楊陽(yáng)，吳宏，劉伯威，匡湘銘

(1.中南大學(xué)粉末冶金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長(zhǎng)沙，410083；2.湖南博云汽車制動(dòng)材料有限公司，湖南長(zhǎng)沙，410205)

近年來(lái)，我國(guó)的汽車產(chǎn)業(yè)取得蓬勃發(fā)展，人們對(duì)車輛的性能也提出了更高的要求，希望新一代的汽車具有更高的環(huán)保和安全性能，舒適感更強(qiáng)。在某種程度上，汽車制動(dòng)性能的優(yōu)劣取決于汽車剎車片性能的好壞。因此，對(duì)于汽車制造業(yè)而言，不斷提高汽車剎車片的綜合性能意義非常重大[1?2]。研發(fā)壽命長(zhǎng)、制動(dòng)舒適、環(huán)保無(wú)噪聲和價(jià)格適宜的剎車片成為當(dāng)前摩擦材料領(lǐng)域的熱點(diǎn)課題。廢舊輪胎是一種由橡膠添加各類助劑發(fā)生硫化交聯(lián)后組成的復(fù)合物，具有不溶、不熔的特性。目前，國(guó)內(nèi)汽車保有量急劇增大，導(dǎo)致屬于工業(yè)有害固體廢棄物的廢棄輪胎也日益增多，從而引起許多環(huán)境污染問(wèn)題。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2018年，國(guó)內(nèi)廢輪胎產(chǎn)生量達(dá)到3.4億條。廢舊輪胎降解時(shí)間長(zhǎng)、處理壓力大，其造成的“黑色污染”已成為全球性治理難題。合理利用廢棄輪胎是保護(hù)環(huán)境和促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展亟待解決的問(wèn)題[3]。通過(guò)把廢舊輪胎的胎膠面除去簾子午線，粉碎加工成輪胎粉，再將輪胎粉應(yīng)用于鋪裝材料、建筑材料、公路建設(shè)等各大領(lǐng)域，可有效節(jié)約資源和解決廢棄輪胎污染問(wèn)題。同時(shí)，由于輪胎粉的價(jià)格遠(yuǎn)低于其他有機(jī)填料的價(jià)格，能有效降低摩擦材料噪聲，長(zhǎng)期以來(lái)被摩擦材料生產(chǎn)企業(yè)廣泛使用[4]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)輪胎粉在汽車摩擦材料上的應(yīng)用進(jìn)行了一些研究，如黃四平等[5]采用單因素法將摩擦材料中應(yīng)用較廣泛的輪胎粉、酚醛樹脂作為黏結(jié)劑，結(jié)果表明，黏結(jié)劑含量對(duì)摩擦材料的力學(xué)性能和摩擦性能的影響顯著，通過(guò)添加一定量的輪胎粉，摩擦材料可以達(dá)到較低的密度和硬度。陳東等[6]研究了輪胎粉作為有機(jī)填料在半金屬摩擦材料配方的使用性能。SIVARAOS等[7]研究表明，增加輪胎粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以提高聚丙烯摩擦材料摩擦因數(shù)。CHUNG 等[8]為解決廢輪胎的環(huán)境問(wèn)題，研發(fā)了一種添加廢輪胎粉新型摩擦材料，并對(duì)添加輪胎粉復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能進(jìn)行了研究。CHANG 等[9]研究了輪胎粉顆粒的粒徑對(duì)制動(dòng)摩擦材料摩擦磨損的影響，試驗(yàn)選用粒徑分別為75μm 和450μm 的輪胎粉顆粒進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明，與大顆粒相比，盡管細(xì)輪胎粉具有較大的接觸面積，但含小顆粒輪胎粉摩擦材料摩擦因數(shù)更不穩(wěn)定，磨損率更高，可通過(guò)調(diào)節(jié)輪胎粉粒徑來(lái)提高摩擦材料摩擦因數(shù)穩(wěn)定性。這些研究?jī)H分析了輪胎粉對(duì)汽車摩擦材料摩擦學(xué)性能的影響，對(duì)于輪胎粉對(duì)汽車摩擦材料的理化性能、力學(xué)性能和噪聲性能影響的研究較少。鑒于此，本文作者針對(duì)輪胎粉含量對(duì)汽車摩擦材料的力學(xué)性能和理化性能的影響進(jìn)行研究，并通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析其對(duì)摩擦材料摩擦磨損和噪聲性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 輪胎粉的理化性質(zhì)

輪胎粉由大冶市都鑫摩擦粉體有限公司生產(chǎn)，粒徑＜380 μm，水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)＜0.5%，密度為1.15 g/cm3，pH為7.1，SEM形貌如圖1所示，從圖1可見：輪胎粉呈疏松多孔狀態(tài)。

圖1 輪胎粉SEM形貌Fig.1 SEM image of waste tyre powder

1.2 原料及試樣配方

摩擦材料中包括摩擦性能調(diào)節(jié)劑、黏結(jié)劑、增強(qiáng)纖維、填料等，其組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))如表1所示。調(diào)整配方中輪胎粉和沉淀硫酸鋇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，其他各組分不變，配制成試樣A，B，C，D和E，其中，配方中輪胎粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0～4%。沉淀硫酸鋇屬化學(xué)沉淀物，穩(wěn)定性好，硬度適中，是汽車摩擦材料常用的一種填料。沉淀硫酸鋇含量的變化不會(huì)顯著改變摩擦材料的性能，因此，可認(rèn)為材料配方中輪胎粉的比例變化是影響摩擦材料性能變化的主要原因。

表1 摩擦材料的基本配方(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Basic formulations of friction material %

1.3 剎車片制備和配方

按照表1的配方稱取相應(yīng)的原材料，并用自主研制的簡(jiǎn)易立式攪拌機(jī)進(jìn)行混合。攪拌速度為400 r/min，混料時(shí)間為3 min。以D1348 為研究對(duì)象，選取旺達(dá)JFY60型等比壓機(jī)，采用一次成型工藝，在熱壓溫度為155～165 ℃，產(chǎn)品單位面積承受壓力為40 MPa 下，經(jīng)過(guò)熱處理、平磨、倒角，最終制成成品。

1.4 熱分析及性能測(cè)試

在差示掃描量熱儀(德國(guó)Netzsch 公司生產(chǎn))上進(jìn)行熱重分析，輪胎粉樣品質(zhì)量為6 mg，實(shí)驗(yàn)以高純氮?dú)鉃檩d氣，以加熱速率為10 ℃/min，從室溫開始加熱到700 ℃。

按JASO C441 制動(dòng)襯片孔隙率測(cè)量方法，樣品開孔率采用排水法測(cè)量。試樣硬度采用HRS 標(biāo)尺，在HR?150A 洛氏硬度計(jì)上測(cè)試，壓頭材質(zhì)為鋼球，直徑為1.27 cm，施加力為980 N。按照GB/T 22311—2008，采用Link?1620型試驗(yàn)機(jī)，測(cè)試剎車片樣品的可壓縮性；按照GB/T 22309—2008，在萬(wàn)能剪切試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行內(nèi)剪切強(qiáng)度測(cè)試，樣品長(zhǎng)×寬×高為25 mm×25 mm×10 mm；按照J(rèn)C/T 685—2009，利用排水法檢測(cè)摩擦材料的密度；按照J(rèn)ASO C458—1986，利用pH 計(jì)檢測(cè)摩擦材料的pH；采用美國(guó)林克公司生產(chǎn)的3000型摩擦試驗(yàn)機(jī)，按照SAE J2522—2003 進(jìn)行摩擦性能試驗(yàn)，考察摩擦材料在不同制動(dòng)工況(速度、溫度、壓力)下摩擦磨損性能；采用美國(guó)林克公司生產(chǎn)的3900 型噪聲臺(tái)架試驗(yàn)機(jī)，按照SAE J2521—2013，在不同試驗(yàn)條件(速度、溫度、壓力、方向)下進(jìn)行噪聲測(cè)試。

2 結(jié)果與分析

2.1 輪胎粉熱重分析

熱重分析主要用于評(píng)價(jià)材料在受熱狀態(tài)下的穩(wěn)定性。輪胎粉是一種有機(jī)物，在高溫中會(huì)熱分解，對(duì)摩擦材料性能影響較大。由于廢棄輪胎中的有機(jī)成分在高溫狀態(tài)下具有不穩(wěn)定性，將這些廢棄的材料置于無(wú)氧或者少氧的環(huán)境下進(jìn)行高溫處理，此時(shí)，有機(jī)物的化學(xué)鍵就會(huì)被打開，輪胎粉就會(huì)被分解為液態(tài)油以及氣態(tài)的碳?xì)浠衔锏萚10?11]。輪胎粉在N2氛圍中的熱質(zhì)量損失就是輪胎粉的熱解。

圖2所示為輪胎粉TG-DTG 曲線圖。由圖2可知，輪胎粉在熱解過(guò)程中主要有2 個(gè)質(zhì)量損失區(qū)。第一階段為干燥階段，TG-DTG 曲線波動(dòng)不明顯，說(shuō)明輪胎粉中含水量較少；當(dāng)溫度升高到200 ℃左右時(shí)，質(zhì)量開始下降，此時(shí)失去的是輪胎粉中的水分、焦油、揮發(fā)分、塑化劑及其他一些添加劑；在300～500 ℃范圍內(nèi)，輪胎粉質(zhì)量損失明顯，為主質(zhì)量損失區(qū)[12]，輪胎粉中橡膠主要成分為天然橡膠和合成橡膠，崔洪等[13]對(duì)廢輪胎進(jìn)行熱解研究發(fā)現(xiàn)：天然橡膠在385.5 ℃時(shí)有最大質(zhì)量損失率，這與圖2中DTG 曲線峰頂溫度383 ℃基本符合，表明此溫度下輪胎粉中的天然橡膠劇烈分解。在420 ℃左右又出現(xiàn)1個(gè)明顯的質(zhì)量損失峰，這時(shí)主要是合成橡膠的分解，500 ℃以后，質(zhì)量損失率平緩，表明輪胎粉基本分解完畢，到終止溫度700 ℃時(shí)，輪胎粉熱質(zhì)量損失后固體殘余物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為原來(lái)的40%。其中，熱解炭是輪胎粉熱失重殘余物的主要成分，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%以上，主要來(lái)源于橡膠中添加的炭黑[14]。DARMSTADT等[15]研究表明：熱解炭除了含C，N，O 和S 元素外，還含有雜質(zhì)元素，雜質(zhì)元素在熱解殘留物中以灰分形式存在，灰分來(lái)源于輪胎添加的配合劑和助劑。灰分組成中主要含有Zn，F(xiàn)e，Ca，Si，Al和Na等元素，灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%～16%，并以ZnO、鋼纖維為主，分別來(lái)自于輪胎橡膠生產(chǎn)中加入的ZnO及輪胎粉原料中未除盡的鋼絲。

圖2 輪胎粉的TG-DTG曲線Fig.2 TG-DTG curves of waste tyre powder

2.2 輪胎粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)摩擦材料理化性能的影響

輪胎粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)摩擦材料理化性能的影響見表2。從表2可以看出：隨著輪胎粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，摩擦材料的pH基本保持不變，原因是輪胎粉與沉淀硫酸鋇均為中性物質(zhì)，pH為7.1，兩者質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增減對(duì)材料的pH沒(méi)有顯著影響。由于輪胎粉的密度(0.15 g/cm3)比硫酸鋇的密度(4.5 g/cm3)小很多，隨著輪胎粉含量的增加及沉淀硫酸鋇含量減少，摩擦材料的密度減小。隨著輪胎粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，摩擦材料的氣孔率逐漸增大。其一是因?yàn)檩喬シ凼杷啥嗫撞⒕哂袕椥缘忍匦?，本身孔隙率較大；其二是因?yàn)檩喬シ壑饕煞譃樘烊幌鹉z和合成橡膠，熱膨脹系數(shù)較大，在經(jīng)過(guò)熱壓和熱處理后，顆粒狀輪胎粉熱脹冷縮情況要比摩擦材料中大多數(shù)組分的大，在摩擦材料生產(chǎn)過(guò)程中，輪胎粉和摩擦材料其他組分間較易形成間隙，所以加入輪胎粉可有效提高摩擦材料氣孔率。

表2 不同輪胎粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)試樣的理化性能Table 2 Physical and chemical properties of samples with different waste tyre powder contents

2.3 輪胎粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)摩擦材料力學(xué)性能的影響

圖3所示為輪胎粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)摩擦材料內(nèi)剪切強(qiáng)度的影響。由圖3可知：隨輪胎粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，摩擦材料內(nèi)剪切強(qiáng)度整體上呈下降趨勢(shì)。其一是因?yàn)榧尤胼喬シ郏芙档湍Σ敛牧系捏w積密度，氣孔率增大(由表2可知)，因而摩擦材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低；其二是因?yàn)檩喬シ蹖倭蚧鹉z，官能團(tuán)被封鎖，與其被代替的化合物硫酸鋇一樣都不能與摩擦材料其他組分形成有效化學(xué)鍵。

圖3 不同輪胎粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)試樣的內(nèi)剪切強(qiáng)度Fig.3 Hear strength of samples with different waste tyre powder contents

圖4所示為輪胎粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)摩擦材料常溫壓縮和硬度的影響。由圖4可知：輪胎粉的加入能明顯降低摩擦材料的洛氏硬度，當(dāng)輪胎粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0增加到4%時(shí)，摩擦材料的洛氏硬度由70減小到5。這是因?yàn)檩喬シ劬哂辛己玫膹椥?，因而隨著輪胎粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，摩擦材料的彈性變形能力越強(qiáng)，硬度越低。在滿足制動(dòng)力的前提下，汽車摩擦材料的硬度越小越好，因?yàn)檩^低硬度的剎車片可以提高汽車制動(dòng)的舒適性。從圖4還可以看出：隨著輪胎粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，摩擦材料的壓縮量也逐漸從62 μm 增加到175 μm。究其原因，摩擦材料的常溫壓縮量和氣孔率、硬度一般呈反比關(guān)系。氣孔率越高，硬度越低，摩擦材料的壓縮變形量越大。

圖4 不同輪胎粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)摩擦材料的硬度和壓縮變形量Fig.4 Hardness and compression deformation of samples with different waste tyre powder contents

2.4 輪胎粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)摩擦材料摩擦、磨損性能的影響

剎車片在不同制動(dòng)壓力、速度和溫度下的整體摩擦磨損性能按“SAE J2522—2003”標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試。本文主要考察輪胎粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)摩擦材料名義摩擦因數(shù)(μnom)和衰退性能(μmin)的影響，并研究不同制動(dòng)溫度及制動(dòng)壓力條件下，輪胎粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)摩擦材料磨損的影響。

2.4.1 對(duì)摩擦材料名義摩擦因數(shù)和最低摩擦因數(shù)的影響

圖5所示為不同輪胎粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)試樣的摩擦因數(shù)曲線。在SAE J2522—2003中，名義摩擦因數(shù)是指除去衰退和溫度爬坡部分外其他所有制動(dòng)條件下的平均摩擦因數(shù)μnom，衰退和高溫階段的最小摩擦因數(shù)定義為最低摩擦因數(shù)μmin。試樣A 的名義摩擦因數(shù)為0.34，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%輪胎粉后(試樣B)，名義摩擦因數(shù)增大至0.38，此后，隨著輪胎粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，名義摩擦因數(shù)基本保持穩(wěn)定。未加輪胎粉的試樣A摩擦因數(shù)的最低值是0.24，逐漸增加輪胎粉的含量，摩擦因數(shù)的最低值逐漸降低，最后趨于穩(wěn)定。摩擦材料的真實(shí)接觸面積是摩擦副表面微凸點(diǎn)的嚙合，與名義接觸面積相比，真實(shí)接觸面積小于名義接觸面積的30%[16]，輪胎粉屬有機(jī)填料，同摩擦材料其他組分相比，其彈性和柔韌性較好，在制動(dòng)正壓力作用下，添加輪胎粉的試樣與對(duì)偶貼合性良好，真實(shí)接觸面積大幅增加，提高了摩擦材料整體摩擦因數(shù)。因而，試樣B的名義摩擦因數(shù)比無(wú)輪胎粉試樣A的高。當(dāng)輪胎粉含量繼續(xù)增加，真實(shí)接觸面積趨于穩(wěn)定，試樣的名義摩擦因數(shù)基本保持恒定。最低摩擦因數(shù)一般出現(xiàn)在高溫衰退過(guò)程，輪胎粉屬橡膠類有機(jī)復(fù)合物，在高溫時(shí)會(huì)分解產(chǎn)生“熱衰退”現(xiàn)象。因此，添加輪胎粉的試樣和未添加的相比，最低摩擦因數(shù)整體下降。

圖5 不同輪胎粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)試樣的摩擦因數(shù)Fig.5 Friction coefficient of samples with different waste tyre powder contents

圖6所示分別為試樣A和試樣C磨損試驗(yàn)后摩擦表面的掃描電鏡照片。從圖6(a)可見：試樣A表面存在一定的摩擦膜，但不連續(xù)，有大量凹坑存在，對(duì)比圖6(b)，試樣C摩擦層表面均勻完整，摩擦塊和對(duì)偶真實(shí)接觸面積更大，這也從側(cè)面驗(yàn)證了加入輪胎粉能提高摩擦材料與對(duì)偶的真實(shí)接觸面積。

圖6 試樣摩擦表面形貌Fig.6 Friction surface morphology of samples

2.4.2 對(duì)摩擦材料抗熱衰退性能的影響

可以通過(guò)分析在衰退試驗(yàn)過(guò)程中，樣品摩擦因數(shù)的變化考察輪胎粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)摩擦材料熱衰退性能的影響。按照SAE J2522—2003，試驗(yàn)要執(zhí)行2次熱衰退過(guò)程。其中，輪胎粉試樣在第一次衰退程序摩擦因數(shù)的變化曲線如圖7所示。從圖7可知，在衰退開始階段，試樣A 的摩擦因數(shù)逐步降低，到后期摩擦因數(shù)趨于平穩(wěn)；在衰退初期，加入輪胎粉的試樣B，C，D 和E 的摩擦因數(shù)降低，在衰退后期，摩擦因數(shù)逐漸升高。比較含有輪胎粉和不含輪胎粉試樣可知：在第一次衰退初期，含有輪胎粉試樣摩擦因數(shù)更高；但在第一次衰退中期，摩擦因數(shù)比不含輪胎粉試樣A 更低；在衰退后期，加輪胎粉試樣摩擦因數(shù)有所恢復(fù)。根據(jù)第一次衰退試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：第3次制動(dòng)時(shí)，摩擦塊的表面溫度在280 ℃以上。根據(jù)熱重分析，此溫度輪胎粉已經(jīng)開始分解產(chǎn)生焦油狀物質(zhì)及小分子氣體，它們覆蓋在摩擦材料表面產(chǎn)生潤(rùn)滑，使干摩擦變?yōu)榛旌夏Σ粒瑢?dǎo)致摩擦因數(shù)顯著降低。試樣A的最低摩擦因數(shù)為0.24，而含輪胎粉試樣在第一次衰退階段的最低摩擦因數(shù)都要比試樣A 的小。第12 次制動(dòng)時(shí)，摩擦塊表面初始溫度超過(guò)500 ℃，摩擦塊表面輪胎粉等有機(jī)物基本分解完成，輪胎粉分解產(chǎn)生的殘留物包括SiO2、CaO、鋼絲和炭黑成分，在摩擦塊表面形成連續(xù)摩擦面，對(duì)提高摩擦材料摩擦因數(shù)占主導(dǎo)作用。

圖7 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)輪胎粉試樣在第一次衰退程序摩擦因數(shù)的變化曲線Fig.7 Friction coefficient of samples with different waste tyre powder contents in Fade 1

在第二次衰退試驗(yàn)過(guò)程中，不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)輪胎粉試樣的摩擦因數(shù)曲線見圖8。試樣A，B，C，D 和E 的摩擦因數(shù)范圍分別為0.36～0.41，0.39～0.43，0.39～0.44，0.40～0.47 和0.39～0.45。添加輪胎粉試樣B，C，D 和E 的摩擦因數(shù)均比試樣A 的高。這是因?yàn)榧尤胼喬シ酆?，有效提高了試樣與對(duì)偶材料的貼合性，大幅增大了真實(shí)接觸面積。試樣A，B，C，D 和E 的摩擦因數(shù)的波動(dòng)幅度Δμ分別為0.05，0.04，0.05，0.07和0.06，可以看出：試樣B的波動(dòng)幅度最?。浑S著試樣中輪胎粉含量增加，波動(dòng)幅度增大，這主要是由于輪胎粉自身熱分解和摩擦材料接觸面變化2個(gè)因素共同導(dǎo)致。

圖8 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)輪胎粉試樣在第二次衰退程序摩擦因數(shù)的變化曲線Fig.8 Friction coefficient of samples with different waste tyre powder contents in Fade 2

試樣D 在摩擦性能試驗(yàn)后的SEM 形貌和能譜分析分別如圖9和表3所示。由表3可知，F(xiàn)e 元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大，達(dá)到31%，比摩擦材料原始組分中Fe 元素的含量高很多，這是因?yàn)槟Σ敛牧现械挠袡C(jī)成分在外部高溫環(huán)境下不斷被分解成小分子，在摩擦材料的表面留下來(lái)的主要是不能揮發(fā)的無(wú)機(jī)物或者金屬材質(zhì)的成分。

圖9 試樣D在摩擦性能試驗(yàn)后的SEM照片F(xiàn)ig.9 SEM image of Sample D after friction performance test

表3 試樣D在摩擦性能試驗(yàn)后主要元素含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 3 Major elements content and of D after friction performance test %

2.4.3 對(duì)摩擦材料磨損性能的影響

不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)輪胎粉試樣的厚度磨損及質(zhì)量磨損如圖10所示。從圖10可知：隨著輪胎粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)增多，摩擦材料的厚度和質(zhì)量磨損先顯著降低，然后又逐步增加。完整執(zhí)行1次摩擦試驗(yàn)程序后，試樣A 的厚度磨損為0.27 mm，質(zhì)量磨損為5.9 g；試樣B 的磨損最小，厚度磨損為0.17 mm。質(zhì)量磨損為4.1 g。這是因?yàn)檩喬シ蹮岱纸夂髿堄辔镏饕煞譃樘亢?，也就是?zhǔn)石墨晶體。準(zhǔn)石墨晶體層間分子作用力較弱，層間容易滑動(dòng)，在摩擦材料中屬于潤(rùn)滑劑，潤(rùn)滑劑剪切強(qiáng)度低，對(duì)摩擦層的形成具有重要作用。加入輪胎粉能使摩擦塊表面更均勻連續(xù)，可有效減小摩擦過(guò)程磨粒磨損現(xiàn)象。與試樣A相比，試樣D的磨損厚度較大，但其質(zhì)量磨損卻較小，這是因?yàn)椋环矫?，試樣D的密度要比試樣A 的??；另一方面，試樣A 中有機(jī)化合物熱分解質(zhì)量更大，能夠有效降低磨損。在試樣中繼續(xù)加入輪胎粉，過(guò)量輪胎粉的熱分解起主導(dǎo)作用，摩擦材料磨損增大。

圖10 不同試樣的厚度磨損及質(zhì)量磨損Fig.10 Wear-thickness and mass loss of different samples

2.5 輪胎粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)摩擦材料制動(dòng)噪聲的影響

為了盡可能接近實(shí)際工況，按照SAE J2521—2006，在不同的實(shí)驗(yàn)條件(制動(dòng)壓力、制動(dòng)溫度、制動(dòng)速度、制動(dòng)方向等)下測(cè)試摩擦材料整體噪聲發(fā)生概率。聲音采集頻率為2～17 kHz，噪聲強(qiáng)度大于70 dB時(shí)記為制動(dòng)噪聲。不同試樣的制動(dòng)噪聲發(fā)生概率及評(píng)分如圖11所示，其制動(dòng)噪聲發(fā)生情況如圖12所示。評(píng)分與制動(dòng)噪聲強(qiáng)度及其發(fā)生概率有關(guān)，評(píng)分越高，表明剎車片噪聲性能越好。

從圖11可以看出：當(dāng)輪胎粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0 增加到4%時(shí)，摩擦材料制動(dòng)噪聲發(fā)生的概率由大變小，綜合評(píng)分逐步提高。試樣A 的噪聲發(fā)生概率為23.6%，綜合評(píng)分為5.7分。5個(gè)試樣中，噪聲發(fā)生率最低、評(píng)分最高的是試樣E，其制動(dòng)噪聲發(fā)生概率為4.2%，噪聲評(píng)分為8.8 分。與試樣A 相比，噪聲發(fā)生率降低了19.4%。

圖11 不同試樣的制動(dòng)噪聲發(fā)生概率及評(píng)分Fig.11 Brake noise probability of occurrence and noise index of different samples

由圖12可看出：試樣A 在正轉(zhuǎn)(Foward)、反轉(zhuǎn)(Reverse)、拖滯(Drag)和減速(Decel)制動(dòng)工況下都出現(xiàn)制動(dòng)噪聲，當(dāng)頻率為7.2，11.5 和16 kHz 左右時(shí)，噪聲發(fā)生概率大，最高噪聲強(qiáng)度達(dá)100 dB。試樣中加入輪胎粉后，減速、拖滯過(guò)程中的噪聲減少，其中，在頻率為16 kHz 左右時(shí)，噪聲減少最明顯。隨著輪胎粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)增加，在頻率為7.2 kHz和11 kHz時(shí)，噪聲發(fā)生概率和強(qiáng)度都逐漸降低，表明輪胎粉降噪波段較寬。綜上所述，在摩擦材料中加入輪胎粉可有效降低噪聲發(fā)生的頻率，同時(shí)能吸收振幅，使噪聲強(qiáng)度有所降低。究其原因，這主要與輪胎粉能提高摩擦材料的孔隙率及壓縮形變有關(guān)。隨著輪胎粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，試樣的氣孔率不斷變大。隨著摩擦材料氣孔率的變大，材料具有較好的阻尼特性，其吸收制動(dòng)過(guò)程中所產(chǎn)生振動(dòng)的能力也得到增強(qiáng)[17?18]，這是因?yàn)檎駝?dòng)波在孔隙中經(jīng)多次反射會(huì)逐漸衰減，氣孔中氣體與孔壁之間的熱交換會(huì)引起熱損失從而使聲能衰減[19]。

因此，提高材料氣孔率可以改善摩擦材料的聲學(xué)性能，降低制動(dòng)噪聲。

材料的壓縮變形量反映的是材料的彈?塑性變形能力，增大材料的彈性可有效降低噪聲的聲壓級(jí)。彈塑性變形能力越大，材料的阻尼性能越好，對(duì)聲波的阻尼性和衰減性也越好[20]，試樣E的壓縮變形量從62 μm 增加到175 μm，對(duì)降低制動(dòng)噪聲發(fā)生概率具有明顯作用。因此，從提高摩擦材料可壓縮性角度出發(fā)，在一定程度上能有效降低制動(dòng)噪聲的發(fā)生概率[21]。

圖12 不同摩擦材料制動(dòng)噪聲發(fā)生情況Fig.12 Brake noise occurence of different friction materials

3 結(jié)論

1)隨著輪胎粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，摩擦材料的孔隙率、常溫壓縮增大，硬度、密度和內(nèi)剪切強(qiáng)度降低，pH基本保持不變。

2)添加輪胎粉能夠有效提升摩擦材料的摩擦因數(shù)，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%～2%輪胎粉時(shí)，摩擦材料的名義摩擦因數(shù)最高為0.38，但加入輪胎粉會(huì)導(dǎo)致摩擦材料第一衰退階段的最低摩擦因數(shù)降低。加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%～2%的輪胎粉可以減小摩擦材料的磨損。

3)添加輪胎粉有利于減少摩擦材料的制動(dòng)噪聲，隨著輪胎粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，制動(dòng)噪聲發(fā)生概率和噪聲強(qiáng)度逐步降低。

4)在汽車摩擦材料中加入2%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的輪胎粉時(shí)，摩擦材料具有最佳的綜合性能。