Исследования и разработки керамических тормозных колодок
Чтобы удовлетворить все более возрастающие требования к высокой скорости, безопасности и комфорту современных автомобилей, необходимо постоянно стремиться к разработке тормозных систем и тормозных материалов. Особенно во время высокотемпературного торможения решающее значение имеют стабильность и безопасность материала. В этой статье представлен краткий обзор исследований и разработок керамических тормозных колодок, рассмотрен процесс подготовки и ключевые технические проблемы автомобильных керамических тормозных колодок, а также их огромный рыночный потенциал. Предполагается, что керамические тормозные колодки станут тенденцией развития фрикционных материалов для автомобильных тормозов, что имеет большое значение для разработки керамических тормозных материалов.
Из-за проблем с шумом, вибрацией, высокой скоростью износа и коротким сроком службы полуметаллических фрикционных материалов и безасбестовых фрикционных материалов, которые в основном используются в автомобильных тормозных системах, углеродно-углеродные композитные фрикционные материалы, которые можно заменить, могут иметь превосходные характеристики. но их стоимость относительно высока и обычно используются только на самолетах. Керамические материалы обладают преимуществами малого удельного веса, высокой температуры плавления, высокой твердости, хорошей химической стабильности и коррозионной стойкости и широко используются в фрикционных материалах. Поэтому разработка новых керамических фрикционных материалов со стабильными характеристиками трения, низкой скоростью износа, длительным сроком службы, отсутствием шума и вибрации стала горячей областью исследований фрикционных материалов.
1.История использования материала тормозных колодок
Традиционный материал тормозных колодок изготавливается из фенольной смолы, наполненной асбестовым волокном, где асбест состоит из силикатных минералов и содержит в своем составе определенное количество кристаллической воды. Увеличение скорости современных автомобилей привело к тому, что температура поверхности компонентов тормозов достигла 300-500 градусов. Асбестовые фрикционные материалы имеют низкую теплопроводность и термостойкость и теряют кристаллическую воду при температуре около 400 градусов. При температуре 550 градусов кристаллическая вода будет полностью потеряна, и эффект укрепления практически потерян. После обезвоживания асбеста это может вызвать нестабильное трение, ухудшение материала рабочего слоя, усиленный износ и явное явление «теплового спада». Кроме того, асбест оказывает канцерогенное воздействие на пыль во время обработки и использования, поэтому тормозные колодки на основе асбеста были запрещены в промышленно развитых странах Запада, а Китай также ограничил использование этого типа материала. Очевидно, что асбестовые органические фрикционные материалы больше не подходят для нужд развития автомобильной промышленности и современного общества и постепенно будут заменены новыми материалами.
Материал тормозных колодок второго поколения представляет собой полуметаллический графитовый композитный материал. Его основными компонентами являются стальная фибра, графит, металлический порошок и их вспомогательные материалы, которые связаны и сформированы модифицированной фенольной смолой. Он назван в честь того, что содержание металла в тормозных колодках составляет половину общего веса. Такие страны, как США, Европа и Япония, начали широко пропагандировать их использование в 1960-х годах. Износостойкость полуметаллических листов более чем на 25% выше, чем у асбестовых листов, и они также имеют такие преимущества, как высокий коэффициент трения, хорошая теплопроводность, а также простота обработки и формовки. Таким образом, этот тип материала в настоящее время доминирует на рынке тормозных колодок в Китае.
Тем не менее, продукт по-прежнему имеет следующие недостатки: ① стальные волокна склонны к ржавчине, что может легко прилипнуть или повредить продукт после ржавчины, а прочность продукта снижается, а износ увеличивается после ржавчины; ② Высокая теплопроводность может легко вызвать сопротивление воздуха в тормозной системе при высоких температурах, что приведет к отделению слоя фрикционной пластины от стальной пластины; ③ Высокая твердость может повредить двойной материал, что приведет к вибрации и низкочастотному шуму торможения; ④ Высокая плотность.
Материал тормозных колодок третьего поколения представляет собой органический фрикционный материал, не содержащий асбеста (NAO). В качестве армирующих материалов в основном используются стекловолокна, волокна ароматического полиимида или другие волокна (например, углеродные и керамические). Его главное преимущество заключается в том, что оно сохраняет хорошие тормозные характеристики как при низких, так и при высоких температурах, снижает износ, снижает шум, продлевает срок службы тормозных дисков. Материал тормозных колодок типа NAO претерпел несколько изменений, и теперь материалы NAO эффективно превзошли характеристики асбестовых тормозных колодок во многих аспектах, в основном с точки зрения антифрикционных характеристик и шума.
Керамические тормозные колодки — это новая разновидность фрикционных материалов. Керамические тормозные колодки состоят из керамических волокон, наполнителей, не содержащих железа, клеев и небольшого количества металла. Они имеют такие преимущества, как отсутствие шума, пыли, коррозии ступиц колес, длительный срок службы и защита окружающей среды.
2.Физические и механические свойства двух керамических тормозных колодок.
Результаты испытаний физических свойств и сравнения ударной вязкости новых тормозных колодок на керамической основе и тормозных колодок на основе смол показаны в Таблице 1.
В новой формуле керамики используются различные легкие пористые наполнители, и она не содержит металлических компонентов (стальной фибры, пенопласта, железного порошка, тяжелых металлов и т. д.). По сравнению с полуметаллическими тормозными колодками керамические тормозные колодки имеют большую открытую пористость и низкую плотность. Между тем, по сравнению с фрикционными материалами на основе смолы, фрикционные материалы на керамической основе также имеют более низкую твердость. В основном это связано со следующими причинами: во-первых, на поверхности тормозных колодок на керамической основе имеется множество пор, что уменьшает эффективную площадь способности самого материала противостоять внешним нагрузкам, что приводит к меньшим значениям при испытании твердости; Во-вторых, фенольная смола плотно уложена жесткими ароматическими кольцами, соединенными метиленом, и после высокотемпературного отверждения ее твердость сравнительно высока; В формуле на основе смолы (обычная полуметаллическая формула) содержится больше металлических компонентов (стальных волокон), что также повышает общую твердость фрикционного материала на основе смолы. С точки зрения ударной прочности, по сравнению с тормозными колодками на основе керамики, тормозные колодки на основе смолы имеют относительно более высокое содержание органических компонентов, особенно добавление порошка нитрилового каучука, который диспергирует необходимое количество частиц гибкой резины на сплошной жесткой и твердой смоле. матрица, образующая так называемый «высокомолекулярный сплав». Когда резиновая матрица из смолы состоит из частиц каучука, из-за эластичности частиц каучука трещины, возникающие в результате концентрации напряжений, поглощаются при ударе материала, препятствуя дальнейшему расширению трещин и замедляя степень повреждения материала. На макроуровне это проявляется в повышении ударной вязкости материала; Хотя неорганические связующие в керамических рецептурах обладают хорошим эффектом высокотемпературного сцепления, их гибкость не очень хорошая. Однако этого недостатка можно избежать, модифицируя материал тормозных колодок на керамической основе, пытаясь изменить модуль упругости тормозных колодок на керамической основе. Теория микротрещин Гриффита может использоваться для добавления пластиковых частиц или волокон в матрицу керамического материала для изготовления металлокерамики или композиционных материалов, а также может искусственно вызывать большое количество чрезвычайно мелких трещин в материале. Используйте ее для поглощения энергии и предотвращения распространения трещин. Недавнее появление пластичной керамики связано с добавлением диоксида циркония к оксиду алюминия, в котором используется фазовое превращение диоксида циркония для создания объемных изменений и образования большого количества микротрещин или значительных внутренних напряжений в матрице, тем самым улучшая ударную вязкость материала. Вышеупомянутые методы могут быть применены для исследования и улучшения тормозных колодок на керамической основе, так что тормозные колодки на керамической основе не только имеют чрезвычайно высокую твердость, но также имеют прочность, сравнимую с тормозными колодками на основе смолы.
3.Основные технические проблемы керамических тормозных колодок.
В настоящее время существует несколько ключевых технических вопросов, которые необходимо улучшить в отношении автомобильных керамических фрикционных материалов:
(1) Улучшение характеристик и качества клеев (смола и резина) для фрикционных материалов (например, высокая температура термического разложения, низкие тепловые потери, низкое содержание свободного фенола, высокая температура размягчения, мелкий размер частиц, хорошая ударная вязкость и т. д.), и активно разрабатывать новые виды смол для фрикционных материалов;
(2) Улучшить теплопроводность фрикционных материалов для ускорения передачи тепла трения и предотвращения снижения производительности, вызванного разложением фрикционных материалов;
(3) Активная разработка легких и высокоэффективных пористых наполнителей для снижения плотности продукта и снижения шума при торможении;
(4) Повысить уровень основного технологического оборудования, такого как дробление, смешивание, горячее прессование и термообработка (затвердевание), улучшить технологические операции, методы тестирования и контроля качества, а также обеспечить стабильность качества массового производства продукции;
(5) Уменьшите шум тормозов, вызванный фрикционными колодками;
(6) Улучшите прочность на сдвиг и сжатие тормозных фрикционных колодок для безопасного торможения.
Благодаря исследованию и анализу физико-механических свойств новых автомобильных тормозных колодок на керамической основе можно увидеть, что керамические тормозные колодки обладают такими характеристиками, как стабильный коэффициент трения, хорошая термостойкость, длительный срок службы, комфортное торможение, отсутствие повреждений двойной диск и отсутствие шума при торможении. Кроме того, они обладают высокой экономической эффективностью и широкими перспективами применения.
Хотя керамические тормозные колодки вряд ли заменят традиционные тормозные колодки в краткосрочной перспективе, современные автомобили движутся в сторону высоких характеристик, скорости, безопасности и комфорта. Это требует, чтобы тормозная система как важный компонент автомобилей была безопасной и надежной. В то же время необходимо постоянно разрабатывать новые тормозные материалы, отвечающие более строгим требованиям. Керамические тормозные колодки неизбежно станут тенденцией развития в будущем.
Ожидается, что исследования и дальнейшая разработка новых типов автомобильных керамических тормозных колодок, особенно устойчивых к высоким температурам, малошумных, не содержащих металлов и волокон, изменят статус применения существующих тормозных колодок в Китае и будут иметь очень большое значение. важное социально-экономическое значение.
