種詳遠(yuǎn)，甄明暉,，仇溢

(1.山東金麒麟股份有限公司，山東德州 253000；2.濟(jì)南金麒麟剎車系統(tǒng)有限公司，山東濟(jì)南 250000)

汽車摩擦材料固體潤(rùn)滑劑的研究進(jìn)展

種詳遠(yuǎn)1，甄明暉1,2，仇溢2

(1.山東金麒麟股份有限公司，山東德州 253000；2.濟(jì)南金麒麟剎車系統(tǒng)有限公司，山東濟(jì)南 250000)

綜述了當(dāng)前汽車摩擦材料固體潤(rùn)滑劑的摩擦特性和應(yīng)用情況，闡述了不同固體潤(rùn)滑劑的潤(rùn)滑機(jī)制，指出了今后汽車摩擦材料固體潤(rùn)滑劑的研究方向。

摩擦材料；摩擦層；固體潤(rùn)滑劑；潤(rùn)滑機(jī)制

0 引言

汽車摩擦材料主要分為盤式制動(dòng)片和鼓式制動(dòng)片，通常是由黏結(jié)劑、增強(qiáng)纖維、增摩劑、潤(rùn)滑劑和空間填料等10種以上的原材料組成[1]。

一般摩擦材料初始性能不佳，摩擦因數(shù)穩(wěn)定性低，磨合之后，摩擦表面形成穩(wěn)定摩擦層，摩擦因數(shù)穩(wěn)定性得以提高。摩擦層是由主、次支撐平臺(tái)組成，主支撐平臺(tái)是摩擦材料表面的增強(qiáng)纖維和硬質(zhì)顆粒微凸點(diǎn)，次支撐平臺(tái)是磨合時(shí)微凸點(diǎn)周圍鉚釘?shù)哪バ糩1-3]。摩擦層并不連續(xù)，且厚度較薄，但是對(duì)降低磨損、提高制動(dòng)壽命和噪聲性能具有重要作用[1-3]。

摩擦材料初始性能不佳是由于初始盤片表面粗糙，真實(shí)接觸是表面微凸點(diǎn)的齒合。真實(shí)接觸面積相比名義接觸面積很小，僅為15%～20%[4-7]；磨合之后摩擦層形成，真實(shí)接觸面積增大，接觸界面穩(wěn)定性提高，制動(dòng)性能提高。摩擦對(duì)偶件間的界面穩(wěn)定性，尤其是摩擦層的穩(wěn)定性對(duì)提高制動(dòng)性能具有關(guān)鍵性的作用。

潤(rùn)滑劑是摩擦材料的主要成分之一，通常具有較低的莫氏硬度，因?yàn)槟軌蚪档湍Σ烈驍?shù)提高耐磨性也被稱為減摩材料或者減磨材料。潤(rùn)滑劑剪切強(qiáng)度低，對(duì)摩擦層的形成具有重要作用，目前研究和使用的固體潤(rùn)滑劑主要包括碳素類固體潤(rùn)滑劑、金屬硫化物、其他無機(jī)潤(rùn)滑劑、聚合物類潤(rùn)滑劑、軟金屬和納米材料。

1 固體潤(rùn)滑劑種類

1.1 碳素類固體潤(rùn)滑劑

摩擦材料常用的碳素類材料主要有鱗片石墨、合成石墨、焦炭粉和炭黑等[8]。此外，在高性能配方中碳纖維也有應(yīng)用。

鱗片石墨是六方晶系呈層狀結(jié)構(gòu)的天然顯晶質(zhì)石墨，具有良好的潤(rùn)滑效果，廣泛應(yīng)用在汽車摩擦材料中。合成石墨具有穩(wěn)定的潤(rùn)滑效果，是汽車摩擦材料中另一個(gè)常用潤(rùn)滑劑，它具有微孔結(jié)構(gòu)，對(duì)改善熱衰退、降低制動(dòng)噪聲有一定的效果。合成石墨的顆粒大小對(duì)摩擦性能有一定影響，常用顆粒粒徑大小為20～80目[8-9]。

焦炭對(duì)比天然石墨和人造石墨的層狀結(jié)構(gòu)規(guī)則性差，潤(rùn)滑作用差，壓縮性能低。摩擦材料中常用的焦炭是石油焦炭，其中煅燒石油焦炭結(jié)構(gòu)疏松，質(zhì)地較軟，能降低制動(dòng)噪聲，常用粒徑為20～80目[8-9]，粒徑大的效果更好。碳纖維導(dǎo)熱和耐熱性好，碳纖維增強(qiáng)摩擦材料的摩擦磨損性能優(yōu)良[10]，但是目前價(jià)格昂貴，更適用于一些高端配方。

1.2 金屬硫化物

常見金屬硫化物包括MoS2、SnS、SnS2、Sb2S3、FeS、FeS2、WS2、MnS、CuS、CrS、 ZnS和合金硫化物等。許多金屬硫化物因?yàn)榫哂蓄愃剖牧綄訝罱Y(jié)構(gòu)，具有良好的固體潤(rùn)滑效果，其中常見硫化物中層狀結(jié)構(gòu)的硫化物有MoS2、SnS2、FeS、WS2、CrS和ZnS等[11-13]。

層狀結(jié)構(gòu)的硫化物中，MoS2是文獻(xiàn)報(bào)道最多的，在很多應(yīng)用領(lǐng)域中具有優(yōu)良的性能[14]。對(duì)于FeS，在潤(rùn)滑膜方面研究較多，它和MoS2潤(rùn)滑膜層的研究應(yīng)用最為廣泛[15]。SnS2是目前在汽車摩擦材料中應(yīng)用廣泛且頗具前景的硫化物。FeS和FeS2在摩擦材料中都有應(yīng)用，但是兩者的作用機(jī)制存在很大的區(qū)別。FeS為六方層狀結(jié)構(gòu)，具有良好潤(rùn)滑效果；FeS2是立方晶體結(jié)構(gòu)，不具有潤(rùn)滑性[16]，F(xiàn)eS2在摩擦高溫條件下吸收材料周邊空氣中的氧氣造成局部缺氧，可保護(hù)基體樹脂。WS2也是一種摩擦材料常用潤(rùn)滑劑，它也具有類似石墨的層狀結(jié)構(gòu)，潤(rùn)滑溫度比MoS2更高。WS2晶系中層與層之間的結(jié)合力很弱，在摩擦?xí)r很容易沿分子力結(jié)合面滑動(dòng)[17-18]。

但是并非所有硫化物都是因?yàn)榫哂袑訝罱Y(jié)構(gòu)才產(chǎn)生潤(rùn)滑效果，一些軟金屬的硫化物例如Sb2S3、MnS、CuS和SnS不具有層狀結(jié)構(gòu)，但是也作為潤(rùn)滑劑在摩擦材料中使用[13]。Sb2S3是摩擦材料中應(yīng)用最廣泛的硫化物之一，它可改善摩擦磨損性能是由于高溫時(shí)氧化產(chǎn)生的類燒結(jié)作用。文獻(xiàn)[19]中的研究表明：Sb2S3在300～430 ℃會(huì)氧化成Sb2O5和Sb2O3，在570 ℃會(huì)進(jìn)一步氧化成Sb2O4，這種氧化產(chǎn)生的類燒結(jié)會(huì)在一定程度上抵消樹脂高溫分解產(chǎn)生的衰退，維持高溫系數(shù)的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[20-21]中的研究表明：Sb2S3高溫下能保持較好的穩(wěn)定性，一定程度驗(yàn)證了Sb2S3的類燒結(jié)作用機(jī)制。盡管Sb2S3目前仍被廣泛使用，但是氧化產(chǎn)生的Sb2O3具有致癌性嫌疑[22]，應(yīng)引起足夠的重視。

1.3 其他無機(jī)潤(rùn)滑劑

無機(jī)潤(rùn)滑劑除了包括碳素類潤(rùn)滑劑、金屬硫化物，還包括六方氮化硼h-BN、氧化鉛PbO、氧化鋅ZnO和氟化物等。

h-BN顏色呈白色，有“白石墨”之稱，與石墨具有類似的層狀晶體結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)良的潤(rùn)滑特性[23]。在所有的層狀固體潤(rùn)滑劑中，WS2、PbO和h-BN高溫潤(rùn)滑性能更好[14]。文獻(xiàn)[24]中的研究發(fā)現(xiàn)：h-BN在一些應(yīng)用中的潤(rùn)滑效果優(yōu)于目前常用的硫化鉬和石墨。文獻(xiàn)[25]中的研究發(fā)現(xiàn)：h-BN在樹脂基摩擦材料中具有較好的摩擦性能，溫度高于125 ℃時(shí)具有良好的抗磨性能。h-BN除了具有較寬的潤(rùn)滑溫度范圍，同時(shí)還能夠改善制動(dòng)落灰、提高清潔性，在汽車摩擦材料中的應(yīng)用性應(yīng)引起足夠的重視。PbO因?yàn)榫哂协h(huán)境危害，國(guó)外法規(guī)中已經(jīng)限定其應(yīng)用，在摩擦材料中并不具備實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。ZnO是一種良好的高溫潤(rùn)滑劑，其納米顆粒潤(rùn)滑效果更佳[26]。

氟化物固體潤(rùn)滑劑主要包括BaF2、CaF2和稀土氟化物等。氟化物潤(rùn)滑劑的顯著特點(diǎn)是高溫潤(rùn)滑性，BaF2和CaF2在500～900 ℃的高溫不被氧化且具有良好的潤(rùn)滑效果[27]。文獻(xiàn)[28]中在對(duì)CaF2和碳纖維的研究中發(fā)現(xiàn)：CaF2和碳纖維在摩擦過程中產(chǎn)生了協(xié)同作用，CaF2高溫高壓條件生成了含鈣的轉(zhuǎn)移膜，使復(fù)合材料具有優(yōu)異的自潤(rùn)滑性能。稀土氟化物是另一類高溫潤(rùn)滑劑[29]，稀土元素是一種神奇的元素在很多材料中起到獨(dú)特的作用[30]，在汽車摩擦材料中具備一定的探索價(jià)值。

1.4 聚合物類潤(rùn)滑劑

聚合物類潤(rùn)滑劑包括聚合物和聚合物基復(fù)合材料，其中PTFE的潤(rùn)滑性能優(yōu)良，是各種場(chǎng)合下廣泛應(yīng)用的一種主要的固體潤(rùn)滑劑[31]。PTFE的分子間力很弱，容易滑動(dòng)，易在摩擦對(duì)偶表面形成轉(zhuǎn)移膜[31-32]。PTFE自潤(rùn)滑摩擦因數(shù)很低，潤(rùn)滑溫度也較低，最高潤(rùn)滑溫度約為260 ℃[14]，可滿足駐車制動(dòng)器和輕型車鼓式制動(dòng)器用。單一PTFE無法完全承擔(dān)汽車摩擦材料潤(rùn)滑劑的使用要求，但是通過與其他潤(rùn)滑劑組合可改善綜合的摩擦性能[33]。

1.5 軟金屬

許多軟金屬在一定條件下具有良好的潤(rùn)滑效果，軟金屬具有潤(rùn)滑性是由于剪切強(qiáng)度低、韌塑性好。在眾多軟金屬中，錫、鋅和銅在汽車摩擦材料中最具實(shí)用價(jià)值，其中對(duì)銅的應(yīng)用和研究是最廣泛的。

銅具有良好的導(dǎo)熱性和耐磨性等優(yōu)點(diǎn)，常用于粉末冶金摩擦材料中[34-35]，在樹脂基摩擦材料中也被廣泛使用。文獻(xiàn)[36]中的研究發(fā)現(xiàn)：銅粉提高半金屬摩擦材料在中高溫的摩擦因數(shù)，改善抗熱衰退性和穩(wěn)定性，降低中溫磨損率。文獻(xiàn)[37]中在NAO配方體系下對(duì)銅粉和銅纖維研究表明：兩種形態(tài)的銅對(duì)摩擦磨損的影響不同，但是都能提高摩擦性能。文獻(xiàn)[34]中通過透射電鏡分析觀察到摩擦層的銅納米顆粒，認(rèn)為銅對(duì)摩擦層的形成十分重要。但是，銅具有生態(tài)污染性，美國(guó)環(huán)保法規(guī)已經(jīng)對(duì)汽車摩擦材料中銅的使用做出限定[38]。

1.6 納米材料

對(duì)比微米級(jí)材料，納米材料增加材料的耐磨損能力突出，但對(duì)沖擊性能的提高并不顯著[39]。納米顆粒對(duì)比微米顆粒，磨損機(jī)制發(fā)生變化，由嚴(yán)重的磨料磨損變?yōu)檩p微的黏著磨損，納米顆粒起到潤(rùn)滑劑作用[40]。納米顆粒還具有獨(dú)特的“微型球軸承效應(yīng)”，使摩擦由滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，從而起到潤(rùn)滑作用[41]。

納米材料在潤(rùn)滑油脂中的應(yīng)用研究較多，在汽車摩擦材料應(yīng)用方面研究報(bào)道較少。盡管有研究表明納米材料具有良好的摩擦性能，但是其比表面積大，易團(tuán)聚，所需包覆樹脂量多，在汽車摩擦材料中的實(shí)際應(yīng)用還需進(jìn)行更多的研究探索。

2 結(jié)束語

目前，關(guān)于固體潤(rùn)滑劑的研究已經(jīng)從單一固體潤(rùn)滑劑的研究向多固體潤(rùn)滑劑組合使用轉(zhuǎn)化。多種固體潤(rùn)滑劑組合使用，實(shí)現(xiàn)不同固體潤(rùn)滑劑的協(xié)同效應(yīng)，能夠得到更佳的潤(rùn)滑效果和更寬的潤(rùn)滑溫度范圍。

摩擦材料其他組分與潤(rùn)滑劑相互作用研究也正逐步深化。其他組分與潤(rùn)滑劑的相互作用研究包括增強(qiáng)纖維與潤(rùn)滑劑、增摩劑與潤(rùn)滑劑等。

汽車摩擦材料的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究存在二元化問題?；A(chǔ)研究尤其是機(jī)制研究集中在科研機(jī)構(gòu)，分析測(cè)試多采用小樣試驗(yàn)，小樣試驗(yàn)與真實(shí)制動(dòng)差異較大，研究結(jié)果并不能完全反映真實(shí)制動(dòng)摩擦特性。應(yīng)用研究集中在制造商，制造商擁有專業(yè)模擬真實(shí)制動(dòng)的臺(tái)架試驗(yàn)機(jī)、測(cè)試程序和成熟的研究配方，但是分析手段有限，往往缺乏對(duì)機(jī)制的深入研究。在未來的研究中，如果能將兩者結(jié)合，汽車摩擦材料的研究包括汽車摩擦材料固體潤(rùn)滑劑的研究將進(jìn)入更高階段。

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Development of Research on Automotive Friction Materials Solid Lubricants

CHONG Xiangyuan1,ZHEN Minghui1,2,QIU Yi2

(1.Shangdong Gold Phoenix Co., Ltd., Dezhou Shandong 253000, China; 2.Jinan Gold Phoenix Brake Systems Co., Ltd., Jinan Shandong 250000, China)

Friction characteristics and applications of automotive friction materials solid lubricants were reviewed. The different lubricating mechanisms were described, and the research orientation in this field was predicted.

Friction material; Friction layer; Solid lubricant; Lubrication mechanism

2016-10-31

種詳遠(yuǎn)(1985—)，男，碩士，研究方向?yàn)槠囍苿?dòng)摩擦材料。E-mail：chongxy@chinabrake.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.04.021

TH117；U473.4

A

1674-1986(2017)04-079-04