研究开发 ▎陶瓷基刹车片的研制及应用
摘 要 笔者介绍了陶瓷基刹车片增强纤维、矿物填料和粘结剂各组分的性能和作用，并叙述了试样的原料配比、试验过程及生产工艺。清洁环保型高稳定摩擦性能陶瓷基刹车片，不含金属成分，使用寿命长，高温性能稳定，是技术先进的产品。
前 言
汽车、工程机械的制动刹车片是一种摩擦材料，主要的功能是通过同金属对偶起摩擦作用来吸收动能使车辆安全可靠地工作，它应具有良好的摩擦性能和耐磨损性能，同时具有良好的机械强度和耐热性。按刹车片材料构成成分分为：石棉（asbestos）刹车片、半金属刹车片、NAO（无石棉有机摩擦材料）刹车片、陶瓷基刹车片。石棉刹车片现已禁止生产使用；半金属刹车片摩擦后飞逸到空气中的灰尘与金属粉末，对人体、环境都造成危害；NAO刹车片没有良好的耐热性和高温下摩擦系数稳定性；陶瓷基刹车片具有稳定的摩擦系数和较好的热稳定性及良好的耐磨性，不含金属成分，使用寿命是其它刹车片的一倍多，综合性能优越，是清洁环保型产品，将会逐步广泛应用到市场。
1 陶瓷基刹车片的组分
陶瓷基刹车片组分主要由增强纤维、矿物填料，摩擦性能调节剂和粘结剂组成，经过生产加工而制成的产品。其组分配方（质量%）为：增强纤维25~40，填料10~30，粘结基体15~30，摩擦性能调节剂10~20，抗磨润滑剂15~30，弹性增韧剂5~10。
1.1 陶瓷基刹车片中的增强纤维及作用
表1 陶瓷纤维性能参数
纤维在陶瓷基刹车片中作为增强骨架材料，对刹车片的强度、摩擦性能和耐磨损性起着重要作用。陶瓷基刹车片常用的增强纤维有硅酸铝纤维、氧化铝纤维、碳纤维、氧化锆纤维，初始多选用硅酸铝纤维和氧化铝纤维，后来研究发现氧化锆纤维比氧化铝纤维和硅酸铝纤维具有更优越的性能，其抗氧化、耐腐蚀、热传导率低，高温性能更好，是较佳的增强纤维材料。陶瓷基刹车片所用增强纤维是上述纤维按比例优配的混杂纤维，比单一纤维具有更好的增强作用。几种陶瓷纤维性能参数见表1。
1.2 陶瓷基刹车片中的矿物填料及作用
陶瓷基刹车片中矿物填料可改善刹车片的物理力学性能(如导热性、热胀率、密度、强度、刚度及硬度等)，还可调节摩擦性能和产品成本。填料分为减摩填料、增摩或摩阻填料。减摩填料能提高刹车片的耐磨性、降低摩擦系数、减少制动噪声；增摩或摩阻填料可改善刹车片的物理力学性能、增加摩擦阻力、稳定摩擦系数和提高耐磨性。
为了提高刹车片的综合性能，减摩填料和增摩填料将根据使用要求按一定配比混合使用。陶瓷基刹车片所用矿物填料主要有：重晶石、膨胀蛭石、海泡石、刚玉、锆石、石墨、滑石、硅灰石、沸石、硅藻土、水镁石、类水滑石等。
重晶石能提高和稳定摩擦系数，还能降低磨损和制动噪音，在高温下能够形成相对稳定的摩擦界面，可防止摩擦对偶表面的擦伤，使摩擦副表面更加光洁，是增摩调控材料。
膨胀蛭石有优异的物理化学性能，可减少刹车片表面的静电粘结物，降低产品密度和制动噪声，并增加其弹性，是调控降噪、减震的填料。
海泡石是纤维状硅酸盐矿物，在刹车片中加入海泡石胶体作增强基料，具有韧性好，抗拉、抗弯强度大，冲击强度高，抗高温磨损小，高温衰退性好。
刚玉和锆石的硬度大，属硬质填料，添加锆石或刚玉，就可发挥良好的增摩效果，制动噪声较低。
石墨是减摩调控材料和摩擦性能调节剂，有良好的导热性能，可降低磨损率，能稳定摩擦系数，还可以加速分散刹车片表面的摩擦热，提高刹车片的热稳定性。
滑石是层状结构的硅酸盐矿物，是起到减摩作用调控填料，与粘结剂有良好的粘合能力，可提高刹车片的强度。
硅灰石具有针状特性及低热膨胀性、优良的抗热冲击性，可提高摩擦系数并降低磨损率，有助于刹车片形成光滑的接触面，减少磨损。
沸石和硅藻土具有优异的吸附性能，可以充分吸收刹车片在高温下分解的小分子物质、摩擦副表面产生的热量以及制动噪音，是摩擦性能调控填料。
水镁石含有一定量的结晶水，板状晶形的结构在发生畸变时变成纤维状的水镁石纤维，具有挠性和柔性，耐高温，抗碱性能优。
类水滑石具有优异的热失重和吸热性，可以吸收摩擦热，高温下发生相变，逐渐向尖晶石类矿物转变，对刹车片的物理力学性能具有增强作用，是润滑减摩、修复调控的材料。
1.3 陶瓷基刹车片中的粘结剂及作用
粘结剂对增强纤维、填料等各组分有良好的浸润性能，将这些材料粘合在一起，与其形成稳定的化学键，是刹车片的基体。陶瓷基刹车片所用的粘结剂为酚醛类树脂（改性树脂）和合成橡胶粉，以酚醛类树脂为主，在一定加热温度下，先呈软化而后进入粘流态产生流动，并均匀分布在陶瓷基刹车片成形材料中，而后通过树脂固化、硫化作用，把增强纤维和填料粘结在一起，形成质地致密、有一定机械强度且能满足刹车片摩擦性能要求的产品；橡胶粉可改善产品的柔软性，降低其硬度。
陶瓷基刹车片制动工作时处于200~500℃的高温条件下，在此温度范围内，无机类的增强陶瓷纤维和填料性能稳定，不会发生热分解，有机类的粘结剂酚醛树脂和橡胶进入热分解区域，因此选择耐热性好的粘结剂对刹车片性能具有非常重要的作用。
2 陶瓷基刹车片的试验
2.1 原料配方试验
表2 原料配方基本参数
陶瓷基刹车片摩擦性能主要取决于原材料的选择、配方配比和生产工艺，在试验过程中，需要解决纤维均匀分散，物料计量准确，混料均匀，压制成形过程的控制，摩擦系数稳定等问题。通过试验、分析得到了许多试验数据，确定一种较优配方的基本参数，其结果见表2。
2.2 制备工艺试验
2.2.1 混料
投料量5kg，混料机主轴转速为180r/min，铰刀转速为2200r/min，混合时间为210s。
2.2.2 压制成形
模腔内投料量200g±2g，压力分别为3.0MPa、4.0MPa、5.0MPa排气，排气时间为3.0s，模具排气升起距离为3.0mm，排气停留时间为3.5s，保压压力为5.0MPa，保压时间为180s，真空度为0.4MPa，试样厚度为11.5mm±0.2mm。
2.2.3 热处理
试样烘箱保温时间为140℃/1h，160℃/1h，180℃/1h，200℃/2h，210℃/3h，升温速度为1℃/10min。
2.3 摩擦系数测定
用XD-MSM定速摩擦试验机，按GB/T 5763-2008检验方法检测试样的摩擦系数,其摩擦系数参数见表3。
表3 试样测试摩擦系数
3 陶瓷基刹车片生产工艺及特性
3.1 陶瓷基刹车片生产工艺流程
陶瓷基刹车片主要由增强陶瓷纤维、矿物填料、粘结剂组成，其生产工艺如图1所示。
原料→称重配料→混合→预成形(模具)→烧结→磨削→开槽（钻孔）→喷涂→修饰→检验→喷码→包装
图1 陶瓷基刹车片生产工艺流程
3.2 陶瓷基刹车片的特性
陶瓷基刹车片具有稳定的摩擦系数、有较好的热稳定性和较低的热传导率、良好的耐磨性。在刹车制动过程中由于摩擦产生热量，工作温度增高，一般的刹车片随着工作温度的升高，摩擦系数开始下降，摩擦力降低，从而降低了制动作用。陶瓷基刹车片在工作温度高达到650℃时摩擦系数仍稳定在0.45~0.50，能够承受较大的压力与剪切力，具有良好的机械强度和物理性能，适合各种高性能制动材料的要求，满足刹车片制动高速化、安全化、高耐磨性能。
半金属刹车片、NAO（None Asbestos Organic）刹车片由于材料的原因，没有好的解决方法；陶瓷基刹车片增强纤维渣球含量低，增强性好，不含金属物，可大大降低刹车片的对偶磨损和制动噪音。陶瓷基刹车片摩擦系数高于半金属刹车片、NAO（None Asbestos Organic）刹车片，热衰减性低，可提升制动性能和安全性，制动时刹车片与对偶间的非正常摩擦时产生噪音，3种刹车片的图片见图2。
半金属刹车片、NAO（None Asbestos Organic）刹车片的使用寿命在60000km以下，而陶瓷基刹车片的使用寿命在100000km以上，使用寿命提高50%以上，环保综合性能优越的陶瓷基刹车片克服了传统刹车片的材料和工艺上的缺陷，是最先进的制动刹车片产品。
图2 刹车片图片
4 结语
陶瓷基刹车片采用陶瓷纤维材料制备新技术，配料品质和质量稳定，不含金属成分，摩擦性能稳定，使用寿命长，是清洁环保型各项性能稳定的产品，广泛推广应用提高企业形象和品牌价值，为产品升级转型及高质量发展起到重要作用。