汽车摩擦材料的发展和应用

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说：

摩擦材料广泛应用于汽车、火车、飞机等交通工具的制动器和离合器摩擦片上，特指制动衬片(Brakelining,Brakepad）和离合器面片(Clutchfacing），是非常重要的保安零件，其性能直接影响机器的稳定性和乘架人员安全。因此，在制造、质量控制、检验等过程中都有严格的要求。

摩擦材料的概述

摩擦材料是一种应用在动力机械上，依靠摩擦作用来执行制动和传动功能的部件材料。它主要包括制动器衬片（刹车片）和离合器面片（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。所以说摩擦材料是一种应用广泛又甚关键地材料。

摩擦材料是一种高分子三元复合材料，是物理与化学复合体。它是由高分子粘结剂（树脂与橡胶）、增强纤维和摩擦性能调节剂三大类组成及其它配合剂构成，经一系列生产加工而制成的制品。摩擦材料的特点是具有良好的摩擦系数和耐磨损性能，同时具有一定的耐热性和机械强度，能满足车辆或机械的传动与制动的性能要求。它们被广泛应用在汽车、火车、飞机、石油钻机等各类工程机械设备上。民用品如自行车、洗衣机等作为动力的传递或制动减速用不可缺少的材料。

摩擦材料的历史

摩擦材料可以粗略地划分为以下几个阶段：

（1）年前，主要以石棉长纤维添加其他线类编织浸渍方式为主。

（2）年，研制出一种柔性树脂粘合剂，具有很好的热稳定性，使得干法工艺有掺进更多填料的可能，并研制出鼓式制动片，在后续的30年，石棉原料仍然占据主导地位。

（3）年，美国SKELLMAN公司率先研制了用铁粉、石墨和其他填料加树脂作粘合剂热压的摩擦材料，即半金属摩擦材料。年，半金属摩擦材料被用于盘式制动器，至今仍被广泛应用。

（4）年以来，由于汽车技术的不断改进，对制动器摩擦性能的要求越来越高。

20世纪60年代

人们逐渐认识到石棉对人体健康有一定的危险性。在开采或生产过程中，微细的石棉纤维易飞扬在空气中被人吸入肺部，长期间处于这种环境下的人们比较容易患上石棉肺一类的疾病。因此人们开始寻求能取代石棉的其它纤维材料来制造摩擦材料，即无石棉摩擦材料或非石棉摩擦材料。

20世纪70年代

以钢纤维为主要代替材料的半金属材料在国外被首先采用。

80年代－90年代初

半金属摩擦材料已占据了整个汽车用盘式片领域。

20世纪90年代后期以来

NAO（少金属）摩擦材料在欧洲的出现是一个发展的趋势。无石棉，采用两种或两种以上纤维（以无机纤维为主，并有少量有机纤维）只含少量钢纤维、铁粉。NAO（少金属）型摩擦材料有助于克服半金属型摩擦材料固有的高比重、易生锈、易产生制动噪音、伤对偶（盘、鼓）及导热系数过大等缺陷。目前，NAO（少金属）型摩擦材料已得到广泛应用，取代半金属型摩擦材料。年开始，随汽车工业飞速发展，人们对制动性能要求越来越高，开始研发陶瓷型摩擦材料。

年开始

随汽车工业飞速发展，人们对制动性能要求越来越高，开始研发陶瓷型摩擦材料。

摩擦材料的分类

在大多数情况下，摩擦材料都是同各种金属对偶起摩擦的。一般公认，在干摩擦条件下，同对偶摩擦系数大于0.2的材料，称为摩擦材料。

材料按其摩擦特性分为低摩擦系数材料和高摩擦系数材料。低摩擦系数材料又称减摩材料或润滑材料，其作用是减少机械运动中的动力损耗，降低机械部件磨损，延长使用寿命。高摩擦系数材料又称摩阻材料（称为摩擦材料）。

1.按工作功能分可分为传动与制动两大类摩擦材料。如传动作用的离合器片，系通过离合器总成中离合器摩擦面片的贴合与分离将发动机产生的动力传递到驱动轮上，使车辆开始行走。制动作用的刹车片（分为盘式与鼓式刹车片），系通过车辆制动机构将刹车片紧贴在制动盘（鼓）上，使行走中的车辆减速或停下来。

2.按产品形状分可分为刹车片（盘式片、鼓式片）、刹车带、闸瓦、离合器片、异性摩擦片。盘式片呈平面状，鼓式片呈弧形。闸瓦（火车闸瓦、石油钻机）为弧形产品，但比普通弧形刹车片要厚的多，25～30mm范围。刹车带常用于农机和工程机械上，属软质摩擦材料。离合器片一般为圆环形状制品。异性摩擦片多用于各种工程机械方面，如摩擦压力机，电葫芦等。

3.按产品材质分可分为石棉摩擦材料、无石棉摩擦材料两大类。

A、石棉摩擦材料分为以下几类：

a、石棉纤维摩擦材料，又称为石棉绒质摩擦材料。生产：各种刹车片、离合器片、火车合成闸瓦、石棉绒质橡胶带等。

b、石棉线质摩擦材料。生产：缠绕型离合器片、短切石棉线段摩擦材料等。

c、石棉布质摩擦材料。生产：制造层压类钻机闸瓦、刹车带、离合器面片等。

d、石棉编织摩擦材料。生产：制造油浸或树脂浸刹车带。石油钻机闸瓦等。

B、无石棉摩擦材料分为以下几类：

a、半金属摩擦材料。应用于轿车和重型汽车的盘式刹车片。其材质配方组成中通常含有30％～50％左右的铁质金属物（如钢纤维、还原铁粉、泡沫铁粉）。半金属摩擦材料因此而得名。是最早取代石棉而发展起来的一种无石棉材料。其特点：耐热性好，单位面积吸收功率高，导热系数大，能适用于汽车在高速、重负荷运行时的制动工况要求。但其存在制动噪音大、边角脆裂等缺点。

b、NAO摩擦材料。从广义上是指非石棉－非钢纤维型摩擦材料，但现盘式片也含有少量的钢纤维。NAO摩擦材料中的基材料在大多数情况下为两种或两种以上纤维（以无机纤维，并有少量有机纤维）混合物。因此NAO摩擦材料是非石棉混合纤维摩擦材料。通常刹车片为短切纤维型摩擦块，离合器片为连续纤维型摩擦片。

c、粉末冶金摩擦材料。又称烧结摩擦材料，系将铁基、铜基粉状物料经混合、压型，并在在高温下烧结而成。适用于较高温度下的制动与传动工况条件。如：飞机、载重汽车、重型工程机械的制动与传动。优点：使用寿命长；缺点：制品价格高，制动噪音大，重而脆性大，对偶磨损大。

d、碳纤维摩擦材料。系用碳纤维为增强材料制成的一类摩擦材料。碳纤维具有高模量、导热好、耐热等特点。碳纤维摩擦材料是各种类型摩擦材料中性能最好的一种。碳纤维摩擦片的单位面积吸收功率高及比重轻，特别适合生产飞机刹车片，国外有些高档轿车的刹车片也使用。因其价格昂贵，故其应用范围受到限制，产量较少。在碳纤维摩擦材料组分中，除了碳纤维外，还使用石墨，碳的化合物。组分中的有机粘结剂也要经过碳化处理，故碳纤维摩擦材料也称为碳——碳摩擦材料或碳基摩擦材料。

摩擦材料的技术要求

摩擦材料是车辆与机械的离合器总成和制动器中的关键安全零件，在传动和制动过程中，主要应满足以下技术要求：

1.适宜而稳定的摩擦系数。

摩擦系数是评价任何一种摩擦材料的一个最重要的性能指标，关系着摩擦片执行传动和制动功能的好坏。它不是一个常数，而是受温度、压力、摩擦速度或表面状态及周围介质因素等影响而发生变化的一个数。理想的摩擦系数应具有理想的冷摩擦系数和可以控制的温度衰退。由于摩擦产生热量，增高了工作温度，导致了摩擦材料的摩擦系数发生变化。

温度是影响摩擦系数的重要因素。摩擦材料在摩擦过程中，由于温度的迅速升高，一般温度达℃以上，摩擦系数开始下降。当温度达到树脂和橡胶分解温度范围后，产生摩擦系数的骤然降低，这种现象称为“热衰退”。严重的“热衰退”会导致制动效能变差和恶化。在实际应用中会降低摩擦力，从而降低了制动作用，这很危险也是必须要避免的。在摩擦材料中加入高温摩擦调节剂填料，是减少和克服“热衰退”的有效手段。经过“热衰退”的摩擦片，当温度逐渐降低时摩擦系数会逐渐恢复至原来的正常情况，但也有时会出现摩擦系数恢复得高于原来正常的摩擦系数而恢复过头，对这种摩擦系数恢复过头我们称之为“过恢复”。

摩擦系数通常随温度增加而降低，但过多的降低也是不能忽视。我国汽车制动器衬片台架试验标准中就有制动力矩、速度稳定性要求。（QC/T-货车、客车制动器性能要求；QC/T-轿车制动器性能要求；T-轿车制动器台架试验方法；QC/T-货车、客车制动器台架试验方法），因此当车辆行驶速度加快时，要防止制动效能的下降因素。

摩擦材料表面沾水时，摩擦系数也会下降，当表面的水膜消除恢复至干燥状态后，摩擦系数就会恢复正常，称之为“涉水恢复性”。

摩擦材料表面沾有油污时，摩擦系数显著下降，但应保持一定的摩擦力，使其仍有一定的制动效能。

2.良好的耐磨性。

摩擦材料的耐磨性是其使用寿命的反映，也是衡量摩擦材料耐用程度的重要技术经济指标。耐磨性越好，表示它的使用寿命越长。但是摩擦材料在工作过程中的磨损，主要是由摩擦接触表面产生的剪切力造成的。工作温度是影响磨损量的重要因素。当材料表面温度达到有机粘结剂的热分解温度范围时，有机粘结剂如橡胶、树脂产生分解、碳化和失重现象。随温度升高，这种现象加剧，粘结作用下降，磨损量急剧增大，称之为“热磨损”。

选用合适的减磨填料和耐热性好的树脂、橡胶，能有效地减少材料的工作磨损，特别是热磨损，可延长其使用寿命。

摩擦材料的耐磨性指标有多种表示方法，我国GB-98“汽车制动器衬片”国家标准中规定的磨损指标（定速式摩擦试验机）℃～℃温度范围的每档温度（50℃为一挡）时磨损率。磨损率系样品与对偶表面进行相对滑动过程中做单位摩擦功时体积磨损量，可由测定其摩擦力的滑动距离及样品因磨损的厚度减少而计算出。但由于被测样品在摩擦性能测试过程中，受高温影响会产生不同程度的热膨胀，掩盖了样品的厚度磨损，有时甚至出现负值，即样品经高温磨损后的厚度反而增加。这就不能真实正确反映出实际磨损。故有的生产厂家除测定样品的体积磨损外，还要测定样品的重量磨损率。

3.具有良好的机械强度和物理性能。

摩擦材料制品在装配使用之前，有需进行钻孔、铆装装配等机械加工，才能制成刹车片总成或离合器总成。在摩擦工作过程中，摩擦材料除了要承受很高温度的同时，还要承受较大的压力与剪切力。因此要求摩擦材料必须具有足够的机械强度，以保证在加工或使用过程中不出现破损与碎裂。如：铆接刹车片：要求有一定的抗冲击强度、铆接应力、抗压强度等。粘结刹车片：盘式片要具有足够的常温粘结强度与高温（℃）粘结强度，以保证摩擦材料与钢背粘结牢固，可经受盘式片在制动过程中高剪切力，而不产生相互脱离，造成制动失效的严重后果。离合器片要求具有足够的抗冲击强度、静弯曲强度、最大应变值以及旋转破坏强度，为了保证离合器片在运输、铆装加工过程中不致损坏，也为了保障离合器片在高速旋转的工作条件下不发生破裂。

4.制动噪音低。

制动噪音关系到车辆行驶的舒适性，而且对周围环境特别是对城市环境造成噪音污染。对于轿车和城市公交车来说，制动噪音是一项重要的性能要求。就轿车盘式片而言，摩擦性能良好的无噪音或低噪音刹车片成为首先产品。随汽车工业的发展，现对制动噪音人们越来越重视，有关部门已经提出了标准规定。一般汽车制动时产生的噪音不应超过85dB。

引起制动噪音的因素很多，因刹车片只是制动总成的一个零件，制动时刹车片与刹车盘（鼓）在高速与高压相对运动下的强烈摩擦作用，彼此产生振动，从而放大产生不同程度的噪音。

就摩擦材料而言，长期使用经验告诉我们，造成制动噪音的因素大致有：

（1）摩擦材料的摩擦系数越高，越易产生噪音，达到0.45～0.5或更高时，极易产生噪音。

（2）制品材质硬度高易产生噪音。

（3）高硬度填料用量多时易产生噪音。

（4）刹车片经高温制动作用后，工作表面形成光亮而硬的碳化膜，又称釉质层。在制动摩擦时会产生高频振动及相应的噪音。

盘产生振动的因素：盘的变化，硬度公差；制动器振动，盘的热变化，盘的生锈

（1）制动钳加黄油，隔离振动频率。

（2）盘的变形、公差、硬度均布性等。

由此可知，适当控制摩擦系数，使其不要过高，降低制品的硬度，减少硬质填料的用量，避免工作表面形成碳化层，使用减震垫或涂胶膜以降低震动频率，均有利于减少与克服噪音。

5.对偶面磨损较小。

摩擦材料制品的传动或制动功能，都要通过与对偶件即摩擦盘（鼓）在摩擦中实现。在此摩擦过程中，这一对摩擦偶件相互都会产生磨损，这是正常现象。但是作为消耗性材料的摩擦材料制品，除自身应该尽量小的磨损外，对偶件的磨损也要小，也就是应该使对偶件的使用寿命相对的较长。这才充分显示出具有良好的摩擦性能的特性。同时在摩擦过程中不应将对偶件即摩擦盘或制动鼓的表面磨成较重的擦伤、划痕、沟槽等过渡磨损情况。

国内摩擦材料的发展

早在上世纪六七十年代，我国就开始生产摩擦材料，是全世界汽车摩擦材料主要生产基地之一。但是，我国摩擦材料的生产大多还是来料、来样加工，真正做到掌握核心技术、自主研发的企业少之又少，并且一直沿用日本的产品标准来检验摩擦材料的质量。由于我国工业基础薄弱以及计划经济体制的某些弊端，致使汽车摩擦材料行业与国际先进水平存在较大的差距。

国外汽车摩擦材料的标准主要有欧洲系、美国系、日本系（日本汽车工业协会标准）和ISO系列（主要参照欧洲标准制定）。各国标准均有对口的单位管理对接，比如日、美标准的归口单位是汽车协会。反观我国，却没有完全统一的标准归口单位，既有汽车口，也有建材口，还有机械口，不能统一管理，自然难以推进符合时代发展需要的统一标准。行业标准的缺失、监管部门职能不明，成为我国汽车摩擦材料转型升级之路上的第一大绊脚石。

中国摩擦密封材料协会副理事长、吉林工业大学机电化研究所所长王铁山教授介说：“现在，国际上的新标准，我们都没有话语权。现行的标准，我们也很少修改。所以我们现在迫切需要一些符合国情的标准，包括摩擦性能标准，性能的检测方法标准等。标准的缺失严重限制了行业发展和出口，导致我国摩擦材料在国际市场上都以压低价格为主要竞争方式。”

除了标准，我国摩擦材料还在工艺、设备等方面长期沿袭老的技术模式，生产设备落后，工艺较差，单追求产量，忽视了设备对质量的影响。体制、机制不够灵活，缺乏创新活力，技术进步缓慢，新产品开发及产品质量升级换代等方面远远落后于市场需求。创新不足、技术落后，这是我国摩擦材料制造业转型升级之路上的第二大绊脚石。

“还有一个怪现象，我们有先进设备的企业不是将设备作研发用，而主要给客户展示用，实际上真正的工作时间很短。”王铁山教授说，“科研力量也比较差。我们企业的研发力量弱，体现在人才、装备和机构上。行业内没有一个专门的研究机构从事理论上的研究，使得行业显得相对简单落后，检测手段也相对落后，主要跟着国外跑，研发项目多，但是理论研究缺失，导致真正的技术性的突破较少，这样的现状不改变，技术水平永远难以提高。”

管理比较粗放，生产效率不高，生产能力、经济规模虽有较快增长，但一直难有大的突破。整体产业体态臃肿，思想老化，不愿作出改变，这是我国摩擦材料制造业转型升级之路上的第三大绊脚石。

由于行业标准老化，既不因地制宜也不与时俱进，致使产品技术规范无法进入主流国际市场的标准评价体系，摩擦材料出口份额微乎其微，开放型经济成不了气候。大多数摩擦材料生产企业要么靠不断压缩生产成本、降低产品价格完成销售，要么就依靠我国的出口货物退税政策，通过退还出口货物在国内生产和流通环节已经实际缴纳的增值税、消费税的税款来取得收入，与原本出口创汇的初衷背道而驰，这是我国摩擦材料制造业转型升级之路上的第四大绊脚石。

“低档产能过剩，高档产品严重不足，各个厂家配方、工艺雷同，产品缺乏竞争优势，所以全世界中国生产的刹车片质量低，价格低，效益并不好，如果不是靠出口退税，基本上很难维持，很多工厂难以为继，只能倒闭收场。”沈阳摩擦密封材料总厂科研所原所长、高级工程师司万宝说。

摩擦材料由“制造”变“智造”还有很长一段路要走。技术力量短缺，人才断层现象明显，科研机构、大专院校的参与力度不够，没有建立或自然形成具有足够实力与威望的科研中心等，致使整个行业创新能力不足，技术力量有限，转型升级更是难上加难。

此外，由于摩擦材料从配料到压制到加工，整个工序都比较落后，因此生产过程中粉尘污染大，生产环境恶劣，尤其是中小型企业。结果导致摩擦材料的产业工人很容易得矽肺病。有些厂家为了避免这一现象采取消极的短期流放制，即等工人工作时间还不长，还没有发病，就使其换岗。这种恶性循环导致的直接恶果就是行业内普遍招工困难，尤其是专业型的技术人才短缺，这是我国摩擦材料制造业转型升级之路上的第五大绊脚石。

为了不被市场淘汰，传统产业在升级改造时，一方面要“先发制人”，另一方面也要十分注重技术的改造升级。

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材料+编辑整理，内容来源中国腐蚀与防护网，金森林V视角，九通股份，经济网。

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