低成本碳纖維增強剎車材料制備技術探討

柴昌盛 陳翔

摘要：剎車材料是汽車工業的關鍵材料之一，現有國產剎車材料無法適應交通要求。碳纖維剎車材料具有良好的制動效果，但成本過高，主要應用在航空航天和高端跑車等高端領域。因此開展低成本碳纖維剎車材料研究，尤其是從原材料、制備工藝和成本控制方面，開發低成本高效率制備技術，將彌補碳纖維剎車材料在民用領域的空缺，符合國內汽車工業市場需求，對提高我國交通工具的安全性具有重要的意義。

關鍵詞：剎車材料;碳纖維;低成本制備技術

從世界上出現傳動機械設備開始，制動原件也應運而生，并逐漸演變為對制動用摩擦材料的深入研究[1]。剎車材料作為運動機構的制動部件材料，已廣泛運用于各種交通和動力機械中領域，是動力機構的關鍵部件。剎車材料的各項指標的優劣，直接關系到動力設備穩定、可靠和安全的運行。尤其是在交通領域，隨著各類交通工具的蓬勃發展，對運行速度、載荷以及安全性要求越來越高，因此對制動部件的摩擦系數、穩定性、抗熱衰減性等提出了更為苛刻的要求。目前國內應用的摩擦材料中，國產材料大多數無法滿足使用性能要求，絕大多數依靠進口，超高速的摩擦材料更被國外封鎖，制約了我國交通領域的發展[2]。

早期剎車材料通常由無機纖維、金屬纖維和各種無機粉末，依托有機粘接劑壓制而成。石棉纖維是早期剎車材料主要應用的無機纖維材料，成本低，摩擦性能較好，但容易吸水形成結晶水。在交通領域，一般的緊急制動產生的瞬間溫度在達500-700℃，高溫下，石棉中的結晶水迅速升華蒸發，極易使制動部件發生熱衰退，剎車材料磨損量急劇增大，甚至直接報廢。

另外，石棉粉有一定的致癌作用，在西方工業國家已被禁用，國內也不建議推廣使用。后續各國相繼研發了半金屬的第二代剎車材料。大量使用了金屬纖維和金屬粉末，并引入石墨和二硫化鉬的等良性摩擦材料，采用熱壓成型工藝制備[3]。美歐等發達國家在50-70年代廣泛使用這類剎車材料。主要原因是剎車材料中耐磨金屬含量較高，使得耐磨性、摩擦系數、導熱性等參數比早期剎車材料提高很多，而且制備和加工方便，故而得到廣泛推廣應用，也是國內目前占主導地位的剎車材料[4-5]。其缺點也是大量的金屬引入導致的，金屬纖維容易氧化或腐蝕銹蝕，加劇磨耗，腐蝕表面容易形成潤滑體系，降低制動性能;硬質金屬顆粒還會劃傷摩擦對偶件，縮短其壽命。時常發生硬點制動噪音，不符合交通設備舒適化要求。金屬良好的導熱性能，在緊急制動下，熱量快速傳導對制動系統密封件影響較大。

為了滿足剎車片環保舒適的高要求，國內外相繼開展了大量相關材料的研發工作。如陶瓷基剎車材料、鋁基剎車材料、碳/碳化硅剎車材料和碳/碳剎車材料等復合材料。國內方面，中南大學開發出了一種無銅陶瓷配方材料，只要引入碳化硅等耐磨耐高溫基因材料，因此其摩擦磨損性能和抗熱衰退性提高很多，制動噪音控制也較好，但成本高，推廣難度高。

在新型剎車材料探索領域，碳纖維及其復合材料逐漸成為新的熱門剎車材料研究方向。碳纖維具有比強度高、彈性模量和耐熱性能良好，密度和膨脹系數小，摩擦磨損性能穩定等優異性能完全符合剎車材料性能需求，也是十三五新材料規劃主要技術攻關的材料類別。目前，碳纖維增強剎車材料主要分為碳纖維增強碳/碳化硅基復合材料和碳纖維增強樹脂基復合材料。

文獻[6]等采用企業、行業及國家相關標準的試驗方法，對超碼復合材料公司，英國Dunlop公司，法國Carbon Industy公司，美國B.F.Goodrich、ALS公司等生產的9種C/C復合材料飛機剎車盤的物理、力學、熱學、摩擦磨損的性能特征發現炭基體剎車盤各項性能優異。

文獻[8]研究了碳/碳剎車材料制備和性能測試，結果發現碳/碳剎車材料在制動表面溫度超過2000℃時，外形基本良好，沒有發生熔融粘結現象，而對比實驗的金屬基剎車材料（MMCs）在660℃左右已經產生結構變形和退化;碳/碳剎車材料的比熱容、磨損量和使用壽命相比MMCs，提高兩倍以上，具有良好的吸熱性能高、耐磨性和抗衰退性。

文獻[9-13]從碳纖維骨架三維結構、增密工藝（如化學氣相沉積和液相浸漬和反應熔體浸滲）、碳纖維含量以及碳化硅成分等方面對C/SiC剎車材料進行了深入研究表明平均摩擦系數達到0.23，摩擦穩定性達到0.43，線性磨損率為9.3μm/次·面，質量磨損率為2.6mg/次·面;在高頻率剎車測試中，摩擦系數穩定，對剎車制動頻次不敏感，摩擦穩定性表現良好，也沒有熱衰趨勢;對C/C-SiC剎車盤試樣的磨損表面形貌及缺陷進行了觀察，發現表面磨損質量在航標允許范圍內，C/SiC復合材料的表面能夠形成連續穩定的摩擦面。

文獻[14-15]研究了碳纖維含量以及不同樹脂基體上的材料摩擦磨損性能研，結果表明，碳纖維加入后可顯著降低復合材料的摩擦系數，隨碳纖維加入方式不同，碳纖維對摩擦系數的影響作用也不同;其中FB、YSM、ALPF三種樹脂基的碳纖維增強摩擦材料的摩擦性能結果表明，樹脂基摩擦材料的摩擦性能主要和溫度有關，磨損率和摩擦系數都會隨溫度的變化而變化，但對應于不同基體，受溫度的影響程度不同。摩擦材料受溫度的影響較小，具有良好的性能。無論是制動性能、抗熱衰退性以及恢復性能等，碳纖維增強剎車材料均有著優異的表現，也是當前各國競相研究的熱點。

上述碳纖維增強剎車材料研究中，主要針對碳纖維含量及其3D結構、不同基體材料、增密工藝等研究較多，而從制備工藝和成本控制方面研究較少。而目前的研究表明，碳纖維增強剎車材料確實具有優異性能，問題在于其成本太高，主要應用于航空航天、職業賽車以及高檔跑車等，民用化推廣很不現實。研究探索低成本剎車材料項目具有較好的前景，尤其是從原材料、制備工藝和成本控制方面，開發低成本高效率制備技術，將彌補碳纖維剎車材料在民用領域的空缺，對提高我國交通工具的安全性具有重要的意義。

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基金項目：甘肅省高等學校科研項目，碳纖維剎車材料制備技術創新團隊（2017C-21）。

作者簡介：柴昌盛（1982-），男，甘肅靜寧人，碩士，講師，研究方向為復合材料制備技術與仿真研究，陳翔（1964-），男，甘肅靜寧人，碩士，教授，研究方向為道路交通安全。