硫酸钙晶须对汽车制动摩擦材料的影响及性能提升研究

工程科学与技术，国际期刊23（2020）445完整文章硫酸钙晶须对汽车制动摩擦材料放大图片作者：Sudhan Raj Jeganmohana.a、Darius Gnanaraj Solomonb、Banu Sugozuca印度哥印拜陀Karunya技术和科学学院机械工程系b机械工程学院，VIT，印度c土耳其梅尔辛大学工程学院机械工程系，邮编：33343阿提奇莱因福奥文章历史记录：2018年7月19日收到2019年6月19日修订2019年6月20日接受2019年7月2日在线提供保留字：硫酸钙晶须制动摩擦材料摩擦学测功机A B S T R A C T功能性填料可提高汽车制动摩擦材料的摩擦性能。研究了硫酸钙晶须（CaSO4）对BFM摩擦学性能的影响四个组合物包含所有的BFM的基本成分，不同的CaSO4晶须的量（5%，10%和15%）和一个组合物没有CaSO4晶须。在惯性制动测功机上按JASOC406标准进行了摩擦学研究. CaSO4晶须的加入改善了BFM复合材料的力学性能. CaSO4晶须的加入提高了材料的摩擦磨损性能使用扫描电子显微镜对磨损垫的表面进行分析含有硫酸钙晶须的摩擦材料的磨损较小。当CaSO4晶须含量为10wt%时，复合材料的摩擦系数最稳定，即使在高速下也是如此。©2019 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CCBY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍制动系统是汽车安全方面最重要的方面。它必须能够在任何速度下停止车辆。在制动界面处，当施加制动时，所产生的动能被转换成热能。制动过程中产生的热量会使摩擦垫表面的有机聚合物基质降解。摩擦热的存在导致摩擦材料力学性能的损失。这导致制动摩擦材料的摩擦性能下降[1衰退被定义为由于制动期间接触界面处的温度升高而导致的摩擦性能的损失。有机纤维和摩擦改性剂在界面处产生热量，导致褪色，接触区的摩擦膜也会影响摩擦性能[4]。温度对制动效果（衰减）和制动摩擦材料恢复其摩擦稳定性（恢复）的能力的影响是制动摩擦材料的主要期望特性。制动摩擦复合材料的可接受的方面是较低的衰退率，*通讯作者：机械工程系，Karunya技术与科学学院，Coimbatore-641114，印度。电子邮件地址：sudhantribo@gmail.com（J. SudhanRaj）。由Karabuk大学负责进行同行审查更快的恢复速度[5开发满足各种性能参数的摩擦材料是一项艰巨的任务[16]。各种原材料对BFM摩擦学性能的影响已在文献[17因此，有必要适当地监测BFM复合材料的材料组成以改善摩擦稳定性。摩擦材料大约含有10-钛酸钾晶须具有良好的热弹性，但它非常硬，会磨损计数器盘[28]。在众多的增强填料中，晶须是最好的选择之一，因为它具有完美的晶体结构。晶须价格昂贵，在NAO制动摩擦材料中具有优异的增强效果[29]。硫酸钙晶须是一种矿物，具有单晶结构.每个晶须具有1-4微米的直径与其他晶须相比，硫酸钙晶须的开发成本更低[30]。从文献中发现，硫酸钙晶须（CaSO4）由于其完美的晶体结构而具有较高的热稳定性[31]。在NAO刹车摩擦材料中加入CaSO4的研究还未见报道.研究了硫酸钙晶须对BFM摩擦学性能的影响。通过改变BFM的比例，https://doi.org/10.1016/j.jestch.2019.06.0072215-0986/©2019 Karabuk University.出版社：Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页：www.elsevier.com/locate/jestch446J. Sudhan Raj et al./工程科学与技术，国际期刊23（2020）445CaSO4晶须。在惯性测力仪上按JASOC406标准评价衰减和恢复效果.使用FESEM显微照片研究了衬垫的磨损表面2. 材料和方法2.1. 原材料制备了4种多组分复合制动摩擦材料。在摩擦材料配方中，有有机增强纤维、酚醛基主粘结剂、橡胶基辅助粘结剂、合成石墨润滑剂和腰果粉摩擦改性剂。CaSO4晶须（中国合肥建坤化学工业）在该配方中用作功能填料。表1给出了从供应商处收到的硫酸钙晶须的技术数据。在表2中，给出了四种制剂的组成，即C0、C1、C2和C3。2.2. 制动摩擦材料所有成分的均匀混合是BFM制造的初始过程。所有原料的混合在犁式剪切混合器中按顺序进行22分钟。进料器以150 rpm运行，切碎机以3000 rpm工作。混合所有成分的顺序示于表3中。将施加有粘合剂的喷丸背板放置在热压缩成型机的腔中，并填充120 g最终混合物。在17Mpa压力和160 °C下进行压缩20 min。然后在烘箱中在120 °C下固化垫6 h。研磨显影的垫表面以获得所需的厚度。制造工艺流程图如图所示。1.一、2.3. 制动摩擦材料的表征。所开发的BFM的物理和化学性质按照工业标准进行表征。根据ASTM D792，计算摩擦材料的密度[32]表1硫酸钙晶须技术数据。CaSO4晶须外观白色粉末细度80绝对密度2.69 g/cc颗粒形状针状纤维长度10直径1含水量≤1.5%熔点1450°C耐热性：1000°C表3配料的混合顺序SI. 没有类型的成分混合持续时间（min）1增强纤维102填料和重晶石73薄片和其他粉状成分44玻璃纤维1图1.生产工艺流程图。和孔隙率，根据JIS D4418[33]。根据ASTM D785，测定摩擦材料的硬度[34]。根据IS 2742[35]获得显影垫上的未固化树脂含量。在下一节中描述的摩擦学测试之后，从扫描电子显微镜的图像分析摩擦片的磨损表面。对于SEM分析，不能使用完整的制动片，因此从制动片上切下一小部分样品，并随机选择8个位置进行研究。2.4. 制动摩擦材料利用全尺寸惯性制动测功机对所研制的BFM的摩擦学性能进行了评价 转子盘和垫的设置如图所示。 二、测力计可在1 kg-m2至1570kg-m2的惯性范围内运行[36]。表2制动摩擦材料配方。成分功能含量wt%了c0C1C2C3芳纶纤维（=10%）增强纤维20202020石棉（=10%）酚醛树脂、丁腈橡胶、丁苯橡胶粘合剂15151515CaSO4晶须功能填料051015重晶石惰性填料2015105合成石墨、腰果粉、硫化锡、钛酸钾摩擦添加剂45454545粗体值是我们在研究中修改的主要客观值J. Sudhan Raj et al./工程科学与技术，国际期刊23（2020）445447.Σ图二. 测功机中的转子盘和衬垫布置根据日本JASO C 406标准[37]，在全尺寸惯性制动测力计上对开发的BFM进行了测试。通过效能试验，研究了摩擦材料的压力和速度敏感性进行了衰减和恢复测试，以进一步研究BFM的温度敏感性在衰减循环期间第一次制动应用时，温度为60 °C。温度开始上升，并且在褪色测试期间，记录的最高温度为480摩擦系数（m），性能摩擦系数（mp），通过测功机试验获得了衰减摩擦系数（mf）和恢复摩擦系数（mr）由以下公式确定褪色和恢复率%衰减比1/4。.lp-lf=l×100%回收率¼lr=l×100对于衰落比：m越低越好。而对于采收率则相反：m越高越好.速度差（SS）计算为给定较低速度（温和条件- 50至100 kmph）下的m与随后较高速度（严重条件- 100至130 kmph）下的m之比，并以%表示。BFM的一个优秀特性是速度传播应该更高，波动更少[38]。在测力计测试中，将市售Maruti Wagon-R的灰铸铁制动盘最初，摩擦垫经受抛光，这有助于提供摩擦垫和计数器盘之间的有效接触。3. 结果和讨论3.1. 开发的BFM的化学和物理性质所开发的BFM的化学和物理性质在表4中给出。BFM的密度根据重晶石的百分比。当重晶石的密度（4.5g/cc）大于CaSO4晶须的密度（2.69g/cc）时，密度变化的顺序为：C0> C1> C2> C3。BFM复合材料的硬度只有很小C1复合材料的孔隙率较高，这主要是因为复合材料C1的密度较高，这对BFM的摩擦学性能有积极的复合材料C2的丙酮萃取值较低，说明复合材料具有较好的固化性能。所有复合材料的丙酮提取工艺中未固化树脂的量均在最大5%的可接受工业范围内[14]。3.2. 研制的BFM的摩擦学性能(a) 有效性II研究了不同速度下制动压力对摩擦性能的影响。3.2.1. 制动摩擦材料根据测功机中的第二个有效性计划，在不同速度下测试所开发的摩擦材料的摩擦性能（表5）。制动压力用减速度（g）表示。所开发的摩擦材料在不同速度下的摩擦学性能如图3所示。即使在恶劣条件下也能表现出稳定的摩擦系数（m），这是制动摩擦材料的公认特性。图3a显示了50 km/h条件下的摩擦系数（m），注意到其在0.36-0.55的范围内。所有复合材料的摩擦系数（m）具有相似的模式，几乎没有变化。复合材料配方中CaSO4晶须含量的增加有助于提供稳定的摩擦。这是因为CaSO4晶须具有很高的热稳定性，在制动时保护摩擦表面不发生热降解。它还有助于减少衬垫和制动盘之间的气体层形成，从而提高摩擦稳定性。讨论了CaSO4晶须含量与摩擦稳定性的关系。当减速率增加时，界面处的发热增加，产生的摩擦热导致摩擦性能损失[38，39]。所有复合材料的摩擦稳定性均较好，达到0.7（g）后，摩擦性能略有下降。在130 km/h条件下的摩擦系数在0.41-0.47之间在所有复合材料中，从0.6（g）开始经历压力衰减。BFM复合材料的摩擦性能在几个减速下几乎在同一范围内，波动较小。总的来说，3.2.2. 制动摩擦材料的速度敏感性两种情况下的速度分布如图4所示。从图4a中可以看出，在温和条件下的速度传播没有太大的变化。对于所有的发展摩擦表4研制的摩擦复合材料的物理和化学性能性能单元测试标准了c0C1C2C3孔隙率%JIS D 44184.127.325.166.13硬度小时ASTM D78586879089丙酮提取%IS 2742（第3部分）：19941.791.701.611.68密度G/CCASTM D7922.452.412.392.36448J. Sudhan Raj et al./工程科学与技术，国际期刊23（2020）445表5根据JASO C 406标准进行摩擦评估的Dyno测试程序描述减速（g）速度（Km/h）初始温度（°C）制动次数有效性II的低温效果测试正常温度效果测试0.1-10.1-1505050或更小80. 前在规定的制动减速度范围内，重复制动应用，直到可以获得尽可能相等的4个测量点的记录。100130衰落与恢复-I0.550803基线检查Fade-I0.380第一次制动10高温效果测试0.580–1恢复-I0.550–12图三. 开发的复合材料的压力敏感性。材料，发现SS在95- 118%的范围内速度差下降到0.5（g）减速，变化较小。与所研制的各种摩擦复合材料相比 在严重的情况下（如图所示）。 （4）趋势没有太大的不同。发现SS在128- 85%的范围内在减速值为0.4和0.6之间，速度分布严重恶化，之后性能逐渐下降见图4。摩擦复合材料在（a）温和条件（b）苛刻条件下的速度敏感性。所有BFM复合材料的质量。“m”的波动根据有效性研究，观察到所有开发的BFM的m均随施加的速度和压力而降低，这与过去的文献[5，40，41]一致。所有BFM复合材料的m性能随速度变化而变化，并且速度敏感性也随BFM配方及其原材料而变化。(b) BFM复合材料的温度敏感性在这项研究中，观察了温度对所开发的BFM的褪色和恢复的影响。3.2.3. 褪色研究温度升高导致摩擦性能下降;这种特性被定义为“衰减”。淡入淡出对J. Sudhan Raj et al./工程科学与技术，国际期刊23（2020）445449开发的BFM复合材料如图5所示。所有开发的摩擦复合材料归因于从第7至第10次制动循环的摩擦性能的损失。这主要是由于温度的上升，这被称为热衰退，由于衰退，所有开发的BFM复合材料的摩擦性能都有很大的下降。从图5中可以看出，复合物因此，可以得出结论，在界面处产生的热由于缺乏热交换而分解有机聚合物基质。CaSO4晶须的结合强度[39]。复合材料从衰减研究中观察到，不适当的制动是“衰减”期间3.2.4. 回收率研究图6中示出了恢复对所开发的BFM复合材料的影响。从第7次到第12次制动循环，所有摩擦材料的摩擦性能开始恢复。孔隙率对热性能的影响更大，因为孔径和分布可以改变热导率[42]。通常，主要平台是制动摩擦材料的承载元件。在断裂过程中，纤维和各种有机成分暴露出来，导致形成初级平台。表面上的闪光斑是由于有机成分的烘烤转移和再转移引起的，这被称为二次平台。在我们的场景中，次级高原的形成比初级高原少。多孔性为散热提供了途径;因此，次级平台的形成将较少[43]。散热更多是由于孔隙率的增加，这提高了更快的恢复率（表4和图6）。所有含硫酸钙的复合材料的孔隙率变化都很小。正常情况下，在褪色周期后，将打开测功机中的鼓风机，以降低光盘和鼓的温度。摩擦特性的恢复越快，恢复率越好。在回复试验中，添加硫酸钙晶须的摩擦复合材料的回复速度较快，因此具有较好的回复性。C1和C3复合材料具有较高的孔隙度值，这反过来又提高了采收率。在衰减循环之后，摩擦特性的恢复速度是恢复率。在C1的情况下，恢复发生在第二次制动时，但在C3的情况下，恢复发生在第三次制动时。那是因为图五. 所开发的BFM复合材料的褪色。图六、开发的BFM复合材料的回收。C1的孔隙度值高于C3。所有开发的复合材料在“恢复”过程中的在恢复过程中，含有5% CaSO 4晶须的复合材料据观察，晶须拔出有助于有效的应力转移，导致性能恢复。从恢复测试中观察到，BFM复合材料的更好恢复行为背后的主要原因是聚合物基体中存在晶须和芳族聚酰胺增强物3.2.5. 摩擦参数摩擦性能参数是从衰减和恢复研究中获得的，如图所示。7.第一次会议。对于可接受的摩擦材料，它应该表现出更少的衰退和更快的恢复[44]。与其它摩擦材料复合材料相比，复合材料复合材料3.3. 磨损表面图图8示出了所开发的BFM垫的磨损表面的SEM图像。所有磨损的复合材料表面都不平整图7.第一次会议。BFM复合材料的摩擦参数450J. Sudhan Raj et al./工程科学与技术，国际期刊23（2020）445见图8。 SEM显微照片显示了（a）C 0（b）C 1（c）C 2（d）C 3的磨损表面。小碎片。在摩擦界面处产生的巨大摩擦力使聚合物基体变形，晶须被拔出。它吸收了剪切应力和施加的载荷的能量。在含晶须复合材料的磨损表面，发现了二次平台和一次平台，二次平台的形成提高了摩擦片的耐磨性。‘C这是显而易见的，磨损表面上的碎屑引起三体磨料磨损。从复合材料C1的磨损表面的SEM显微照片中发现，有一些光滑的表面，裂纹较少从裂纹中拉出纤维和这些光滑的表面是由于材料从配对部件向后转移到衬垫。光滑斑块是二次平台，主要存在于复合材料C1的磨损表面。因此，添加5wt% CaSO4晶须的复合材料（C1）的耐磨性提高最好。含晶须的复合材料表面都有一些光滑层，这主要是由于二次结晶平台的存在。总的来说，在BFM上包含晶须增加了耐磨性。4. 结论研制了4种CaSO4晶须含量分别为5%、10%和15%的摩擦材料，考察了其对摩擦学性能的影响。● CaSO4晶须的加入使复合材料的摩擦学性能得到了较好的改善.复合材料C2的摩擦系数最稳定，随速度和减速度的变化，表现出较高的速度分散性和较低的衰减率，而复合材料C1的恢复率最好。CaSO4晶须的加入对BFM的物理和化学性能有较好的改善。● 与不含CaSO4晶须的复合材料相比，含CaSO 4晶须的摩擦复合材料表现出更小的磨损。kers. 这主要是由于BFM的聚合物基体中含有较光滑的表面和CaSO4● 在所研究的四种复合材料中，具有10重量%的CaSO4晶须（C2）在高速滑动时仍具有稳定的摩擦系数.与其他复合材料相比，具有5wt%的CaSO4晶须（C1）的复合材料显示出确认作者感谢“R.S.P制动器有限公司”，印度哥印拜陀为开展这项研究工作提供了设施。引用[1] D. Chan，G.W.张文，张文，等.汽车制动摩擦材料的研究进展.北京：机械工业出版社，2000，24（3）：100 - 101. Eng.218（2005）953https://doi.org/[2] X.肖氏Y. Yin，J. Bao，L. Lu、X.冯，制动材料的摩擦磨损综述，高级机械工程8（2016）1https://doi.org/10.1177/[3] J. 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