使用氧化铝涂层制动盘来降低制动磨损颗粒的排放量及金属含量

《Materials Today Communications》：Reducing emissions and metallic content of brake wear particles using alumina-coated brake discs

氧化铝涂层可有效减少铸铁刹车盘磨损及金属颗粒排放，对比NAO和LM刹车片，涂层组摩擦系数稳定且颗粒浓度显著降低，SEM/TEM证实涂层抑制了铁基颗粒释放，同时提升耐腐蚀性。

　　在现代交通系统中，刹车磨损产生的微粒排放已成为影响人类健康和环境质量的重要因素之一。这些微粒，尤其是金属细颗粒，不仅对空气质量和生态系统造成威胁，还可能通过呼吸进入人体，引发一系列健康问题。金属颗粒因其能够诱导氧化应激、破坏细胞结构并导致基因损伤而受到广泛关注。因此，研究如何有效减少刹车系统中金属颗粒的排放，成为当前汽车工程和环境科学领域的重要课题。

本研究围绕一种新型的表面工程技术展开，即通过等离子体电解氧化（PEO）技术制备的氧化铝涂层，应用于铸铁刹车盘。这一技术被选为研究对象，是因为它具有环保特性，并且在提高材料性能方面展现出潜力。刹车系统通常由刹车盘和刹车片组成，它们之间的摩擦会产生大量的微粒排放。为了评估氧化铝涂层对刹车磨损和微粒排放的影响，研究中还使用了两种常见的刹车片材料：非石棉有机（NAO）刹车片和低金属含量（LM）刹车片。前者在欧美和亚洲市场较为流行，因其摩擦系数较低，同时具备较低的噪音和微粒排放，而后者则含有较多的金属成分，可能对排放的微粒金属含量产生显著影响。

研究的核心在于评估氧化铝涂层是否能够在不牺牲刹车性能的前提下，有效减少刹车磨损和微粒排放。为此，实验设计采用了多种方法，包括使用空气悬浮微粒测量系统来分析微粒数量浓度和微粒粒径分布，同时对刹车盘和刹车片的摩擦性能和重量损失进行测量。此外，通过扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）对收集到的微粒进行分析，以确认其化学组成和形态特征。这些技术手段的结合，使得研究能够从多个维度深入探讨氧化铝涂层对刹车系统的影响。

实验结果显示，氧化铝涂层的刹车盘在测试过程中几乎没有任何重量损失，而与之搭配的刹车片材料在初期表现出较高的磨损率。然而，随着摩擦表面逐渐变得光滑，刹车片的磨损率趋于稳定，并与未涂层的刹车盘达到相近的水平。这一发现表明，虽然涂层在初期可能对刹车片的磨损产生一定影响，但其长期使用能够有效降低刹车盘的磨损，从而延长刹车系统的使用寿命。更重要的是，实验数据表明，在稳态测试条件下，氧化铝涂层显著降低了空气中微粒的数量浓度，而微粒的粒径分布则基本保持不变。这说明涂层的主要作用在于减少金属微粒的排放，而不是改变微粒的大小。

通过SEM/TEM和能量色散X射线光谱（EDX）分析，研究人员进一步验证了氧化铝涂层对微粒排放的抑制效果。分析结果显示，涂层能够几乎完全消除排放微粒中的金属铁含量，这意味着氧化铝涂层在减少刹车磨损的同时，也大幅降低了对环境和人体健康的潜在危害。此外，实验还发现，摩擦表面的平滑程度对刹车磨损具有重要影响。较长的制动运行时间不仅能够使氧化铝涂层的刹车盘表面更加光滑，还可能对未涂层的刹车盘表面产生一定的磨损加剧效应，这进一步强调了氧化铝涂层在长期使用中对减少刹车磨损和微粒排放的积极作用。

刹车系统中的微粒排放不仅与材料的物理特性有关，还受到摩擦过程中的多种因素影响，例如摩擦系数、摩擦时间、温度变化以及表面粗糙度等。因此，研究中对不同刹车片材料与涂层刹车盘的组合进行了对比分析。结果显示，与低金属含量刹车片相比，非石棉有机刹车片在摩擦过程中产生的微粒数量较少，且其摩擦系数较低，这有助于降低刹车系统的整体磨损率。然而，由于非石棉有机刹车片的材料特性，其在摩擦过程中可能产生更多的有机微粒，这需要进一步研究其对环境和人体健康的影响。

值得注意的是，本研究中使用的氧化铝涂层不仅在减少金属微粒排放方面表现出色，还具备良好的耐磨性和抗腐蚀性。这些特性使得涂层成为一种理想的表面处理方案，特别是在需要兼顾刹车性能和环保要求的场合。此外，实验还对涂层刹车盘在不同摩擦条件下的腐蚀性能进行了评估，结果表明，无论是在使用低金属含量刹车片还是非石棉有机刹车片的情况下，涂层刹车盘的腐蚀性能均优于未涂层的刹车盘。这一发现为氧化铝涂层在刹车系统中的广泛应用提供了有力支持。

研究中还强调了刹车系统在现代交通中的重要性，即使在电动汽车（EV）普及的背景下，机械制动系统依然是确保车辆减速和安全的关键组成部分。尽管近年来内燃机尾气排放的减少取得了显著成效，但非尾气排放源，如刹车系统、轮胎磨损和道路摩擦等，已成为交通相关微粒排放的主要来源。其中，刹车磨损被认为是最大的贡献者，有研究表明，刹车微粒中约有40%至50%会在制动过程中被释放到空气中。这些微粒通常根据粒径被分为可吸入颗粒物（如PM10和PM2.5），它们的粒径决定了其在人体呼吸系统中的穿透深度，而其化学成分则决定了其对人体健康的潜在危害。

金属微粒，尤其是含有铁、铜和锰等过渡金属的颗粒，因其能够产生活性氧物种（ROS）而具有较高的氧化潜力。这种氧化应激作用与脂质过氧化、蛋白质和DNA损伤以及炎症反应密切相关，长期暴露于这些微粒可能增加呼吸道感染、心血管疾病甚至肺癌的风险。因此，减少刹车系统中金属微粒的排放，对于改善空气质量和保护公众健康具有重要意义。

为了进一步验证氧化铝涂层的效果，研究中还对比了不同刹车片材料与涂层刹车盘的组合。结果显示，氧化铝涂层在与非石棉有机刹车片配合使用时，能够有效降低微粒排放，同时保持刹车系统的稳定运行。相比之下，低金属含量刹车片虽然在摩擦过程中产生的金属微粒较少，但其与涂层刹车盘的配合使用可能在某些方面表现出不同的磨损特性。因此，选择合适的刹车片材料与涂层刹车盘的组合，对于优化刹车系统的性能和减少微粒排放至关重要。

本研究的实验方法采用了先进的摩擦测试设备，即针盘摩擦试验机（pin-on-disc tribometer），该设备能够模拟实际刹车过程中的摩擦条件，并提供精确的摩擦性能和磨损数据。同时，结合空气悬浮微粒测量系统，研究人员能够实时监测微粒的排放情况，从而全面评估涂层对刹车系统的影响。这种综合性的实验设计不仅提高了研究的准确性，也为未来的刹车系统优化提供了可靠的依据。

研究的最终目标是为刹车系统的环保改进提供科学支持。通过分析氧化铝涂层在不同摩擦条件下的表现，研究人员发现，这种涂层能够有效降低刹车磨损和金属微粒排放，同时保持刹车系统的摩擦性能。这些结果对于开发更加环保和高效的刹车系统具有重要的指导意义。此外，研究还指出，随着制动运行时间的延长，涂层刹车盘的表面粗糙度会逐渐降低，而未涂层刹车盘的表面粗糙度则可能增加。这一现象表明，氧化铝涂层不仅在短期内表现出良好的性能，而且在长期使用中也能够持续发挥其优势。

在实际应用中，刹车系统的优化需要综合考虑多种因素，包括材料选择、表面处理技术和摩擦条件等。氧化铝涂层作为一种新型的表面工程技术，不仅能够减少刹车磨损，还能够有效降低金属微粒的排放，为实现更环保的刹车系统提供了新的思路。此外，研究中提到的非石棉有机刹车片因其较低的摩擦系数和微粒排放，也被认为是未来刹车系统材料选择的一个重要方向。

综上所述，本研究通过系统的实验分析，揭示了氧化铝涂层在减少刹车磨损和金属微粒排放方面的显著效果。这些发现不仅有助于理解刹车系统中微粒排放的机制，还为未来的刹车系统设计和优化提供了科学依据。随着环保意识的提高和技术的发展，刹车系统的改进将成为汽车工业可持续发展的重要组成部分。