汽車制動器襯片,，俗稱剎車片,，是汽車制動系統(tǒng)中重要的安全部件,。它將汽車運動的動能轉化為熱能和其他形式的能量,，從而使汽車減速或停止,。制動材料是以摩擦為主,，兼有結構性能要求的多組分復合材料,。隨著我國汽車制造業(yè)的不斷壯大，制動材料也得到了突飛猛進的發(fā)展,。根據2005年中國剎車片市場調查報告,，04年國內摩擦材料產量為19.4萬噸，其中盤式和鼓式剎車片占85%以上,。國內方面,，近年來我國汽車保有量已經達到2570.97萬輛，全國每年需求剎車片4億塊左右,，市場潛力巨大[1],。另外，據中國摩擦與密封協會的統(tǒng)計,，我國摩擦材料產量保持快速增長的勢頭,，2005年產量30萬噸，產值56.27億元,，出口交貨值13.3億元,；2006年產量達到37.34噸，產值67.34億元,，出口交貨值20.51億元,。預計在“十一五”末期，我國摩擦材料總產量將達到60萬噸,，總產值超過100億元,，其中出口交易值40億元。隨著各國汽車工業(yè)的發(fā)展和現代社會環(huán)保意識的提高,，制動材料的運行條件越來越苛刻,，人們對它的性能要求也越來越高，可簡單將其概括為“三化”,。 

（1） 無石棉,，無污染化 

自從1972年國際腫瘤醫(yī)學會確認石棉及其高溫揮發(fā)物屬于致癌物后，各國家相繼禁止使用石棉摩擦材料,。我國于1999年10月1日開始實施國家標準《汽車制動系統(tǒng)結構,、性能和試驗方法》（GB12676-1999），其中明確規(guī)定“制動襯片應不含石棉”,，并在標準實施起48個月后強制施行,。隨著人們生活水平的提高，汽車所造成的污染也越來越受到人們的重視,，其中剎車片產生的污染也引起了人們的關注,。就制動材料而言，對環(huán)境的污染主要來自制動過程中產生的噪音及磨屑中的重金屬污染。為了控制噪音污染,，我國于1996年通過了《中華人民共和國環(huán)境噪聲污染防治法》，歐洲各國也對機動車輛的噪聲釋放做出了嚴格規(guī)定（圖1,，圖2）,。最近的環(huán)境研究顯示重金屬對環(huán)境構成極大的危害，關于重金屬污染,，在國內還沒有被完全了解和關注[2],，而國外已有報道。歐盟為此已采取措施禁止或嚴格限制在汽車構件中使用重金屬,，不久前在斯德哥爾摩發(fā)表的一項研究表明,，摩擦材料是銅污染最大的禍首之一。盡管與其它汽車部件相比其所含的銅量較低,，但制動片卻產生了環(huán)境中30%的銅污染,。在美國加州，由于剎車片重金屬造成的河流和海灣污染已經引起了相關部門的重視,，其中很多金屬如銻,、鉛、鋅等被懷疑有致癌性,。因此,，制動材料的低金屬及無金屬化成為研究重點之一。汽車廠商及摩擦材料供貨商正在尋找替代品,。TRW（美國天合汽車集團）在環(huán)境及安全上的技術創(chuàng)新使其在提供無重金屬制動片領域領先一步,。通過深入的研究，TRW開發(fā)了礦物與陶瓷纖維的混合材料,，不使用非環(huán)保材料,，如紫銅、黃銅,、銻鉛等[3],。中國也將從TRW的這一成果中獲益，一些環(huán)保制動產品將會逐步進入國內市場,。 

（2） 高速化 

隨著高速公路的普及及火車的再次提速,，車輛的行駛速度越來越快。汽車在剎車過程中,，制動材料吸收的能量基本和車速的平方成正比,。以轎車為例，當車速為100km/h時,，制動的熱負荷達1130.436KJ,。另外，目前小轎車和輕型貨車大多從鼓式向盤式制動器轉變。該制動器的散熱性,、熱穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性好,，且易于維修和保養(yǎng)。但同時其摩擦面積也只有鼓式的1/4~1/6,，單位面積吸收的能量增加4~6倍,，高速制動時，摩擦副表面的閃點溫度可達1000℃,，這就對制動材料的耐熱性能提出了更高的要求,。 

（3） 輕量化 

從上世紀70年代開始，能源危機及石油的短缺日趨嚴重,，汽車輕量化的問題被提上日程,。當今世界能源緊缺，節(jié)能必將是摩擦材料發(fā)展的一個重要方向,。因此,，汽車工業(yè)相應的將汽車從較重的后輪驅動改為更小、更輕,、更省油的前輪驅動,，出現了更小、更輕的剎車片,。也就是說在具有優(yōu)良摩擦性能的同時,，較低密度的剎車片將會更具優(yōu)勢。對高檔汽車的剎車片而言,，一般都要求其密度低于2.5g/cm3,。 

因此，為滿足上述性能要求,，開發(fā)高性能環(huán)保型制動材料已成為摩擦材料行業(yè)的當務之急,。泛泛而談，制動材料應滿足多方面的性能要求：a具有適中且穩(wěn)定的摩擦系數,。通常,，不同廠商對摩擦系數要求各不相同。用在亞洲車型上的有機摩擦材料的摩擦系數值（µ）為0.30~0.35,，在美國常用的半金屬摩擦材料（µ）為0.35~0.40,。而在歐洲，對速度及溫度要求顯著不同,。所用的無石棉有機材料（NAO）摩擦摩擦系數的要求值達0.40~0.45,；b高的耐磨性，即較長的使用壽命,；c具有良好的導熱性,、較大的熱容量和一定的高溫機械強度；d對對偶無攻擊性；e無噪聲,、低成本且對環(huán)境無污染等[4-5],。 

1 汽車制動材料的發(fā)展歷程 

1.1 鼓式制動器與石棉型剎車片占主導地位 

20世紀70年代中期以前是摩擦材料發(fā)展的第一時期，汽車制動材料多采用石棉作為增強體,。它是以石棉為骨架,，其他添加劑和樹脂復合而成，石棉在摩擦材料中的含量一般為30%～60%,。由于石棉摩擦材料具有成本低、密度小,、摩擦系數高,、來源豐富等一系列優(yōu)點，能滿足摩擦材料的使用要求,，因而獲得了廣泛的應用,，長期占據統(tǒng)治地位[6-7]。 

1.2汽車制動器向盤式制動器與非石棉摩擦材料過渡時期 

70年代至80年代中期,，隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展,，石棉摩擦材料已不能適應現代汽車和社會發(fā)展的需要，同時由于石棉摩擦材料的致癌性,，各國強烈要求禁止使用石棉摩擦材料,。目前，國內外都在大力開展無石棉摩擦材料的研究,，先后研制開發(fā)了十幾種代替石棉制成的摩擦材料,。歸納起來主要有以下幾種：半金屬摩擦材料，有機纖維摩擦材料,，玻璃纖維摩擦材料,，片狀材料增強摩擦材料等[8]。 

1.3盤式制動器與新型摩擦材料大發(fā)展并得到大規(guī)模應用階段 

20世紀80年代中期以來,，汽車工業(yè)向高速,、重載、舒適,、環(huán)保,、輕量化方向發(fā)展，制動系統(tǒng)得到不斷的改進和完善,。許多國家都致力于改進和開發(fā)新型無石棉摩擦材料,，一大批新型制動材料相繼涌現。最具代表性的有粉末冶金摩擦材料,，新型混雜纖維摩擦材料,，C/C復合材料及新型的陶瓷基摩擦材料。 

（1）粉末冶金摩擦材料 

粉末冶金摩擦材料又稱燒結金屬摩擦材料，是以金屬及其合金為基體,，添加摩擦組元和潤滑組元,，通過壓制成型，然后在高溫中燒結而成,。采用粉末冶金技術生產摩擦材料時,，不但在性能上有突出的優(yōu)點，特別是在組分的設計上極具靈活性,。法國,、瑞典、加拿大等國的高速列車均使用這種閘瓦,，且取得不錯的效果,。但其對對偶的磨損偏大，成本與有機摩擦材料相比偏高,，尚有待進一步改進[9],。 

（2）新型混雜纖維摩擦材料 

目前世界上已極少采用單一纖維作為制動材料的增強纖維，混雜纖維增強是摩擦材料的發(fā)展方向,。所謂新型混雜纖維摩擦材料是指采用兩種或兩種以上的纖維增強同一種樹脂基體的摩擦復合材料,。采用混雜技術時，一般都采用性能和價格互補的兩種纖維,。郭洪濤[10]研究認為炭纖維與芳綸漿粕的混雜表現出很好的摩擦學性能,，芳綸纖維在材料摩擦過程中容易在對偶的界面上形成轉移膜，摩擦曲線波動幅度比單一炭纖維增強的試樣普遍要小,，即加入了芳綸漿粕改善了摩擦系數的平穩(wěn)性,，證明了混雜的優(yōu)異效應。中國專利[11]利用一種價格極為低廉的葉蠟作為填料,，采用硅酸鋁纖維,、鋼纖維混雜增強制得一種新型混雜纖維摩擦材料。通過實驗測得該種材料在不同溫度下摩擦系數穩(wěn)定,、磨損率小,、制動效果好，具有很大的市場競爭優(yōu)勢,。歐洲專利[12]涉及三種纖維混雜：10~15%的 aramid纖維,，5~20%的棉花纖維，2~15%的炭纖維,，所研制的摩擦材料比傳統(tǒng)材料具有更佳的摩擦磨損性能,。 

（3）C/C復合材料 

C/C復合材料，即炭纖維增強炭基體復合材料,。自從1958年問世以來,，由于其具有比重?。s為鐵的1/5）、強度高（抗拉強度>2GP）,、熱膨脹系數小,、耐高溫等優(yōu)點，在軍工,、航空,、航天等方面取得了長足的發(fā)展。其在民用領域方面的應用也日益擴大,，很多民用飛機（如波音系列：Boeing747,、Boeing757等，空客系列：A330,、A340等）和高檔賽車（Ferrari F2005,、Renault R25、Toyota TF105等）已開始裝備C/C剎車副,。目前國內中南大學、西北工業(yè)大學,、中科院金屬所,、航天集團第四院43所、621所等幾家單位的研究在國內居于領先水平,。中南大學以博云新材料股份有限公司為依托,，C/C剎車副已全面實現產業(yè)化、國產化[13-15],。由于C/C復合材料采用化學氣相沉積（CVD）,，液相浸漬炭化的生產工藝，生產周期較長,，因此成本較高,，價格昂貴（一副C/C剎車盤價格高達上萬元），這也制約了其在更廣闊領域特別是汽車領域的應用,。 

（4）新型陶瓷基摩擦材料 

由于無石棉有機制動材料存在耐熱性問題,，半金屬摩擦材料又存在密度較大、攻擊對偶,、產生噪音等不足,，而盡管C/C復合材料能解決上述問題，但其成本較高,。陶瓷摩擦材料具有密度適中,、耐高溫、耐腐蝕,、價格適宜等優(yōu)點,，已被廣泛的應用于制動領域,。一般來說，陶瓷基摩擦材料中陶瓷的體積分數至少占到45%以上,，有的甚至達到80%~90%,。常用的性能優(yōu)良的陶瓷有：SiC、B4C,、Si3N4,、Al2O3、AlN等[16],。德國斯圖加特大學和德國航天研究所等單位對C/C-SiC復合材料應用于摩擦領域進行了研究,，并成功應用于保時捷高檔轎車上[17]。Pinggen Rao[18]對低溫燒結高純Al2O3陶瓷的性能進行了探討,，L.E sposito等對低純Al2O3陶瓷的摩擦磨損性能進行了研究[19],。目前在國外，添加陶瓷纖維作為增強材料,，利用改性樹脂和橡膠為粘合劑,，以多種人工合成的有機和無機材料作為摩擦性能調節(jié)劑制成的一種非金屬摩擦材料，也叫做陶瓷基摩擦材料,。其特點是：1）無噪音,。陶瓷配方不但很好的消除了行車制動噪音，而且通過對靜摩擦系數和動摩擦系數的平衡,，解決了半金屬和少金屬配方很難克服的低頻噪音,。2）無落灰，抗腐蝕能力強,。陶瓷配方中沒有金屬成分的加入,，很好的解決了金屬纖維銹蝕的問題。對油酸不敏感,，且其具有優(yōu)異的摩擦粉塵性能,，一般行車一千公里以內不會有明顯的輪轂落灰現象。3）使用壽命長,。陶瓷摩擦材料采用大量的有機和無機材料,，材料之間有良好的親和性能，并在制動過程中可以形成較好的摩擦膜和轉移層,，具有很好的潤滑效果,，大大提高了材料的使用壽命，與半金屬相比,，其使用壽命可提高1.5倍以上,。4）綠色環(huán)保，制動舒適,。陶瓷材料優(yōu)異的理化性能以及不含重金屬的配方,，使制動材料具有噪音低,、粉塵少的特點，且對環(huán)境無污染,，完全符合日益提高的環(huán)保要求,。 

2 汽車制動材料需要解決的關鍵技術 

近年來，國內外對汽車制動材料進行了廣泛的研究,，并取得了巨大的研究成果,。但目前，汽車制動材料還需解決以下兩項關鍵技術： 

1）提高摩擦材料粘結劑的性能,。粘結劑是摩擦材料組成的核心,，它性能的好壞直接影響剎車片的性能。一般來說,，粘結劑應具有長壽命,、良好的穩(wěn)定性和較好的耐熱性能，其中耐熱性是關鍵,。目前,，人們普遍采用物理和化學的方法對酚醛樹脂進行改性，其耐熱性能大幅度提高,。但隨著車速的提高,，對摩擦材料的熱衰退性能提出了更高的要求。目前摩擦材料粘結劑的研究,，已不再局限于樹脂和橡膠，而且拓展到了利用金屬粉末或金屬硫化物在高溫下具有的特殊性能,，減少樹脂在摩擦材料中的使用比例,，以彌補樹脂及橡膠在高溫下的不足。因此,，盡管采用高性能樹脂能提高摩擦材料的耐熱性能,，但其改善畢竟有限，我們應更多的關注和利用金屬粉末及金屬硫化物的性能或開發(fā)一些新型的無機粘結劑,。同時,，材料的熱傳導性雖然是影響耐熱性的間接因素，卻非常重要,。因此,，為了降低制動溫度，提高耐熱性能,，我們也可以從提高制動材料的導熱系數入手,，加快散熱速度，防止材料因溫度過高導致性能下降,。 

2）隨著現代環(huán)保意識的增強,，人們對汽車產生的噪音的問題越來越關注,。因此，減少剎車片誘發(fā)的制動噪音成為一個重要的研究課題,。汽車剎車片噪音,，涉及到制動器的總成結構，而不單是制動材料本身的問題,。目前,，科學界對噪音的產生及形成機理還沒有統(tǒng)一的定論。一般認為,，其原因不外乎三種[20]：一是剎車片與對偶不匹配,，產生共振或傷盤；二是剎車片的摩擦穩(wěn)定性差,；三是剎車片與制動對偶隨制動比壓,、溫度、速率的變化,，雙方材質互為粘附,。為解決此問題，一般可以添加一些潤滑劑和增韌劑,，積極開發(fā)輕質和性能優(yōu)越的多孔填料,，以降低制動噪音。 

3 汽車制動材料的發(fā)展趨勢 

汽車工業(yè)的快速發(fā)展造成了汽車摩擦材料研究的白熱化,。為了開發(fā)能滿足當代汽車工藝要求的全新制動材料,，當前汽車制動材料發(fā)展趨勢可以從以下幾個方面來看。 

3.1 摩擦磨損理論的完善 

汽車在制動時,，即是發(fā)生在制動材料和金屬剎車盤之間的摩擦過程?，F代摩擦學往往把摩擦材料/金屬剎車盤這一對摩擦副的相對運動過程，視為是摩擦學系統(tǒng)[21-22],。其基本思想是,，把相對運動和相互作用的諸表面及參加作用的介質，抽象成由摩擦學元素構成的系統(tǒng),，然后依據系統(tǒng)學理論,，把摩擦學系統(tǒng)歸屬于開式、離散,、動態(tài)系統(tǒng),，研究摩擦過程中能量和材料的損失。與此同時,，摩擦學系統(tǒng)的結構和功能,，也隨摩擦過程變化?？捎蓤D4所示系統(tǒng)模型來描述這一摩擦學系統(tǒng)[23],。 

關于制動材料摩擦磨損機理的研究主要包括以下兩方面:一方面是試圖從理論上解釋磨損機理,，導致了不少磨損模型和假設的建立；另一方面是努力通過實驗找到磨損的規(guī)律,，使磨損機理的理論研究和實際應用結合起來,，建立磨損的計算方法。迄今為止,，關于制動材料摩擦磨損機理的研究很多,，但由于制動材料中成分和組織以及材料性能的復雜性，還沒有一個公認的理論能解釋所有的摩擦磨損現象,。目前己有的算式大部分是基于某一種磨損機理而建立的,，或是根據特定的實驗條件而建立的經驗公式[24]。因此,，關于其磨損機制的研究和磨損模型的建立還有待深入和完善[25],。一般來說，摩擦材料與金屬對偶體系可反映5種磨損類型,，即:磨粒磨損,，粘著磨損，疲勞磨損,，熱磨損和宏觀剪切磨損[26],。 

另外，目前關于汽車制動材料的報導絕大多數僅局限于宏觀層次上的研究,，而很少從微觀上進行分析,。為了能對制動材料摩擦磨損機理有更好的認識，更現代化檢測手段的運用顯得十分必要,。譬如,，由于掃描電鏡對非導電體的觀測并不充分，而原子力顯微鏡提供了在原子,、分子尺度上觀察非導體表面形貌的有效手段，所以可以從更加微觀的角度上對摩擦材料表面,、磨屑以及對偶件的形貌特征和化學成分特征進行分析研究,。同時，隨著新材料和微電子技術的迅速發(fā)展,，人們將微電子技術和微傳感器技術用于摩擦材料,，形成能夠自動檢測制動過程中摩擦系數、摩擦力,、摩擦量及表面溫度的功能摩擦材料,，進而通過控制技術自動調節(jié)制動過程中的制動力和表面溫度，這將有助于更深入的了解制動過程中的摩擦磨損現象,。這些都是未來制動材料發(fā)展的重要方向,。 

3.2 材料的改性及配方的優(yōu)化設計 

汽車制動材料是以高分子化合物為粘結劑,，以無機或有機類纖維為增強成分，以礦物粉體和有機粉體為摩擦性能調節(jié)劑制備而成的功能材料,。其組成成分少則十幾種,，有時甚至添加了幾十種不同的材料。根據各個組分在摩擦材料中所起的作用,，一般將其分為增強纖維,、有機粘結劑和填料。 

3.2.1 原材料的改性研究 

在原材料方面,，對于增強纖維,，由于單一纖維各有優(yōu)缺點，且在不同方向上具有不同的力學和物理性能,。因此,，對纖維增強的摩擦材料而言，使用混雜纖維進行合理復合,，使其充分發(fā)揮各自的優(yōu)點,，制成性能優(yōu)良、成本較低的摩擦材料,，必將成為摩擦材料的研究方向之一,。對于樹脂粘結劑，目前主要還是選用酚醛樹脂,，其最突出的優(yōu)點是耐熱性好,，但在高溫下會分解，使摩擦材料發(fā)生熱衰退,，摩擦磨損性能變差,，因此酚醛樹脂的改性也是其研究方向之一。對填料而言,，在現代汽車制動材料中,，有機粘結劑和增強纖維的用量正逐漸減少，以礦物為主的填料用量越來越多,。各國都在積極研究開發(fā)一些輕質,、多孔的無機填料，特別是當一些納米粒子的填料加入時,，產生了一種新型的摩擦材料,，即納米摩擦材料。 

3.2.2 納米摩擦材料 

納米復合材料的概念于20世紀80年代中期由Roy提出[27],。納米復合材料具有優(yōu)異的性能和廣泛的應用價值,，利用納米粒子取代普通無機填料與聚合物基體復合，能大幅度提高聚合物材料的整體性能[28]。賀鵬等[29]將其作用歸納為以下幾點：提高熱性能,，如熱膨脹系數降低,、導熱系數大幅提高、阻燃性增強,；改善力學性能,，如同時增加強度和增加韌性、增強耐磨性,、改進光電性能等,。葛世榮等[30]人，制備了納米SiO2和納米TiO2填充PA1010尼龍復合材料,，測試結果表明：填充納米顆?？梢蕴岣吣猃垙秃喜牧系牧W性能，納米SiO2和納米TiO2作為填料可以提高PA1010的耐磨性,，降低摩擦系數,。其中納米顆粒的最佳質量分數為10％。馬世寧[31]等對納米固體潤滑干膜的摩擦學性能進行了研究,，試驗表明：添加納米Al2O3粉末在摩擦系數略有增加的同時,，耐磨性也得到了很好的改善。美國馬里蘭大學[32]材料系在實驗室研制成功納米Al2O3與橡膠的復合材料,。這種材料與常規(guī)橡膠相比,，耐磨性大大提高，介電常數也提高了將近一倍,。 

3.2.3 材料配方的優(yōu)化設計 
汽車制動材料一般采用模壓成形法,，因此材料的成分配方至關重要。目前在代表世界摩擦材料先進水平的歐洲和北美國家中,，其摩擦材料先進的配方技術主要體現在：1）無石棉,、無金屬、無Kevlar等化學纖維和天然纖維,、樹脂含量低至5%~6%,，并采用第二粘結劑。2）多體系復合材料的配方優(yōu)化,。多年以來,，摩擦材料研究及應用的主導體系一直是以1維唯象的纖維為增強體、0維唯象的顆粒為填料和3維唯象有機基體組合而成的0-1-3型聚合物基復合材料體系,。目前，國內外開展了多種新結構體系摩擦材料的研究,，有研究者選用多種纖維,、以2維唯象的層片為增強體，并與多種有機無機微粒和樹脂混合制得0-1-2-3型復合體系摩擦材料。發(fā)現以相同的填充分數,，可獲得比單純纖維和單純粒子增強材料高的力學性能,，并能同時兼顧強度和韌性、高溫摩擦和磨損性能,、綜合性能優(yōu)越,。 
在汽車制動材料配方優(yōu)化設計的過程中，大量的專利技術和應用研究用來完善和提高制動材料的摩擦磨損性能,。曹獻坤[33]等人對Kevlar增強纖維的摩擦材料配方進行了研究設計,。應用正交試驗設計方法，以摩擦制品的摩擦系數,、磨損量和沖擊強度為試驗指標,，由多因素方差分析進行配方優(yōu)化，得材料配比（Wt％）為：Kevlar纖維1～5,，膨脹蛭石片40～50,，改性酚醛樹脂16～19，石墨5～8,，有機摩擦粉10～15,，無機填料10～18。楊金生[34]等對半金屬制動材料的成分配方進行了改性并獲得較好的制動摩擦磨損效果,。國外商用摩擦材料的配方設計,，由于涉及到商業(yè)秘密很少公開，在摩擦磨損機理研究中,，只會簡單給出實驗材料的配方,。韓國的Ho Jang等[35]學者，對復合摩擦材料中的Sb2S3ZrSiO4在表面摩擦過程中的特性進行了研究,，并給出了材料的配方,。美國專利[36]利用10%的aramid纖維，5%的鈦酸鉀纖維,，與10%酚醛樹脂和其他調節(jié)劑,，在一定工況下，形成5~100µm厚的有機薄層,，極大的減少了制動噪音與震顫,。M.H.Choa[37]對灰鑄鐵制動鼓在摩擦過程中，灰鑄鐵摩擦表面的微觀形貌變化進行了研究,，并比較了有鋼纖維摩擦材料與無鋼纖維摩擦材料對灰鑄鐵表面的影響特性,。同時給出了兩種試驗用復合摩擦材料的配方，如表1所示,。

表1：某復合摩擦材料的配方和物理特性表