我国刹车行业发展演变过程

汽车制动器衬片，俗称刹车片，是汽车制动系统中重要的安全部件。它将汽车运动的动能转化为热能和其他形式的能量，从而使汽车减速或停止。制动材料是以摩擦为主，兼有结构性能要求的多组分复合材料。随着我国汽车制造业的不断壮大，制动材料也得到了突飞猛进的发展。



根据2005年中国刹车片市场调查报告，04年国内摩擦材料产量为19.4万吨，其中盘式和鼓式刹车片占85%以上。国内方面，近年来我国汽车保有量已经达到2570.97万辆，全国每年需求刹车片4亿块左右，市场潜力巨大。另外，据中国摩擦与密封协会的统计，我国摩擦材料产量保持快速增长的势头，2005年产量30万吨，产值56.27亿元，出口交货值13.3亿元；2006年产量达到37.34吨，产值67.34亿元，出口交货值20.51亿元。预计在“十 一五”末期，我国摩擦材料总产量将达到60万吨，总产值超过100亿元，其中出口交易值40亿元。随着各国汽车工业的发展和现代社会环保意识的提高，制动材料的运行条件越来越苛刻，人们对它的性能要求也越来越高，可简单将其概括为“三化”。

无石棉，无污染化

自从1972年国际肿瘤医学会确认石棉及其高温挥发物属于致癌物后，各国家相继禁止使用石棉摩擦材料。我国于1999年10月1日开始实施国家标准《汽车制动系统结构、性能和试验方法》（GB12676-1999），其中明确规定“制动衬片应不含石棉”，并在标准实施起48个月后强制施行。随着人们生活水平的提高，汽车所造成的污染也越来越受到人们的重视，其中刹车片产生的污染也引起了人们的关注。就制动材料而言，对环境的污染主要来自制动过程中产生的噪音及磨屑中的重金属污染。为了控制噪音污染，我国于1996年通过了《中华人民共和国环境噪声污染防治法》，欧洲各国也对机动车辆的噪声释放做出了严格规定（图1，图2）。最近的环境研究显示重金属对环境构成极大的危害，关于重金属污染，在国内还没有被完全了解和关注[，而国外已有报道。欧盟为此已采取措施禁止或严格限制在汽车构件中使用重金属，不久前在斯德哥尔摩发表的一项研究表明，摩擦材料是铜污染最大的祸首之一。

尽管与其它汽车部件相比其所含的铜量较低，但制动片却产生了环境中30%的铜污染。在美国加州，由于刹车片重金属造成的河流和海湾污染已经引起了相关部门的重视，其中很多金属如锑、铅、锌等被怀疑有致癌性。因此，制动材料的低金属及无金属化成为研究重点之一。汽车厂商及摩擦材料供货商正在寻找替代品。brembo在环境及安全上的技术创新使其在提供无重金属制动片领域领先一步。通过深入的研究，brembo开发了矿物与陶瓷纤维的混合材料，不使用非环保材料，如紫铜、黄铜、锑铅等[。中国也将从brembo的这一成果中获益，一些环保制动产品将会逐步进入国内市场。

高速化

随着高速公路的普及及火车的再次提速，车辆的行驶速度越来越快。汽车在刹车过程中，制动材料吸收的能量基本和车速的平方成正比。以轿车为例，当车速为100km/h时，制动的热负荷达1130.436KJ。另外，目前小轿车和轻型货车大多从鼓式向盘式制动器转变。该制动器的散热性、热稳定性和水稳定性好，且易于维修和保养。但同时其摩擦面积也只有鼓式的1/4~1/6，单位面积吸收的能量增加4~6倍，高速制动时，摩擦副表面的闪点温度可达1000℃，这就对制动材料的耐热性能提出了更高的要求。

轻量化

从上世纪70年代开始，能源危机及石油的短缺日趋严重，汽车轻量化的问题被提上日程。当今世界能源紧缺，节能必将是摩擦材料发展的一个重要方向。因此，汽车工业相应的将汽车从较重的后轮驱动改为更小、更轻、更省油的前轮驱动，出现了更小、更轻的刹车片。也就是说在具有优良摩擦性能的同时，较低密度的刹车片将会更具优势。对高档汽车的刹车片而言，一般都要求其密度低于2.5g/cm3。

因此，为满足上述性能要求，开发高性能环保型制动材料已成为摩擦材料行业的当务之急。泛泛而谈，制动材料应满足多方面的性能要求： 具有适中且稳定的摩擦系数。通常，不同厂商对摩擦系数要求各不相同。用在亚洲车型上的有机摩擦材料的摩擦系数值（µ）为0.30~0.35，在美国常用的半金属摩擦材料（µ）为0.35~0.40。而在欧洲，对速度及温度要求显著不同。所用的无石棉有机材料（NAO）摩擦摩擦系数的要求值达0.40~0.45；

高的耐磨性，即较长的使用寿命；c具有良好的导热性、较大的热容量和一定的高温机械强度；d对对偶无攻击性；e无噪声、低成本且对环境无污染等。

汽车制动材料的发展历程

1.1鼓式制动器与石棉型刹车片占主导地位

20世纪70年代中期以前是摩擦材料发展的第一时期，汽车制动材料多采用石棉作为增强体。它是以石棉为骨架，其他添加剂和树脂复合而成，石棉在摩擦材料中的含量一般为30%～60%。由于石棉摩擦材料具有成本低、密度小、摩擦系数高、来源丰富等一系列优点，能满足摩擦材料的使用要求，因而获得了广泛的应用，长期占据统治地位。

1.2汽车制动器向盘式制动器与非石棉摩擦材料过渡时期

70年代至80年代中期，随着汽车工业的飞速发展，石棉摩擦材料已不能适应现代汽车和社会发展的需要，同时由于石棉摩擦材料的致癌性，各国强烈要求禁止使用石棉摩擦材料。目前，国内外都在大力开展无石棉摩擦材料的研究，先后研制开发了十几种代替石棉制成的摩擦材料。归纳起来主要有以下几种：半金属摩擦材料，有机纤维摩擦材料，玻璃纤维摩擦材料，片状材料增强摩擦材料等[8]。

1.3盘式制动器与新型摩擦材料大发展并得到大规模应用阶段

20世纪80年代中期以来，汽车工业向高速、重载、舒适、环保、轻量化方向发展，制动系统得到不断的改进和完善。许多国家都致力于改进和开发新型无石棉摩擦材料，一大批新型制动材料相继涌现。最具代表性的有粉末冶金摩擦材料，新型混杂纤维摩擦材料，C/C复合材料及新型的陶瓷基摩擦材料。

（1）粉末冶金摩擦材料

粉末冶金摩擦材料又称烧结金属摩擦材料，是以金属及其合金为基体，添加摩擦组元和润滑组元，通过压制成型，然后在高温中烧结而成。采用粉末冶金技术生产摩擦材料时，不但在性能上有突出的优点，特别是在组分的设计上极具灵活性。法国、瑞典、加拿大等国的高速列车均使用这种闸瓦，且取得不错的效果。但其对对偶的磨损偏大，成本与有机摩擦材料相比偏高，尚有待进一步改进。

（2）新型混杂纤维摩擦材料

目前世界上已极少采用单一纤维作为制动材料的增强纤维，混杂纤维增强是摩擦材料的发展方向。所谓新型混杂纤维摩擦材料是指采用两种或两种以上的纤维增强同一种树脂基体的摩擦复合材料。采用混杂技术时，一般都采用性能和价格互补的两种纤维。郭洪涛[10]研究认为炭纤维与芳纶浆粕的混杂表现出很好的摩擦学性能，芳纶纤维在材料摩擦过程中容易在对偶的界面上形成转移膜，摩擦曲线波动幅度比单一炭纤维增强的试样普遍要小，即加入了芳纶浆粕改善了摩擦系数的平稳性，证明了混杂的优异效应。中国专利利用一种价格极为低廉的叶蜡作为填料，采用硅酸铝纤维、钢纤维混杂增强制得一种新型混杂纤维摩擦材料。通过实验测得该种材料在不同温度下摩擦系数稳定、磨损率小、制动效果好，具有很大的市场竞争优势。欧洲专利涉及三种纤维混杂：10~15%的 aramid纤维，5~20%的棉花纤维，2~15%的炭纤维，所研制的摩擦材料比传统材料具有更佳的摩擦磨损性能。

新型陶瓷基摩擦材料

由于无石棉有机制动材料存在耐热性问题，半金属摩擦材料又存在密度较大、攻击对偶、产生噪音等不足，而尽管C/C复合材料能解决上述问题，但其成本较高。陶瓷摩擦材料具有密度适中、耐高温、耐腐蚀、价格适宜等优点，已被广泛的应用于制动领域。一般来说，陶瓷基摩擦材料中陶瓷的体积分数至少占到45%以上，有的甚至达到80%~90%。常用的性能优良的陶瓷有：SiC、B4C、Si3N4、Al2O3、AlN等。德国斯图加特大学和德国航天研究所等单位对C/C-SiC复合材料应用于摩擦领域进行了研究，并成功应用于保时捷高档轿车上。Pinggen Rao[对低温烧结高纯Al2O3陶瓷的性能进行了探讨，L.E sposito等对低纯Al2O3陶瓷的摩擦磨损性能进行了研究[19]。目前在国外，添加陶瓷纤维作为增强材料，利用改性树脂和橡胶为粘合剂，以多种人工合成的有机和无机材料作为摩擦性能调节剂制成的一种非金属摩擦材料，也叫做陶瓷基摩擦材料。其特点是：

1）无噪音。陶瓷配方不但很好的消除了行车制动噪音，而且通过对静摩擦系数和动摩擦系数的平衡，解决了半金属和少金属配方很难克服的低频噪音。

2）无落灰，抗腐蚀能力强。陶瓷配方中没有金属成分的加入，很好的解决了金属纤维锈蚀的问题。对油酸不敏感，且其具有优异的摩擦粉尘性能，一般行车一千公里以内不会有明显的轮毂落灰现象。

3）使用寿命长。陶瓷摩擦材料采用大量的有机和无机材料，材料之间有良好的亲和性能，并在制动过程中可以形成较好的摩擦膜和转移层，具有很好的润滑效果，大大提高了材料的使用寿命，与半金属相比，其使用寿命可提高1.5倍以上。

4）绿色环保，制动舒适。陶瓷材料优异的理化性能以及不含重金属的配方，使制动材料具有噪音低、粉尘少的特点，且对环境无污染，完全符合日益提高的环保要求。

（4）炭纤维增强炭基体复合材料

炭纤维增强炭基体复合材料。自从1958年问世以来，由于其具有比重小（约为铁的1/5）、强度高（抗拉强度>2GP）、热膨胀系数小、耐高温等优点，在军工、航空、航天等方面取得了长足的发展。其在民用领域方面的应用也日益扩大，很多民用飞机（如波音系列：Boeing747、Boeing757等，空客系列：A330、A340等）和高档赛车（Ferrari F2005、Renault R25、Toyota TF105等）已开始装备C/C刹车副。目前国内中南大学、西北工业大学、中科院金属所、航天集团第四院43所、621所等几家单位的研究在国内居于领先水平。由于C/C复合材料采用化学气相沉积（CVD），液相浸渍炭化的生产工艺，生产周期较长，因此成本较高，价格昂贵，这也制约了其在更广阔领域特别是汽车领域的应用。只在一些赛车和高端车上适用。优品惠刹车片采用碳纤维复合陶瓷配方，既降低了生产成本，又将碳纤维和陶瓷配方的优势集于一身，是目前最佳的刹车片配方，也将是未来刹车片配方的主流。