國外摩擦材料產品及研究進展

江洪 王春曉

摩擦材料是汽車、飛機等運動機械設備中起到制動、傳動、轉向等功能作用的關鍵性功能材料。摩擦材料的相關研究主要集中在摩擦材料的材料成分設計上，制動摩擦材料主要組成部分有增強纖維、填料、有機粘合劑。按照摩擦材料的產品材質可以把摩擦材料分為石棉摩擦材料和非石棉摩擦材料。石棉摩擦材料因其對人體健康的不利影響，逐漸被非石棉摩擦材料取代。本文主要介紹了幾種非石棉摩擦材料的國外研究進展及相關產品的開發和市場現狀。

1 摩擦材料相關研究進展

1.1 粉末冶金摩擦材料

粉末冶金摩擦材料也被稱為“燒結摩擦材料”，是一種采用粉末冶金技術制備而成的摩擦復合材料。該材料具有摩擦系數高、耐腐蝕、耐磨損、制動速度快等優點，被廣泛應用于制動領域。其中銅基粉末冶金摩擦材料在高鐵制動系統中得到廣泛應用。我國在高鐵剎車領域的技術和生產都與國外有一定差距，其中 300km/h以上時速的高鐵剎車領域仍然需要向國外進口大量的粉末冶金剎車材料。

國外學者進行了大量的研究，印度學者Prabhu采用粉末冶金技術制備了氮化硼、石墨和二硫化鉬3種不同類型的固體潤滑劑復合材料，對復合材料在一系列制動載荷和滑動速度下的磨損和摩擦行為進行了評估，結果發現含有二硫化鉬的復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點，石墨增強復合材料在低速下具有較好的制動性能，而添加了氮化硼和二硫化鉬的復合材料在高速下具有更好的制動性能[1]。意大利特倫托大學Jayashree等人采用銷盤試驗研究了銅基金屬基復合材料在3種不同馬氏體鋼上干滑動的摩擦磨損行為，發現摩擦副的材質不同，其摩擦磨損性能也具有較大不同，并說明了選擇合適的鋼配合端面對優化銅基金屬基復合材料的摩擦系統具有重要意義[2]。西班牙納瓦拉大學Perez等人以青銅為基底，石墨、固體潤滑劑和其他材料為原料，采用2種粉末冶金方法制備摩擦材料，并對這種摩擦材料的燒結性能、顯微組織和物理學性能進行研究，結果表明石墨在摩擦性能方面起著重要作用，石墨含量為4%（質量分數）的摩擦材料的摩擦學性能優于石墨含量為2%（質量分數）的摩擦材料[3]。

1.2 無石棉有機摩擦材料

石棉材料的缺陷逐漸不適應市場需求，無石棉摩擦材料得到研究和發展。無石棉有機（Non—Asbestos Organic，NAO）摩擦材料幾乎不含有金屬，具有環保性、配方較簡單、制動噪聲小、摩擦系數穩定等特征。NAO材料一般采用礦物纖維、陶瓷或者其他具有耐高溫特性的有機纖維來代替傳統的石棉纖維。韓國順天國立大學Chung等人制備了含二氧化鋯、硅酸鋯、四氧化三鐵、氧化鋁的磨料的NAO摩擦材料，分析了不同磨料成分對摩擦系數的影響[4]。匈牙利羅蘭大學Singh等人制備了不同磨料（如氧化鋁、氧化鎂、氧化鋅、氧化鐵、二氧化硅等）的摩擦復合材料，并表征了其不同的力學、化學和物理性能，結果發現以氧化鋁為磨料的摩擦復合材料的摩擦系數和穩定系數最高，含氧化鋅的摩擦復合材料具有較高的耐磨性[5]。摩擦引起的振動會導致盤式制動器性能的惡化，瑞典皇家技術學院研究人員對用于汽車盤式制動器的非石棉有機材料摩擦誘發振動進行了實驗研究，試驗結果表明，摩擦系數隨滑動速度的增大而減小，隨溫度的升高而增大，所得結果可用于非石棉有機襯墊盤式制動器摩擦振動的預測[6]。

1.3 陶瓷基摩擦材料

陶瓷基摩擦材料是NAO摩擦材料的一種，這種摩擦材料利用有機纖維和無機的礦物纖維作為增強纖維，具有制動噪音小、抗腐蝕性、使用壽命長等優點。韓國鐵路公司研究了陶瓷復合材料作為鐵路剎車盤材料的失效機理，研究了陶瓷復合材料的斷裂特征和斷裂機理。該研究詳細分析了以陶瓷基復合材料為代表的2種織物結構——平紋組織和交叉層組織的拉伸試驗結果、破壞模式、破壞特征和破壞機理，為陶瓷復合材料的作為剎車盤的設計提供了有用的信息[7]。尼日利亞拉各斯大學Durowaye等人采用粉末冶金法制備了一種鐵粉級顆粒增強陶瓷基復合材料，并對其進行了表征，該復合材料在密度、孔隙率、線性收縮率（1.39%）、沖擊能、抗壓強度等方面表現出良好的物理和力學性能[8]。陶瓷基剎車片具有良好的穩定性，其產生的制動噪音小，行車過程的制動體驗較好，因此占據一定的市場。隨著陶瓷基摩擦材料的研究進一步深入，陶瓷基摩擦材料因其具有的環保等優勢，越來越受到人們的歡迎，未來將會有更廣闊的發展前景。

1.4 其他摩擦材料的研究進展

①有機粘合劑。有機粘合劑的作用是將纖維增強材料和填料緊密粘貼在一起，摩擦材料所使用的有機粘結劑以酚醛樹脂材料為主。意大利特倫托大學Nogueira等人研究了汽車剎車片用無銅重晶石摩擦材料的滑動摩擦磨損行為，研究了不同濃度的酚醛樹脂作為粘結劑的影響，發現在磨合過程中，摩擦系數和氣載顆粒的排放速率變化趨勢一致，且兩者均受酚醛樹脂含量的影響。以酚醛樹脂為中間體的摩擦材料性能最好，其質量分數為6.5%，認為酚醛樹脂增加了復合摩擦材料的機械完整性[9]。

②填料。摩擦材料中的填料主要起到改善摩擦產品摩擦性能、提高制品穩定性、改善噪音和外觀質量以及降低成本等作用。印度Karunya科技與科學研究所研究了硫酸鈣晶須在汽車制動摩擦材料中的作用，及其作為功能填料對摩擦磨損性能的影響，選擇3種不同硫酸鈣晶須用量（5%、10%和15%）的汽車制動摩擦復合材料和一種不含硫酸鈣晶須的汽車制動摩擦材料，研究表明功能性填料提高了汽車制動摩擦材料摩擦性能，加入硫酸鈣晶須的摩擦材料磨損較小，其中，含有10%（質量分數）的硫酸鈣晶須的復合材料摩擦系數最穩定[10]。印度理工學院Kolluri等人研究了天然石墨和人造石墨的來源和粒度對其在摩擦材料中的衰退和恢復性能的影響，結果表明，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，天然石墨對摩擦材料的恢復性能沒有太大影響，而人造石墨對摩擦材料衰退性能的影響是隨著粒度的減小而增大的[11]。伊朗謝里夫理工大學Etemadi等人采用常規混合法和溶劑輔助混合法制備了納米氧化鋁填充的制動摩擦材料，研究發現，納米氧化鋁填料的添加使摩擦系數降低，機械、磨損和熱性能得到改善[12]。

③剎車盤測量。法國北部里爾大學Thevenet等人研制了一種用于制動盤表面溫度和發射率測量的光纖雙色高溫計，該雙色高溫計得到的結果與用商業雙色高溫計得到的結果之間存在良好的相關性[13]。

④礦物基摩擦材料。礦物材料具有無毒無污染，性能穩定等優點。礦物基摩擦材料種類眾多，不同成分的礦物基摩擦材料具有不同的物理化學性能。印度Manav Bharti大學Singh 等人探討了硅灰石作為潛在的非石棉基纖維/填料兼摩擦改進劑的適用性，制備了硅灰石粉體和纖維形式的制動摩擦復合材料，并對其物理、力學和摩擦學性能進行了表征，結果表明硅灰石粉體形式的制動摩擦復合材料，提高了摩擦系數和衰減性能，而纖維形式的硅灰石則提高了制動摩擦復合材料的磨損和恢復性能[14]。

⑤其他復合摩擦材料。英國利茲大學研究表明，添加10%～25%（質量分數）粘土的摩擦復合材料其抗拉強度、硬度和耐磨性均有提高，粘土添加量為15%～25%（質量分數）的摩擦復合材料的摩擦磨損性能與傳統半金屬剎車片相近[15]。蘇萊曼德米雷爾大學機械工程系用碳化鎢鈷粉末和鎳鉻合金復合粉末粘結劑涂覆剎車盤，發現這種剎車盤具有更低的制動噪聲和更高的制動性能[16]。印度安娜大學一項研究討論了鐵鋁合金在摩擦復合材料通過其成分和片狀形貌提高摩擦性能的影響，結果表明鐵鋁合金基摩擦復合材料具有良好的物理、化學、導熱、力學性能，在減速制動下，鐵鋁合金也表現出良好的摩擦學性能[17]。

2 摩擦材料產品進展

摩擦材料廣泛應用于運動機械的制動領域，主要產品有剎車盤和剎車片等。

2.1 飛機剎車盤領域

當今國際飛機剎車材料市場主要由歐美國家占據主導地位，尤其是美國霍尼韋爾（Honeywell）摩擦材料有限公司、古德里奇（Goodrich）公司，英國鄧祿普公司航空部（Dunlop Aviation Division）和法國梅西耶·布加迪（Messier Bugatti）公司、法國賽峰（SAFRAN）集團更是飛機剎車系統領域的主要供應商。Goodrich公司研制出具有較長使用壽命的的名為“DURACARB”的碳剎車材料，Messier Bugatti公司則研究出加墊盤技術，提高了A320飛機剎車盤的壽命，達到2000起落以上[18]。SAFRAN公司開發出一款名為“Long Life”的新型碳剎車，已經在部分空客A320飛機上使用，與該公司其他剎車產品系列相比，Long Life剎車產品的剎車性能更加平穩，剎車過程更加連貫和均衡[19]。Honeywell公司像新加坡空客A380飛機提供碳剎車材料，該材料采用該公司專業的抗氧化保護技術，并能夠與機輪很好的結合[20]。

2.2 汽車剎車材料領域

歐美及日本企業生產的產品在剎車盤和摩擦材料市場上占主導地位。剎車盤已經成為高度集中的行業，擁有諸多著名品牌和企業，如美國的PFC（Performance Friction Corporation）公司、美國輝門集團和Honeywell；德國的博世（Bosch）公司、泰明頓公司；日本愛德克斯（Advics）株式會社、阿基波羅（Akebono）工業株式會社等，這些企業不僅生產高性能的剎車盤、剎車片等制動部件，也研發、生產和銷售與普通汽車、電車、高級車等運動機械設備有關的部件和智能系統，業務涉及到汽車行業的方方面面。

德國Bosch公司生產的名為“iDisc”的剎車盤采用無腐蝕性碳化鎢涂層，具有外觀設計美觀，光澤度高的有點。道路交通造成的空氣污染中近1/3的顆粒物排放來自剎車和輪胎，傳統剎車盤制動時產生剎車灰塵，從而磨損剎車，降低制動效能，影響空氣質量。該剎車盤性能的核心是硬金屬碳化鎢涂層，這種材料安全性高，能夠有效減少剎車盤在制動時產生的制動塵，有效減少環境污染，并且與傳統剎車盤相比具有更好的耐磨損性能和成本優勢[21]。iDisc系列剎車盤產生的制動粉塵比傳統型號陶瓷制動盤少90%，其耐用度是普通剎車盤的2倍。對于電動汽車來說，耐腐蝕的iDisc系列剎車盤使制動操作更加安全[22]。

日本Akebono公司主要經營汽車用摩擦材料，其中有機粘合劑主要使用酚醛樹脂。該公司將生物質能材料和酚醛樹脂進行有效的復合開發出的粘合劑具有環保性優點，這種利用生物質能材料的粘合劑能夠有效增強摩擦材料的強度，能夠抑制熱膨脹，并進一步改善噪聲。該公司目前的主力產品是面向轎車生產的無鋼剎車盤，下一代會致力于利用生物質材料開發剎車片以及生產不產生磨損粉末的剎車片[23]。

德國采埃孚股份公司生產的半復合剎車盤由輪轂與灰鑄鐵摩擦環齒形組成的。這種剎車盤的特殊設計優化了制動時的熱膨脹，使閥瓣不會因熱應力而變形，并能夠提高行車的安全性，使車輛具有更長的使用壽命[24]。德國泰明頓公司開發出一種創新的減震墊片，命名為“Textar Q+”，能夠有效降低制動噪音，該墊片防止制動活塞和底板之間的直接接觸，可以有效抑制高頻率振動，防止制動噪聲從剎車片傳遞到制動系統[25]。

國外制動摩擦材料從最初的石棉材料到半金屬混合材料、無石棉有機剎車材料和陶瓷材料，產品豐富多樣。有研究表明歐美地區對半金屬和少金屬配方的摩擦材料應用較多，而無石棉有機材料的研究領域中日本占有重要地位[26]。

3 結語

飛機、汽車等出行工具對21世紀人們的日常生活具有重要意義，人們對出行工具的安全舒適性提出了越來越高的要求。制動摩擦材料的研究具有很廣闊的發展前景。國外制動摩擦材料的設計在追求性能優勢的同時也注重環境保護，國內的研究目前還在追求性能的階段，與國外相比仍有較大差距。混雜復合摩擦材料、無石棉有機剎車材料、剎車領域的改性酚醛樹脂等是當今摩擦材料研究的重要方向。未來，摩擦材料的研究除了繼續朝著提升性能、降低成本的方向前進外，環保意識的增強也將對新一代剎車材料的研發提出新的要求。加大對無金屬、低噪聲、無粉塵、耐高溫的新型剎車材料的研究力度，對于改變我國剎車材料的應用現狀，占有未來摩擦材料市場具有重要意義。

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

參考文獻

[1] PRABHU T R.Effects of solid lubricants，load，and sliding speed on the tribological behavior of silica reinforced composites using design of experiments[J].Materials & design，2015，77：149—160.

[2] JAYASHREE P，FEDERICI M，BRESCIANI L，et al.Effect of steel counterface on the dry sliding behaviour of a cu—based metal matrix composite[J].Tribology letters，2018，66（4）：1—14.

[3] PEREZ B，ECHEBERRIA J.Influence of abrasives and graphite on processing and properties of sintered metallic friction materials[J]. Heliyon，2019，5（8）：1—12.

[4] CHUNG Jin—Oh，GO Sang-Ryul，KIM Jeong-Hee，et al.Conditions for transfer film formation and its effect on friction coefficients in nao friction materials containing various abrasive components[J].International journal of precision engineering and manufacturi ng，2018，19（7）：1011—1017.

[5] SINGH T，PATNAIK A，CHAUHAN R，et，al.Performance assessment of phenolic—based non—asbestos organic brake friction composite materials with different abrasives[J].Acta polytechnica hungarica，2020，17（5）：49—67.

[6] NOSKO O，NAGAMINE T，MORI H，et al.Friction—induced oscillations of a non-asbestos organic pin sliding on a steel disc[J]. Acta mechanica et automatica，2015，9（2）：84—88.

[7] KIM J.Investigation of failure mechanisms in ceramic composites as potential railway brake disc materials[J]. Materials，2020，13（22）：1—11.

[8] DUROWAYE S I，SEKUNOWO O I，LAWAL A I，et，al.Development and characterisation of iron millscale particlere inforced ceramic matrix composite[J].Journal of taibah university for science，2017，11（4）：634—644.

[9] NOGUEIRA A P G，LEONARDI M，STRAFFELINI G，et al.Sliding behavior and particle emissions of cu—free friction materials with different contents of phenolic resin[J].Tribology transactions，2020，63（4）：770—779.

[10] JEGANMOHAN S R，CHRISTY T V，SOLOMON D G，et al.Influence of calcium sulfate whiskers on the tribological characteristics of automotive brake friction materials[J].Engineering science and technology—an international journal—jestech，2020，23（2）：445—451.

[11] KOLLUR K D，GHOSH K A.Performance evaluation of composite friction materials： influence of nature and particle size of graphite[J].Journal of reinforced plastics composites，2010，29（18）：2842—2854.

[12] HABIB E，AKBAR S，PARISA J.Effect of alumina nanoparticle on the tribological performance of automotive brake friction materials[J].Journal of reinforced plast composites，2014，33（2）：166—178.

[13] THEVENET J，SIROUX M，et al.Desmet bernard.measurements of brake disc surface temperature and emissivity by two—color pyrometry[J].Applied thermal engineering，2009，30（6）：753—759.

[14] SINGH T，TIWARI A，PATNAIK A，et al.Influence of wollastonite shape and amount on tribo—performance of non—asbestos organic brake friction composites[J].Wear，2017，386：157—164.

[15] AGBELEYE A A，ESEZOBOR D E，BALOGUN S A，et al.Tribological properties of aluminium—clay composites for brake disc rotor applications[J].Journal of king saud university science，2020.32（1）：21—28.

[16] OZ A，GURBUZ H，YAKUT A K，et al.Braking performance and noise in excessive worn brake discs coated with HVOF thermal spray process[J].Journal of mechanical science and technology，2017，31（2）：535—543.

[17] SAIKRISHNAN G，JAYAKUMARI L S，VIJAY R，et al.Influence of iron-aluminum alloy on the tribological performance of non—asbestos brake friction materials—a solution for copper replacement[J].Industrial lubrication and tribology，2020，72（1）：66—78.

[18] 楊尊社，婁金濤，張潔，等.國外飛機機輪剎車系統的發展[J].航空精密制造技術，2016，52（4）：40—44.

[19] 佚名.賽峰新型碳剎車在亞洲航空A320上投入使用[J].有色金屬材料與工程，2018，39（4）：64.

[20] 畢鴻章.美國Honeywell公司提供給新加坡航空公司A380飛機用碳剎車材料[J].高科技纖維與應用，2010，35（6）：61.

[21] BOSCH.iDisc—a key contribution toward improving our air quality[EB/OL].[2021-01-24].https：//www.bosch.com/research/ know-how/success-stories/idisc-feature-rich-brake-disc-rotors-for-all-customers/.

[22] BOSCH.Sustainable mobility[EB/OL].[2020—01—24].https：//www.bosch.com/stories/new-and-sustainable-mobility/.

[23] AKEBONO.摩擦材向け材料[EB/OL].[2021—01—25].https：//www.akebono-brake.com/product_technology/technology/material.html.

[24] TRW.ZF Press Center[EB/OL].[2021—01—25].https：//www.trw.com/ qs=brake+disc&search=search&sort=score_ down&sort=release_datetime_down&search=search&frontend=standard?=en#searchtop.

[25] TMDFRICTION.TMD Frictions Textar premium brake pads with unique dampening shim technology[EB/OL].[2021—01—24]. https：//tmdfriction.com/tmd-frictions-textar-premium-brake-pads-unique-dampening-shim-technology/.

[26] 張文毓.汽車剎車片研究進展[J].汽車工藝師，2015（8）：72—75.