Forskning og udvikling af keramiske bremseklodser

For at imødekomme de stadig mere krævende krav til høj hastighed, sikkerhed og komfort i moderne biler, er det nødvendigt løbende at stræbe efter at udvikle bremsesystemer og bremsematerialer. Især ved højtemperaturbremsning er materialets stabilitet og sikkerhed afgørende. Denne artikel giver et kort overblik over forskning og udvikling af keramiske bremseklodser, udforsker forberedelsesprocessen og nøgletekniske spørgsmål af keramiske bremseklodser til biler samt deres enorme markedspotentiale. Den foreslår, at keramiske bremseklodser vil være udviklingstendensen for bremsefriktionsmaterialer til biler, hvilket er af stor betydning for udviklingen af ​​keramiske bremsematerialer.

På grund af problemerne med støj, vibrationer, høj slidhastighed og kort levetid for semi-metalfriktionsmaterialer og asbestfri friktionsmaterialer, der hovedsageligt anvendes i bilbremsesystemer, kan kulstof/kulstof-friktionsmaterialer, der kan udskiftes, have fremragende ydeevne, men deres omkostninger er relativt høje og bruges normalt kun på fly. Keramiske materialer har fordelene ved lille vægtfylde, højt smeltepunkt, høj hårdhed, god kemisk stabilitet og korrosionsbestandighed og har været meget udbredt i friktionsmaterialer. Derfor er udvikling af nye keramiske friktionsmaterialer med stabil friktionsydelse, lav slidhastighed, lang levetid, ingen støj og vibrationer blevet et varmt felt for forskning i friktionsmateriale.

1. Historie om brug af bremseklodsmateriale

Det traditionelle bremseklodsmateriale er lavet af asbestfiberfyldt phenolharpiks, hvor asbest er lavet af silikatmineraler og indeholder en vis mængde krystallinsk vand i sin sammensætning. Stigningen i hastigheden for moderne biler har resulteret i, at overfladetemperaturer på bremsekomponenter når så højt som 300-500 grader. Asbestfriktionsmaterialer har dårlig varmeledningsevne og varmebestandighed og vil miste krystallinsk vand ved omkring 400 grader. Ved 550 grader vil det krystallinske vand gå fuldstændig tabt, og den styrkende effekt er stort set tabt. Efter dehydrering af asbest kan det forårsage ustabil friktion, forringelse af arbejdslagets materiale, intensiveret slid og åbenlyst "varme recession" fænomen. Derudover har asbest en kræftfremkaldende effekt på dets støv under forarbejdning og brug, så asbestbaserede bremseklodser er blevet forbudt i vestlige industrilande, og Kina har også begrænset brugen af ​​denne type materiale. Det er indlysende, at organiske asbestfriktionsmaterialer ikke længere er egnede til udviklingsbehovene i bilindustrien og det moderne samfund, og gradvist vil blive erstattet af nye materialer.

Anden generation af bremseklodsmateriale er et semi-metallisk grafitkompositmateriale. Dens hovedkomponenter er stålfiber, grafit, metalpulver og deres hjælpematerialer, som er bundet og dannet med modificeret phenolharpiks. Den er opkaldt efter metalindholdet i bremseklodsen, der udgør halvdelen af ​​den samlede vægt. Lande som USA, Europa og Japan begyndte at fremme deres brug i stor skala i 1960'erne. Slidstyrken af ​​halvmetalplader er mere end 25% højere end asbestplader, og de har også fordele som høj friktionskoefficient, god termisk ledningsevne og nem behandling og formning. Derfor dominerer denne type materiale i øjeblikket bremseklodsmarkedet i Kina.

Produktet har dog stadig følgende ulemper: ① stålfibre er tilbøjelige til at ruste, hvilket let kan hæfte eller beskadige produktet efter rust, og produktets styrke falder og sliddet øges efter rust; ② Høj varmeledningsevne kan let forårsage luftmodstand i bremsesystemet ved høje temperaturer, hvilket resulterer i friktionspladelaget løsner sig fra stålpladen; ③ Høj hårdhed kan beskadige det dobbelte materiale, hvilket resulterer i vibrationer og lavfrekvent bremsestøj; ④ Høj tæthed.

Tredje generation af bremseklodsmateriale er asbestfrit organisk friktionsmateriale (NAO). Glasfibre, aromatiske polyimidfibre eller andre fibre (såsom kulstof og keramik) bruges hovedsageligt som forstærkningsmaterialer. Dens største fordel er, at den bevarer en god bremseevne både ved lave og høje temperaturer, reducerer slid, reducerer støj og forlænger levetiden på bremseskiver. Materialet i bremseklodser af NAO-typen har undergået flere ændringer, og nu har NAO-materialer effektivt overgået ydeevnen af ​​asbestbremseklodser i mange aspekter, hovedsageligt med hensyn til antifriktionsydelse og støj.

Keramiske bremseklodser er et nyt udvalg af friktionsmaterialer. Keramiske bremseklodser er sammensat af keramiske fibre, jernfri fyldstoffer, klæbemidler og en lille mængde metal. De har fordele som ingen støj, ingen støv, ingen korrosion af hjulnav, lang levetid og miljøbeskyttelse.

2. Fysiske og mekaniske egenskaber af 2 keramiske bremseklodser

 

Testresultaterne af de fysiske egenskaber og slagstyrkesammenligning mellem de nye keramisk baserede bremseklodser og harpiksbaserede bremseklodser er vist i tabel 1

Den nye keramiske formel bruger en række lette porøse fyldstoffer og indeholder ingen metalkomponenter (stålfiber, skum, jernpulver, tungmetaller osv.). Sammenlignet med semi-metalformlen har de keramiske bremseklodser stor åben porøsitet og lav densitet. I mellemtiden, sammenlignet med harpiksbaserede friktionsmaterialer, har keramisk baserede friktionsmaterialer også lavere hårdhed. Dette skyldes hovedsageligt følgende årsager: For det første er der mange porer på overfladen af ​​keramisk baserede bremseklodser, hvilket reducerer det effektive område af selve materialet til at modstå eksterne belastninger, hvilket resulterer i mindre værdier under hårdhedstestning; For det andet er phenolharpiks tæt stablet med stive aromatiske ringe forbundet med methylen, og efter hærdning ved høj temperatur er dens hårdhed relativt høj; I den harpiksbaserede formel (almindelig semimetallisk formel) er der flere metalkomponenter (stålfibre), hvilket også gør den samlede hårdhed af det harpiksbaserede friktionsmateriale højere. Med hensyn til slagstyrke, sammenlignet med keramisk baserede bremseklodser, har harpiksbaserede bremseklodser et relativt højere indhold af organiske komponenter, især tilsætning af nitrilgummipulver, som spreder en passende mængde fleksible gummipartikler på en kontinuerlig stiv og hård harpiks matrix, der danner den såkaldte "højmolekylære legering". Når harpiksgummimatrixen er sammensat af gummipartikler, absorberes revnerne, der genereres af spændingskoncentrationen, på grund af gummipartiklernes elasticitet, når materialet stødes, hvilket hindrer yderligere udvidelse af revnerne og bremser graden af ​​materielle skader. På makroniveau kommer det til udtryk som en forbedring af materialets slagstyrke; Selvom uorganiske bindemidler i keramiske formler har gode højtemperaturbindingseffekter, er deres fleksibilitet ikke god. Imidlertid kan denne ulempe opnås ved at modificere materialet af keramisk baserede bremseklodser, idet man forsøger at ændre elasticitetsmodulet af keramisk baserede bremseklodser. Griffith mikrorevneteori kan bruges til at tilføje plastpartikler eller fibre til den keramiske materialematrix for at lave cermet- eller kompositmaterialer, og kan også kunstigt forårsage et stort antal ekstremt fine revner i materialet. Brug det til at absorbere energi og forhindre sprækkeudbredelse. Den nylige fremkomst af duktilt keramik er tilsætningen af ​​zirconia til aluminiumoxid, som udnytter fasetransformationen af ​​zirconia til at generere volumenændringer og danne et stort antal mikrorevner eller betydelige indre spændinger i matrixen, hvorved materialets sejhed forbedres. Ovenstående metoder kan anvendes til forskning og forbedring af keramisk baserede bremseklodser, således at keramisk baserede bremseklodser ikke kun har ekstrem høj hårdhed, men også har en sejhed, der kan sammenlignes med harpiksbaserede bremseklodser.

3. Vigtige tekniske problemer med keramiske bremseklodser

På nuværende tidspunkt er der flere vigtige tekniske problemer, der skal forbedres for keramiske friktionsmaterialer til biler:

 

(1) Forbedre ydeevnen og kvaliteten af ​​klæbemidler (harpiks og gummi) til friktionsmaterialer (såsom høj termisk nedbrydningstemperatur, lavt varmetab, lavt indhold af frit phenol, højt blødgøringspunkt, fin partikelstørrelse, god sejhed osv.), og aktivt udvikle nye typer harpikser til friktionsmaterialer;

 

(2) Forbedre den termiske ledningsevne af friktionsmaterialer for at accelerere overførslen af ​​friktionsvarme og forhindre ydeevneforringelse forårsaget af nedbrydning af friktionsmaterialer;

 

(3) Aktivt udvikle lette og højtydende porøse fyldstoffer for at reducere produkttætheden og reducere bremsestøj;

 

(4) Forbedre niveauet af nøgleprocesudstyr såsom knusning, blanding, varmpresning og varmebehandling (størkning), forbedre procesoperationer, kvalitetstestning og kontrolmetoder og sikre stabiliteten af ​​produktmasseproduktionskvaliteten;

 

(5) Reducer bremsestøj induceret af friktionsbelægninger;

 

(6) Forbedre forskydningsstyrken og trykstyrken af ​​bremsefriktionsklodser for sikker bremsning.

Gennem forskning og analyse af de fysiske og mekaniske egenskaber af nye keramisk baserede bremseklodser til biler, kan det ses, at keramiske bremseklodser har egenskaber såsom stabil friktionskoefficient, god temperaturmodstand, lang levetid, behagelig bremsning, ingen skader på dobbelt skive, og ingen bremsestøj. Desuden har de høj omkostningseffektivitet og brede anvendelsesmuligheder.

Selvom keramiske bremseklodser næppe vil erstatte traditionelle bremseklodser på kort sigt, bevæger moderne biler sig mod højtydende, høj hastighed, sikkerhed og komfort. Dette kræver, at bremsesystemet, som en vigtig komponent i biler, skal være sikkert og pålideligt. Samtidig skal der løbende udvikles nye bremsematerialer for at opfylde skærpede krav. Keramiske bremseklodser vil uundgåeligt blive en udviklingstendens i fremtiden.

Forskningen og videreudviklingen af ​​nye typer keramiske bremseklodser til biler, især højtemperaturbestandige, støjsvage, metalfrie og fiberfrie bremseklodser, forventes at ændre anvendelsesstatus for eksisterende bremseklodser i Kina, og vil have meget stor social og økonomisk betydning.