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汽车摩擦材料固体润滑剂的研究分析

2020-07-28    来源:汽车制动技术与摩擦材料资讯

 

汽车摩擦材料主要分为盘式制动片和鼓式制动片,通常是由黏结剂、增强纤维、增摩剂、润滑剂和空间填料等10种以上的原材料组成。

 

一般摩擦材料初始性能不佳,摩擦因数稳定性低,磨合之后,摩擦表面形成稳定摩擦层,摩擦因数稳定性得以提高。摩擦层是由主、次支撑平台组成,主支撑平台是摩擦材料表面的增强纤维和硬质颗粒微凸点,次支撑平台是磨合时微凸点周围铆钉的磨屑。摩擦层并不连续,且厚度较薄,但是对降低磨损、提高制动寿命和噪声性能具有重要作用。

 

摩擦材料初始性能不佳是由于初始盘片表面粗糙,真实接触是表面微凸点的齿合。真实接触面积相比名义接触面积很小,仅为15%~20%;磨合之后摩擦层形成,真实接触面积增大,接触界面稳定性提高,制动性能提高。摩擦对偶件间的界面稳定性,尤其是摩擦层的稳定性对提高制动性能具有关键性的作用。

 

润滑剂是摩擦材料的主要成分之一,通常具有较低的莫氏硬度,因为能够降低摩擦因数提高耐磨性也被称为减摩材料或者减磨材料。润滑剂剪切强度低,对摩擦层的形成具有重要作用,目前研究和使用的固体润滑剂主要包括碳素类固体润滑剂、金属硫化物、其他无机润滑剂、聚合物类润滑剂、软金属和纳米材料。

 

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固体润滑剂种类

 

1. 碳素类固体润滑剂

摩擦材料常用的碳素类材料主要有鳞片石墨、合成石墨、焦炭粉和炭黑等。此外,在高性能配方中碳纤维也有应用。鳞片石墨是六方晶系呈层状结构的天然显晶质石墨,具有良好的润滑效果,广泛应用在汽车摩擦材料中。合成石墨具有稳定的润滑效果,是汽车摩擦材料中另一个常用润滑剂,它具有微孔结构,对改善热衰退、降低制动噪声有一定的效果。合成石墨的颗粒大小对摩擦性能有一定影响,常用颗粒粒径大小为20~80目。

焦炭对比天然石墨和人造石墨的层状结构规则性差,润滑作用差,压缩性能低。摩擦材料中常用的焦炭是石油焦炭,其中煅烧石油焦炭结构疏松,质地较软,能降低制动噪声,常用粒径为20~80目,粒径大的效果更好。碳纤维导热和耐热性好,碳纤维增强摩擦材料的摩擦磨损性能优良,但是目前价格昂贵,更适用于一些高端配方。

 

2. 金属硫化物

常见金属硫化物包括MoS2、SnS、SnS2、Sb2S3、FeS、FeS2、WS2、MnS、CuS、CrS、ZnS和合金硫化物等。许多金属硫化物因为具有类似石墨的六方层状结构,具有良好的固体润滑效果,其中常见硫化物中层状结构的硫化物有MoS2、SnS2、FeS、WS2、CrS和ZnS等。

层状结构的硫化物中,MoS2是文献报道最多的,在很多应用领域中具有优良的性能。对于FeS,在润滑膜方面研究较多,它和MoS2润滑膜层的研究应用最为广泛。SnS2是目前在汽车摩擦材料中应用广泛且颇具前景的硫化物。FeS和FeS2在摩擦材料中都有应用,但是两者的作用机制存在很大的区别。FeS为六方层状结构,具有良好润滑效果;FeS2是立方晶体结构,不具有润滑性,FeS2在摩擦高温条件下吸收材料周边空气中的氧气造成局部缺氧,可保护基体树脂。WS2也是一种摩擦材料常用润滑剂,它也具有类似石墨的层状结构,润滑温度比MoS2更高。WS2晶系中层与层之间的结合力很弱,在摩擦时很容易沿分子力结合面滑动。

但是并非所有硫化物都是因为具有层状结构才产生润滑效果,一些软金属的硫化物例如Sb2S3、MnS、CuS和SnS不具有层状结构,但是也作为润滑剂在摩擦材料中使用。Sb2S3是摩擦材料中应用最广泛的硫化物之一,它可改善摩擦磨损性能是由于高温时氧化产生的类烧结作用。研究表明: Sb2S3在300~430℃会氧化成Sb2O5和Sb2O3,在570℃会进一步氧化成Sb2O4,这种氧化产生的类烧结会在一定程度上抵消树脂高温分解产生的衰退,维持高温系数的稳定性。另有研究表明:Sb2S3高温下能保持较好的稳定性,一定程度验证了Sb2S3的类烧结作用机制。尽管Sb2S3目前仍被广泛使用,但是氧化产生的Sb2O3具有致癌性嫌疑,应引起足够的重视。

 

3. 其他无机润滑剂

无机润滑剂除了包括碳素类润滑剂、金属硫化物,还包括六方氮化硼h-BN、氧化铅PbO、氧化锌ZnO和氟化物等。

h-BN颜色呈白色,有“白石墨”之称,与石墨具有类似的层状晶体结构,具有优良的润滑特性。在所有的层状固体润滑剂中,WS2、PbO和h-BN高温润滑性能更好。研究发现:h-BN在一些应用中的润滑效果优于目前常用的硫化钼和石墨。有研究发现:h-BN在树脂基摩擦材料中具有较好的摩擦性能,温度高于125℃时具有良好的抗磨性能。h-BN除了具有较宽的润滑温度范围,同时还能够改善制动落灰、提高清洁性,在汽车摩擦材料中的应用性应引起足够的重视。PbO因为具有环境危害,国外法规中已经限定其应用,在摩擦材料中并不具备实际的应用价值。ZnO是一种良好的高温润滑剂,其纳米颗粒润滑效果更佳。

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氟化物固体润滑剂主要包括BaF2、CaF2和稀土氟化物等。氟化物润滑剂的显著特点是高温润滑性,BaF2和CaF2在500~900℃的高温不被氧化且具有良好的润滑效果。在对CaF2和碳纤维的研究中发现:CaF2和碳纤维在摩擦过程中产生了协同作用,CaF2高温高压条件生成了含钙的转移膜,使复合材料具有优异的自润滑性能。稀土氟化物是另一类高温润滑剂,稀土元素是一种神奇的元素在很多材料中起到独特的作用,在汽车摩擦材料中具备一定的探索价值。

 

4. 聚合物类润滑剂

聚合物类润滑剂包括聚合物和聚合物基复合材料,其中PTFE的润滑性能优良,是各种场合下广泛应用的一种主要的固体润滑剂。PTFE的分子间力很弱,容易滑动,易在摩擦对偶表面形成转移膜。PTFE自润滑摩擦因数很低,润滑温度也较低,最高润滑温度约为260℃,可满足驻车制动器和轻型车鼓式制动器用。单一PTFE无法完全承担汽车摩擦材料润滑剂的使用要求,但是通过与其他润滑剂组合可改善综合的摩擦性能。

 

5. 软金属

许多软金属在一定条件下具有良好的润滑效果,软金属具有润滑性是由于剪切强度低、韧塑性好。在众多软金属中,锡、锌和铜在汽车摩擦材料中最具实用价值,其中对铜的应用和研究是最广泛的。铜具有良好的导热性和耐磨性等优点,常用于粉末冶金摩擦材料中,在树脂基摩擦材料中也被广泛使用。研究发现:铜粉提高半金属摩擦材料在中高温的摩擦因数,改善抗热衰退性和稳定性,降低中温磨损率。在NAO配方体系下对铜粉和铜纤维研究表明:两种形态的铜对摩擦磨损的影响不同,但是都能提高摩擦性能。通过透射电镜分析观察到摩擦层的铜纳米颗粒,认为铜对摩擦层的形成十分重要。但是,铜具有生态污染性,美国环保法规已经对汽车摩擦材料中铜的使用做出限定。

 

6. 纳米材料

对比微米级材料,纳米材料增加材料的耐磨损能力突出,但对冲击性能的提高并不显著。纳米颗粒对比微米颗粒,磨损机制发生变化,由严重的磨料磨损变为轻微的黏着磨损,纳米颗粒起到润滑剂作用。纳米颗粒还具有独特的“微型球轴承效应”,使摩擦由滑动摩擦变为滚动摩擦,从而起到润滑作用。

纳米材料在润滑油脂中的应用研究较多,在汽车摩擦材料应用方面研究报道较少。尽管有研究表明纳米材料具有良好的摩擦性能,但是其比表面积大,易团聚,所需包覆树脂量多,在汽车摩擦材料中的实际应用还需进行更多的研究探索。

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小结

 

目前,关于固体润滑剂的研究已经从单一固体润滑剂的研究向多固体润滑剂组合使用转化。多种固体润滑剂组合使用,实现不同固体润滑剂的协同效应,能够得到更佳的润滑效果和更宽的润滑温度范围。摩擦材料其他组分与润滑剂相互作用研究也正逐步深化。其他组分与润滑剂的相互作用研究包括增强纤维与润滑剂、增摩剂与润滑剂等。

汽车摩擦材料的基础研究和应用研究存在二元化问题。基础研究尤其是机制研究集中在科研机构,分析测试多采用小样试验,小样试验与真实制动差异较大,研究结果并不能完全反映真实制动摩擦特性。应用研究集中在制造商,制造商拥有专业模拟真实制动的台架试验机、测试程序和成熟的研究配方,但是分析手段有限,往往缺乏对机制的深入研究。在未来的研究中,如果能将两者结合,汽车摩擦材料的研究包括汽车摩擦材料固体润滑剂的研究将进入更高阶段。