淺析天然復合材料在汽車剎車片中的應用

摘 要：剎車片是汽車的重要部件，其中摩擦學性能是主要關注點。傳統上使用的是石棉剎車片，后來被銅基材料取代。隨著剎車襯里材料的發展，合成摩擦復合材料被探索作為替代方案。研究表明，香蕉皮、棕櫚仁和棕櫚渣等天然纖維可有效替代傳統剎車片材料。本文分析了天然纖維主要優勢、石棉材料和天然纖維的生命周期評估、天然纖維對剎車片性能的影響、天然復合材料剎車片的制造及主要表征。

關鍵詞：剎車片 天然纖維 復合材料

1 緒論

剎車系統是汽車中的關鍵系統之一，其通過摩擦將動能轉化為熱能，從而使汽車減速或停止。因此，剎車片必須具備高且穩定的摩擦系數。這使得選擇合適的剎車片摩擦材料變得至關重要，很多研究都致力于摩擦材料的選擇和新材料的開發。在選擇摩擦材料時，需要考慮的因素包括制造工藝和材料要求。通常，摩擦材料可以分為三類： 金屬剎車襯片，碳—碳復合材料，有機聚合物（樹脂結合）。

金屬剎車襯片通常由鐵或銅制成，廣泛應用于重型和高速飛機、高速列車、汽車。這主要是因為金屬剎車襯片具有較高的熱穩定性，這是這些應用所必需的特性。盡管其易于制造且成本低廉，金屬剎車襯片的高密度會降低系統的能效。

碳—碳復合摩擦材料主要用于航空應用，汽車應用較少。與金屬剎車襯片相比，它們的重量輕40%，并且在高溫下具有較高的強度，是鋼的兩倍，這使它們具有更長的使用壽命。然而，碳—碳復合材料的主要局限性在于其高成本和易氧化性。

另一方面，有機聚合物用于生產輕型剎車系統，這些剎車系統通常用于普通離合器。有機聚合物通常由30%-40%的有機樹脂組成，并包含多種成分和配方。有機聚合物材料的主要成分分為四類：粘合劑、填料、摩擦調節劑和增強材料。因此，為特定應用選擇合適的有機聚合物摩擦材料是一項具有挑戰性的任務。剎車片的材料本質上是異質且多樣的，且配方復雜。一個世紀以來，剎車片的主要生產材料一直是由聚合物基體增強石棉纖維及其他多種成分組成的復合材料。石棉具有良好的物理和化學性能，能夠在較寬的溫度范圍內保持穩定，使其非常適合用于摩擦材料。然而，石棉是一種已知的致癌物質，對健康構成重大威脅。因此，在該領域開展了大量研究，旨在通過研究替代材料來開發無石棉復合剎車片材料，以替代各種聚合物基體材料中的石棉纖維。研究提出的一種有前景的解決方案是使用天然纖維作為石棉基材料的替代品。與合成纖維相比，天然纖維更具環保性且成本更低。

2 天然纖維主要優勢

天然纖維正在成為合成增強材料的可行替代品。這主要歸因于其低成本和低密度、適宜的比強度特性、分離工藝簡單、能夠吸收二氧化碳以及可生物降解性。此外，天然纖維是地球上估算最為豐富的生物聚合物，全球年產量約為1.3×101?噸。天然纖維不僅可再生，而且具有可持續性。這些纖維可以從不同的被視為廢棄的可持續來源中獲取，例如：森林廢棄物（如樹枝、不需要的樹干和枯萎的葉子），工業廢棄物（如廢紙和拆除的木材），以及農業廢棄物（如棕櫚殘渣、秸稈、甘蔗渣、玉米芯等）。這對緩解資源過度開發問題具有積極作用，尤其是在氣候變化持續加劇和全球溫室氣體排放增加的情況下。這些因素都促使人們減少對不可再生礦物資源的依賴以及生產合成纖維過程中產生的碳足跡。

使用環保（綠色）材料，如木質纖維素，可以大幅降低碳排放并解決環境毒性問題。木質纖維素殘渣特別適用于此類用途，因為它們是豐富且可再生的生物聚合物，并且在超過200種應用中被研究為可持續材料。例如，木質纖維素纖維可以用于制造建筑材料、中等強度復合材料、粘合劑、包裝、涂層、牙科填料、植入物和藥物輸送裝置等。由于這些優點，多個政府推動增加木質纖維素殘渣在各類應用中的使用。此外，在用于剎車片的摩擦材料中使用木質纖維素（天然）纖維，不僅是替代石棉纖維的良好選擇，同時還能夠減少環境廢棄物。例如，水果殘渣已被視為關鍵的生物廢棄物來源，因此通過回收它們生產天然纖維用于制造剎車片等應用，可以顯著減少環境廢棄物。

3 石棉材料和天然纖維的生命周期評估

3.1 石棉材料的生命周期評估

石棉的使用已被證明與環境及潛在人類健康危害有關，因此推動了尋找替代材料的努力。然而，許多提議的解決方案要么耗能極高，要么尚未完全開發成熟，因此可能只是將環境影響轉移到了石棉生命周期的不同階段。為解決這一問題，有必要對不同的含石棉廢料（ACW）管理情景進行一致且量化的環境評估，以確定一種可靠的方法，這是考慮其整個生命周期后影響較小的關鍵。

生命周期評估（簡稱LCA）是一項重要環境管理工具。按ISO14040的定義，生命周期評估是用于評估與某一產品（或服務）相關的環境因素和潛在影響的方法，它是通過編制某一系統相關投入與產出的存量記錄，評估與這些投入、產出有關的潛在環境影響，根據生命周期評估研究的目標解釋存量記錄和環境影響的分析結果來進行的。盡管其有用，但針對ACW不同管理方案的LCA研究相對較少，這歸因于缺乏評估石棉對土壤、水和空氣影響的方法。近年來，含石棉材料（ACM）的管理取得了顯著進展，包括建立優先干預風險圖、對ACM進行封裝和消除處理，以及含石棉廢料的生命周期末期管理。

3.2 天然纖維的生命周期評估

為了減輕ACM的負面影響，表征因子的引入使得石棉惰化處理被認為是地方和國家顧問推薦的可靠且量化的解決方案。特別是在處理后生成的惰性材料可以作為二次原料使用，從而減少環境損害。根據生命周期評估的結果，植物纖維增強復合材料（PFRCS）被發現比合成纖維復合材料更具可持續性。植物纖維作為PFRCS中的增強劑具有促進復合材料在不同應用中可持續性的巨大潛力。

來自果汁工業、食品市場和其他工業加工的大量水果殘渣是具有重要環境影響的潛在生物資源。這些廢料占總水果生物量的三分之一，并因其低體積密度而帶來了顯著的運輸挑戰。傳統的處理水果殘渣的方法，如直接填埋，由于甲烷（CH4）和二氧化碳（CO2）的排放而在環境問題上變得越來越不可行。這些氣體是溫室氣體（GHG）排放的主要原因。解決這些環境和經濟問題的一種方法是將這些殘渣轉化為有用材料，例如汽車剎車片的摩擦材料。這種利用天然纖維的方法不僅減少了石棉的有害環境影響，還將水果廢料轉化為經濟效益。

多項研究報告表明，天然纖維增強復合材料（NFRC）在摩擦學和機械性能上表現更佳。這些研究還展示了成分之間的粘附作用及其對機械和摩擦學性能的影響。

影響纖維粘附性的因素之一是對纖維進行的堿性處理。這種處理用于去除纖維中的不需要的元素，如雜質。堿性處理是一種清潔和改性處理方法，旨在降低纖維表面的表面張力，增強天然纖維的界面粘附性。

4 天然纖維對剎車片性能的影響

當天然纖維作為增強材料使用時，通過控制纖維含量在某些水平上，可以改善摩擦學性能。天然纖維的含量影響摩擦學性能，主要是由于粘合劑（基體）與天然纖維的比例變化。粘合劑與天然纖維的比例影響粘附力，從而直接影響摩擦學性能。天然纖維的使用可以改善機械性能，直到達到某個點，之后機械性能會開始下降。這一點可以在香蕉纖維和棕櫚核纖維的不同配料和不同重量百分比中觀察到。例如，當這種比例低于最佳值時，纖維含量不足以增強基體。此外，當比例高于最佳值時，纖維需要更多的粘合劑才能粘合在一起。因此，當纖維含量高于或低于這些最佳值時，機械和摩擦學性能的惡化是可以預期的。國內外研究人員將重點放在測量使用不同粘合劑和天然纖維類型及含量制備的天然纖維復合材料的不同機械和摩擦學性能上。他們還測量了所制備復合材料的孔隙率、密度、硬度、熱導率、壓縮性、磨損率和摩擦系數。

使用天然纖維作為剎車片的增強劑可以減少其環境影響，并降低與使用石棉相關的人體健康毒性。纖維含量的變化可以影響機械性能，特別是摩擦學性能。例如，通過在最佳水平加入天然纖維，剎車片的摩擦學性能，如摩擦系數（COF）和磨損率，可以顯著改善。然而，預測這些新材料的性能和纖維含量的趨勢相關性是一個復雜的過程，原因有以下幾點：多個參數影響測量過程，不同的纖維分數范圍，以及不同的木質纖維來源。一些趨勢和關系如下所示：

（1）當天然纖維的重量百分比低于10%時，香蕉皮的密度增加，然后在重量百分比為20%時再次上升。

（2）隨著天然纖維在復合材料配方中的含量增加，孔隙率通常下降。

（3）對于香蕉皮和棕櫚核，復合材料的硬度增加，但在46%基體和棕櫚核纖維情況下除外。

（4）摩擦系數（COF）最初增加，然后減少并在天然纖維含量增加時趨于穩定。

（5）僅在46%基體和棕櫚核纖維情況下，隨著其他成分百分比的變化，表現出下降，然后增加的趨勢，而不僅僅是纖維和樹脂。

（6）隨著天然纖維重量百分比的增加，磨損率增加，但對于棕櫚核（10%-50%）和35%酚醛樹脂情況除外。

（7）處理過程中的壓縮負載對機械和摩擦學性能有影響。

5 天然復合剎車片的制造

天然復合材料的制造方法包括手工鋪層法、真空袋成型、熱壓成型和樹脂傳遞成型過程。其中，熱壓成型工藝被廣泛應用于剎車片的生產。然而，在強化天然纖維（尤其是有機纖維）之前，必須進行表面改性和處理。這主要是為了增強纖維的附著力和機械性能?；瘜W處理可去除纖維的纖維素成分。纖維的表面處理能減少其親水性，并改善復合材料的尺寸穩定性。

一旦纖維經過表面處理，它們將被嵌入到基體中，以根據應用特定的要求實現所需的性能。纖維增強聚合物復合材料最初通過手工鋪層方法制造。雙向和單向的纖維最適合用于手工鋪層工藝。另一方面，短纖維需要更多關注和更好的工藝，以在制造過程中實現適當的混合和最小的空隙。已有文獻成功使用手工鋪層技術制備天然復合材料。真空袋成型工藝有助于克服手工鋪層工藝的困難和限制。通過真空袋成型工藝可以實現最低的空隙體積分數，因此它們被廣泛應用于剎車片等摩擦學應用的復合材料產品中。

剎車片由各種成分組成，其強化類型從纖維到顆粒不等。因此，適當的混合對于實現剎車片應用所需的特性至關重要。熱壓成型和后固化處理工藝的組合適用于剎車片的生產，并能得到可靠的產品。因此，熱壓成型工藝被廣泛采用。最初，將摩擦調節劑、添加劑、纖維等成分在混合器中混合10-20分鐘，以獲得均勻的混合物。各種文獻中使用了機械混合器和電動攪拌機來混合這些成分?；旌虾蟮木鶆蚧旌衔锉晦D移到模具腔中。通過逐漸施加壓力對混合物（或配料）進行壓縮。施加的壓力主要用于消除可能導致復合材料中出現空隙的氣體或空氣。隨后施加二次壓力以達到所需的復合材料密度。壓制的復合材料在120℃–160℃的高溫下進行固化，施加的壓力范圍為10 MPa到80 MPa，固化時間為7–30分鐘。熱壓固化的時間根據溫度和壓力的組合而有所不同。熱壓制備樣本是一種廣泛使用的方法，固化時間為7–10分鐘。在此過程中，氣體會多次釋放，表明通過聚合釋放的氣體已被消除。此步驟確保形成具有所需形狀的固化和硬化的復合材料樣本。固化后的樣本在100℃–200℃的溫度范圍內在烘箱中進行后固化，時間為1–4小時。后固化過程有助于提高所獲得復合材料樣本的機械性能。

6 天然復合剎車片的主要表征

剎車片的如密度、耐火性、水和油的吸收、灰分含量、丙酮提取、結晶度指數和降解分析，對于剎車片的應用至關重要。

密度：復合材料的密度受其組成成分的密度、粉末的尺寸、成型技術和熱處理過程的影響。通常使用阿基米德原理根據ASTM B962進行密度測定。剎車片的密度非常重要，影響汽車的重量。近年來，研究重點轉向天然纖維作為合成纖維的替代品，因為它們的低密度、低成本和生物降解性。例如，增加胡桃殼粉的含量會提高復合材料的密度。此外，纖維的化學處理也會增加纖維的密度，從而提高增強剎車片的密度?；瘜W處理可以填充表面不規則性，如孔隙和空洞，增強纖維的密度。

丙酮提?。罕崛y量復合材料中未固化的樹脂量。允許的丙酮提取百分比應少于1.5%以確認更好的固化，但對于非石棉剎車片，最大值可達3%。

孔隙率：較粗顆粒的復合材料容易形成較大的孔隙，這有助于基體或粘合劑的固化，因為熱流更好。孔隙率的變化會影響復合材料的固化效果和性能。

結晶度指數（CI）：CI用于確定樣本中結晶材料的量。材料的結晶度指數對其水分吸收能力和化學攻擊的抗性有直接影響。化學處理（如堿處理和硅烷處理）可以增加天然纖維的CI值，提升其剛度和機械強度。

水和油的吸收：剎車摩擦材料的水和油吸收能力對其性能有重要影響。較高的吸收能力表明材料的孔隙率較高，可能導致較差的摩擦性能。例如，使用榛子粉作為增強材料的環保剎車片，其水和油的吸收能力與商業剎車片相當。聚合物復合剎車片中的棕櫚仁纖維表現出比石棉基剎車片更高的水和油吸收能力。

7 結論

復合剎車片是汽車應用中的重要部件。雖然石棉和銅基剎車片是最常用的類型，但由于石棉的致癌性和銅對水生生態系統的有害影響，石棉和銅基剎車片的應用受到了限制。此外，工程應用中對可持續摩擦材料的需求正在迅速增長。天然復合剎車片中強化了從植物的不同部位（如莖、果實）提取的生物質材料，如纖維和顆粒，以及動物毛等。將工業廢料（如飛灰、水泥灰等）和天然礦物增強劑（如石墨、碳酸鈣、重晶石、玄武巖纖維和硅灰石粉）作為二次填料添加，以進一步改善剎車片的性能。此外，對植物基纖維進行化學和熱處理是必要的，通過去除纖維中的纖維素成分以提高復合材料的摩擦學性能。堿處理和硅烷處理已經顯示出良好的結果，能夠滿足所需的性能。

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