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汽车刹车盘复合材料选择与加工作者：吴闯（湖北汽车工业学院）前言：随着社会的进步，人们对生活水平的要求越来越高，绿色环保也越来越重视，汽车轻量化是降低油耗，实现节能减排的重要措施。复合材料的比重小，比强度和比模量大，用适当的复合材料代替原来比重大的零件是轻量化的重要措施之一。本文主要讨论碳纤维和芳纶纤维的性能及在汽车刹车盘的使用情况。Preface:withtheprogressofthesociety,thelevelofpeople'slifedemandishigherandhigher,thegreenenvironmentalprotectionisbecomingmoreandmoreattention,automotivelightweightingistoreducefuelconsumption,realizetheimportanceofenergyconservationandemissionsreductionmeasures.Compositeproportionofsmall,specificstrengthandmodulusthanthebig,withappropriatecompositematerialwasusedtoreplacethethanmajorpartsisoneoftheimportantmeasuresoflightweight.Thisarticlefocusesontheperformanceofcarbonfiberandaramidfiberandintheusageofcarbrakediscs.关键词碳纤维芳纶纤维刹车盘轻量化1工作条件、失效方式及性能要求1.1工作条件刹车系统的原理是将刹车盘同轮毂装配在一起,通过与制动衬片进行干摩擦,产生巨大的摩擦力，将高速行驶车辆的动能转化为热能。有时候汽车从时速100km刹车到静止仅需要十几秒甚至更短，可见刹车系统承受着巨大的负荷。刹车盘是刹车系统中的一个重要部件，它的性能直接影响刹车效果的好坏。在刹车过程中，刹车盘一直承受着磨损、摩擦的作用，压力过大，则会发生变形或开裂。刹车是个循环不断的过程，使刹车盘一直处在冷热交替的过程中，易产生疲劳裂纹。1.2失效方式汽车刹车盘的失效方式主要有以下几种情况：（1）温度过高导致刹车盘的材料性能改变；（2）不耐磨，刹车片表面镜化，左右磨损程度不一致；（3）被污染或者进入空气中的水分；（4）开裂。1.3性能要求材料在高温时，滑移变得相对容易，易发生塑性变形，使材料强度、硬度下降，所以要尽量限制材料的温度范围。刹车仅需几秒，刹车后刹车盘表面温度骤降，而内部温度相对较高，易产生热应力，若此应力大于材料的强度，则发生开裂，刹车失效，危及生命安全。汽车制动是依靠盘与片之间的摩擦力，盘与片在高温、高压下作用，磨损非常剧烈，若磨损过大或不均匀，则整个系统不稳定，轻则出现一些噪音，重则出现事故。随着生活水平的提高，人们对刹车鸣叫越来越反感，有些人甚至认为是刹车性能的问题。综上所述，刹车盘作为保安件所具备的性能包括良好的导热性、抗热裂性、耐磨性及低的刹车噪音。2零件材料的初步选择根据刹车片工作的条件和性能要求知，所选材料具有一个合适而且稳定的摩擦系数、合适的硬度、寿命要长即其磨损率要比较低、低磨屑毒性、较高的孔隙率、抗高温高速热衰退性能好、制动过程平稳、无噪音和一定的耐腐蚀性等特点。根据这些条件我从玻璃纤维、钢纤维、芳纶纤维、碳纤维中进行了性能对比。2.1玻璃纤维复合材料性能分析玻璃纤维属于无机非金属材料，具有良好的耐热性能、抗腐烛性能、电绝缘性能，机械强度较高。丝状玻璃纤维具有很好的柔软性，强度也比较大，但是也存在一些缺点如耐磨性能较差、材质较脆等等。相对芳给纤维、碳纤维其成本相对较低，产品非常的丰富，能满足各类摩擦材料的基本要求。石棉虽然具有优异的物理化学性能、抗拉强度高、耐热性能好等特点，但由于它具有致癌作用己经被各国禁止使用，而玻璃纤维具有与石棉相近的物理化学性能因此它将会成为替代石棉的首选材料并且玻璃纤维的工业化生产对人体无害，使其在摩擦材料中得到广泛的使用。研究表明：玻璃纤维摩擦材料具有良好的抗冲击性能和抗压缩性能。玻璃纤维对改善摩擦材料的磨损性能具有好的作用，然而有的研究也表明：玻璃纤维对温度和载荷等因素的变化表现很敏感。2.2钢纤维性能分析钢纤维具有良好的力学性能、导热性能和较高摩擦系数。其缺点是比重大、表面容易氧化锈烛、对对偶件有较大的伤害。2.3芳纶纤维性能分析芳纶纤维性能优秀在摩擦材料中对孔隙率提高和噪音的降低具有显著的作用。芳纶纤维单独作用时不但没有玻璃纤维与碳纤维的脆性而且具有很高的韧性，是一种适于高负载、高速、高温状况下工作的增强材料。但是在制动条件下非常恶劣的情况下，摩擦材料表层的芳纶纤维会因为局部过热而致软化甚至融化，这会让芳给纤维的性能降低，此时融化的物质会在摩擦材料的表层形成一层润滑膜导致材料摩擦系数会骤然降低。另外，在使用芳给纤维前必须对其进行一个开松处理，这样其性能才能更好的发挥出来。2.4碳纤维性能分析碳纤维是有机纤维（聚丙烯腈纤维）在惰性气体中经高温碳化而得到的纤维状碳化合物，其化学组成中碳含量高达90%以上，密度比招小、强度比钢大，具有极好的耐腐烛和耐高温性能。碳纤维具有很高的弹性模量，可以增强基体，使摩擦材料具有良好的力学性能；同时碳纤维还具有类似石墨的层片状结构，使摩擦材料具有自润滑性能。碳纤维作为摩擦材料的增强纤维表现出了良好的综合特性，将碳纤维进一步碳化处理效果将更为理想，并且碳纤维与其它纤维混合使用也能获得较好的效果。碳纤维虽然优点很多但是其表面光滑很难与基体树脂有效的相结合在一起。为此我们在使用碳纤维前需要对其进行表面处理。3零件的候选材料3.1候选材料的确定通过以上四种复合材料的性能分析，我们可以看到玻璃纤维性脆，耐磨性较差，所以不适合做汽车刹车盘；钢纤维比重大，表面易氧化等缺点也不适合做汽车刹车盘；剩下的芳纶纤维和碳纤维的耐热性，耐磨擦性，导热性等综合性能比较适合刹车盘的工作条件。所以，将芳纶纤维和碳纤维作为汽车刹车盘的候选材料，并且芳纶纤维在欧美已经大量使用，碳纤维在赛车和豪华车上也有使用。3.2候选材料的基本性质及成形方法3.2.1芳纶纤维芳纶(Nomex是芳纶一种，是间对苯二甲酰间苯二胺)，是一种新型高科技合成纤维，具有超高强度、高模量和耐高温、耐酸耐碱、重量轻、绝缘、抗老化、生命周期长等优良性能，对芳纶纤维进行表面原纤化处理之后便得到的芳纶浆粕独特的表面结构极大地提高了混合物的抓附力，因此非常适合作为一种增强纤维应用于摩擦及密封产品中。[1]3.2.2碳纤维碳纤维虽然优点很多但是其表面光滑很难与基体树脂有效的相结合在一起。为此我们在使用碳纤维前需要对其进行表面处理。对碳纤维表面处理以后其表面能就会增加，弱边界层也会得到增强，从而提高表面的粘结性和湿润性等性能。显著改善了碳纤维与基体树脂之间的界面粘接，界面层可有效的传递热量和载荷，充分发挥增强碳纤维的高模量、高强度和良好的导电特性。[1]碳纤维的表面处理目前主要有两大类，分别是氧化法和非氧化法。非氧化法主要有电聚合法、气相沉积法、聚合物涂层法、偶联剂涂层法、等离子体法、品须生长法等。氧化法有气相法、液相法、气液相结合双效法、电化学氧化法。气相氧化是用氧化性气体或者直接用空气来氧化碳纤维的表面，从而引入一些极性基团比如轻基、梭基，使得其表面变的粗糙可以让它与基体树脂更好的结合。相氧化法有以下几个优点：首先，反应设备简单；其次，反应时间短；最后，与碳纤维工业生产线衔接容易，可以实现连续处理。碳纤维在气相氧化过程中，随处理时间的延长和处理温度的升高，强度会有所损失，其他性能也会发生或多或少的变化，但只要其内部结构没有发生明显的变化，表面刻烛程度和比表面积都会随之增加，这样将更有利于复合材料的界面结合。同时，化学状态的变化也会提高复合材料的综合力学性能。气相氧化也有其自身的缺点：进行氧化反应时一般都是很激烈，很难控制其精确的反应温度，如果温度过高就有可能导致强度损失过大，如果温度过低就可能对其表面的处理不够，这些都会影响碳纤维复合材料的力学性能。液相氧化法相对与气相氧化法柔和很多，不会那么激烈。它主要就是将碳纤维浸渍在某种氧化性较强的溶液中，然后通过溶液的强氧化性来氧化刻蚀碳纤维的表面。液相氧化所使用的氧化剂种类很多，如过硫酸铵、高猛酸钾、浓稍酸、次氯酸钠和硫酸混合溶液等等。浓摘酸是液相氧化中研究较多的一种氧化剂，用浓硝酸氧化碳纤维，可以使其表面产生轻基、羧基和酸性基团，这些基团的含量都会随着氧化时间的延长和温度的升高而增多。采用液相氧化法氧化后的碳纤维表面所含的沟壑和各种含氧极性基团增多，有利于提高纤维与树脂之间的结合。该法与气相氧化法相比有以下优点：氧化较为温和，不容易使碳纤维产生过度的裂解和刻蚀，在一定条件下含氧基团数量比气相氧化法要多，所以处理效果相对气相氧化法要好。但是液相氧化法需要用到的均为强碱或强酸及其盐类，对设备的腐蚀相当严重，对后续的环境污染也比较严重，因此很少用于工业化生产。气液相结合的氧化法就是先对碳纤维进行一定情况的气相处理然后在对其进行液相处理。王彦明，王威强，李爱菊等人证明先在450~50CrC热空气中氧化处理5h左右，冷却后在68%的浓5肖酸中连续煮沸5h左右，然后用去离子水清洗纤维表面5次，每次30min,100C烘干所得到的碳纤维的表面处理情况最好，与树脂的结合也很好。[2]5零件材料的确定综合以上考虑，最终我们选择碳纤维为增强纤维的摩擦材料。首先，碳纤维为增强纤维的摩擦材料能够达到低噪音、舒适性好、摩擦系数稳定、使用寿命长的优点。其次，随着碳纤维应用领域的扩大，生产的厂家必然增多那么其价格也将会下降。而摩擦材料所用的碳纤维是短切的，对于其性能要求没有用于航空的那么高，即可以使用其他领域的边角料，这样就使得成本降低很多可以为广大摩擦材料厂家所接受。一般情况下我们按照加工温度来区分汽车刹车片的生产工艺，大致可以分为以下三类：热压法、温压法和冷压法。目前国内外生产中应用最为广泛的工艺是热压法。它的基本原理是：将模压料放置于加热后的模型中此时模压料中的树脂在热的作用下由固体变成液体然后再在一定的压力作用下迅速的流动充满整个型腔。最终液体树脂在乌洛托品的作用下进行交联反应，树脂的分子量不断增大，固化程度逐渐增高，模伍料的粘度也逐渐增加，直至变成固体，最后脱模成品。热压成型法虽然技术成熟但是也有自己的缺点对环境污染严重，产品密度大、孔隙率低，并且高温时摩擦系数通常伴有衰退现象，需使用特殊材料来解决；另外，由于热压法制得摩擦材料致密所以制动时噪音较大，对偶件的伤害也较大。因此，在工艺方面国内外很多研究已经转向温压法和冷压法。现今研究比较多工艺是温压法工艺，即模压料在温度为100—130°C的温度下配合一定压力而得到的成型制品然后辅以一定的热处理的一种摩擦材料加工工艺方法。美国一篇专利[54]提到用温伍法工艺制备树脂基复合摩擦材料，证明了温压工艺的可行性。华东理工大学于毅[57]对温压法制备制动摩擦材料也进行了研究，制备出的刹车片具有摩擦系数稳定、抗热衰退性能好、硬度低、磨耗低、发生制动噪音概率低的特点，并且在摩擦面压力为0.5--2.0MPa或摩擦盘线速度为28--112km/h的高速高压摩擦试验中，350°C时材料的摩擦系数依然能维持在一个较好的数值，整个试验过程几乎不发生热衰退现象。冷压成型工艺相对与热压法和温压法其成型温度的要求较低，一般在室温或者稍微加热就可以，其成型温度一般为10?6(rc。冷压成型工艺制备的摩擦材料具有摩擦性能好、密度低、孔隙率高等特点，尤其是当孔隙率高时其制动噪音会有明显的改善。冷压工艺成型的摩擦材料性能稳定性不好、质量也不容易控制，因此对于冷压的工艺一般还是试验研究阶段，工业化上还没有成功的列子。6、零件材料的未来发展动向随着社会的发展和人们生活水平的提高，汽车的普及率也越来越高。我国的汽车工业的迸发式增长，目前，我国汽车