汽車制動(dòng)器襯片，俗稱剎車片，是汽車制動(dòng)系統(tǒng)中重要的安全部件。它將汽車運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能和其他形式的能量，從而使汽車減速或停止。制動(dòng)材料是以摩擦為主，兼有結(jié)構(gòu)性能要求的多組分復(fù)合材料。隨著我國汽車制造業(yè)的不斷壯大，制動(dòng)材料也得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。根據(jù)2005年中國剎車片市場調(diào)查報(bào)告，04年國內(nèi)摩擦材料產(chǎn)量為19.4萬噸，其中盤式和鼓式剎車片占85%以上。國內(nèi)方面，近年來我國汽車保有量已經(jīng)達(dá)到2570.97萬輛，全國每年需求剎車片4億塊左右，市場潛力巨大[1]。另外，據(jù)中國摩擦與密封協(xié)會(huì)的統(tǒng)計(jì)，我國摩擦材料產(chǎn)量保持快速增長的勢頭，2005年產(chǎn)量30萬噸，產(chǎn)值56.27億元，出口交貨值13.3億元；2006年產(chǎn)量達(dá)到37.34噸，產(chǎn)值67.34億元，出口交貨值20.51億元。預(yù)計(jì)在“十一五”末期，我國摩擦材料總產(chǎn)量將達(dá)到60萬噸，總產(chǎn)值超過100億元，其中出口交易值40億元。隨著各國汽車工業(yè)的發(fā)展和現(xiàn)代社會(huì)環(huán)保意識(shí)的提高，制動(dòng)材料的運(yùn)行條件越來越苛刻，人們對它的性能要求也越來越高，可簡單將其概括為“三化”。
（1） 無石棉，無污染化
自從1972年國際腫瘤醫(yī)學(xué)會(huì)確認(rèn)石棉及其高溫?fù)]發(fā)物屬于致癌物后，各國家相繼禁止使用石棉摩擦材料。我國于1999年10月1日開始實(shí)施國家標(biāo)準(zhǔn)《汽車制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、性能和試驗(yàn)方法》（GB12676-1999），其中明確規(guī)定“制動(dòng)襯片應(yīng)不含石棉”，并在標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施起48個(gè)月后強(qiáng)制施行。隨著人們生活水平的提高，汽車所造成的污染也越來越受到人們的重視，其中剎車片產(chǎn)生的污染也引起了人們的關(guān)注。就制動(dòng)材料而言，對環(huán)境的污染主要來自制動(dòng)過程中產(chǎn)生的噪音及磨屑中的重金屬污染。為了控制噪音污染，我國于1996年通過了《中華人民共和國環(huán)境噪聲污染防治法》，歐洲各國也對機(jī)動(dòng)車輛的噪聲釋放做出了嚴(yán)格規(guī)定（圖1，圖2）。最近的環(huán)境研究顯示重金屬對環(huán)境構(gòu)成極大的危害，關(guān)于重金屬污染，在國內(nèi)還沒有被完全了解和關(guān)注[2]，而國外已有報(bào)道。歐盟為此已采取措施禁止或嚴(yán)格限制在汽車構(gòu)件中使用重金屬，不久前在斯德哥爾摩發(fā)表的一項(xiàng)研究表明，摩擦材料是銅污染最大的禍?zhǔn)字�。盡管與其它汽車部件相比其所含的銅量較低，但制動(dòng)片卻產(chǎn)生了環(huán)境中30%的銅污染。在美國加州，由于剎車片重金屬造成的河流和海灣污染已經(jīng)引起了相關(guān)部門的重視，其中很多金屬如銻、鉛、鋅等被懷疑有致癌性。因此，制動(dòng)材料的低金屬及無金屬化成為研究重點(diǎn)之一。汽車廠商及摩擦材料供貨商正在尋找替代品。TRW（美國天合汽車集團(tuán)）在環(huán)境及安全上的技術(shù)創(chuàng)新使其在提供無重金屬制動(dòng)片領(lǐng)域領(lǐng)先一步。通過深入的研究，TRW開發(fā)了礦物與陶瓷纖維的混合材料，不使用非環(huán)保材料，如紫銅、黃銅、銻鉛等[3]。中國也將從TRW的這一成果中獲益，一些環(huán)保制動(dòng)產(chǎn)品將會(huì)逐步進(jìn)入國內(nèi)市場。
（2） 高速化
隨著高速公路的普及及火車的再次提速，車輛的行駛速度越來越快。汽車在剎車過程中，制動(dòng)材料吸收的能量基本和車速的平方成正比。以轎車為例，當(dāng)車速為100km/h時(shí)，制動(dòng)的熱負(fù)荷達(dá)1130.436KJ。另外，目前小轎車和輕型貨車大多從鼓式向盤式制動(dòng)器轉(zhuǎn)變。該制動(dòng)器的散熱性、熱穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性好，且易于維修和保養(yǎng)。但同時(shí)其摩擦面積也只有鼓式的1/4~1/6，單位面積吸收的能量增加4~6倍，高速制動(dòng)時(shí)，摩擦副表面的閃點(diǎn)溫度可達(dá)1000℃，這就對制動(dòng)材料的耐熱性能提出了更高的要求。
（3） 輕量化
從上世紀(jì)70年代開始，能源危機(jī)及石油的短缺日趨嚴(yán)重，汽車輕量化的問題被提上日程。當(dāng)今世界能源緊缺，節(jié)能必將是摩擦材料發(fā)展的一個(gè)重要方向。因此，汽車工業(yè)相應(yīng)的將汽車從較重的后輪驅(qū)動(dòng)改為更小、更輕、更省油的前輪驅(qū)動(dòng)，出現(xiàn)了更小、更輕的剎車片。也就是說在具有優(yōu)良摩擦性能的同時(shí)，較低密度的剎車片將會(huì)更具優(yōu)勢。對高檔汽車的剎車片而言，一般都要求其密度低于2.5g/cm3。
因此，為滿足上述性能要求，開發(fā)高性能環(huán)保型制動(dòng)材料已成為摩擦材料行業(yè)的當(dāng)務(wù)之急。泛泛而談，制動(dòng)材料應(yīng)滿足多方面的性能要求：a具有適中且穩(wěn)定的摩擦系數(shù)。通常，不同廠商對摩擦系數(shù)要求各不相同。用在亞洲車型上的有機(jī)摩擦材料的摩擦系數(shù)值（μ）為0.30~0.35，在美國常用的半金屬摩擦材料（μ）為0.35~0.40。而在歐洲，對速度及溫度要求顯著不同。所用的無石棉有機(jī)材料（NAO）摩擦摩擦系數(shù)的要求值達(dá)0.40~0.45；b高的耐磨性，即較長的使用壽命；c具有良好的導(dǎo)熱性、較大的熱容量和一定的高溫機(jī)械強(qiáng)度；d對對偶無攻擊性；e無噪聲、低成本且對環(huán)境無污染等[4-5]。
1 汽車制動(dòng)材料的發(fā)展歷程
1.1 鼓式制動(dòng)器與石棉型剎車片占主導(dǎo)地位
20世紀(jì)70年代中期以前是摩擦材料發(fā)展的第一時(shí)期，汽車制動(dòng)材料多采用石棉作為增強(qiáng)體。它是以石棉為骨架，其他添加劑和樹脂復(fù)合而成，石棉在摩擦材料中的含量一般為30%～60%。由于石棉摩擦材料具有成本低、密度小、摩擦系數(shù)高、來源豐富等一系列優(yōu)點(diǎn)，能滿足摩擦材料的使用要求，因而獲得了廣泛的應(yīng)用，長期占據(jù)統(tǒng)治地位[6-7]。
1.2汽車制動(dòng)器向盤式制動(dòng)器與非石棉摩擦材料過渡時(shí)期
70年代至80年代中期，隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，石棉摩擦材料已不能適應(yīng)現(xiàn)代汽車和社會(huì)發(fā)展的需要，同時(shí)由于石棉摩擦材料的致癌性，各國強(qiáng)烈要求禁止使用石棉摩擦材料。目前，國內(nèi)外都在大力開展無石棉摩擦材料的研究，先后研制開發(fā)了十幾種代替石棉制成的摩擦材料。歸納起來主要有以下幾種：半金屬摩擦材料，有機(jī)纖維摩擦材料，玻璃纖維摩擦材料，片狀材料增強(qiáng)摩擦材料等[8]。
1.3盤式制動(dòng)器與新型摩擦材料大發(fā)展并得到大規(guī)模應(yīng)用階段
20世紀(jì)80年代中期以來，汽車工業(yè)向高速、重載、舒適、環(huán)保、輕量化方向發(fā)展，制動(dòng)系統(tǒng)得到不斷的改進(jìn)和完善。許多國家都致力于改進(jìn)和開發(fā)新型無石棉摩擦材料，一大批新型制動(dòng)材料相繼涌現(xiàn)。最具代表性的有粉末冶金摩擦材料，新型混雜纖維摩擦材料，C/C復(fù)合材料及新型的陶瓷基摩擦材料。
（1）粉末冶金摩擦材料
粉末冶金摩擦材料又稱燒結(jié)金屬摩擦材料，是以金屬及其合金為基體，添加摩擦組元和潤滑組元，通過壓制成型，然后在高溫中燒結(jié)而成。采用粉末冶金技術(shù)生產(chǎn)摩擦材料時(shí)，不但在性能上有突出的優(yōu)點(diǎn)，特別是在組分的設(shè)計(jì)上極具靈活性。法國、瑞典、加拿大等國的高速列車均使用這種閘瓦，且取得不錯(cuò)的效果。但其對對偶的磨損偏大，成本與有機(jī)摩擦材料相比偏高，尚有待進(jìn)一步改進(jìn)[9]。
（2）新型混雜纖維摩擦材料
目前世界上已極少采用單一纖維作為制動(dòng)材料的增強(qiáng)纖維，混雜纖維增強(qiáng)是摩擦材料的發(fā)展方向。所謂新型混雜纖維摩擦材料是指采用兩種或兩種以上的纖維增強(qiáng)同一種樹脂基體的摩擦復(fù)合材料。采用混雜技術(shù)時(shí)，一般都采用性能和價(jià)格互補(bǔ)的兩種纖維。郭洪濤[10]研究認(rèn)為炭纖維與芳綸漿粕的混雜表現(xiàn)出很好的摩擦學(xué)性能，芳綸纖維在材料摩擦過程中容易在對偶的界面上形成轉(zhuǎn)移膜，摩擦曲線波動(dòng)幅度比單一炭纖維增強(qiáng)的試樣普遍要小，即加入了芳綸漿粕改善了摩擦系數(shù)的平穩(wěn)性，證明了混雜的優(yōu)異效應(yīng)。中國專利[11]利用一種價(jià)格極為低廉的葉蠟作為填料，采用硅酸鋁纖維、鋼纖維混雜增強(qiáng)制得一種新型混雜纖維摩擦材料。通過實(shí)驗(yàn)測得該種材料在不同溫度下摩擦系數(shù)穩(wěn)定、磨損率小、制動(dòng)效果好，具有很大的市場競爭優(yōu)勢。歐洲專利[12]涉及三種纖維混雜：10~15%的 aramid纖維，5~20%的棉花纖維，2~15%的炭纖維，所研制的摩擦材料比傳統(tǒng)材料具有更佳的摩擦磨損性能。
（3）C/C復(fù)合材料
C/C復(fù)合材料，即炭纖維增強(qiáng)炭基體復(fù)合材料。自從1958年問世以來，由于其具有比重小（約為鐵的1/5）、強(qiáng)度高（抗拉強(qiáng)度>2GP）、熱膨脹系數(shù)小、耐高溫等優(yōu)點(diǎn)，在軍工、航空、航天等方面取得了長足的發(fā)展。其在民用領(lǐng)域方面的應(yīng)用也日益擴(kuò)大，很多民用飛機(jī)（如波音系列：Boeing747、Boeing757等，空客系列：A330、A340等）和高檔賽車（Ferrari F2005、Renault R25、Toyota TF105等）已開始裝備C/C剎車副。目前國內(nèi)中南大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、中科院金屬所、航天集團(tuán)第四院43所、621所等幾家單位的研究在國內(nèi)居于領(lǐng)先水平。中南大學(xué)以博云新材料股份有限公司為依托，C/C剎車副已全面實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化、國產(chǎn)化[13-15]。由于C/C復(fù)合材料采用化學(xué)氣相沉積（CVD），液相浸漬炭化的生產(chǎn)工藝，生產(chǎn)周期較長，因此成本較高，價(jià)格昂貴（一副C/C剎車盤價(jià)格高達(dá)上萬元），這也制約了其在更廣闊領(lǐng)域特別是汽車領(lǐng)域的應(yīng)用。
（4）新型陶瓷基摩擦材料
由于無石棉有機(jī)制動(dòng)材料存在耐熱性問題，半金屬摩擦材料又存在密度較大、攻擊對偶、產(chǎn)生噪音等不足，而盡管C/C復(fù)合材料能解決上述問題，但其成本較高。陶瓷摩擦材料具有密度適中、耐高溫、耐腐蝕、價(jià)格適宜等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛的應(yīng)用于制動(dòng)領(lǐng)域。一般來說，陶瓷基摩擦材料中陶瓷的體積分?jǐn)?shù)至少占到45%以上，有的甚至達(dá)到80%~90%。常用的性能優(yōu)良的陶瓷有：SiC、B4C、Si3N4、Al2O3、AlN等[16]。德國斯圖加特大學(xué)和德國航天研究所等單位對C/C-SiC復(fù)合材料應(yīng)用于摩擦領(lǐng)域進(jìn)行了研究，并成功應(yīng)用于保時(shí)捷高檔轎車上[17]。Pinggen Rao[18]對低溫?zé)Y(jié)高純Al2O3陶瓷的性能進(jìn)行了探討，L.E sposito等對低純Al2O3陶瓷的摩擦磨損性能進(jìn)行了研究[19]。目前在國外，添加陶瓷纖維作為增強(qiáng)材料，利用改性樹脂和橡膠為粘合劑，以多種人工合成的有機(jī)和無機(jī)材料作為摩擦性能調(diào)節(jié)劑制成的一種非金屬摩擦材料，也叫做陶瓷基摩擦材料。其特點(diǎn)是：1）無噪音。陶瓷配方不但很好的消除了行車制動(dòng)噪音，而且通過對靜摩擦系數(shù)和動(dòng)摩擦系數(shù)的平衡，解決了半金屬和少金屬配方很難克服的低頻噪音。2）無落灰，抗腐蝕能力強(qiáng)。陶瓷配方中沒有金屬成分的加入，很好的解決了金屬纖維銹蝕的問題。對油酸不敏感，且其具有優(yōu)異的摩擦粉塵性能，一般行車一千公里以內(nèi)不會(huì)有明顯的輪轂落灰現(xiàn)象。3）使用壽命長。陶瓷摩擦材料采用大量的有機(jī)和無機(jī)材料，材料之間有良好的親和性能，并在制動(dòng)過程中可以形成較好的摩擦膜和轉(zhuǎn)移層，具有很好的潤滑效果，大大提高了材料的使用壽命，與半金屬相比，其使用壽命可提高1.5倍以上。4）綠色環(huán)保，制動(dòng)舒適。陶瓷材料優(yōu)異的理化性能以及不含重金屬的配方，使制動(dòng)材料具有噪音低、粉塵少的特點(diǎn)，且對環(huán)境無污染，完全符合日益提高的環(huán)保要求。
2 汽車制動(dòng)材料需要解決的關(guān)鍵技術(shù)
近年來，國內(nèi)外對汽車制動(dòng)材料進(jìn)行了廣泛的研究，并取得了巨大的研究成果。但目前，汽車制動(dòng)材料還需解決以下兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：
1）提高摩擦材料粘結(jié)劑的性能。粘結(jié)劑是摩擦材料組成的核心，它性能的好壞直接影響剎車片的性能。一般來說，粘結(jié)劑應(yīng)具有長壽命、良好的穩(wěn)定性和較好的耐熱性能，其中耐熱性是關(guān)鍵。目前，人們普遍采用物理和化學(xué)的方法對酚醛樹脂進(jìn)行改性，其耐熱性能大幅度提高。但隨著車速的提高，對摩擦材料的熱衰退性能提出了更高的要求。目前摩擦材料粘結(jié)劑的研究，已不再局限于樹脂和橡膠，而且拓展到了利用金屬粉末或金屬硫化物在高溫下具有的特殊性能，減少樹脂在摩擦材料中的使用比例，以彌補(bǔ)樹脂及橡膠在高溫下的不足。因此，盡管采用高性能樹脂能提高摩擦材料的耐熱性能，但其改善畢竟有限，我們應(yīng)更多的關(guān)注和利用金屬粉末及金屬硫化物的性能或開發(fā)一些新型的無機(jī)粘結(jié)劑。同時(shí)，材料的熱傳導(dǎo)性雖然是影響耐熱性的間接因素，卻非常重要。因此，為了降低制動(dòng)溫度，提高耐熱性能，我們也可以從提高制動(dòng)材料的導(dǎo)熱系數(shù)入手，加快散熱速度，防止材料因溫度過高導(dǎo)致性能下降。
2）隨著現(xiàn)代環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，人們對汽車產(chǎn)生的噪音的問題越來越關(guān)注。因此，減少剎車片誘發(fā)的制動(dòng)噪音成為一個(gè)重要的研究課題。汽車剎車片噪音，涉及到制動(dòng)器的總成結(jié)構(gòu)，而不單是制動(dòng)材料本身的問題。目前，科學(xué)界對噪音的產(chǎn)生及形成機(jī)理還沒有統(tǒng)一的定論。一般認(rèn)為，其原因不外乎三種[20]：一是剎車片與對偶不匹配，產(chǎn)生共振或傷盤；二是剎車片的摩擦穩(wěn)定性差；三是剎車片與制動(dòng)對偶隨制動(dòng)比壓、溫度、速率的變化，雙方材質(zhì)互為粘附。為解決此問題，一般可以添加一些潤滑劑和增韌劑，積極開發(fā)輕質(zhì)和性能優(yōu)越的多孔填料，以降低制動(dòng)噪音。
3 汽車制動(dòng)材料的發(fā)展趨勢
汽車工業(yè)的快速發(fā)展造成了汽車摩擦材料研究的白熱化。為了開發(fā)能滿足當(dāng)代汽車工藝要求的全新制動(dòng)材料，當(dāng)前汽車制動(dòng)材料發(fā)展趨勢可以從以下幾個(gè)方面來看。
3.1 摩擦磨損理論的完善
汽車在制動(dòng)時(shí)，即是發(fā)生在制動(dòng)材料和金屬剎車盤之間的摩擦過程�，F(xiàn)代摩擦學(xué)往往把摩擦材料/金屬剎車盤這一對摩擦副的相對運(yùn)動(dòng)過程，視為是摩擦學(xué)系統(tǒng)[21-22]。其基本思想是，把相對運(yùn)動(dòng)和相互作用的諸表面及參加作用的介質(zhì)，抽象成由摩擦學(xué)元素構(gòu)成的系統(tǒng)，然后依據(jù)系統(tǒng)學(xué)理論，把摩擦學(xué)系統(tǒng)歸屬于開式、離散、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，研究摩擦過程中能量和材料的損失。與此同時(shí)，摩擦學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，也隨摩擦過程變化�？捎蓤D4所示系統(tǒng)模型來描述這一摩擦學(xué)系統(tǒng)[23]。
關(guān)于制動(dòng)材料摩擦磨損機(jī)理的研究主要包括以下兩方面:一方面是試圖從理論上解釋磨損機(jī)理，導(dǎo)致了不少磨損模型和假設(shè)的建立；另一方面是努力通過實(shí)驗(yàn)找到磨損的規(guī)律，使磨損機(jī)理的理論研究和實(shí)際應(yīng)用結(jié)合起來，建立磨損的計(jì)算方法。迄今為止，關(guān)于制動(dòng)材料摩擦磨損機(jī)理的研究很多，但由于制動(dòng)材料中成分和組織以及材料性能的復(fù)雜性，還沒有一個(gè)公認(rèn)的理論能解釋所有的摩擦磨損現(xiàn)象。目前己有的算式大部分是基于某一種磨損機(jī)理而建立的，或是根據(jù)特定的實(shí)驗(yàn)條件而建立的經(jīng)驗(yàn)公式[24]。因此，關(guān)于其磨損機(jī)制的研究和磨損模型的建立還有待深入和完善[25]。一般來說，摩擦材料與金屬對偶體系可反映5種磨損類型，即:磨粒磨損，粘著磨損，疲勞磨損，熱磨損和宏觀剪切磨損[26]。
另外，目前關(guān)于汽車制動(dòng)材料的報(bào)導(dǎo)絕大多數(shù)僅局限于宏觀層次上的研究，而很少從微觀上進(jìn)行分析。為了能對制動(dòng)材料摩擦磨損機(jī)理有更好的認(rèn)識(shí)，更現(xiàn)代化檢測手段的運(yùn)用顯得十分必要。譬如，由于掃描電鏡對非導(dǎo)電體的觀測并不充分，而原子力顯微鏡提供了在原子、分子尺度上觀察非導(dǎo)體表面形貌的有效手段，所以可以從更加微觀的角度上對摩擦材料表面、磨屑以及對偶件的形貌特征和化學(xué)成分特征進(jìn)行分析研究。同時(shí)，隨著新材料和微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，人們將微電子技術(shù)和微傳感器技術(shù)用于摩擦材料，形成能夠自動(dòng)檢測制動(dòng)過程中摩擦系數(shù)、摩擦力、摩擦量及表面溫度的功能摩擦材料，進(jìn)而通過控制技術(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)制動(dòng)過程中的制動(dòng)力和表面溫度，這將有助于更深入的了解制動(dòng)過程中的摩擦磨損現(xiàn)象。這些都是未來制動(dòng)材料發(fā)展的重要方向。
3.2 材料的改性及配方的優(yōu)化設(shè)計(jì)
汽車制動(dòng)材料是以高分子化合物為粘結(jié)劑，以無機(jī)或有機(jī)類纖維為增強(qiáng)成分，以礦物粉體和有機(jī)粉體為摩擦性能調(diào)節(jié)劑制備而成的功能材料。其組成成分少則十幾種，有時(shí)甚至添加了幾十種不同的材料。根據(jù)各個(gè)組分在摩擦材料中所起的作用，一般將其分為增強(qiáng)纖維、有機(jī)粘結(jié)劑和填料。
3.2.1 原材料的改性研究
在原材料方面，對于增強(qiáng)纖維，由于單一纖維各有優(yōu)缺點(diǎn)，且在不同方向上具有不同的力學(xué)和物理性能。因此，對纖維增強(qiáng)的摩擦材料而言，使用混雜纖維進(jìn)行合理復(fù)合，使其充分發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)，制成性能優(yōu)良、成本較低的摩擦材料，必將成為摩擦材料的研究方向之一。對于樹脂粘結(jié)劑，目前主要還是選用酚醛樹脂，其最突出的優(yōu)點(diǎn)是耐熱性好，但在高溫下會(huì)分解，使摩擦材料發(fā)生熱衰退，摩擦磨損性能變差，因此酚醛樹脂的改性也是其研究方向之一。對填料而言，在現(xiàn)代汽車制動(dòng)材料中，有機(jī)粘結(jié)劑和增強(qiáng)纖維的用量正逐漸減少，以礦物為主的填料用量越來越多。各國都在積極研究開發(fā)一些輕質(zhì)、多孔的無機(jī)填料，特別是當(dāng)一些納米粒子的填料加入時(shí)，產(chǎn)生了一種新型的摩擦材料，即納米摩擦材料。
3.2.2 納米摩擦材料
納米復(fù)合材料的概念于20世紀(jì)80年代中期由Roy提出[27]。納米復(fù)合材料具有優(yōu)異的性能和廣泛的應(yīng)用價(jià)值，利用納米粒子取代普通無機(jī)填料與聚合物基體復(fù)合，能大幅度提高聚合物材料的整體性能[28]。賀鵬等[29]將其作用歸納為以下幾點(diǎn)：提高熱性能，如熱膨脹系數(shù)降低、導(dǎo)熱系數(shù)大幅提高、阻燃性增強(qiáng)；改善力學(xué)性能，如同時(shí)增加強(qiáng)度和增加韌性、增強(qiáng)耐磨性、改進(jìn)光電性能等。葛世榮等[30]人，制備了納米SiO2和納米TiO2填充PA1010尼龍復(fù)合材料，測試結(jié)果表明：填充納米顆�？梢蕴岣吣猃垙�(fù)合材料的力學(xué)性能，納米SiO2和納米TiO2作為填料可以提高PA1010的耐磨性，降低摩擦系數(shù)。其中納米顆粒的最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%。馬世寧[31]等對納米固體潤滑干膜的摩擦學(xué)性能進(jìn)行了研究，試驗(yàn)表明：添加納米Al2O3粉末在摩擦系數(shù)略有增加的同時(shí)，耐磨性也得到了很好的改善。美國馬里蘭大學(xué)[32]材料系在實(shí)驗(yàn)室研制成功納米Al2O3與橡膠的復(fù)合材料。這種材料與常規(guī)橡膠相比，耐磨性大大提高，介電常數(shù)也提高了將近一倍。
3.2.3 材料配方的優(yōu)化設(shè)計(jì)
汽車制動(dòng)材料一般采用模壓成形法，因此材料的成分配方至關(guān)重要。目前在代表世界摩擦材料先進(jìn)水平的歐洲和北美國家中，其摩擦材料先進(jìn)的配方技術(shù)主要體現(xiàn)在：1）無石棉、無金屬、無Kevlar等化學(xué)纖維和天然纖維、樹脂含量低至5%~6%，并采用第二粘結(jié)劑。2）多體系復(fù)合材料的配方優(yōu)化。多年以來，摩擦材料研究及應(yīng)用的主導(dǎo)體系一直是以1維唯象的纖維為增強(qiáng)體、0維唯象的顆粒為填料和3維唯象有機(jī)基體組合而成的0-1-3型聚合物基復(fù)合材料體系。目前，國內(nèi)外開展了多種新結(jié)構(gòu)體系摩擦材料的研究，有研究者選用多種纖維、以2維唯象的層片為增強(qiáng)體，并與多種有機(jī)無機(jī)微粒和樹脂混合制得0-1-2-3型復(fù)合體系摩擦材料。發(fā)現(xiàn)以相同的填充分?jǐn)?shù)，可獲得比單純纖維和單純粒子增強(qiáng)材料高的力學(xué)性能，并能同時(shí)兼顧強(qiáng)度和韌性、高溫摩擦和磨損性能、綜合性能優(yōu)越。
在汽車制動(dòng)材料配方優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程中，大量的專利技術(shù)和應(yīng)用研究用來完善和提高制動(dòng)材料的摩擦磨損性能。曹獻(xiàn)坤[33]等人對Kevlar增強(qiáng)纖維的摩擦材料配方進(jìn)行了研究設(shè)計(jì)。應(yīng)用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，以摩擦制品的摩擦系數(shù)、磨損量和沖擊強(qiáng)度為試驗(yàn)指標(biāo)，由多因素方差分析進(jìn)行配方優(yōu)化，得材料配比（Wt%）為：Kevlar纖維1～5，膨脹蛭石片40～50，改性酚醛樹脂16～19，石墨5～8，有機(jī)摩擦粉10～15，無機(jī)填料10～18。楊金生[34]等對半金屬制動(dòng)材料的成分配方進(jìn)行了改性并獲得較好的制動(dòng)摩擦磨損效果。國外商用摩擦材料的配方設(shè)計(jì)，由于涉及到商業(yè)秘密很少公開，在摩擦磨損機(jī)理研究中，只會(huì)簡單給出實(shí)驗(yàn)材料的配方。韓國的Ho Jang等[35]學(xué)者，對復(fù)合摩擦材料中的Sb2S3ZrSiO4在表面摩擦過程中的特性進(jìn)行了研究，并給出了材料的配方。美國專利[36]利用10%的aramid纖維，5%的鈦酸鉀纖維，與10%酚醛樹脂和其他調(diào)節(jié)劑，在一定工況下，形成5~100μm厚的有機(jī)薄層，極大的減少了制動(dòng)噪音與震顫。M.H.Choa[37]對灰鑄鐵制動(dòng)鼓在摩擦過程中，灰鑄鐵摩擦表面的微觀形貌變化進(jìn)行了研究，并比較了有鋼纖維摩擦材料與無鋼纖維摩擦材料對灰鑄鐵表面的影響特性。同時(shí)給出了兩種試驗(yàn)用復(fù)合摩擦材料的配方，如表1所示。
3.3 制備工藝的改進(jìn)及低成本化
目前汽車剎車片的市場主要以樹脂基和半金屬基復(fù)合摩擦材料為主，其制備技術(shù)已相對穩(wěn)定和成熟，但由于樹脂耐熱性的問題，其摩擦性能還有待進(jìn)一步提高。而對于一些金屬和金屬陶瓷基摩擦材料，雖然各方面性能較佳，由于其價(jià)格高、制造工藝復(fù)雜、成本因素制約了其在中低檔汽車上的推廣應(yīng)用。各個(gè)國家在制造工藝方面均做了大量的研究，采用了許多先進(jìn)技術(shù)，如對金屬纖維的軟化處理，對非金屬纖維的蓬松處理和浸漬處理，對硬質(zhì)原料粉末的球化處理，噴涂、擠壓、大氣壓力固結(jié)（CAP）技術(shù)，組合固結(jié)，Starmix混粉技術(shù)，快速多項(xiàng)移動(dòng)成型（BOG）技術(shù)，以及后續(xù)加工和表面處理等，均是為了全面提高摩擦材料的綜合性能[38]。
4 結(jié)束語
當(dāng)今世界，節(jié)能和環(huán)保是汽車工業(yè)的兩大主題。因此，今后汽車制動(dòng)材料的主要研究方向是更安全、更輕量化、更省燃油。這不僅需要新材料的開發(fā)，還需要采用新結(jié)構(gòu)、新系統(tǒng)，從而大幅度提高制動(dòng)材料的摩擦磨損性能，實(shí)現(xiàn)輕量化，達(dá)到節(jié)能的目的。
近幾年來，隨著我國汽車工業(yè)的突飛猛進(jìn)，制動(dòng)材料也取得了很大的發(fā)展。但跟國外相比，還有一定的差距。為開發(fā)新型的制動(dòng)材料，我們應(yīng)審時(shí)度勢，隨時(shí)跟蹤國際市場，根據(jù)我國國情發(fā)展自己的汽車制動(dòng)材料；在努力提高產(chǎn)品質(zhì)量及批量穩(wěn)定性的同時(shí)，開發(fā)新產(chǎn)品，滿足不同車種和行駛條件的要求；改善樹脂粘結(jié)劑質(zhì)量并開發(fā)新型的無機(jī)粘結(jié)劑；采用新工藝、新型摩擦材料，為振興我國汽車工業(yè)做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。
