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(guó)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(guó)剎車片市場(chǎng)調(diào)查報(bào)告，04年國(guó)內(nèi)摩擦材料產(chǎn)量為19.4萬(wàn)噸，其中盤(pán)式和鼓式剎車片占85%以上。國(guó)內(nèi)方面，近年來(lái)我國(guó)汽車保有量已經(jīng)達(dá)到2570.97萬(wàn)輛，全國(guó)每年需求剎車片4億塊左右，市場(chǎng)潛力巨大。另外，據(jù)中國(guó)摩擦與密封協(xié)會(huì)的統(tǒng)計(jì)，我國(guó)摩擦材料產(chǎn)量保持快速增長(zhǎng)的勢(shì)頭，2005年產(chǎn)量30萬(wàn)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(guó)摩擦材料總產(chǎn)量將達(dá)到60萬(wàn)噸，總產(chǎn)值超過(guò)100億元，其中出口交易值40億元。隨著各國(guó)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(lái)越苛刻，人們對(duì)它的性能要求也越來(lái)越高，可簡(jiǎn)單將其概括為“三化”。

無(wú)石棉，無(wú)污染化

自從1972年國(guó)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(guó)家相繼禁止使用石棉摩擦材料。我國(guó)于1999年10月1日開(kāi)始實(shí)施國(guó)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(lái)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(duì)環(huán)境的污染主要來(lái)自制動(dòng)過(guò)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(guó)于1996年通過(guò)了《中華人民共和國(guó)環(huán)境噪聲污染防治法》，歐洲各國(guó)也對(duì)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(duì)環(huán)境構(gòu)成極大的危害，關(guān)于重金屬污染，在國(guó)內(nèi)還沒(méi)有被完全了解和關(guān)注[，而國(guó)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弧?br />
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(guó)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(wú)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。brembo在環(huán)境及安全上的技術(shù)創(chuàng)新使其在提供無(wú)重金屬制動(dòng)片領(lǐng)域領(lǐng)先一步。通過(guò)深入的研究，brembo開(kāi)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[。中國(guó)也將從brembo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(guó)內(nèi)市場(chǎng)。

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(lái)越快。汽車在剎車過(guò)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(pán)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(duì)制動(dòng)材料的耐熱性能提出了更高的要求。

輕量化

從上世紀(jì)70年代開(kāi)始，能源危機(jī)及石油的短缺日趨嚴(yán)重，汽車輕量化的問(wèn)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(shuō)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(shì)。對(duì)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(kāi)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： 具有適中且穩(wěn)定的摩擦系數(shù)。通常，不同廠商對(duì)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(guó)常用的半金屬摩擦材料（µ）為0.35~0.40。而在歐洲，對(duì)速度及溫度要求顯著不同。所用的無(wú)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；

高的耐磨性，即較長(zhǎng)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(duì)對(duì)偶無(wú)攻擊性；e無(wú)噪聲、低成本且對(duì)環(huán)境無(wú)污染等。

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(shù)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(lái)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(zhǎng)期占據(jù)統(tǒng)治地位。

1.2汽車制動(dòng)器向盤(pán)式制動(dòng)器與非石棉摩擦材料過(guò)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(guó)強(qiáng)烈要求禁止使用石棉摩擦材料。目前，國(guó)內(nèi)外都在大力開(kāi)展無(wú)石棉摩擦材料的研究，先后研制開(kāi)發(fā)了十幾種代替石棉制成的摩擦材料。歸納起來(lái)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(pán)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(lái)，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(guó)家都致力于改進(jìn)和開(kāi)發(fā)新型無(wú)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(rùn)滑組元，通過(guò)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(guó)、瑞典、加拿大等國(guó)的高速列車均使用這種閘瓦，且取得不錯(cuò)的效果。但其對(duì)對(duì)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)。

（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(shù)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(guò)程中容易在對(duì)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(guó)專利利用一種價(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(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。歐洲專利涉及三種纖維混雜：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。

新型陶瓷基摩擦材料

由于無(wú)石棉有機(jī)制動(dòng)材料存在耐熱性問(wèn)題，半金屬摩擦材料又存在密度較大、攻擊對(duì)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(wèn)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(lái)說(shuō)，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。德國(guó)斯圖加特大學(xué)和德國(guó)航天研究所等單位對(duì)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。Pinggen Rao[對(duì)低溫?zé)Y(jié)高純Al2O3陶瓷的性能進(jìn)行了探討，L.E sposito等對(duì)低純Al2O3陶瓷的摩擦磨損性能進(jìn)行了研究[19]。目前在國(guó)外，添加陶瓷纖維作為增強(qiáng)材料，利用改性樹(shù)脂和橡膠為粘合劑，以多種人工合成的有機(jī)和無(wú)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(wú)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(guò)對(duì)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(wú)落灰，抗腐蝕能力強(qiáng)。陶瓷配方中沒(méi)有金屬成分的加入，很好的解決了金屬纖維銹蝕的問(wèn)題。對(duì)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(zhǎng)。陶瓷摩擦材料采用大量的有機(jī)和無(wú)機(jī)材料，材料之間有良好的親和性能，并在制動(dòng)過(guò)程中可以形成較好的摩擦膜和轉(zhuǎn)移層，具有很好的潤(rùn)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(duì)環(huán)境無(wú)污染，完全符合日益提高的環(huán)保要求。

（4）炭纖維增強(qiáng)炭基體復(fù)合材料

炭纖維增強(qiáng)炭基體復(fù)合材料。自從1958年問(wèn)世以來(lái)，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(zhǎng)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(kāi)始裝備C/C剎車副。目前國(guó)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(guó)內(nèi)居于領(lǐng)先水平。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(zhǎng)，因此成本較高，價(jià)格昂貴，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。只在一些賽車和高端車上適用。優(yōu)品惠剎車片采用碳纖維復(fù)合陶瓷配方，既降低了生產(chǎn)成本，又將碳纖維和陶瓷配方的優(yōu)勢(shì)集于一身，是目前最佳的剎車片配方，也將是未來(lái)剎車片配方的主流。