碳纤维增强陶瓷基有机刹车片的研制.doc

碳纤维增强型陶瓷基有机汽车用刹车片（无石棉无金属）的研制项目一、项目申报单位简介公司名称：龙口泰尔斯机械有限公司公司地址：山东省龙口市龙港街道中村龙口泰尔斯机械有限公司公司邮编：265703二、 项目简介随着国民经济高速发展，人民生活水平不断提高，现在人们在生产生活中越来越离不开汽车，汽车的安全问题也受到人们的重视，汽车刹车片的需求量也越来越大，对其质量的要求也越来越高，汽车刹车片是汽车零部件组成部分的关健配件，其性能优劣、使用寿命长短不仅关系着汽车的正常运行，还关系着汽车驾驶员和乘客的生命安全，近年来，中国汽车产业的迅速发展，带动了中国汽车刹车片产业的快速成长，一些国内刹车片企业的生产能力与技术水平已经接近世界先进水平，一批领先企业正在迅速成长，但对刹车片企业来说，其自主研发能力主要体现在复合材料性能研究上，由于资本积累薄弱，国内刹车片企业对生产改造和自主研发的投入远远低于国外同行。所以，我国有必要对汽车刹车片的研发提供资金支持。随着汽车产业的迅速发展，对刹车片产品性能的要求也越来越高，原有的刹车片性能已不能满足需要，碳纤维增强型陶瓷基刹车片是一种性能较完善的新型刹车片，开发这类新型材料已被发达国家所重视，面对国外碳纤维增强型陶瓷基材料的发展趋势和我国高端汽车对高性能刹车片的迫切需求，研制和生产碳纤维增强型陶瓷基刹车片不仅具有重要的现实意义，而且具有巨大的推广应用价值。碳纤维增强型陶瓷基刹车片是摩擦制动界的新品种，在摩擦材料领域，针对不同地区，不同车型，不同环境所使用的刹车片品种亦不同，目前国际上长期共存的摩擦材料种类有半金属、低金属、陶瓷、有机四大类，碳纤维增强型陶瓷基刹车片作为摩擦材料产品中的一个新品种，具有无噪声、无落灰、不腐蚀轮毂、使用寿命长、环保等优点，是其它产品无法比拟的。它由陶瓷纤维、陶瓷填料物质、胶粘剂和其它纤维组成，包括矿物纤维、芳纶纤维，比其他刹车片颜色更淡，价值含量更高。总之，碳纤维增强型陶瓷基刹车片配方具备以下性能特征：轮子少落灰，盘片和对偶件的寿命长，无噪音，无震颤，不伤盘。 刹车片用的摩擦材料配方发展过程经历了含石棉配方、半金属配方、无石棉半金属、少金属配方、陶瓷基有机配方等过程。含石棉配方价格便宜，强度高，缺点是石棉对环境有污染，性能上耐高温差；半金属配方改善了耐高温性能，但是由于含有大量金属，硬度大，磨损率和噪音指数随之加大；碳纤维增强型陶瓷基刹车片的综合性能是目前公认的理想选择。三、项目建设的必要性 本项目产品属于国家科技部、财政部、国家税务总局共同修订的中国高新技术产品目录2006中新材料类（06020035），是国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）属“新材料技术与产业发展类新型高分子材料研究开发节能、长寿命、轻量化、环保型、高性能高分子材料及复合材料制品”，属国家科技部、财政部、税务总局共同修订的国家重点支持的高新技术领域2008“高新技术改造传统产业汽车行业相关技术汽车关健零部件技术”，在汽车业方面，山东省“十一五”规划提出：“加快推进关健技术创新和系统集成，重点发展汽车、船舶和关健设备，实现跨越式发展，着力建设重型车，轿车，微型乘用车，越野车，改装车，特种车等整车生产中心和与之相配套的零部件生产中心”。山东省科学和技术发展“十一五”规划重点项目指南也将刹车片生产制造纳入优先重点扶持的高新技术产业，本项目的建设有利于提升山东省刹车片的生产水平，加快实现全省装备制造业的总目标，因此，本项目的建设符合山东省经济社会的发展规划。四、项目可行性分析1. 碳纤维增强型陶瓷基材料的应用金属材料在地球上储量是有限的，而且开采、冶炼、加工的能耗都较高，过程产生很大环境污染。碳纤维增强型陶瓷基材料从储量、开采、加工、应用相比于金属材料是十分经济便捷的，材料的应用方向前途广阔。2.环保概念地球污染日趋恶化，工业化、城市化、汽车化等使人类面临新的危机，碳纤维增强型陶瓷基材料的环保性能有目共睹，是应大力推广的材料。3.性能优良碳纤维增强型陶瓷基材料作为摩擦制动材料其性能优越，相对于半金属及其它摩擦材料，解决了“热衰退”问题，加之其本质的耐磨性能，使得刹车片的摩擦性能得到很大的提升。4.市场容量巨大本产品是刹车片的新一代产品，国内外市场具备广阔的前景，国内：该产品属于高档换代产品，随着经济增长，环保等政策完善，消费习惯改善等因素的促进，国内少数的具备自主知识产权的企业，势必优先占据行业产品制高点，抢占广大的市场份额。国外：分为日美和欧洲两大类型，日美率先应用碳纤维增强型陶瓷基刹车片，欧洲注重汽车的操控性以及对刹车灵敏度的要求比较高，至今只有少数车使用碳纤维增强型陶瓷基刹车片，一旦碳纤维增强型陶瓷基刹车片验证满足了欧洲人的年技术和心理要求，在欧洲替代半金属刹车片指日可待，届时市场份额会骤增。5.价格优势碳纤维增强型陶瓷基刹车片属于高档产品，市场价格高于传统半金属刹车片，产品利润空间较大。五、本公司的研制过程 1.刹车片用的摩擦材料从组成部分分为粘接剂、增强纤维、摩擦性能调节剂、填料等组成。除了增强纤维，其它部分的组成相对固定。对于陶瓷基有机配方，目前从国内外各个企业的应用来看，是采用芳纶纤维、铜纤维和陶瓷纤维的组合。根据欧共体提出的要求，刹车片应该无环境污染，包括最终禁止重金属（包括铜）的使用。11年10月份，美国 TRANSGLOBE AUTOMOTIVE INC.公司要求我们为其提供无铜无金属陶瓷型有机配方刹车片。接到客户要求后，我们立刻组成技术攻关小组，从设计理念上讲，芳纶纤维是制造防弹衣和防火衣的材料，是一种环保的有机材料，陶瓷纤维是一种人造硅酸铝短纤维，刹车片应用其耐高温性，渣球含量低的特点，这两种纤维我们仍旧采用，铜纤维由于其高耐磨性和无噪音等特点，被广泛应用。通过性能比较，我们认为碳纤维可以起到高耐磨性和无噪音的特点，但是碳纤维是制造飞机用刹车片的材料，价格十分昂贵，客户也不能接受。我们发现碳纤维预氧丝和碳纤维相比较，预氧丝是聚丙烯腈的线性分子链转化为耐热的梯形结构，以其在高温碳化时不熔不燃而保持纤维状态。其区别在于碳纤维是经过20003000处理，碳分子以石墨化状态存在，而且预氧丝还是以无定形碳的形式存在。铜纤维的抗拉强度按300N/mm2计算，预氧丝的抗拉强度为220N/mm2；铜的比重为8.9克/cm3,而且碳纤维的比重为1.8克/cm3,因此要在抗拉强度上等比代替，碳纤维预氧丝和铜纤维的用量比为 1:3.5。 耐温性碳纤维预氧丝要高于铜纤维。考虑到整体结构，实际上我们采用的是2:3的比例代替。由于预氧丝的莫氏硬度2.0，低于铜的莫氏硬度3.0，因此，为了保证摩擦系数的一致性，缺少的比例部分要加入莫氏硬度中等的材料，我们选用莫氏硬度为5.0 的氧化锌。其它部分没有调整。2.产品设计部分完成后，试制品采用相同的生产工艺制作。进入实验验证阶段，首先我们按照GB5763-2008标准进行DMS定速实验。对于原有陶瓷基配方和用碳纤维预氧丝增强的产品做对比试验，原有配方的平均摩擦系数为：0.42，磨损率总和0.96；而且用碳纤维增强的产品的平均摩擦系数为：0.44，磨损率总和0.98；（摩擦系数要求为0.420.10，磨损率总和为：0-8.2）。为了进一步验证产品的性能，我们曾经多次把样品寄送美国的LINK实验室进行测试，我们等到了完整的产品优良性能试验报告，和噪音试验报告，现在已经小批量为美国公司供货。3.环保材质替代验证，通过多次的验证表明，碳纤维预氧丝替代铜纤维，通过多次调整和验证，性能方面基本一致，而且噪音指数要好于铜纤维产品。成本方面：碳纤维增强产品的材料成本是：28元/公斤，密度是2.2克/cm3； 铜纤维产品的材料成本是：29元/公斤，密度是2.4克/cm3。这样两种产品的成本比较：碳纤维产品/铜纤维产品=(28/29)*(2.2/2.4)=1:1.13。这样碳纤维产品的成本大约为铜纤维产品的88%。六、技术研发经费的投入情况科研经费的投入主要有三部分，1.人员经费，历时8个多月时间。科研人员的工资支出要超过10万元。2. 产品试制及自我