摩擦材料概述与合成橡胶在摩擦材料中的应用

1、黄山海实新材料科技有限公司1、摩擦材料概述1.1简介 摩擦材料是一种依靠摩擦作用来执引制动与传动功能的部件材料，它主要包括制动器衬片（俗称刹车片）和离合器面片（俗称离合器片）。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有制动和传动装置。 应用领域：汽车，火车，农用车辆，飞机，舰艇。石油钻机，矿大机械，轨道交通及各类工程机械，以及自引车，洗衣机家用电器。1.2摩擦材料基本组份： 摩擦材料是以高分子聚合物，粘结剂（树脂与橡胶），增强纤维，摩擦系数调节剂（非金属矿和有机块料）三元素复合而成的功能性材料。 这种材料特点：具有良好的摩擦系数和耐磨损性能，同时还具有耐热性和合适

2、的机械强度。1.3世界摩擦材料发展史： 18世纪自出现动力机械和机动车辆后，在其传动和制动机构中就使用摩擦片。初期的摩擦片采用棉花木头皮革为基材，浸渍沥青溶液加工而成。由于棉带是天然纤维耐温性有限，到120摄氏度以上会逐渐焦化，甚至燃烧。随着车辆速度和载重量的增大，其制动温度也相应增高，人们开始寻找耐温的石棉纤维浸渍用沥青，油和树脂的混合物开始应用于车辆和机械设备的制动与传动，1908年石棉开始被广泛应用，其摩擦材料的性能得到很大的提高，石棉本身具有良好的耐热性，短期可经的住700度以上的温度。20世纪初化学家们开发出热稳定性能好的酚醛树脂作为粘结剂并进入实际应用，一些科学家也开始也开始用橡胶

3、用混压工艺加工摩擦材料，由于酚醛树脂其耐热性高于橡胶，以后成为摩擦材料中主要粘结剂，直至应用至今。 1.4摩擦材料的技术要求 摩擦材料是车辆和机械制动器和离合器总成中关键安全零部件，应满足以下技术要求： 1.4.1适宜和稳定的摩擦系数 摩擦系数是评价任何一种摩擦材料的一个重要的性能指标，它不是个常数，是受到温度压力摩擦速度变化的一个系数，同时也受表面状态，环境及周围介质因素影响而变动的一个系数。 摩擦温度高低是影响摩擦系数的重要因素摩擦材料在摩擦过程中由于温度的迅速上升，一般当温度达200度以后，摩擦材料系数开始下降，当其温度达到树脂和橡胶分解的温度后，会产生摩擦系数突然急剧下降的现象，该现象

4、在业内称“热衰退”会导致制动效能变差，产生制动困难的安全问题，这是必须避免的。在摩擦材料中通过提高材料的耐温性和加入适量耐高温摩擦系数调节剂以减少和降低“热衰退”现象。 摩擦系数通常随速度的增加而降低，因而在制动时，速度动能转化成热能W=1/2MV。 摩擦材料表面沾水时，其摩擦系数也会下降，当表面的水膜消除，恢复至干燥时，摩擦系数会恢复正常。 摩擦材料表面沾有油污时，摩擦系数会下降，但要求摩擦材料仍能保持一定的摩擦力。孔隙率高的摩擦材料其摩擦系数下降小。1.4.2良好的耐磨性（较好的使用寿命） 摩擦材料的耐磨性是其使用寿命的反映，是衡量摩擦材料耐用程度的重要技术指标，耐磨性较好，其使用寿命长。

5、摩擦表面产生的剪切力和工作的温度是影响磨损的主要因素。当摩擦材料的摩擦过程时产生的温度达到粘结剂（酚醛树脂，丁腈橡胶等）的热分解温度范围时，有机粘结剂如酚醛树脂，橡胶产生分解碳化现象，粘结作用下降，磨损量急剧增大，业内称之“热磨损”。 选用合适的减摩填料（无机润滑剂，金属硫化物等）和耐热性能好的树脂，橡胶，能有效的减少材料的磨损，延长其使用寿命。GTB-5763-2008“汽车制动器衬片检测”国家标准中规定了摩擦、磨损的检测方法和译定指标，国内一些汽车制造厂对OEM刹车片的磨损率规定要求比国标严格从100，150，200,250,300五档温度下的磨损率总和不应超过一个限定值：其体积磨损率V2

6、.010 -7cm3/N.m 1.4.3具有良好的机械强度和物理性能 摩擦材料在使用，加工装配成总成时，有时需钻孔，铆接等机械加工，因此需承受高温摩擦工况，剪切力，压力等外力，故要求其有足够的机械强度，以保证其在使用和加工中不出现破碎，裂缝。对于鼓式刹车片需检测其抗冲击强度，静弯曲强度，对于盘式刹车片需检测其与背板的剪切强度，对于离合器面片需检测其抗冲击，静弯曲强度，最大名变值及旋转破坏强度。 1.4.4制动噪声低和良好的NVH性能 制动噪声关系到环境污染和行车舒适，一般要求汽车制动时产生噪声 85dB 造成制动噪音的原因很多，一般而言，刹车片与刹车盘（鼓）在高速，高比压对运动下的强烈摩擦作用

7、，彼此产生振动，产生不同频率的噪声。 造成制动噪声的因素大致如下： a、摩擦材料的摩擦系数设计过高，摩擦系数5极易产生噪声 b、制动材质硬度高 c、高硬度填充料用量多 d、粘结剂（树脂，橡胶）分解，碳化在工作表面形成光亮而硬的碳化膜，又称釉质层，制动时而产生高频噪音 解决制动时噪音问题是一个系统问题。 1.4.5对偶面磨损小（对偶：制动盘.制动鼓） 摩擦材料制品的制动及传动功能均需通过对偶件在摩擦中实现。在此摩擦过程中对偶件都会不同程度磨损，要求作为消耗性复合材料-摩擦材料和对偶件的磨损要小，在制动传动过程中不应出现将对偶件表面擦伤，形成沟槽等过度磨损现象。 2.合成橡胶在摩擦材料中的作用和应

8、用 2.1与酚醛树脂共用作为有机粘结剂 摩擦材料所用有机粘结剂一般为酚醛树脂和合成橡胶，以酚醛树脂为主，它们的特性和作用是当处于一定加热温度下时，先呈现软化后变成黏流态产生流动并均匀分布在复合材料中形成材料的基体或称连续相，最后通过树脂固化作用和橡胶硫化作用，将摩擦材料中的增强纤维和摩擦系数调节的各种非金属矿填料粘结在一起，形成质地致密的有一定强度的摩擦片制品。对于摩擦材料而言，树脂和橡胶的耐热性是非常重要的性能指标，在摩擦片在制动与传动工况中，其名称时产生的温度一般处于200700左右，一般增强纤维（无机矿物纤维，金属纤维）和无机矿物纤维不会发生分解，而对于树脂和橡胶来说已进入热分解区域，因

9、此摩擦材料各项性能指标会发生不利的变化，如摩擦系数磨损，机械等性能均会下降。宏观上反映的三热现象（热衰退.热膨胀.热龟裂）其根源是由树脂和橡胶热分解所致，因此树脂和橡胶的质量好坏对摩擦材料而言十分重要。2.2 合成橡胶（含丁腈橡胶）在摩擦材料应用和作用 2.2.1 改性酚醛树脂 纯酚醛树脂存在一些不足，质地脆硬，韧性差，用橡胶改性酚醛树脂，能降低摩擦材料弹性模量和硬度，提高冲击强度，为使制动舒适，业内生产盘型刹车片厂大部分分采用丁腈改性酚醛树脂如海沃斯公司生产的“6530”牌号树脂酚醛树脂中丁腈胶含量从10%-20%左右，也有5%，也有企业采用在混料时加入丁腈胶粉，乳胶进行物理共混改进。 2.

10、2.2 作为辅助改性剂，降低制品的硬度，弹性模量等 在大部分摩擦材料制品中，合成橡胶作辅助改性剂被复合使用，目的是降低制品的硬度，弹性模量，提高韧性和冲击强度等。 但对有些特殊要求的摩擦材料如软质，本软质制品，有时橡胶用量高达8%以上，甚至超过树脂的用量，当生产橡胶基产品时，如橡胶刹车带等，如城市公交刹车片（鼓型）其含胶量达12%，在制动时刹车片的噪音大为降低。 在火车闸瓦和火车摩擦片的应用中，丁腈橡胶与丁腈粉末的使用对于降低弹性模量十分重要，铁道部测试标准中，弹性模量1.0 x103mpa，据专家记证：弹性模量小可防止摩擦材料伤划轮箍和制动盘，降低火车闸瓦，闸片制动时产生热斑和“金属镶嵌”现

11、象的发生率。2.2.3 丁腈橡胶有助于提高树脂的交联度。 专家认证在摩擦材料产品中添加5%（WT%）的丁腈橡胶有助于提高树脂的交联度，提高了摩擦材料热衰退性，使得低中温摩擦材料系数稳定，磨耗变小。2.2.4 粉末丁腈橡胶有利于摩擦材料的干法加工工艺 以为大量使用块胶，需在二辊机上与树脂混炼拉片,粉碎，或通过密炼机塑炼而使用于摩擦材料，工艺上不易控制，而且劳动强度较大。粉末丁腈橡胶有利于摩擦材料的干法生产工艺，使干法混料变得简易，既减轻了劳动强度又使混料变得均匀，摩擦材料性能变得较为稳定。 酚醛树脂的溶解度参数：10.5，丁腈-26为9.3.丁腈-4C为9.9，由于溶解度参数较为接近，二者有很好

12、的相容性，所以能够改善酚醛树脂拉伸强度，冲击强度，粉末丁腈橡胶对于降摩擦材料硬度效果显著，另能稳定摩擦磨损性能和降低噪音。 3.摩擦材料发展趋势概述（提纲要点） 31国际摩擦材料发展趋势 石棉型-无石棉型（亦称非石棉型N0 Asbestos）无石棉型摩擦材料进展： 半金属型（Semi-metallic）-少金属（Low-metallic）无金属NAO型（含有机基陶瓷型） 摩擦材料汽车制动衬片基本围绕德系，美系，日系及韩系汽车配套设计，根据OEM,OES分别采取不同的配方。目前为重点解决NVH问题，日本摩擦材料跨国公司重点研发有机基陶瓷型配方，德国跨国公司重点研发粒化工艺少金属配方体系，这些配方

13、体系中均含有粉末丁腈胶粉。 配方体系中所有材料应符合欧洲REACH法规要求；禁用铅，镉，6价铬，贡，砷，锑及其化合物。 美国出于环保要求，几个州已立法开始提出在摩擦材料中逐步减少铜及其化合物的使用直至2025年止，要求铜的含量减至零。 上述发达国家出于环保提出的新要求，应引起我们重视，也是我们业内研发产品时要考量的。 3.2. LS配方体系研讨 欧洲跨国公司如德国公司为主重点研发少金属配方体系，其主要特点如下： 钢纤维含量 20% 其主增强纤维以矿物纤维（无机）为主体，辅以少量有机纤维如纤维素纤维，芳纶纤维素，采用金属，无机和有机纤维混杂增强体系，另添加金属和金属氧化物和有机弹性体（如粉状丁腈胶，摩擦粉） 在体系中增加复合固体润滑剂：极性人造石墨，天然石墨和金属硫化物等 增添人工合成以丁腈胶为主的弹性颗粒，弹性颗粒中以合成橡胶为主体，辅以少量树脂，增强纤维，增摩剂和减摩剂以及无机非金属矿填料，形成其特色的粒化料配方体系，其特点：孔隙率高，制动噪音低，耐磨损。在高速制动时，对速度不敏感，这与德国公路行车速度高相关。3.3. NAO型配方体系研讨 以Akebono为代表的日本摩擦材料跨国公司对NAO配方体系进行了原创性的发明，