陶瓷摩擦材料性能与路况关系的研究
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摘要：因为制动器的制动性能不仅依靠摩擦材料的自身性质，而且还依赖刹车片中摩擦材料的含量，通过改变其中一些陶瓷摩擦材料的含量，可以相应改变陶瓷刹车片的制动性能，通过对刹车片摩擦材料的选择，设计出四组陶瓷摩擦材料的配方组，并做了相应的性能测试，通过对行驶的路况和外界环境影响研究做出分析，得到适合不同路况的摩擦材料配方。
前言
作为汽车刹车片的摩擦材料，要具有良好的热传递性和耐磨损性，同时摩擦系数要适度，不能过大或过小，而且还要具备优良的隔热性能[1]。在关注摩擦材料的性能要求的同时，我们也要考虑到摩擦材料的环保方面的问题，尽量做到少污染，最大可能做到零污染。随着人们生活水平的提高，其车辆行驶的安全性、舒适性和刹车过程中平稳性得到越来越多人的关注，因此刹车片制造商已经从多方面提高刹车片的性能，让性能、安全和舒适性达到最优化。陶瓷刹车片不同于其他传统的摩擦片，最大的区别是陶瓷摩擦材料制成的刹车片没有金属，而一般传统刹车片的摩擦材料是有金属的。传统刹车片制动时起主要作用的材料是金属，而陶瓷刹车片起主要作用的是陶瓷，因此具备噪声小的优点。与此同时，陶瓷刹车片摩擦材料热稳定性和热传导率的性能优异，并且还具有良好的硬度大、污染少、安全性、耐磨性、使用寿命长、轻量化等优点。
一、陶瓷摩擦材料配方设计及性能测试
通过对刹车片摩擦材料的选择，设计出四组陶瓷摩擦材料的配方组。因为制动器的制动性能不仅依靠摩擦材料的自身性质，而且还依赖刹车片中摩擦材料的含量，通过改变其中一些陶瓷摩擦材料的含量，可以相应改变陶瓷刹车片的制动性能。
以下配方是对以往刹车片摩擦材料配方的分析基础上，通过改进设计了四组陶瓷摩擦材料的配方：
配方F1：轻质氧化镁100g；紫铜纤维50g；腰果壳油摩擦粉400g；沉淀硫酸钡1200g；矿物纤维800g；轮胎粉300g；硫酸钙晶须900g；硅灰棉600g；稳定剂500g；鳞片石墨550g；煅烧石油焦碳300g；丁腈橡胶粉50g；腰果壳油改性酚醛树脂700g；锆英石粉200g；颗粒石墨700g。
配方F2在配方F1的基础上，改变其中几种组份的含量：腰果壳油摩擦粉500g；沉淀硫酸钡1300g；轮胎粉400g；硫酸钙晶须1000g；硅灰棉700g；高铝纤维1200g。其余组份一样。
配方F3在配方F1的基础上，改变其中几种组份的含量：轮胎粉400g；硫酸钙晶须1000g；硅灰棉700g；稳定剂600g；鳞片石墨600g；腰果壳油改性酚醛树脂800g。其余组份一样。
配方F4：轻质氧化镁200g；紫铜纤维100g；腰果壳油摩擦粉600g；沉淀硫酸钡1400g；矿物纤维1000g；轮胎粉500g；硫酸钙晶须1100g；硅灰棉800g；稳定剂600g；鳞片石墨700g；煅烧石油焦碳500g；丁腈橡胶粉50g；腰果壳油改性酚醛树脂1000g；锆英石粉400g；高铝纤维1000g；颗粒石墨700g。
为了验证陶瓷摩擦材料配方的效果，依据GB5763-2008《汽车用制动器衬片》 对配方组所得陶瓷刹车片以进行试验，在100℃、150℃、200℃、250℃、300℃、350℃分别进行测试，测出每组配方的升温摩擦系数：
磨损率也是评价摩擦性能的一个参数，对磨损率的分析可以对摩擦性能做出更好的改进。各组配方在100℃、150℃、200℃、250℃、300℃、350℃分别进行测试，各组的磨损率如下：
二、不同配方与路况关系分析
在国际标准下，适用于我国的刹车片摩擦系数为0.35～0.45。性能优异的刹车片的摩擦系数会随刹车时温度的变化趋势而变化，最后当温度上升到一定值时，摩擦系数趋于稳定。在车辆刹车过程中要防止摩擦系数变动范围过大，这样容易导致事故的出现。
在刹车过程中，摩擦系数的确定应充分考虑到周围环境的影响，列如天气、路况、温度等因素；就目前的大多数车辆中，同样的路况，重型车的摩擦系数高于中型车和小型车；同样的车型，山地地区的摩擦系数高于平原。所以在制作刹车片时，摩擦系数要充分考虑，符合实际工况。
2.1 山地路况对应的配方组
在西部地区山地行驶时，汽车上坡和下坡非常普遍，所以对汽车的刹车片比平原要求就高，在山地路况汽车刹车过程中，温度会急剧上升，同时很有可能是连续刹车。因此，刹车过程中的摩擦系数会比平原和冰路上高。在我们的四组配方中，可以看出配方F1和F3的摩擦系数在升温过程中，摩擦系数由小到大，并且最后趋于稳定，这样两组配方就非常合适制作成山地路况的摩擦片。
通过查阅资料可知山地路况的摩擦系数一般为0.39～0.45之内，从配方F1数据可以明显得出结论，摩擦系数随着温度的上升而升高，最后趋于0.43，这样的摩擦系数适合山地路况。因此，配方组F1和F3非常适用于山区地形的车辆使用。其中F1配方组适合质量大的中型车辆，配方F3适合家用轿车。
在山地路况刹车时的温度可以达到300℃～450℃，磨损率随着温度的上升而升高，最后增长趋势趋于平缓。通过对性能参数的综合分析，F1组配方和F3组配方适合山地路况。
2.2 平原路况对应的配方组
平原路况上汽车刹车相对于山地路况，摩擦系数要小，因为平原路况没有连续下坡或者上坡时，摩擦系数相对于山地路况要小，一般为摩擦系数为0.35～0.39，配方F2和F4的摩擦系数变动范围就很适合平原地区。
摩擦系数随着温度的上升而升高，最后趋于0.38和0.39，这样的摩擦系数适合平原路况。因此配方F2和F4特别适用于平原地形地形的车辆使用。其中配方组F2适合家用轿车，而配方组F4适合大型的SUV车辆。平原地区磨损率相对低，因为在平原路况刹车时的温度一般为100℃～250℃之，但磨损率也是随着温度的上升而升高，最后增长趋势趋于平缓。通过对性能参数的综合分析，F2组配方和F4组配方适合平原路况。其中F2配方组更适合小型家用轿车和轻质型车辆，而F4配方组适合大型SUV和大型越野车。
三、结论
刹车片的摩擦系数主要是依据车辆自身的重量惯量而确定的，并且还要充分考虑到制动距离、路况、速度、温度和惯量等参数。目前我们国内的摩擦系数范围为0.35～0.45之间，但因为我国地区差异大，摩擦系数会随着路况而有所改变，在西北地区的山区汽车刹车片的摩擦系数就比平原大，一般为0.39～0.45之间，而平原地区相对来说就小，一般为0.35～0.39之间，如果摩擦系数在国家标准的范围内，想改变摩擦系数的大小，我们应该添加增摩剂和减摩剂，但添加的量要适当，防止超标。因此，刹车片摩擦系数的大小应根据路况、环境温度、湿度等影响制定，不是越大或越小就越好。
参考文献
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[2] 凡艳丽，吕亚非. 酚醛树脂在陶瓷摩擦材料中的作用及其对摩擦性能的我影响[J]. 非金矿，2006，29（5）：63-65
[3] 段亚萍. 汽车刹车片用新型陶瓷基摩擦材料性能研究[J]. 中国非金属矿工业导刊，2016（02）：24-25+45
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[5] 洪桂香. 汽车制动系统的陶瓷摩擦材料[J]. 汽车与配件，2015（02）：62-64
[6] 杨阳，刘伯威，熊翔，等.一種新型陶瓷基汽车刹车片摩擦磨损性能的研究[J]. 粉末冶金技术，2010，28（05）：336-340+365
依托项目：潍坊科技学院2018年度校级课题《新能源汽车新型环保陶瓷刹车材料的配方设计及工艺研究》，项目编号：2018KJYB07
（作者单位：1.潍坊科技学院；2.山东海化集团有限公司热力电力分公司）
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