制动系统中新型复合增强纤维摩阻材料的研制.doc

制动系统中新型复合增强纤维摩阻材料的研制一、项目概述1.项目提出背景、意义及必要性摩阻材料是是用于诸多运动机械和装备中起传动、制动、减速、转向、驻车等作用的功能配件。按功能及安装的部位主要分为制动器衬片和离合器面片。刹车片用于制动，离合器片用于传动。任何机械设备与运动的各种车辆都必须要有制动或传动装置。摩擦材料是这种制动或传动装置上的关键性部件。它最主要的功能是通过摩擦来吸收或传递动力。如离合器片传递动力，制动片吸收动能。它们使机械设备与各种机动车辆能够安全可靠地工作。全世界每年发生的交通事故中有相当一部分是由于刹车失灵造成的，摩阻材料在汽车工业中属于关键的安全件，汽车的启动、制动和驻车都离不开摩阻材料，其好坏、优劣直接关系着人发的生命财产安全，其功能地位不言而喻。制动器上所用摩擦材料（制动件）的性能直接影响制动过程，而影响其性能的主要因素为工作温度和温升速度。摩擦材料应具备高而稳定的摩擦系数和良好的耐磨性。从石棉基摩阻材料到被禁用，发展到半金属摩阻材料、代用纤维增强或聚合物粘结摩阻材料、复合纤维摩阻材料新型复合增强纤维摩阻材料，本项目所研发的新型复合增强纤维摩阻材料是有极为重要的作用和长远意义。新型复合增强纤维摩阻材料由于采用性能优良的复合纤维和耐热性能优越的粘合剂混合制成的，具有成本低、密度小；耐温、耐磨、耐环境性能好等特点。这类新型摩阻材料具有稳定的摩擦性能，且耐高温技术指标均达到或超过国家标准，在潮湿、酸性气体环境中不腐蚀生锈、不发生力学衰退，在高温时的磨损率远低于国标的要求，某些技术指标优于目前我国准高速列车半金属或粉末冶金体系刹车闸的技术指标，所以本项目产品可以广泛应用在汽车、列车、机床、电梯等刹车系统的配备应用。所研制的摩擦材料完全满足重型汽车制动性能的要求，具有足够的机械性能和优越的摩擦摩损性能，热衰退小、恢复性能好，耐磨损、噪声小。2.攻关目标和内容根据摩阻材料的要求，本项目研究主要内容集中在寻求新型的纤维组合，改进树脂、填料的搭配，对材料的机械性能、摩擦磨损性能进行研究。主要内容有：（1）对现有的摩阻材料进行分析，选择适合于重型汽车、动车用的基体、纤维、填料。（2）选用芳纶纤维与玻璃纤维、硅灰石等三、四种纤维混杂，使有机纤维与无机纤维合理搭配达到最佳效果。（3）探讨各种纤维不同含量对摩阻材料的摩擦摩损性能、机械性能的影响。（4）用扫描电镜观察分析材料结构和摩擦表面损伤，分析不同纤维之间的混杂效应及相互影响，分析其界面及摩擦磨损机理。建设总规模为年产100万套刹车片，并开展动车新型材料刹车片的研发和制造，建立动车新型材料刹车片研发中心，可培养高水平的技术工作人员，对制动系统中的新材料研发成果进行转化。该项目的实施还可为太原市以至全国范围带动制动系统中的新材料的发展，带动我市企业完成产业结构升级、绿色转型，在新材料的科技研发、技术推广实施中搭建平台，推动山西省刹车片生产依靠高科技高度发展。3.项目形成成果、知识产权及完成时间项目完成将具备成熟的技术性能和指标要求，有自主知识产权，项目于2009年10月开始至2010年12月结束。二、项目立项的必要性及市场需求分析1项目技术攻关的必要性我国半金属摩阻材料刹车片存在有如下几点问题：耐磨性差，未能达到汽车制动器衬片强制标准要求。耐热性、可靠性差，具体表现为在高温试验后发生裂纹、严重起泡、表面烧焦、分层等出现负磨损现象。噪音大，由于填料与基体粘结程度、填料硬度、填料的晶体形态选择不当，在刹车过程出现了刺耳的噪音，影响司乘人员身体健康。冲击强度差，刹车片的冲周强度达不到性能指标要求，致使有些超重型车在山路中行驶中，易造成刹车片破碎，酿成重大交能事故。硬度不适宜，由于我国目前刹车盘没有适用于汽车刹车盘的统一标准，硬度较大的刹车片（HRM55）与硬度较小（HB190）刹车盘对偶相容性较差。比较典型例子是太原出租车行业出现过刹车盘磨损较快，就是由于对偶相容性差造成。摩擦系数不稳定，在检验中发现，在连续制动、刹车片表面温度500情况下，一些摩阻材料丧失了摩擦性能，摩擦系数几乎为零。太原市载重车从古交下山，曾出现过多起交通事故，就是与刹车片摩阻材料摩擦系数不稳定有关。综上所述，半金属摩阻材料的研制还有待进一步提高，经过对山西省市扬刹车片多地检验，从中发现，半金属摩阻材料质量参差不齐，急待提高。新型复合增强纤维摩阻材料是摩阻材料的一种，属新材料领域，是国家“十一五”发展规划中重点发展的项目。2项目的市场需求分析众所周知，我国的汽车行业正处于高速发展阶段，2003年已成为世界上汽车第四大生产国和第三大消费国。汽车产量445万辆，保有量2421万辆；摩托车产量1350万辆，位居世界第一，保有量5929万辆；农用车产量290万辆，保有量2400万辆。假定每辆车一年更换一套刹车片的话，则年消耗量就超过了1亿套，这还不包括其他设备上应用的离合器及各种制动产品所需的摩阻材料，市场潜力极大。除此之外,根据国家信息中心的预测， 2020年全国的汽车总保有量将达到1.3亿辆。因而在今后相当长的时期，产品的销售市场巨大。另外随着全球市场一体化和经济竞争日益白热化，国际汽车零部件企业出于降低生产成本的需求，不断来华寻求合作商。自2003年以来，我国摩擦材料的出口交货值连年以30以上的速度增长，销售收入增长30.6，2004年总出口达到了8.5亿元，而2005年总出口值达到了16.16亿元。所以全球的汽车市场更为庞大。因此只要拥有高新的技术和性价比好的产品，在具有一定的技术和资金实力，在广阔的国际市场将更具有竞争力。摩阻材料的发展是与汽车工业的发展紧密相关且同步进行的。由于国外对进口汽车的摩阻材料有严格的要求(拒绝石棉基摩阻材料)，我国的汽车因长期以来多使用石棉摩阻材料而在出口上受到限制，影响了出口创汇。开发研制新型高性能无石棉摩阻材料迫在眉捷。同时，要吸收并借鉴国外的先进技术，引进先进设备，尽早解决现实存在的问题，进一步缩短与国外的差距，推动我国汽车工业的高速发展。近年来，随着铁路列车速度的不断提高，路轨、桥涵、车辆及制动问题已成为制约铁路运营安全性的四大硬件因素。用于制作闸瓦和闸片的摩阻材料及制动盘作为列车的关键部件，已被铁路部门列为研究重点。三、相关领域国内外技术现状、发展趋势及国内现有工作基础1国内外技术现状、专利等知识产权情况分析和国内现有的工作基础摩阻材料的基本要求是，在规定工况条件下摩擦系数要平稳，以达到有效的传动、制动效果，磨损率要低，以延长使用寿命，机械强度要高，以保证足够的安全系数，低噪声不颤动，不含有毒物质，有利健康及环保。90年代以前国内汽车行业所用制动器的摩阻材料多沿用传统的石棉基摩阻材料。用这类摩阻材料制成的汽车刹车片的存在的主要缺点是使用寿命低; 在温度升至250附近是会出现“热衰退”现象;尤其是石棉粉尘严重污染环境，有致癌作用，直接危害人类健康。因此自七十年代中期石棉被确认为是一种强致癌工业原料之后，世界各国都开始对石棉摩阻材料的生产和使用加以限制，并趋向于开发和使用无石棉摩阻材料，我国已于2003年10月禁止生产石棉基摩阻材料。一些汽车制造工业发达的国家相继推出了半金属摩阻材料、代用纤维增强或聚合物粘结摩阻材料、复合纤维摩阻材料等。80年代中期开始，世界各国都在大力改进和提高几类无石棉摩阻材料，寻找一条能全面提高其综合使用性能的路线。90年代初至今，也开发了几种能完全满足当代汽车发展需要的新型摩阻材料（如碳纤维增强、Kevlar纤维增强摩阻材料等），并取得了一些进展。90年代以来，我国随着轿车零部件国产化的深入，开始研制和使用各种半金属摩阻材料，目前在我国刹车片市场上占主导地位。半金属摩阻材料虽然不含石棉，但具有以下缺点：1）金属材料易于在潮气等作用下氧化锈蚀，从而不但使刹车片磨损加快，严重损伤对偶材料，而且还使得刹车片丧失了与对偶材料的部分粘着功能导致制动性能下降；2）半金属片较高的热传导率易使制动器的液压机构受热，导致密封圈失去弹性，严重的还会引起刹车气阻不良等后果。因此研制无石棉新型高强纤维复合材料汽车用摩阻材料就显得格外重要。我国正在研制准高速列车的制动材料，已经探索出一些经验。但基本上仍是粉末冶金或半金属类的合成摩阻材料，仍有大量工作要作。新型复合增强纤维摩阻材料具有稳定的摩擦性能，且耐高温技术指标均达到或超过国家标准。技术指标优于目前我国准高速列车半金属或粉末冶金体系刹车闸的技术指标。摩阻材料主要是利用热固性酚醛树脂、有机或无机纤维与一些填料通过配料、搅拌、热压成型、热处理、磨削及喷漆等工序制成。摩阻材料生产工艺已经很成熟，新型复合增强纤维摩阻材料主要创新生产出高性能的复合纤维，并将其应用来改变摩阻材料的特性，同时粘合剂的耐热性能的提高，通过两个主要组成成份的提高，实现摩阻材料各项性能的提高。将摩阻材料的原有工艺及特性保持下来，原有的工艺是成熟、可靠的。新型复合增强纤维摩阻材料了具有成熟性和可靠性。2国内外技术发展趋势为了尽快与国际接轨，我国摩阻材料行业从上世纪90年代末起，就开始以市场为导向，科技为动力，推出了一系列前所未有的产品转型大动作，其中就有两个鲜明的标志，一是无石棉化。由于石棉材料的应用对人体造成的危害相当严重，从环保和对人体健康角度考虑，现在几乎所有欧洲国家已禁止在制动摩擦片中使用石棉作增强材料，欧洲和北美地区提出了NAO（Non-asbestos Organic无石棉有机物）摩擦片的概念。我国强制性国家标准GB12676-1999也规定：“制动摩擦衬片应不含有石棉。”摩擦材料的环保化又向深度和广度进军。NAO摩擦材料除不含石棉外，又向少金属、无金属方向发展。此外，酚醛树脂也是有害健康的物质，因此产品还向着减少酚醛树脂用量或使用无苯树脂的方向发展。第二个转型是产品向高性能化转型。用户追求安全效益的最大化，不断要求摩擦材料的质量性能更好，使用寿命更长，操作维护更方便。市场青睐高科技的产品，机会倾斜于创新型企业，如此辐射带动，反复博弈的结果，使得摩擦材料的技术水平逐次提升。摩擦材料已从过去最基本的性能要求，如摩擦系数衰退小，磨损率低、抗冲击强度高等简单几项，过渡到还要加上诸如制动振动小，无噪声、落灰少等环保化人性化的要求。四、项目计划目标及主要研究内容1主要目标（1）总体目标建设总规模为年产100万套刹车片，并开展动车新型材料刹车片的研发和制造，建立动车新型材料刹车片研发中心，可培养高水平的技术工作人员，对制动系统中的新材料研发成果进行转化，该项目的实施还可为太原市以至全国范围带动制动系统中的新材料的发展，带动我市企业完成产业结构升级、绿色转型，在新材料的科技研发、技术推广实施中搭建平台，推动山西省刹车片生产依靠高科技高度发展。古交市锦泰隆物贸有限公司是山西省古交市科技开发园区的重点企业，将信托本项目在古交市结构调整，绿色转型发挥重要作用，开辟刹车片生产的市场和开展制动系统中新材料的研究开发，为山西省刹车片的生产提供有利的技术支持，同时将提高山西省刹车片的生产的水平和产能。（2）经济目标本项目投产第一年将实现年产15万套的生产规模，销售价格定参同内市场的平均水平，可新增销售收入600万元。新增利润195万元，新增利税65万元。随着全球市场一体化和经济竞争日益白热化，国际汽车零部件企业出于降低生产成本的需求，达到一定的规模就可以做出口及汽车生产厂家配套的产品市场。经济效益将更加可观。按照每年20万套的预计增产量，将在5年内达到年产100万套刹车片的生产能力。将新增销售收入4000万元。新增利润1300万元，新增利税435万元。2研究与开发内容新型复合增强纤维摩阻材料由于采用性能优良的复合纤维和耐热性能优越的粘合剂混合制成的，具有成本低、密度小；耐温、耐磨、耐环境性能好等特点。这类新型摩阻材料具有稳定的摩擦性能，且耐高温技术指标均达到或超过国家标准，在潮湿、酸性气体环境中不腐蚀生锈、不发生力学衰退，在高温时的磨损率远低于国标的要求，某些技术指标优于目前我国准高速列车半金属或粉末冶金体系刹车闸的技术指标，所以本项目产品可以广泛应用在汽车、列车、机床、电梯等刹车系统的配备应用。3项目的技术关键，包括技术难点、创新点（1）技术难点新型复合增强纤维摩阻材料生产工艺中合成摩阻材料工艺是将树脂、金属粉纤维于摩擦性能调节剂混合加热加压固化而制得的。它将材料制备与产品生产工序合二为一，所以纤维复合材料的耐磨性优于一般合成材料。它利用热固性酚醛树脂、有机或无机纤维与一些填料通过配料、搅拌、热压成型、热处理、磨削及喷漆等工序制成。粘合剂目前有三种树脂改性体系, 即复合树脂橡胶一酚醛树脂等具有高的热稳定性和高粘附性。腰果壳油改性树脂其冲击强度、韧性、耐水性、热稳定性优于酚醛树脂, 而且摩擦系数不受环境条件的影响, 比较稳定。聚酞亚胺树脂聚酞亚胺是一种高耐热高分子材料, 聚酞亚胺粘胶剂, 可以在高温下使用, 解决了钢背与摩阻材料的粘接问题确定了摩擦片最佳压制工艺条件与后热处理工艺条件。增强纤维主要是钢棉、铸铁等金属纤维, 具有强度高、耐摩擦、耐冲击和耐疲劳的性能, 有生产效率高、操作环境清洁、使用寿命长的优点。由于钢纤维与高分子粘合剂的浸润性差、热传导太快, 因而钢纤维不能过多加人, 并且限制钢纤维单独使用。钢棉纤维是经粉碎后制成钢棉末, 代替石棉作为摩阻材料。铸铁纤维它具有强度高、耐磨性好、价格低的优点。目前我国正自行研制用自激振动切削法制作铸铁纤维, 它具有良好的发展前景。填料使用最具代表性的填料有海泡石粉, 硅灰石粉、凹凸棒粘土、镁菱土等。这些摩擦填料的特点是熔点、比表面积大、硬度适中、强度较高、摩擦性能稳定。另外, 为了使产品具有很好的动摩擦性能, 提高制动安全性, 通常按其总量加入一定的无机化合物填料, 可提高耐高温和热稳定性。由中科院理化技术研究所与有关单位合作，经过多年的努力，先后成功研制出多种无石棉的高强复合纤维系列摩阻材料。本技术基于纤维增强复合材料中的增强纤维在复合材料中起到骨架的作用，支撑载荷，本技术合成摩阻材料工艺是将树脂、金属粉纤维于摩擦性能调节剂混合加热加压固化而制得的。它将材料制备与产品生产工序合二为一，因此成本适中。所以纤维复合材料的耐磨性优于一般合成材料。这类系列产品可满足一般汽车、工程汽车、摩托车和各种离合器等各种制动产品。（2）技术创新性耐高温性好。由于这类产品采用料耐热性能好的粘合剂，并混合多种增强纤维，具有稳定摩擦性能的多元复合结构，通过严格的工艺控制，生产出性能优异的无石棉摩阻材料。这类摩阻材料具有稳定的摩擦性能，其高温技术指标均达到或超过了中华人民共和国国家标准GB5763-1998中汽车用制动器衬片的标准规定值。密度低。采用性能优良的复合纤维制成的刹车片具有密度低的特点（2.0g/cm3）,而目前钢纤维刹车片的密度多在2.5g/cm3以上，这样组成等体积的片材意味着这种新型材料更加轻量化。耐环境性能好。由于本配方不含金属材料，与含有刚纤维的刹车片相比，在潮湿、有酸性气体的环境中不存在腐蚀生锈的问题，也不发生力学衰退，因此，其耐腐蚀性远远由于半金属刹车片；另外制动是没有火花，可减少火花烧车等事故。耐磨性好，使用寿命长。采用了耐磨性优良的纤维制成的刹车片，其磨损率非常低，尤其是在高温时磨损率远低于国标GB5763-1998中的要求。成本低。采用合理的配方设计，成功地控制了摩阻材料的生产成本，根据不同产品的需要，原料成本可以控制在很低的范围内。五、技术、经济效益分析（含市场风险分析、推广应用前景及产业化可行性）1技术经济效益分析（含经济效益、社会效益）经济效益在汽车刹车片中，摩阻材料的成本仅占总成本的约1/4。不同性能的复合增强纤维生产的摩阻材料的原料成本一般为712元/公斤，以原料成本约为9元/公斤计算：桑塔纳2000为例：盘式片每片下料0.21公斤9元/公斤=1.89元 四片：7.56元每片钢背： 1.6元/片 四片：6.4元卡子： 2元/套每片喷沙、涂胶： 2元/盒包装盒： 1.5元/盒动力费： 1元/盒 其它： 2元一盒4片： 合计：22.46元鼓式片 每片下料0.110公斤9元/公斤=0.99元 四片：3.96元每片蹄铁： 4元 四片：16元每片喷沙、涂胶： 2元/盒 包装盒： 2元/盒动力费： 1元/盒其它：按5计算 2元一盒4片： 合计：26.96元平均成本为：（22.46+26.96）2=24.4725（元/套） 利润率: 桑塔纳2000的刹车片北京市场出厂价为：4060元/套按销售价为40元/套计算盘式片利润率: (40-22.46)22.46=58%按销售价为40元/套计算鼓式片利润率: (40-26.96)26.96=48%一般来讲,汽车刹车片的利润率最低为20,高档车比如奥迪及别克车（售价为80120/盒）的利润可达100以上。社会效益新型复合增强纤维摩阻材料是摩阻材料的一种，属新材料领域，是国家“十一五”发展规划中重点发展的项目。太原市是一个能源重化工城市，高投入、高消耗、高污染和低效益曾是太原市传统经济的突出特征。太原围绕发展绿色经济、构建绿色产业体系，严格实施“绿色高压线”，不断推动产业结构升级，努力构建以基础产业和制造业为支撑、高新技术产业和文化产业为先导、服务业全面繁荣的绿色产业新格局。该项目的实施可为太原市以至全国范围带动制动系统中的新材料的发展，带动我市企业完成产业结构升级、绿色转型，在新材料的科技研发、技术推广实施中搭建平台，推动山西省刹车片生产依靠高科技高度发展。摩阻材料的发展是与汽车工业的发展紧密相关且同步进行的。由于国外对进口汽车的摩阻材料有严格的要求(拒绝石棉基摩阻材料)，我国的汽车因长期以来多使用石棉摩阻材料而在出口上受到限制，影响了出口创汇。开发研制新型高性能无石棉摩阻材料迫在眉捷。同时，要吸收并借鉴国外的先进技术，引进先进设备，尽早解决现实存在的问题，进一步缩短与国外的差距，推动我国汽车工业的高速发展。2推广应用前景分析（产业化可行性）摩擦材料属于复合材料，其性能直接受其组分的性能、含量、配比、几何尺寸等因素影响。特别是增强纤维，粘结剂等主要成分与摩擦材料的性能关系最为密切。从使用棉线作为增强纤维的第一片制动摩擦片诞生，到石棉制动摩擦片、半金属摩擦材料，再到NAO摩擦材料，高性能的碳纤维摩擦材料。摩擦材料行业的每一次重大突破，都是伴随着新材料的研发和应用。要快速缩短国内企业与国外先进企业间的差距，提升国内企业在中高档车的主机配套市场占有率，首先必须以新材料的研发作为重点突破口，提高产品的科技含量，最终达到提高企业国际竞争力的目的。2010年，基于国政府投入巨资以及采取一系列政策强力刺激经济发展，尤其对汽车产业实行了一系列鼓励政策，国内汽车工业将会名列世界规模第一基础上，仍然出现大幅度增长，国内汽车销售量及保有量增长必然促进摩擦材料主机售后产品双增长。从另一方面看，虽然国际市场仍然处于恢复过程，但国外生产成本较高，国产品质量提升很快，国际采购商必然会来国采购。总体来看，2010年国内外市场，无论主机配套还售后，市场前景都较为乐观。3项目实施的风险分析（含市场风险、技术风险、管理风险等）市场风险由于全球经济危机影响持续时间的不确定性，导致对汽车制动器需求增长速度有所放慢；汽车制动器行业存在一定的市场波动性；故在项目实施过程中应防范因市场需求量波动给企业带来的风险。技术风险国内汽车制动器产品质量和国外存在一定的差距，行业面临技术升级的风险。政策风险国内目前实行扩大内需求的宏观调控政策，刺激对国内市场消费，对汽车制动器行业的发展具有一定的积极作用。随着经济形势的好转，国内将采取新的宏观政策，项目开展过程中制动器生产企业应做好相应的对策。其他风险从汽车制动器的上下游来看，国内的冶金、石油和汽车市场的变化都可以给汽车制动器行业带来一定的风险。六、计划实施年限、经费预算及来源渠道1年度计划2009年1112月，进行市场调研；2010年17月，建车间、仓库、辅助生产用房；2010年89月，安装摩阻材料生产线与工业制动器生产线各一条；2010年10月，调试生产线；2010年11月，正式生产、新设备正式投入使用；2010年12月，工作总结，项目验收。2经费预算(一)主要设备选项清单：序号设备名称型号参考价格（万元/台）备注1制动衬片专用处理箱XL7022-3(5.4m3)可另选2制动衬片通用内弧磨床XL4412.6 3制动衬片外弧磨床 XL4323.84鼓式片钻床（34孔）XL454 1.25鼓式涂胶机 XL4610.966盘式涂胶机 XL3314.87电磁圆盘磨床XL341 3.88载重汽车制动衬片特制磨床XL4334.29四柱热压机100200吨 5510搅料机 5升111鼓式片粘接卡具机XL721 0.312抛丸机 XLB6420.5613水帘式漆站 XL371 2.314100吨预压成型机 XL300 11.5盘式片15鼓式片预压成型机 XL400 12.616六层压机XL311 15.517检测设备(1)定速式摩擦材料试验机 XL112(2)冲击强度试验机(3)洛氏硬度试验机(4)剪切强度试验机 (6)分析天平 (7)小烘箱XCJ-4 XHR-150 XL101 0300度4.21 2.05.80.30.3合计70注：刚开始生产时产量不大，1415项的设备可现不买。113项的设备投资总额约需56万元，17项的投资为约1