国外摩擦材料产品及研究进展

江洪 王春晓

摩擦材料是汽车、飞机等运动机械设备中起到制动、传动、转向等功能作用的关键性功能材料。摩擦材料的相关研究主要集中在摩擦材料的材料成分设计上，制动摩擦材料主要组成部分有增强纤维、填料、有机粘合剂。按照摩擦材料的产品材质可以把摩擦材料分为石棉摩擦材料和非石棉摩擦材料。石棉摩擦材料因其对人体健康的不利影响，逐渐被非石棉摩擦材料取代。本文主要介绍了几种非石棉摩擦材料的国外研究进展及相关产品的开发和市场现状。

1 摩擦材料相关研究进展

1.1 粉末冶金摩擦材料

粉末冶金摩擦材料也被称为“烧结摩擦材料”，是一种采用粉末冶金技术制备而成的摩擦复合材料。该材料具有摩擦系数高、耐腐蚀、耐磨损、制动速度快等优点，被广泛应用于制动领域。其中铜基粉末冶金摩擦材料在高铁制动系统中得到广泛应用。我国在高铁刹车领域的技术和生产都与国外有一定差距，其中 300km/h以上时速的高铁刹车领域仍然需要向国外进口大量的粉末冶金刹车材料。

国外学者进行了大量的研究，印度学者Prabhu采用粉末冶金技术制备了氮化硼、石墨和二硫化钼3种不同类型的固体润滑剂复合材料，對复合材料在一系列制动载荷和滑动速度下的磨损和摩擦行为进行了评估，结果发现含有二硫化钼的复合材料具有最高密度、最高硬度、致密化及最低的表面粗糙度等特点，石墨增强复合材料在低速下具有较好的制动性能，而添加了氮化硼和二硫化钼的复合材料在高速下具有更好的制动性能[1]。意大利特伦托大学Jayashree等人采用销盘试验研究了铜基金属基复合材料在3种不同马氏体钢上干滑动的摩擦磨损行为，发现摩擦副的材质不同，其摩擦磨损性能也具有较大不同，并说明了选择合适的钢配合端面对优化铜基金属基复合材料的摩擦系统具有重要意义[2]。西班牙纳瓦拉大学Perez等人以青铜为基底，石墨、固体润滑剂和其他材料为原料，采用2种粉末冶金方法制备摩擦材料，并对这种摩擦材料的烧结性能、显微组织和物理学性能进行研究，结果表明石墨在摩擦性能方面起着重要作用，石墨含量为4%（质量分数）的摩擦材料的摩擦学性能优于石墨含量为2%（质量分数）的摩擦材料[3]。

1.2 无石棉有机摩擦材料

石棉材料的缺陷逐渐不适应市场需求，无石棉摩擦材料得到研究和发展。无石棉有机（Non—Asbestos Organic，NAO）摩擦材料几乎不含有金属，具有环保性、配方较简单、制动噪声小、摩擦系数稳定等特征。NAO材料一般采用矿物纤维、陶瓷或者其他具有耐高温特性的有机纤维来代替传统的石棉纤维。韩国顺天国立大学Chung等人制备了含二氧化锆、硅酸锆、四氧化三铁、氧化铝的磨料的NAO摩擦材料，分析了不同磨料成分对摩擦系数的影响[4]。匈牙利罗兰大学Singh等人制备了不同磨料（如氧化铝、氧化镁、氧化锌、氧化铁、二氧化硅等）的摩擦复合材料，并表征了其不同的力学、化学和物理性能，结果发现以氧化铝为磨料的摩擦复合材料的摩擦系数和稳定系数最高，含氧化锌的摩擦复合材料具有较高的耐磨性[5]。摩擦引起的振动会导致盘式制动器性能的恶化，瑞典皇家技术学院研究人员对用于汽车盘式制动器的非石棉有机材料摩擦诱发振动进行了实验研究，试验结果表明，摩擦系数随滑动速度的增大而减小，随温度的升高而增大，所得结果可用于非石棉有机衬垫盘式制动器摩擦振动的预测[6]。

1.3 陶瓷基摩擦材料

陶瓷基摩擦材料是NAO摩擦材料的一种，这种摩擦材料利用有机纤维和无机的矿物纤维作为增强纤维，具有制动噪音小、抗腐蚀性、使用寿命长等优点。韩国铁路公司研究了陶瓷复合材料作为铁路刹车盘材料的失效机理，研究了陶瓷复合材料的断裂特征和断裂机理。该研究详细分析了以陶瓷基复合材料为代表的2种织物结构——平纹组织和交叉层组织的拉伸试验结果、破坏模式、破坏特征和破坏机理，为陶瓷复合材料的作为刹车盘的设计提供了有用的信息[7]。尼日利亚拉各斯大学Durowaye等人采用粉末冶金法制备了一种铁粉级颗粒增强陶瓷基复合材料，并对其进行了表征，该复合材料在密度、孔隙率、线性收缩率（1.39%）、冲击能、抗压强度等方面表现出良好的物理和力学性能[8]。陶瓷基刹车片具有良好的稳定性，其产生的制动噪音小，行车过程的制动体验较好，因此占据一定的市场。随着陶瓷基摩擦材料的研究进一步深入，陶瓷基摩擦材料因其具有的环保等优势，越来越受到人们的欢迎，未来将会有更广阔的发展前景。

1.4 其他摩擦材料的研究进展

①有机粘合剂。有机粘合剂的作用是将纤维增强材料和填料紧密粘贴在一起，摩擦材料所使用的有机粘结剂以酚醛树脂材料为主。意大利特伦托大学Nogueira等人研究了汽车刹车片用无铜重晶石摩擦材料的滑动摩擦磨损行为，研究了不同浓度的酚醛树脂作为粘结剂的影响，发现在磨合过程中，摩擦系数和气载颗粒的排放速率变化趋势一致，且两者均受酚醛树脂含量的影响。以酚醛树脂为中间体的摩擦材料性能最好，其质量分数为6.5%，认为酚醛树脂增加了复合摩擦材料的机械完整性[9]。

②填料。摩擦材料中的填料主要起到改善摩擦产品摩擦性能、提高制品稳定性、改善噪音和外观质量以及降低成本等作用。印度Karunya科技与科学研究所研究了硫酸钙晶须在汽车制动摩擦材料中的作用，及其作为功能填料对摩擦磨损性能的影响，选择3种不同硫酸钙晶须用量（5%、10%和15%）的汽车制动摩擦复合材料和一种不含硫酸钙晶须的汽车制动摩擦材料，研究表明功能性填料提高了汽车制动摩擦材料摩擦性能，加入硫酸钙晶须的摩擦材料磨损较小，其中，含有10%（质量分数）的硫酸钙晶须的复合材料摩擦系数最稳定[10]。印度理工学院Kolluri等人研究了天然石墨和人造石墨的来源和粒度对其在摩擦材料中的衰退和恢复性能的影响，结果表明，天然石墨比人造石墨更能有效地提高摩擦材料的吸附性能，天然石墨对摩擦材料的恢复性能没有太大影响，而人造石墨对摩擦材料衰退性能的影响是随着粒度的减小而增大的[11]。伊朗谢里夫理工大学Etemadi等人采用常规混合法和溶剂辅助混合法制备了纳米氧化铝填充的制动摩擦材料，研究发现，纳米氧化铝填料的添加使摩擦系数降低，机械、磨损和热性能得到改善[12]。

③刹车盘测量。法国北部里尔大学Thevenet等人研制了一种用于制动盘表面温度和发射率测量的光纤双色高温计，该双色高温计得到的结果与用商业双色高温计得到的结果之间存在良好的相关性[13]。

④矿物基摩擦材料。矿物材料具有无毒无污染，性能稳定等优点。矿物基摩擦材料种类众多，不同成分的矿物基摩擦材料具有不同的物理化学性能。印度Manav Bharti大学Singh 等人探讨了硅灰石作为潜在的非石棉基纤维/填料兼摩擦改进剂的适用性，制备了硅灰石粉体和纤维形式的制动摩擦复合材料，并对其物理、力学和摩擦学性能进行了表征，结果表明硅灰石粉体形式的制动摩擦复合材料，提高了摩擦系数和衰减性能，而纤维形式的硅灰石则提高了制动摩擦复合材料的磨损和恢复性能[14]。

⑤其他复合摩擦材料。英国利兹大学研究表明，添加10%～25%（质量分数）粘土的摩擦复合材料其抗拉强度、硬度和耐磨性均有提高，粘土添加量为15%～25%（质量分数）的摩擦复合材料的摩擦磨损性能与传统半金属刹车片相近[15]。苏莱曼德米雷尔大学机械工程系用碳化钨钴粉末和镍铬合金复合粉末粘结剂涂覆刹车盘，发现这种刹车盘具有更低的制动噪声和更高的制动性能[16]。印度安娜大学一项研究讨论了铁铝合金在摩擦复合材料通过其成分和片状形貌提高摩擦性能的影响，结果表明铁铝合金基摩擦复合材料具有良好的物理、化学、导热、力学性能，在减速制动下，铁铝合金也表现出良好的摩擦学性能[17]。

2 摩擦材料产品进展

摩擦材料广泛应用于运动机械的制动领域，主要产品有刹车盘和刹车片等。

2.1 飞机刹车盘领域

当今国际飞机刹车材料市场主要由欧美国家占据主导地位，尤其是美国霍尼韦尔（Honeywell）摩擦材料有限公司、古德里奇（Goodrich）公司，英国邓禄普公司航空部（Dunlop Aviation Division）和法国梅西耶·布加迪（Messier Bugatti）公司、法国赛峰（SAFRAN）集团更是飞机刹车系统领域的主要供应商。Goodrich公司研制出具有较长使用寿命的的名为“DURACARB”的碳刹车材料，Messier Bugatti公司则研究出加垫盘技术，提高了A320飞机刹车盘的寿命，达到2000起落以上[18]。SAFRAN公司开发出一款名为“Long Life”的新型碳刹车，已经在部分空客A320飞机上使用，与该公司其他刹车产品系列相比，Long Life刹车产品的刹车性能更加平稳，刹车过程更加连贯和均衡[19]。Honeywell公司像新加坡空客A380飞机提供碳刹车材料，该材料采用该公司专业的抗氧化保护技术，并能够与机轮很好的结合[20]。

2.2 汽车刹车材料领域

欧美及日本企业生产的产品在刹车盘和摩擦材料市场上占主导地位。刹车盘已经成为高度集中的行业，拥有诸多著名品牌和企业，如美国的PFC（Performance Friction Corporation）公司、美国辉门集团和Honeywell；德国的博世（Bosch）公司、泰明顿公司；日本爱德克斯（Advics）株式会社、阿基波罗（Akebono）工业株式会社等，这些企业不仅生产高性能的刹车盘、刹车片等制动部件，也研发、生产和销售与普通汽车、电车、高级车等运动机械设备有关的部件和智能系统，业务涉及到汽车行业的方方面面。

德国Bosch公司生产的名为“iDisc”的刹车盘采用无腐蚀性碳化钨涂层，具有外观设计美观，光泽度高的有点。道路交通造成的空气污染中近1/3的颗粒物排放来自刹车和轮胎，传统刹车盘制动时产生刹车灰尘，从而磨损刹车，降低制动效能，影响空气质量。该刹车盘性能的核心是硬金属碳化钨涂层，这种材料安全性高，能够有效减少刹车盘在制动时产生的制动尘，有效减少环境污染，并且与传统刹车盘相比具有更好的耐磨損性能和成本优势[21]。iDisc系列刹车盘产生的制动粉尘比传统型号陶瓷制动盘少90%，其耐用度是普通刹车盘的2倍。对于电动汽车来说，耐腐蚀的iDisc系列刹车盘使制动操作更加安全[22]。

日本Akebono公司主要经营汽车用摩擦材料，其中有机粘合剂主要使用酚醛树脂。该公司将生物质能材料和酚醛树脂进行有效的复合开发出的粘合剂具有环保性优点，这种利用生物质能材料的粘合剂能够有效增强摩擦材料的强度，能够抑制热膨胀，并进一步改善噪声。该公司目前的主力产品是面向轿车生产的无钢刹车盘，下一代会致力于利用生物质材料开发刹车片以及生产不产生磨损粉末的刹车片[23]。

德国采埃孚股份公司生产的半复合刹车盘由轮毂与灰铸铁摩擦环齿形组成的。这种刹车盘的特殊设计优化了制动时的热膨胀，使阀瓣不会因热应力而变形，并能够提高行车的安全性，使车辆具有更长的使用寿命[24]。德国泰明顿公司开发出一种创新的减震垫片，命名为“Textar Q+”，能够有效降低制动噪音，该垫片防止制动活塞和底板之间的直接接触，可以有效抑制高频率振动，防止制动噪声从刹车片传递到制动系统[25]。

国外制动摩擦材料从最初的石棉材料到半金属混合材料、无石棉有机刹车材料和陶瓷材料，产品丰富多样。有研究表明欧美地区对半金属和少金属配方的摩擦材料应用较多，而无石棉有机材料的研究领域中日本占有重要地位[26]。

3 结语

飞机、汽车等出行工具对21世纪人们的日常生活具有重要意义，人们对出行工具的安全舒适性提出了越来越高的要求。制动摩擦材料的研究具有很广阔的发展前景。国外制动摩擦材料的设计在追求性能优势的同时也注重环境保护，国内的研究目前还在追求性能的阶段，与国外相比仍有较大差距。混杂复合摩擦材料、无石棉有机刹车材料、刹车领域的改性酚醛树脂等是当今摩擦材料研究的重要方向。未来，摩擦材料的研究除了继续朝着提升性能、降低成本的方向前进外，环保意识的增强也将对新一代刹车材料的研发提出新的要求。加大对无金属、低噪声、无粉尘、耐高温的新型刹车材料的研究力度，对于改变我国刹车材料的应用现状，占有未来摩擦材料市场具有重要意义。

10.19599/j.issn.1008-892x.2021.03.002

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