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汽车刹车片材料与磨损分析综述
Mohamad Armana, Shubham Singhala, Pankaj Chopraa, Mayukh Sarkara*
aLovely Professional University, School of Mechanical Engineering, Punjab, Jalandhar 144411, India
摘要：研究不同材料的刹车片是必要的，因为石棉刹车片会造成有害影响，因此应逐步淘汰。从不同的期刊上研究了石棉的许多替代品。本文介绍了几种最适合环境友好和性能最佳的复合材料。研究了由香蕉皮、棕榈渣、芳纶、亚麻纤维等农业废料制成的纤维。利用生物源性原料，如缩合单宁和糠醛醇，研制了一种生物源热性定型树脂，并将其作为汽车刹车片的树脂基体，进行了应用试验。开发的制造程序特别容易。以这种绿色树脂为基础的汽车刹车片，在实车试验条件下，具有较好的制动性能和耐磨性。研究了填充材料、酚醛树脂、环氧树脂等粘合剂的不同替代品，并就其对刹车片性能的影响。研究了由不同的填料、纤维、粘合剂等组成的配方，以及替代现有配方的可能性及其对刹车片物理和摩擦性能的影响。
关键词：磨损；复合材料；刹车片；材料
1．介绍
在过去的几十年中，研究人员尝试了大量的研究和新的方法来创造一种新的刹车片材料。从广泛的现有文献来看，很少有文章被发现是非常重要的。Ikpambese等人[1]使用天然纤维作为主要材料，称为棕榈核纤维（PKFs），以具有生态友好性质的碳酸钙、石墨、三氧化二铝为其他成分。通常环氧树脂用作粘合剂。其中环氧树脂占40%，棕榈渣占10%，氧化铝占6%，石墨占29%，碳酸钙占15%，性能优于其它组分。通过与石棉、棕榈核壳的对比研究，结果表明，PKF可以替代以环氧树脂为粘合剂的石棉刹车片。A.O.A.Ibhadode等人[2]使用棕榈核壳（PKFs），一种农业废料作为摩擦衬片材料，用于制动片的应用。在其他农业废弃物中，例如，连丝酵母棕榈内核壳（HTKS）和德莱布棕榈树内核壳（DPKS）PKS在一些测试后表现出更好的性能。然后将其力学性能和物理性能在静态和动态条件下与市售石棉基摩擦衬片材料进行了比较，IDris等人[3]用香蕉皮废料代替石棉和酚醛树脂作为制动衬片，研制了一种新型制动衬片。调查了树脂的含量从5%到30%，间隔为5%，刹车片的形貌、物理性能、机械性能和磨损性能。结果表明，随着树脂加入量的增加，试样的抗压强度、硬度和比重均增大，而浸油、浸水、磨损率和炭化率随树脂加入量的增加而降低。最终含25%炭化和30%炭化的香蕉皮综合性能较好。研究结果表明，香蕉皮颗粒在刹车片制造中可以有效地替代石棉。Pohwa Lee等人[4]研究了含天然HAP纤维和土工聚合物的无铜和无锑环保汽车制动摩擦材料作为合成凯文龙纤维和酚醛树脂的部分替代物的摩擦磨损性能。刹车材料中的土工聚合物减少了苯酚树脂的含量，当刹车片的温度高于300℃时，这些树脂会释放出挥发性有机化合物。测试结果表明，与T基线（基于铜、锑）相比，改进后的样品具有更好的性能。然而，改性样品的磨损率高于T基线。T.辛格制备并表征了基于拉皮努斯-芳纶组合的复合酚醛摩擦材料。芳纶浆粕具有特殊的特性，如对大多数原料有更好的原纤化作用；通过赋予预成型更好的绿色强度来减轻加工助剂的压力，它在高温下会失去强度。拉皮努斯火山岩纤维固有地由金属硅酸盐（即SiO2、CaO MgO、Fe2O3、Al2O3）的混合物。具有良好的分散性，降低了成型后固化过程中对开裂和起泡的敏感性，耐热性高达1000℃。它使用酚醛树脂作为粘合剂，重晶石和石墨作为其他成分。结果表明，随着芳纶含量的降低，拉皮努斯含量的增加对提高摩擦复合材料的摩擦性能、褪色性能和稳定性系数是有效的，而磨损性能、回复性能、摩擦波动和摩擦系数的变异性等对提高摩擦复合材料的摩擦性能有显著恶化作用。Kunalsingha[7]他回顾了玄武岩纤维，因为它现在正成为材料科学家替代钢铁和碳纤维的热门选择。在新技术的基础上进行基础纤维的工业生产，使其成本等于甚至低于玻璃纤维。玄武岩通常起源于火山岩浆和洪泛火山，这是地壳下一种非常热的流体或半流体物质，在露天凝固。玄武岩的化学成分主要含有Si、Mg、Al、Fe、Na、K、Ti、Mn、Cr等氧化物，由于其耐高温性，可替代刹车片中的石棉。如果酸度模量msgt;1.5，则称为岩棉纤维。玄武岩纤维虽然具有较低的重量强度比、较好的耐磨性、硬度和热性能，但弯曲性能较差。复合材料可以用玄武岩纤维制成。Arnabganguly等人[8]为克服酚醛树脂的脆性，制备了以环氧树脂为增韧剂的酚醛树脂复合材料。加入石墨和硅粉作为耐磨添加剂，加入硅树脂作为阻燃剂，加入腰果树脂提高复合材料的耐温性。用扫描电子显微镜对复合材料进行了表征。样品进行了大量试验，包括磨损试验、热重分析。它被发现表现出典型的摩擦和耐磨特性，同时提供高温稳定性。复合材料中使用的成分非常经济，因此适用于工业应用。P.V.Gurunath等人[9]在制动片材料中使用了新的树脂，因为酚醛树脂具有严重的缺点和局限性，如有害挥发物的演变（即NH3（氨）、HCHO（甲醛）等）在常温固化过程中，保质期极短。结果表明，新研制的树脂基复合材料与传统酚醛树脂基复合材料相比，具有优异的性能。这些特性反映了材料在许多工作条件下的性能，在这些条件下，衬垫的表面温度可能会超过400℃。这表明取代商用酚醛树脂的潜力很大。实验室规模制备研究也表明，新树脂的合成成本相对低于酚醛树脂。在实验过程中，他们注意到树脂、复合材料的强度特性和它们的磨损行为之间没有相关性。Yun Cheol Kim等人[5]使用盘式摩擦试验机研究了醛化物固化的酚醛树脂、钛酸钾晶须和腰果壳液（CNSL）的摩擦学性能。纤维采用芳纶浆、岩棉、钛酸钾的混合物。但在本研究中，仅研究了酚醛树脂、钛酸钾和CNSL对摩擦材料物理性能的影响。埃里克森等人[10]对制动片表面形貌与声音发生之间的关系进行了调查。在无声和噪音条件下中断试验后，对制动片表面进行了表征。试验中使用的刹车片是两对金属纤维增强有机刹车片。一对是沃尔沃850的标准生产配方，另一对为提高高速性能而稍微重新配方。研究结果表明，在衬块对铸铁盘的滑动作用后，接触平台的平面面积在粗糙的周围上升了几微米。奥斯特勒等[11]对制动模拟过程中发生的化学和微观结构变化进行了研究。在这一过程中，对传统的盘式制动衬块材料的表面进行了一系列的往复试验。利用扫描电子显微镜和能量色散X射线光谱（SEM/EDS）、选区衍射（SAD）和透射电子显微镜（TEM）等表征技术，对试验前后的化学变化进行了研究。分析了三体磨料磨损产生的磨粒。主要的磨损机制是填料颗粒从有机粘合剂中分层，在粗糙度加热过程中酚醛树脂的局部降解以及保留的石英晶体，从而采用主要接触区域的功能。制动片的主要要求是通过制动片与制动盘之间的摩擦功，将动能转化为热能，从而降低车速。通常情况下，当出现与制动有关的问题时，总是要归咎于制动片。这是因为制动片更容易受到各种制动参数的影响，如踏板压力、车速、制动盘温度和环境条件（干湿）。制动盘的形状和物理特性也会影响制动引起的问题，如抖动（由于制动盘翘曲或制动盘厚度不均匀而产生的振动）、褪色（由于摩擦热而失去制动效能）和噪音[12]摩擦制动衬块材料应在各种制动条件下保持相对较高、稳定和可靠的摩擦系数，而不考虑温度、湿度、年龄、磨损和腐蚀程度、道路上是否有灰尘和水喷洒等。除此之外，还应满足下一个安全要求、使用寿命长和较高的摩擦系数。即没有振动和噪音[13–15]。摩擦系数的变化很大程度上取决于摩擦材料的成分和制动条件。由于与石棉纤维有关的健康问题，在过去的二十年中，制动片和衬片的配方发生了重大变化。研究人员已作出重大努力开发高性能非石棉衬片[16，17]。
2、刹车片材料
铝硼碳化物金属陶瓷因其已知的耐磨性和广泛的可获得性而被视为摩擦材料[20–22]。机器不断快速地将制动样本滑动到铸铁盘转子上，在恒定的速度和力下，通过摩擦使系统发热。在快速试验和实际使用中，以微秒为单位接触微凸体闪热，这种行为几乎与滑动速度、表观接触面积和施加压力无关。最常用和最有用的制动材料试验方法是通过安装一个实际制动装置来模拟使用的测功机试验。对于转动惯量和驱动组件[23]，铝金属基复合材料（MMC）正逐渐成为一种有前途的摩擦材料。这是MMCS正在考虑的重要应用之一，是汽车制动系统中的转子（盘/鼓）材料。铝基复合材料转子将在实际情况下与酚醛基有机/半金属衬垫材料滑动，迄今为止，铝基复合材料的大多数摩擦学研究都采用铁材料作为埋头体[24]。公开文献中关于铝基复合材料与酚醛基制动衬垫之间的摩擦学相互作用的信息非常少。这是一个重要的摩擦学系统，具有很大的实用价值[25]。滑动速度是汽车制动系统的一个相关参数。许多研究人员[26-31]研究了滑动速度对铝基复合材料（mmc）与铁计数器体摩擦磨损行为的影响。过去，人们还探索了其他改善铝表面的方法。通常情况下，通过在表面上涂抹坚硬耐磨的涂层来改善表面。例如铁基热喷涂涂层〔32〕。特别是微弧氧化，可以制备一层非常坚硬的氧化铝涂层[33-36]。陶瓷与铝合金的钎焊技术还不是一项成熟的先进技术。有两个主要原因。首先，陶瓷与铝的钎焊非常困难，因为熔化的填充金属不会在相对较低的温度下自发地与铝合金表面形成牢固的结合。带有活性元素（最常用的是钛或锆）的填充合金，用于钎焊陶瓷。只有中等的结合强度（15-30MPa）是通过在600°C的真空条件下使用不含活性元素的合金（如铝硅和铝铜[37]）将Al2O3热压到铝。
在另一项 [38]Dagwa和Ibhadode2015年的研究中，他们从棕榈核壳中开发出无石棉摩擦衬里材料。本文研究了石棉基内衬材料的力学性能、物理性能以及静、动态性能，并与商品石棉基内衬材料进行了比较。2007年，Olerie等人[39]研究了反复制动引起的变化以及材料改性对汽车制动盘摩擦磨损性能的影响。利用聚焦电子显微镜（FIB）制备了薄膜，并用透射电子显微镜（TEM）对薄膜进行了研究。观察到的摩擦层显示出纳米晶体结构，采用移动细胞自动机（MCA）的方法，通过假设一系列相连的纳米尺寸颗粒来进行建模。据观察，当尺寸为10 mm时，氧化物-氧化物和金属-金属接触的摩擦系数（cof）分别为0.35和0.85。2000年，Seong和Ho[40]研究了芳纶浆粕增强的两种不同酚醛树脂的摩擦材料的摩擦磨损性能，并用盘上型衬垫研究了两种不同酚醛树脂（直树脂和改性树脂）汽车材料的摩擦磨损特性。摩擦测试仪。Peter等人2001年[41]研究了刹车用聚合物复合材料中摩擦层的形成。在此基础上，对聚合物基复合摩擦层的性能进行了表征。Satam和Bijwe（2004）[42]根据有机纤维褪色和回收特性的变化对摩擦材料进行了另一项研究，他们研究了四种选定的有机纤维，即芳纶（af）、聚丙烯腈（pan）、碳（cof）和纤维素（sf），对N-褪色和N-回收行为的影响。Smart and Chugh（2007），[43]致力于开发飞灰基汽车制动衬片。他们利用从一个特定发电厂获得的粉煤灰研制出摩擦复合材料。除粉煤灰外，复合材料开发阶段还使用了酚醛树脂、芳纶浆、玻璃纤维、钛酸钾、石墨铝纤维和铜粉等添加剂。尽管开发的制动衬片复合材料在0.35-0.4的范围内摩擦系数保持一致，磨损率低于12%。制动片材料通常由酚醛树脂粘合剂制成，加入矿物纤维、填料、摩擦改进剂、磨料和金属颗粒，以改变热流特性[44-48]。石墨片的相对数量和形状对灰铸铁的阻尼和导热系数有很大影响，因此，制动盘优先选用石墨含量高、石墨长的灰铸铁，以帮助降低制动温度，降低制动时的噪音倾向[44]。
2.1.原材料的制备
一般来说，通常可用的农业废料不能直接用于制动片的最终应用。因此，在制动片的合成中使用前，必须进行一些机械和化学处理。以下是一些基于文献的天然纤维处理方法。棕榈核纤维[1]：在这种棕榈核纤维（pkfs）中，收集并在苛性钠（氢氧化钠）溶液中放置24小时，以去除提取后留下的红油残渣。然后用水适当清洗纤维，除去苛性钠，然后晒干一周。将干燥的pkfs用锤式粉碎机研磨成粉末状，然后用小于100um的筛子筛出香蕉皮[2]：对于使用香蕉皮，将其干燥，并以250 rpm的速度球磨，形成香蕉粉（未碳化，聚丁腈橡胶）。将粉末装入石墨坩埚中，在电阻炉中于1200℃下烧制，形成香蕉皮灰（碳化，bcp）椰子纤维[9]：在这四种不同的组合（如bp1、bp2、bp3和bp4）中，用0、5、10和15体积分数的不同椰子纤维含量以及粘合剂制备了四种不同的组合（如bp1、bp2、bp3和bp4）。摩擦改进剂、研磨材料和固体润滑剂采用粉末冶金技术开发天然纤维增强铝汽车刹车片材料。并以椰子纤维为填料。这是从废椰子果中收集的，并用乙醇彻底清洁以去除杂质。将其粉碎并研磨成细粉（范围为100-200微米），然后使用破碎机进行筛选。
2.2。刹车片复合材料的制备
一旦原材料的化学处理和机械处理结束，最终的成分是由不同配方的填料、纤维、粘合剂、摩擦添加剂等组成。将每种配方混合以获得成分的均匀混合物。然后，使用单轴液压手压机在15-17 MPa的压力下对制动片复合材料的坯体进行压实，然后进一步压实坯体，并使用150°C的热压机在60吨压缩成型压力下固化5分钟。在热压过程结束时，从模具中取出样品，冷却至室温，然后在150°C的恒温空气烘箱中进一步固化4小时
3、制动片磨损类型
均匀磨损
在这种类型的耐磨垫中，两个耐磨垫上的摩擦材料量大致相等。这通常是由适当的制动功能引起的。要修复这种磨损，就要更换制动片和硬件，如支座和防振卡夹，维修制动钳导销和滑块。
外垫磨损
外侧衬垫的摩擦材料比内侧衬垫少。这种磨损是由于制动钳释放后，外制动片继续靠在转子上造成的。卡住导销、衬套和滑块通常是
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