制動器研究報告-現(xiàn)代制動用剎車材料應用研究概況及前景展望_投資策略_分析預測_制動器市場調(diào)研

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2010-2015年盾構機行業(yè)發(fā)展前景分析及投資風險預

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在現(xiàn)代摩擦學的研究中,摩擦材料是指積極利用其摩擦特性,以提高摩擦磨損性能為目的,用于摩擦離合器與摩擦制動器的摩擦部分,實現(xiàn)動力的傳遞、阻斷,運動物體的減速、停止等行為所用的材料。在描述術語中,通常將使用在制動器中的摩擦材料稱為剎車材料,如汽車剎車材料、火車剎車材料及航空剎車材料等。

制動器是使運動中的機構或機器迅速減速、停止并保持停止狀態(tài)的裝置;有時也用于調(diào)節(jié)或限制機構或機器的運動速度。通常而言,應用于制動的剎車材料,其主要功能是通過摩擦,將動能轉變?yōu)闊崮懿崃课栈蛏l(fā)掉,從而逐步降低剎車材料所在部件和被它貼合部件(剎車材料所在部件和被它貼合部件構成摩擦副,全部摩擦副構成剎車副總體)之間的相對運動速度,直至停止運動,達到制動目的,其工作過程在力學上可簡化為圖1所示模型。

圖1剎車材料工作模型

制動過程可以簡單描述為通過對剎車材料部件施加壓力p使之與對偶材料部件貼合從而使主動件轉速降至0。在此過程中,假定Tf和Tr均為常數(shù),為了達到制動目的,制動力矩Tf除了應能克服主動件的慣性阻力矩Tr以外,還應提供一減速力矩ΔT以克服主動件的慣性力矩,ΔT=Tf-Tr。制動初期,由于制動器的接合力矩不足以克服主動件的阻力矩,因而在這段時間內(nèi)主動件仍保持原速,當Tf=Tr時,主動件開始減速,并經(jīng)過時間(t2-t1),速度逐漸降低為0。制動器所產(chǎn)生的摩擦力矩應等于或大于制動力矩,其大小取決于剎車副材料的摩擦因數(shù)、制動壓力、幾何形狀與尺寸等。

要使剎車副完成上述制動過程,理想的剎車材料應具有以下性能:足夠而穩(wěn)定的摩擦因數(shù);高的導熱性與耐熱性;高的耐磨性;良好的耐油、濕和腐蝕能力;足夠的強度;在和被貼合的部件進行摩擦接觸時產(chǎn)生很少或不產(chǎn)生噪聲;在工作中不發(fā)生黏結或咬合;原材料來源充裕,價格性能比高,具有良好的工藝性能等。

要完全滿足上述各點要求是困難的,但應依據(jù)工況條件,基本滿足所需的摩擦因數(shù)及其在摩擦制動過程中允許的變化范圍和剎車副預定壽命。

1剎車材料的分類及發(fā)展

剎車材料的分類方法主要有兩種,一種是以使用機構來劃分,如汽車剎車材料、火車剎車材料和航空剎車材料等,該分類法簡單且易理解,但存在材料的交叉;一種是根據(jù)材料材質(zhì)類型來劃分,這種分類方法較為科學�，F(xiàn)代制動用剎車材料主要包括以下3大類:樹脂基剎車材料(石棉剎車材料、無石棉剎車材料、紙基剎車材料)、粉末冶金剎車材料、碳/碳復合剎車材料和陶瓷基剎車材料。

111樹脂基剎車材料

樹脂基剎車材料是指采用樹脂為黏結劑的剎車材料,根據(jù)其主體摩擦組元的種類不同,又包括石棉剎車材料、無石棉剎車材料、紙基剎車材料和碳基剎車材料等。石棉剎車材料是采用石棉纖維添加適量填料,以樹脂為黏結劑,采用熱壓工藝制成的剎車材料。無石棉剎車材料是采用其他纖維如金屬纖維、植物纖維和合成纖維等替代石棉材料制成的剎車材料。

而紙基剎車材料是以紙漿為基體,添加適量的填料,以樹脂為黏結劑,采用造紙和熱壓工藝制造而成。從上述定義可以看出,不同樹脂基剎車材料除基體組成不一致外,制造工藝基本相同,因此也決定其使用條件和性能具有相似性。

20世紀20—80年代,石棉在剎車材料領域占據(jù)主導地位。由于石棉是致癌物質(zhì),被禁止在剎車材料中使用而導致了無石棉剎車材料的出現(xiàn)[8]。同時,石棉在400℃左右將失去結晶水,在550℃時全部失去結晶水,失去了增強效果,從而剎車材料的制動性能不穩(wěn)定,出現(xiàn)明顯的衰退現(xiàn)象,無法滿足現(xiàn)代機械尤其是汽車的高速制動需求,也催生了無石棉剎車材料。無石棉剎車材料是在20世紀70年代由美國本迪克斯公司研制發(fā)展起來的,無石棉剎車材料除了綠色環(huán)保外,且在制動耐溫性、穩(wěn)定性方面獲得較大的提高。在替代石棉纖維的過程中發(fā)展了半金屬剎車材料(采用金屬纖維替代石棉纖維,金屬含量超過50%)、玻璃纖維增強剎車材料和芳綸纖維增強剎車材料等多種無石棉剎車材料,但到目前為止,尚缺乏一種比石棉綜合性價比高的增強纖維,因此,對于無石棉剎車材料的研制仍是剎車材料的研究熱點之一。

紙基剎車材料主要是因為借用了造紙工藝而得名。紙基剎車材料主要應用在重型機械的制動器中,在摩托車等運動機械中也逐步獲得應用。但紙基摩擦材料的主要應用還是在高性能自動變速離合器中,優(yōu)點是在低摩擦制動要求條件下的成本較低,同時,紙基剎車材料還具有基體柔軟,不傷對偶的特點。應用在制動器中的紙基剎車材料分量約只占紙基摩擦材料總產(chǎn)量的10%左右。紙基剎車材料的研究主要集中在黏結劑的選擇和摩擦組元、強化纖維的研究等方面。

112粉末冶金剎車材料

粉末冶金剎車材料以金屬粉末為基體,添加適量的潤滑組元和摩擦組分,采用粉末冶金工藝制造而成[13-15]。粉末冶金剎車材料采用高溫燒結,促進了剎車材料組元的冶金結合,使剎車材料的使用溫度得到大大提高,解決了樹脂基剎車材料的高溫摩擦因數(shù)低和磨損不穩(wěn)定的問題,使剎車裝置的設計和使用獲得了較大的延伸。粉末冶金剎車材料已廣泛應用在航

空、船舶、高速列車、重載卡車、坦克以及其他高速高載荷運動部件的制動器中,并獲得了較大的市場份額。但是粉末冶金剎車材料價格高,制造工藝復雜,制動噪聲大和對對偶材料磨損大等缺點又制約了它不能在汽車尤其是轎車制動器上獲得廣泛應用。對于粉末冶金剎車材料的研究工作,除了基本性能的研究外,主要集中在針對其缺點方面的研究和改進工作。

113碳/碳復合剎車材料

碳/碳復合剎車材料是以碳纖維(或碳布)為基體采用反復致密化和碳化工藝獲得的高性能剎車材料[16-18]。碳/碳復合剎車材料最早是在20世紀70年代研制的,主要應用于飛機剎車片。在高溫條件下由于其質(zhì)量輕、能載高、耐高溫能量強、使用壽命長等特點,一經(jīng)出現(xiàn),便迅速得到推廣應用。以飛機剎車為例:在波音747飛機上采用碳/碳復合剎車材料后,相對于金屬剎車而言,質(zhì)量下降81615kg;而熱庫是金屬剎車的3～5倍,在2000℃下材料強度不發(fā)生任何變化,3000℃以下模量反而增加,因此可在2200℃下安全工作;同時,在該條件下工作時未見發(fā)生黏結和變形情況。碳/碳復合剎車材料在不同速度、比壓和能載條件下摩擦因數(shù)變化小,磨損較穩(wěn)定,在波音7572200型飛機的使用中壽命可達3000起落,是金屬剎車材料的3倍以上。

作為新型剎車材料,碳/碳復合剎車材料自一出現(xiàn),其研究就集中在降低產(chǎn)品成本的問題上。由于其單次剎車成本高,而使其發(fā)明時認為能全部占領高能制動市場的預計,依然未能實現(xiàn),目前其他高性能剎車材料在高能制動領域依然占有主導地位。

114陶瓷基剎車材料

陶瓷基剎車材料是指添加相當數(shù)量具有陶瓷性能氧化物并總體體現(xiàn)一定陶瓷性能的剎車材料。粉末冶金剎車材料也常稱為金屬陶瓷材料,但通常所說的陶瓷基剎車材料主要是指非金屬基陶瓷剎車材料。陶瓷基剎車材料結合了粉末冶金剎車材料的高溫燒結和碳/碳復合剎車材料的低密度和耐高溫性能,同時克服了碳/碳復合剎車材料高溫氧化的缺點。

目前,對于陶瓷基復合剎車材料的研究重點是采用借助部分粉末冶金工藝,獲得具有低密度、耐高溫、抗氧化、長壽命等優(yōu)越綜合性能的剎車材料,典型的有碳/碳/碳化硅陶瓷剎車材料,逐漸在高速列車、重載汽車、坦克等極端條件下獲得應用。

2剎車材料研制過程中存在的問題及解決辦法

211大力推廣綠色環(huán)保汽車剎車材料

石棉剎車材料從研制開始至今,經(jīng)歷了近百年的歷史,由于其良好的使用性能和低廉的成本、成熟的制造工藝等原因,盡管從1972年國際腫瘤醫(yī)學會確認石棉及高溫揮發(fā)物屬于致癌物,但由于替代石棉的增強纖維存在混合和分散性差,易斷裂、結團和價格高等原因,許多國家仍在使用石棉剎車材料。在我國,雖然有明確的法規(guī)要求放棄石棉剎車材料,但很大一部分制動器生產(chǎn)廠仍在選用石棉剎車材料,尤其是在低端的二級零配件市場,石棉剎車材料制品的銷售量依然占據(jù)著很高的比重。隨著科技的進步和人類對于生產(chǎn)環(huán)境要求的不斷提高,在立法的基礎上,應加大綠色環(huán)保剎車材料使用的宣傳,并在適當?shù)臅r候,強制性地執(zhí)行相關法規(guī),大力研制和推廣新型綠色環(huán)保無石棉剎車材料,并全面替代石棉剎車材料。

212加大低成本碳/碳復合剎車材料的研制

如前所述,碳/碳復合剎車材料存在技術難度大、工藝復雜、制造周期長、制造成本高(價格在5000～10000元/kg)等問題,制約了其廣泛使用的前景,開展低成本碳/碳復合剎車材料的研究勢在必行。碳/碳復合剎車材料的成本主要體現(xiàn)在氣相沉積過程和高溫石墨化過程。文獻[21]開展了快速氣相沉積技術———定向流動法化學氣相沉積技術的研究,大大縮短了沉積時間。文獻[22]研究了催化石墨化的研究工作,采用B4C作為催化劑,使石墨化溫度降低、時間縮短,獲得了降低成本的良好效果。中南大學采用多項研究成果,使碳/碳飛機剎車副的制造周期由原來的8個月縮短為3個月,成本得到有效的控制。

同時,借用粉末冶金技術,改變碳/碳坯體的制造工藝,使剎車材料的成本也得到大大降低,從而在除飛機以外的制動器上使用高性能碳/碳復合剎車材料成為可能。

213建立粉末冶金剎車材料數(shù)據(jù)庫

粉末冶金剎車材料在當前的使用條件要求下,既具有較碳/碳復合剎車材料低得多的價格優(yōu)勢,又能滿足高能制動的要求,是剎車材料中得到最廣泛應用的材料種類之一。但是,長期以來,粉末冶金剎車材料的研制均采用“抓中藥”、“炒菜”和“試行錯誤”的方法,不僅導致了資源、時間、人力和物力上的大量浪費。同時,由于研制基礎和思維的差異,在粉末冶金剎車材料百花齊放的大好局面下,存在魚龍混雜、質(zhì)量參差不齊的混亂狀態(tài),制約了粉末冶金剎車材料的全面推廣。

作者認為出現(xiàn)這種狀態(tài)的主要原因是:缺乏粉末冶金剎車材料研制所必需的基礎數(shù)據(jù)庫,從而使設計人員無可依據(jù)的數(shù)據(jù)基礎,研制人員進行著重復的研究工作�；A數(shù)據(jù)庫的建立,涉及到多方面、多領域和多層面合作,需要大量的調(diào)查和基礎研究工作。因此,需要國家在宏觀實施上進行有效調(diào)控和經(jīng)濟投入,相關學會和工業(yè)協(xié)會協(xié)調(diào),粉末冶金剎車材料研制和生產(chǎn)單位大力支持,以便在較短時間內(nèi)建立必要的基礎數(shù)據(jù)庫,并定期更新。該數(shù)據(jù)庫的建立,不僅對粉末冶金剎車材料的研制和開發(fā)有指導作用,同時,也可輻射和推廣到整個摩擦材料領域,其社會效益及對國民經(jīng)濟的推動作用是不可估量的。

214加強新型材料體系的開發(fā)

由于剎車材料的實際應用背景非常強,而且使用條件的差異也較大,因此,我國大多數(shù)研制和生產(chǎn)單位開展的研究工作大多以實用為目的,即針對某一需求而進行研究。而對于基礎工作,由于投入大、短期效益差的原因,我國在基礎研究方面均比較欠缺。主要體現(xiàn)在我國剎車材料的研制和生產(chǎn)主要跟蹤國際技術,在某些材料研制和使用方面甚至落后于國際水平達數(shù)十年。而在新材料的開發(fā)方面,近些年雖有較大進展,但創(chuàng)新體系依然不強,研究水平不高。國內(nèi)剎車材料生產(chǎn)量大,但高性能剎車材料依然需要進口,這種尷尬局面仍未得到有效的解決。目前國家通過自然科學基金等方式對剎車材料及其摩擦學特性的基礎研究和創(chuàng)新體系研究方面提供了較大的支持,說明國家對創(chuàng)新剎車材料研制工作的重視。

215全面拓展傳統(tǒng)剎車材料新的應用

多學科交叉已成為現(xiàn)代科學發(fā)展的趨勢之一。傳統(tǒng)剎車材料研究通常是為了滿足機械設計要求,材料研究處于比較被動的地位。但是,現(xiàn)代機械的高速發(fā)展,材料的發(fā)展已無法滿足制動需求。因此,有必要通過機械學科和材料學科的交叉、換位,在不降低機械性能水平的前提下,在機械設計中充分考慮現(xiàn)有材料性能的發(fā)掘和拓展。傳統(tǒng)的高速列車制動技術認為,隨著剎車速度的提高,樹脂基剎車材料在耐溫性方面已無法滿足要求,需要開展新材料的研制工作。

但是,在新型高速牽引機車的設計中,研發(fā)人員摒棄了傳統(tǒng)的軸裝剎車系統(tǒng),改用輪裝剎車,不僅使剎車空間獲得大大提高。同時,由于剎車系統(tǒng)的改進,在高速制動條件下,剎車系統(tǒng)溫度從閘瓦/軸裝閘片的400℃下降為輪裝閘片的250℃。因此,樹脂基剎車材料又重獲使用,降低了剎車材料的研制成本和使用成本。

3結束語

“有運動,就存在剎車的可能”、“沒有剎車,就沒有高速”已成為共識,現(xiàn)代制動用剎車材料的研制也正從無序的混亂中走向有序的科學指導。我國的剎車材料已具有相當?shù)难兄坪蜕a(chǎn)水平,基本能滿足現(xiàn)代制動要求。從發(fā)展的角度來看,創(chuàng)新研究是主旋律,基礎研究是根本,節(jié)能環(huán)保是方向,低成本和高效制動是目標。

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現(xiàn)代制動用剎車材料應用研究概況及前景展望