-55664118.T h e p r o j e c t w a s s u p p o r t e db y t h e N a t i o n a l N a t u r a l S c i e n c e F o u n d a t i o no f C h i n a(50973021).国家自然科学基金项目(50973021)资助. 世界各国相继研究开发出多种适用于不同制动领域的有机摩擦材料配方,但因专利保护限制,难以查到该类材料的组成,仅能从学术论文和专利中找到一些有用信息.本文综述了近年来车辆制动用有机摩擦材料的研究概况,介绍该领域的一些理论研究工作,希望为我国制动用有机摩擦材料的研制提供一些资料积累和新的配方设计思路.1　盘型制动基础高速列车和汽车普遍采用如图1[1]所示的盘型制动方式,其原理为通过制动盘(一般为灰铸铁)与制动片(摩擦材料)间的摩擦,使车辆动能转换成热能,从而实现制动.理想的摩擦材料应具备如下性能:①摩擦系数适中(0.3～0.5)且稳定;②对制动操作参数的敏感性低;③抗热衰退和恢复性能好;④足够的强度;⑤长寿命,对制动盘的攻击性低;⑥制动时无噪音和振动等.不同国家、不同企业都有自己独有的有机摩擦材料配方,其中适用于汽车制动的多达成百上千种.对于列车制动来说,因为其自身重量远远大于汽车,随着车辆速度的提高,制动功显著增大,这就要求制动用材料在单位时间内能够吸收更多热能,可承受巨大的制动能和高速剪切,有较好的耐热应力开裂性等,因此适用于高速列车制动的配方相对较少.F i g .1　S c h e m a t i c o f a d i s c b r a k e 图1　车辆盘型制动原理示意图有机摩擦材料是1种多元复合材料,一般含有十几甚至几十种组分,按其主要作用可大致分为有机黏结剂、增强纤维、摩擦性能调整剂(包括磨料和润滑剂)和填料等4大类.图2给出了1种汽车(a )[2]和列车(b )[3]用制动摩擦材料各组分的体积F i g .2　C o m p o s i t i o n o f o r g a n i c b r a k e p a d s f o r a u t o m o b i l e (a )a n dt r a i n (b )图2　汽车(a )与列车(b )制动用有机闸片的组成举例分数,可以看出汽车用摩擦材料中起降低成本等作用的填料较多,而列车用摩擦材料则含有更多增强纤维,以保证苛刻条件下材料的强度.我们也注意到有机摩擦材料配方体系的多样性,比如对汽车用摩擦材料来说,其填料的体积分数变动范围为15%～69%,具有一系列可能的配方组成.2　有机摩擦材料的配方研究有机摩擦材料的一般成型工序是先将不同组分混合制成模压粉,然后再进行固化、后热处理和整形等操作.成型材料中各种填料分散在软质有机黏结剂中形成具有一定硬度的质点,可以通过调节各种组分的配比来解决摩擦系数的平稳性、磨损以及热衰退、湿摩擦性能、表面自洁性以及噪音等问题.为了获得综合性能更为优异的摩擦材料,研究者们在黏结剂的开发、新型增强纤维或多种纤维混杂效果以及新型添加剂和添加剂的协同效果等方面正做着不懈的努力.89第1期丛培红,等:制动用有机摩擦材料的研究进展2.1　有机黏结剂有机黏结剂(基体树脂)是有机摩擦材料的最关键组分,其作用是将增强纤维、摩擦性能调节剂和填料等组分紧密黏结成一体,从而得到相对均匀、致密的材料.有机摩擦材料在亚微观层次上形成所谓的“海-岛”结构,即基体树脂遍布整个材料形成高分子特有的大型包络连续结构作为“海”,其他组分形成分布于其中的“岛”.在高速制动下,闸片最初要经受高剪切力,接着高速制动产生的摩擦热导致表面的急剧升温.基体树脂是其中对热最为敏感的组分,制动时的高剪切可能导致大分子链断裂,摩擦热也会使材料摩擦表面层中的树脂成分由表及里发生不同程度的热裂解,从而导致表面层中成分间的结合强度发生较大变化,因此提高有机黏结剂的性能是研制高性能摩擦材料的关键.从摩擦材料诞生之日起,研究者们主要选用酚醛树脂(P F)作为黏结剂,这是因为P F综合性能优异、成型工艺简单且价格低廉.但以纯P F为基体的摩擦材料存在硬度较大、黏结力小、质脆、连续工作温度较低(小于250℃)、噪音大、摩擦层的分解残留物性能不稳定等缺点.20世纪70年代起,国内外许多摩擦材料生产及研究单位通过各种途径对P F 进行改性,以提高其韧性和耐热性.提高P F韧性的主要途径有:①化学增韧,即通过化学键在树脂分子结构中引入脂肪族化合物、烷基酚、橡胶等的柔性长链,以降低脆性,提高抗冲击性能,如桐油改性、腰果壳油改性、亚麻油改性等;②物理增韧,即利用共混的方法加入橡胶、热塑性树脂、增韧剂、纤维或微粒子等增韧组分,以起到提高冲击强度的作用.提高P F耐热性的方法通常采用化学途径,引入能形成稳定环状结构、高键能结构的基团,或减少易氧化的酚羟基、亚甲基的比例等,例如硼改性、钼改性、三聚氰胺改性、芳烃改性等.关于摩擦材料用P F的改性研究,国内外均有大量报道,文献[4-5]详细总结了此领域的研究概况,在此不再详述,仅提出该领域应注意的几个问题.2.1.1　有机黏结剂用量的控制摩擦材料所需的各种性能中,抗热衰退性能最难获得,而热衰退主要是由有机黏结剂的降解失效等引起的.有研究者以丁腈橡胶化学改性P F[6]和腰果壳油改性P F[7]为黏结剂,考察了其含量对摩擦材料的热衰退和恢复性能的影响,发现黏结剂的含量存在一个临界值,含质量分数10%黏结剂的摩擦材料具有最理想的摩擦系数和热恢复性能.对于湿式摩擦材料,T a n a k a等[8]提出质量分数5%～20%的黏结剂与其他填料相配合有利于获得高且稳定的摩擦系数和优异的抗磨性.欧洲和北美等发达国家的低树脂汽车刹车片中树脂质量分数仅为5%～6%[9].因此在保证材料强度的前提下应尽可能降低黏结剂的含量,这不但有利于减少热衰退的发生,减少制品起泡、膨胀的发生,而且可有效降低成本.2.1.2　无机纳米粒子对P F的改性效果在P F改性方面,纳米粒子的引入是1个值得注意的研究方向,因为小尺寸效应,纳米粒子可同时提高摩擦材料的力学性能和耐热性.孙振亚[10]采用纳米S i O2改性P F制备合成闸片,发现纳米S i O2改性P F的初始分解温度较普通P F提高56℃;390℃下的耐热性显著提高,失重小于6%;同时纳米粒子也改善了P F的流动性和界面黏结性,固化树脂的耐冲击性和韧性明显提高;合成闸片的摩擦系数稳定,抗热衰退性能好,可满足高性能机车的使用要求.据报道,纳米铜[11]、纳米坡缕石[12]、碳纳米管[13]等也有类似效果.2.1.3　新型黏结剂的研究与开发虽然通过化学或物理途径可在一定程度上提高P F的耐热性和韧性等,但由于P F自身结构的缺陷,不可避免地存在强度较低、耐热性不足、热衰退严重、制品易收缩、存在空洞和裂纹等问题.另外采用P F作为黏结剂时必须进行后热处理,消耗大量能源和人力.因此国内外研究者都在积极探索摩擦材料用新型黏结剂,其中开环聚合P F、C O P N A (C o n d e n s e dP o l y n u c l e a r A r o m a t i c s,缩合多核芳香烃)树脂以其优异的性能引起了广泛关注.开环聚合P F是以酚类化合物、胺类化合物和甲醛为原料合成的1类杂环中间体-苯并噁嗪,其分子质量和黏度均较低.在加热和/或催化剂的作用下,该中间体发生开环聚合,生成类似P F的网状结构[14].开环聚合P F在固化过程中无小分子放出,成型工艺性好;分子链中的稳定苯环结构保证其较高的耐热性,其玻璃化温度为220℃,在520～600℃时热失重仅有10%左右.开环聚合P F与增强纤维、填料等配合制备的摩擦材料可满足高速制动的性能要求[15],但其合成原料是毒性较大的酚类和甲醛,高温降解产物也具有毒性,不符合环保要求.C O P N A树脂是20世纪80年代中期日本科学家O t a n i等[16]发明的1种新型热固性树脂,由萘、蒽、菲、芘、沥青等缩合多核芳香烃及其衍生物,在酸催化和惰性气体保护下与芳香二醇或芳香醛等交联剂90摩　擦　学　学　报第31卷加热缩合而成.采用C O P N A树脂可改善含石墨制动摩擦材料的黏结性,但其耐热性略有不足,与P F 相当[17].在新型黏结剂方面,B i j w e研究小组[6-7,18]做了大量工作.最近他们报道了[18]4种环境友好的热固性树脂,该树脂不需要固化剂,在热诱导下嗪环打开发生加成反应而固化,可避免制品产生裂纹、空洞和收缩等缺陷,也不需要后固化处理.以这种新型树脂为基体制备的摩擦材料在摩擦系数、抗热衰退性及耐磨性等方面均优于普通P F基体的.虽然国内外研究者们都在试图开发可取代P F 的有机黏结剂,但从综合角度考虑,目前各种改性P F品种依然是有机摩擦材料用黏结剂的主流.从绿色环保等长远角度来看,需要加快非酚醛类、无毒有机黏结剂的研发和推广应用工作.2.2　增强纤维增强纤维的作用在于提高摩擦材料的机械强度,使其能够承受制动所产生的冲击力和剪切力等,避免发生破裂.从摩擦材料诞生至20世纪80年代,石棉是主要使用的增强纤维.70年代石棉被确认具有致癌作用后,摩擦材料开始向无石棉化发展,各国相继开始了新型增强纤维的研究工作,包括金属纤维(钢纤维、铜纤维、铝纤维等)、人造矿棉、无机纤维(陶瓷纤维、硅酸铝纤维、岩棉、复合矿物纤维、玻璃纤维等)、天然矿物纤维(海泡石纤维、硅灰石纤维等)和有机纤维(芳纶纤维、纤维素纤维、植物纤维等),表1总结了目前摩擦材料中几种常用增强纤维的优缺点[19].表1　几种常用增强纤维的优缺点T a b l e1　A d v a n t a g e s a n dd i s a d v a n t a g e s o f s o m e f i b e r s u s e di nf r i c t i o nm a t e r i a l sR e i n f o r c i n g f i b e r s A d v a n t a g e s D i s a d v a n t a g e s M e t a l l i c T h e r m a l l yr e s i l i e n t,s t e e l a n dC u f i b e r s h a v e m e l t i n g L a r g ea m o u n t m a y c a u s ep o i n t h i g h e r t h a n1000℃e x c e s s i v e r o t o r w e a r,m a y c o r r o d eA r a m i d G o o d t o u g h n e s s,e x c e l l e n t t h e r m a l r e s i s t a n t,g o o dw e a r r e s i s t a n c e S o f t,c a n n o t b e u s e dw i t h o u t o t h e r f i b e r sG l a s s S u f f i c i e n t t h e r m a l r e s i l i e n c e(m e l t i n g p o i n t o f1430℃)B r i t t l e,s t a r t t o s o f t e na t a b o u t600℃C e r a m i c T h e r m a l l yr e s i l i e n t(m e l t i n g p o i n t h i g h e r t h a n1700℃),B r i t t l eg o o d s t i f f n e s s-w e i g h t r a t i oP o t a s s i u m t i t a n a t e T h e r m a l l y r e s i l i e n t(m e l t i n g p o i n t o f a b o u t1371℃),g o o dw e a r r e s i s t a n c e H e a l t hh a z a r d 钢纤维是摩擦材料中最早使用的非石棉纤维,是半金属摩擦材料的主要组成部分,以钢纤维为主体的半金属摩擦材料的开发应用也最为成熟.与石棉相比,钢纤维增强摩擦材料具有摩擦系数平稳、300～500℃摩擦系数衰退较少、高温磨损小、可压缩性低等优点,但其含量过高时会引发锈蚀,引起摩擦性能变劣,同时会损伤对偶件[20].芳纶纤维是1种高性能纤维,具有优异的抗磨性和抗衰退性,一般以浆粕的形式与其他纤维复合使用,主要应用于对耐热性和强度要求较高的摩擦材料中.玻璃纤维也是1种常用增强纤维,它的热导率远低于金属纤维且性脆,一般不单独使用.陶瓷纤维具有耐热性及热恢复性,质轻而高强[21],是1种适用于摩擦材料的新型增强纤维,但其应用研究报道较少.钛酸钾晶须是近年来研究较多的增强纤维, C h o等[22]考察了不同形状的钛酸钾对N A O摩擦材料制动性能的影响,发现钛酸钾的形状对摩擦表面转移膜和接触平台的形成有重要影响,碎片状钛酸钾表现出最好的摩擦系数稳定性和抗磨性,晶须状和片状钛酸钾不适于在高温下使用,因为它在滑动中容易剥落,导致大的磨损.但也有报道[23]说钛酸钾对健康不利,应限制其在摩擦材料中的应用.对不同增强纤维的应用效果有大量文献报道.H o等[24]比较研究了碳纤维、纤维素纤维、钢纤维、铜纤维、黄铜纤维、陶瓷纤维(纤维含量均为质量分数10%)对P F基摩擦材料机械和摩擦学性能的影响,发现铜纤维增强的摩擦材料表现出高且稳定的摩擦系数和低磨损,最适用于摩擦材料.S a t a p a t h y 等[25]选择了芳纶纤维、聚丙烯腈纤维、碳纤维和纤维素纤维等4种汽车刹车片中常用的有机纤维(见图3),考察了纤维种类对摩擦材料的衰退和恢复的影响,发现增强纤维的抗衰退性和恢复性对摩擦材料的制动性能具有决定性作用;所有摩擦材料的摩擦系数恢复性能都超过100%,其中碳纤维增强的抗衰退性和恢复性最好,但摩擦系数最低;含芳纶纤维的摩擦材料抗磨性最好;含纤维素纤维的摩擦系数最高,但抗衰退性、恢复性和抗磨性最差,不适合作为增强纤维应用于刹车片.随着研究的深入,研究者们发现单一纤维增强91第1期丛培红,等:制动用有机摩擦材料的研究进展的摩擦材料存在各种缺点,而几种纤维混合使用,可达到性能互补的效果,因此混杂纤维增强摩擦材料是近年来研究的热点之一.G o p a l等[26-27]发现芳纶浆粕和玻璃纤维复合使用可降低摩擦材料的磨损,增加摩擦稳定性,消除噪音.K i m等[28]考察了芳纶浆粕和钛酸钾晶须对汽车用摩擦材料的摩擦稳定性、磨损率及滑动表面形貌等的影响,发现细小的钛酸钾晶须黏附于芳纶纤维上,2种纤维的协同作用有助于在摩擦材料滑动表面上形成1种长寿命的摩擦膜,该摩擦膜可提高材料的摩擦系数稳定性和抗磨性,而单一纤维材料没有这种效果.王海庆等[29]以自制的水溶性改性P F树脂为黏结剂,采用炭纤维、钢纤维和矿物纤维制备的混杂纤维增强有机合成闸片可满足时速160k m提速列车的使用要求.由以上研究可见,用于增强纤维种类繁多,需根据对摩擦材料制品性能的要求选择不同的增强纤维,并考虑增强纤维与树脂的黏结作用,可采用偶联剂对纤维进行表面处理,以提高纤维与有机黏结剂的亲和能力.2.3　摩擦性能调节剂根据摩擦性能调节剂在摩擦材料中的作用,可将其分为增摩剂与减摩剂2类.执行制动功能要求具有较高摩擦系数,因此增摩剂是摩擦性能调节剂的主要成分之一.摩擦材料中一般添加有在较低工作温度下(小于250℃)能提高制品摩擦系数的增摩剂,如长石粉、铁粉(莫氏硬度在3～6)等;同时为解决黏结剂在高温下降解导致的热衰退问题,还需添加在较高工作温度下(250～400℃,)具有较高摩擦系数的高温增摩剂,如氧化铝、锆英石、S i C(莫氏硬度一般在7以上)等.C h o等[30]考察了4种不同尺寸的商业锆石(直径分别为1、6、75和150μm)对制动衬里材料摩擦特性的影响,发现含较粗锆石的衬里材料摩擦表面生成了1种稳定的摩擦膜,从而提供了低磨损和优异的摩擦稳定性,但对偶盘的磨损较大;与此相对应,含有细锆石的材料在摩擦过程中生成了不稳定的摩擦膜,导致磨损过大,摩擦系数稳定性不好.据报道,加入氧化铝可提高材料的摩擦系数,降低磨损[31];而S i C可大幅度提高材料的摩擦系数,磨损率仅有少量增加[32].由此可见,增摩剂的组成、粒度和形状均影响摩擦材料的摩擦表面特性,进而影响材料的摩擦与磨损性能.另外高温增摩剂均属硬质92摩　擦　学　学　报第31卷填料,虽然增摩作用明显,但对制动盘的损伤严重,因此要控制其用量和粒度.减摩剂一般为低硬度物质,特别是莫氏硬度低于2的物质,如石墨、M o S2、滑石、云母、S b2S3等,它们既能增加摩擦系数的稳定性又能减少对偶材料的磨损,从而提高摩擦材料的使用寿命.金属硫化物是摩擦材料中常用的润滑剂,一般认为其性能优于石墨,这是因为石墨与有机黏结剂的黏结强度较低,会加速摩擦材料的磨损,而金属硫化物不存在此问题.但H o y e r等[33]报道金属硫化物不适用于制动用有机摩擦材料,因为它们会导致摩擦系数和磨损的大幅度变动.C h o等[34-35]将石墨和S b2S3复合使用,体积分数为6%的石墨和3%的S b2S3取得了最佳的复合效果,摩擦材料具有很好的抗热衰退性能.另一方面,S b2S3在制动过程中有可能被氧化成1种疑致癌物-S b2O3,需要努力寻找和推广使用更加安全的摩擦性能调节剂.摩擦材料中增摩剂和减摩剂的相对含量共同决定着材料的摩擦与磨损性能[36],因此需要根据对摩擦材料的性能要求选择性地添加不同含量的增摩剂和减摩剂.2.4　填料摩擦材料中使用的填料包括功能填料和空间填料,用于改进摩擦材料的热导性、流变性能、成型加工性能、外观或降低成本等,呈惰性的B a S O4和C a C O3都是常用的空间填料,它们可以提高摩擦材料的热稳定性,改善材料的热衰退性能,但在更高温度下,B a S O4不如C a C O3稳定.云母和蛭石是常用的2种功能填料,它们均为平面网状结构,能够抑制低频制动噪声,但蛭石在大约800℃时会发生严重的片状剥落,云母在高温下的耐磨性不好.在降低和消除制动噪音方面,一般采用具有多孔或疏松结构的填料,如人造石墨、煅烧焦炭、膨胀蛭石、海绵铁粉、硅藻土、铁木粉等.该类填料能减少制动时摩擦副共振的形成、吸收振动摩擦所产生的噪音.另外,黏弹性优异的腰果壳油摩擦粉和橡胶粉也可以达到降低噪声的目的[37],是摩擦材料中经常选用的.近年来,Z h a n g等[38]将可自愈合微胶囊作为1种功能填料添加到汽车刹车片中,该微胶囊可自动修复摩擦材料制动过程中产生的微裂纹,从而提高摩擦材料的可靠性.在摩擦材料中,填料颗粒会被一定数量的纤维、黏结剂所分隔及包裹,其使用量和粒径直接影响材料的性能:增加填料含量会导致材料的断裂强度降低;与小颗粒填料相比,使用大颗粒填料时产生在基体上的应力更大、更集中;由平均粒径较小的填料制成的摩擦材料硬度一般较高.因此需要根据对摩擦材料制品的性能要求选用不同的填料,以获得所期望的性能.2.5　理论研究长期以来,由于对有机摩擦材料的结构与性能间的关系缺乏足够的认识,摩擦材料的原材料选择仍以经验和大量实验数据为依据来进行.众所周知,有多达700种原材料可作为摩擦材料的组分,其中常用的就有40多种.虽然在摩擦材料的性能优化方面研究者们做了大量的工作,如正交设计、化学计量学的应用、遗传算法应用和多因素判据优化等,但对原材料在配方中的作用和原材料之间的相互作用却知之不多,难以科学合理地设计摩擦材料配方,因而摩擦性能也达不到真正的优化.为了解决摩擦材料配方研究中存在的原材料选择、组分匹配和摩擦性能优化等问题,L u[39-40]基于组合化学和组合材料芯片技术的原理,通过对各种原材料组合的摩擦磨损性能评价,了解各种原材料之间的相互作用、组合规律及各种组分对材料摩擦磨损性能的影响,提出了组合摩擦材料和组合摩擦材料研究的概念.该方法中摩擦材料配方的设计采用黄金分割优化理论,把黄金分割序列与组分的体积分数联系在一起,在摩擦材料配方的计算方面进行着积极的尝试[41].3　制动摩擦机理研究众所周知,汽车刹车片在刚开始使用时性能并不好,需要1个磨合过程才可以达到0.3～0.5的稳定摩擦系数,这个过程归因于刹车片和制动盘界面1种所谓的“第三体”的形成.图4给出了摩擦材料表面形成的第三体示意图[42].第三体的概念是G o d e t[43]提出的,他认为磨屑密堆积对于形成表面层起到重要作用;第三体是不连续的,其组分包括摩擦化学反应产物和来源于对偶的成分;在摩擦过程中闸片中的增强纤维与磨屑一起被挤压并紧密黏附于表面,成为对偶间的主要接触点[44].E r i k s s o n等[45]认为闸片中的增强纤维(钢纤维、玻璃纤维等)形成制动过程中的第一接触平台,在摩擦剪切的作用下,随着磨屑的密堆积,该接触平台面积可能增加,摩擦材料的磨合过程、衰退效应可用该接触平台的产生、生长和降解来解释. O¨s t e r l e[44]等将聚焦离子束(F I B)技术应用于摩擦材93第1期丛培红,等:制动用有机摩擦材料的研究进展料,分析了制动操作后(制动盘为灰铸铁)半金属有机合成闸片表面层的断面结构,结果发现摩擦材料表面层可由如下1、2或3层构成:①100n m 厚的摩擦膜,由金属氧化物微晶和富S 无定形相构成;②紧密堆积磨屑形成的摩擦层,该摩擦层与材料的表面F i g .4　S c h e m a t i c r e p r e s e n t a t i o n o f p a da r c h i t e c t u r e a n dm a t e r i a l c h a n g e s a t t h e s u r f a c e 图4　摩擦材料表面及本体结构示意图粗糙度相配合;③在支撑物为金属微粒的表面形成严重的变形层.他们还发现紧密黏附于闸片表面的摩擦膜含有大量的C u 和S ;闸片成分中的Z n 转移到了铸铁盘上,Z n 被认为对摩擦系数的影响较大;疏松磨屑的主要组分为F e 2O 3,在闸片表面的黏附力较弱.列车制动过程中伴有大量摩擦热的产生,导致瞬时、局部的温升现象,例如热带和热斑.这些热现象与第三体流动、摩擦、磨损相互作用,引起摩擦界面复杂的物理和化学变化.为了揭示摩擦表面热现象与制动性能的关系,法国的D e s p l a n q u e s 等[46-47]设计了1种可模拟严酷制动条件的摩擦试验机,采用红外热成像仪自动记录盘制动轨迹上的热现象,系统研究了高速列车制动时表面热现象与第三体流动及摩擦机理间的关系,提出了如图5所示的摩擦表面热现象及相应的摩擦机理[47].在制动试验中红外测温仪监测到摩擦表面产生的2个热斑[图5(a )],根据热现象的不同他们将制动闸片分为不同的区域,对应不同的摩擦机理.图5-b 中示出了穿过热斑剖面R 上A 、B 、C 处的情况,其中产生热斑的C 处可定义为密实区(c l o s e d a r e a ),该区为主要接触部位,处于高压高温状态,高接触应力导致大量磨屑的产生,进一步的挤压和剪切作用导致形成接触平台;远离热斑的A 处可定义为开放区(o p e na r e a ),盘片间无直接接触,磨屑在开放区发生堆积,即形成闸片表面的粉末层;两者之间的过渡区(t r a n s i t i o n a r e a )接触应力较低,不足以形成接触平台,摩擦剪切作用将第三体颗粒清除干净,因此在闸片的过渡区观察不到黏附的磨屑.P a n i e r 等[48]采用红外热成像仪观察了1:1高速列车制动台架试验中制动盘摩擦表面的热现象,提出了制动盘表面热斑的分类,并给出了对其中最具毁坏性的热梯度的详细研究结果,提出了热斑产生的环节及影响参数,例如闸片的刚性、热斑发展中闸片的接触状况等,比较了实验观察与理论计算结果的异同.F i g .5　S c h e m a t i c o v e r v i e wo f f r i c t i o nm e c h a n i s m图5　摩擦机理示意图以上这些对摩擦膜、摩擦界面发生的物理和化学现象的深入研究不断推进着摩擦材料领域的技术进步,目前第三体的形成理论已被普遍接受,摩擦材料表面生成的这一层特殊的第三体决定着摩擦材料的制动性能,然而迄今为止对第三体的生成和发展机理还不完全清楚,这也对摩擦材料的配方设计造成了很大困难.4　结束语在有机摩擦材料领域国内外研究者已做了大量工作,取得了很多具有实用价值和理论意义的研究成果.但由于摩擦材料是1种含多组分的有机-无机复合材料体系,其整体性能往往由多种材料间的94摩　擦　学　学　报第31卷。