汽车制动片用 CoNiCrAlY/ZrO2 纳米涂层摩擦学性能研究

《Materials Today Communications》：Study on Tribological Performance of CoNiCrAlY/ZrO2 nano coating on Automobile Brake Pad

　　

在汽车制动系统中，磨损与摩擦会造成显著损失。这主要受制动片与制动盘之间摩擦所对应较高动能的影响。当前研究工作提出了一种通过施加纳米涂层来提高制动片寿命的新方法。该工作在商用四轮车辆制动片表面制备了微米-纳米复合 CoNiCrAlY/ZrO₂ 涂层。将基于 Arduino 板的红外（IR，infrared）热分布测绘技术加以集成，可有效建立温度分布与制动片摩擦学行为之间的关联。涂层采用等离子喷涂技术（plasma spray technique）制备，以微米级 CoNiCrAlY 和纳米 ZrO₂ 颗粒作为第二相颗粒。纳米 ZrO₂ 颗粒浓度设置为 0%、5%、10%、15%、20% 和 100%。此外，还研究了表面粗糙度与涂层厚度对比磨损率的影响。采用扫描电子显微镜（SEM，scanning electron microscope）和能量色散 X 射线能谱（EDS/EDAX，energy dispersive X-ray spectroscopy）开展微观结构与成分分析。结果表明，在 CoNiCrAlY 基体中加入 10% 纳米 ZrO₂ 颗粒的涂层表现出更优的比磨损率。200 μm 涂层厚度在干滑动条件下表现出最高耐磨性。在本研究中，CoNiCrAlY 涂层制动片材料以及添加纳米 ZrO₂ 颗粒后的制动片材料，其耐磨性分别显著提高了 106.0% 和 275.32%。

该论文发表于《Materials Today Communications》，围绕汽车制动片表面防护与摩擦学性能提升展开，核心目标是通过构建 CoNiCrAlY/ZrO₂ 微纳复合涂层，提高制动片在干滑动工况下的耐磨性、热稳定性及服役寿命。汽车制动过程中，制动盘—制动片界面承受持续摩擦接触，伴随较高动能耗散与摩擦热积累，易导致制动片严重磨损、摩擦因数波动、热损伤加剧以及更频繁的更换需求。此外，磨损产生的颗粒物还可能引起环境与健康问题。因此，开发兼具耐磨性与耐热性的表面涂层，成为提升传统制动片性能的重要路径。已有研究多集中于制动盘表面涂层或不同颗粒增强体系，但针对商用制动片表面构建 CoNiCrAlY 与纳米 ZrO₂ 协同作用的复合涂层，并系统考察其组成、厚度、表面粗糙度与热行为之间关系的研究相对有限。基于此，研究人员采用等离子喷涂在商用四轮汽车制动片表面制备复合涂层，并结合红外热图监测磨损过程中的温升特征，以期筛选最优颗粒配比和涂层厚度。

在技术方法方面，研究人员以商用四轮汽车制动片为基体，按 ASTM G-99 标准制备销盘磨损试样；采用等离子喷涂法沉积微米级 CoNiCrAlY/纳米 ZrO₂ 复合涂层，并设置不同 ZrO₂ 含量及不同涂层厚度；通过销盘式摩擦磨损试验评估比磨损率和摩擦因数；利用扫描电子显微镜（SEM）及能量色散 X 射线能谱（EDAX）分析涂层与磨痕形貌、元素组成；使用基于 Arduino Uno 的红外传感相机获取 8 × 8 温度矩阵热图；通过表面粗糙度仪测定 Ra、Rz 等参数，并分析其与磨损行为的关系。文中未涉及临床或生物样本队列。

在研究内容上，论文首先从制动系统中摩擦热、表面损伤和颗粒排放问题切入，提出通过微米硬质 CoNiCrAlY 与热稳定纳米 ZrO₂ 复配形成表面保护层，以改善传统制动片的耐磨与热学表现。研究人员在 0%、5%、10%、15%、20% 和 100% ZrO₂ 含量条件下制备涂层，并进一步针对优化组成考察 50、100、150、200 和 250 μm 厚度样品的结构和磨损特征。整体结果显示，复合涂层均优于未涂层基体，其中 10% ZrO₂ 含量和 200 μm 厚度的组合表现最佳。

3.1 Microstructure of the coatings
该部分通过 SEM 与 EDS 分析不同配比涂层的表面形貌与元素分布。研究表明，纯 CoNiCrAlY 涂层颗粒分布较均匀，但存在少量未熔颗粒；加入 5% 和 10% 纳米 ZrO₂ 后，颗粒分散性较好，熔融飞溅形貌明显，10% 配比表现出较均匀的 CoNiCrAlY 与 ZrO₂ 分布。EDS 进一步证实了复合涂层中各元素的存在。随着 ZrO₂ 含量提高至 15% 和 20%，表面出现更多空洞、波纹、不均匀起伏及颗粒团聚，说明颗粒间与层间结合变弱。100% ZrO₂ 涂层则因纳米颗粒团聚和分布不均而表现出较弱结合。

3.2 Wear loss
该部分比较了裸制动片与各类涂层样品的比磨损率、摩擦因数和磨屑质量。未涂层基体的比磨损率最高，为 8.179×10^-4 mm³/Nm。所有涂层均能改善耐磨性，其中 CoNiCrAlY 涂层和加入纳米 ZrO₂ 后的复合涂层分别使耐磨性提高 106.0% 和 275.32%。最低比磨损率出现在 CoNiCrAlY-10% ZrO₂ 涂层，为 2.1792×10^-4 mm³/Nm。研究人员认为，适量纳米颗粒的共沉积与均匀分布建立了更稳定的表面状态，而高含量 ZrO₂ 则因轻微至明显团聚而使磨损率回升。100% ZrO₂ 虽优于裸样，但劣于 CoNiCrAlY 基复合涂层，说明 CoNiCrAlY 基体对 ZrO₂ 的结合与承载具有关键作用。

3.3 Coefficient of friction (COF)
该部分显示，平均摩擦因数最低值为 0.747，对应 CoNiCrAlY-10% ZrO₂ 涂层。超过 10% 后，摩擦因数明显升高，20% ZrO₂ 涂层较 10% 组增加 121.26%。同时，磨屑收集量也体现出相似趋势：裸样磨屑最多，且多为片状；涂层样品磨屑多为细粉或晶体状。10% ZrO₂ 组具有最低摩擦因数和最少磨屑，说明其表面微观起伏更可控、颗粒分布更均匀；20% 组则因团聚、磨屑增加和表面高凸峰增多而导致摩擦恶化。

3.4 Wear morphology
该部分重点分析了 10% 和 20% ZrO₂ 涂层及 100% ZrO₂ 涂层的磨痕形貌。对 CoNiCrAlY-10% ZrO₂ 涂层而言，磨损表面存在连续沟槽、轻微断裂与剥落，表现为以磨粒磨损为主的疲劳磨损形貌。放大图显示，硬质微纳颗粒形成的表面微凸体诱发微犁削作用，但黏着和塑性变形并不显著。EDAX 证明磨损后表面仍保留复合涂层成分，同时氧含量升高，表明滑动过程中形成了氧化层。该氧化层有助于降低磨损率和摩擦因数。

对于 CoNiCrAlY-20% ZrO₂ 涂层，较高浓度纳米颗粒导致团聚和未熔颗粒累积，形成高平台与弱结合区。在载荷作用下，这些高凸峰易剥离，产生剥蚀坑、不规则磨痕和更大尺寸第三体磨粒，从而加剧塑性变形与材料去除。研究人员据此将其较差磨损性能归因于团聚抑制了弥散强化效应，并削弱了涂层结合强度。100% ZrO₂ 涂层则表现为颗粒松散吸附、局部压实开裂和较弱磨粒作用，耐磨性虽优于裸样，但不足以达到含 CoNiCrAlY 复合体系的水平。

3.5 Heat maps
该部分利用 Arduino Uno 板载红外传感相机构建热图，对磨损表面温度分布进行可视化表征。裸样平均温度为 40.8°C；纯 CoNiCrAlY 涂层平均温升达到 48.5°C。随着 ZrO₂ 含量增加，表面平均温度总体上升，10% ZrO₂ 组平均温度为 53.8°C，20% ZrO₂ 组最高温度达到 61.5°C。研究表明，较高温度与热量向基体渗透受阻、表面微凸体增多及团聚相关。20% ZrO₂ 组温度最高，反映出其表面粗糙峰和非均匀结构更易造成局部摩擦热集中。该研究说明，红外热图可为理解制动片磨损过程中的热-摩擦耦合行为提供有效手段。

3.6 Coating thickness microstructure
在确定 10% ZrO₂ 为优化组分后，研究人员进一步考察不同涂层厚度的截面微结构。SEM 截面图显示，各厚度涂层与基体均具有良好黏附。50、100 和 150 μm 样品表面存在较明显的尖锐起伏或波状不平；250 μm 样品也呈现较明显起伏。相比之下，200 μm 涂层表面更接近平整，且纳米 ZrO₂ 沿厚度方向分布更均匀，提示其结构完整性和服役稳定性更优。

3.7 Influence of Surface roughness on Specific wear rate
该部分通过 Talysurf 粗糙度测试分析涂层厚度对 Ra 与 Rz 的影响。结果显示，磨损前 Ra 随厚度由 50 μm 增至 250 μm 总体增加，这与热喷涂过程中熔融、半熔融和未熔颗粒叠层引起的表面形貌复杂化有关。200 μm 和 250 μm 组磨损前 Ra 变化较小，而 200 μm 组的 Rz 最低，为 9.635 μm，说明其峰谷高度差最小、颗粒分布更均匀。磨损后 Ra 与 Rz 也呈现相近规律，说明表面粗糙度与涂层微观均匀性密切影响耐磨表现。

3.8 Influence of coating thickness on Specific wear rate
该部分将不同厚度涂层在相同干滑动条件下进行磨损比较。结果显示，随着厚度从 50 μm 增加到 200 μm，耐磨性持续增强；200 μm 时性能最佳。50 μm 涂层过薄，难以有效承受外载，易发生变形失效；250 μm 涂层则因多层结构在接触压力下更易发生材料剥离，导致磨损率反而升高。100、150 和 200 μm 组的比磨损率较接近，但 150 μm 与 200 μm 表现更优。论文据此指出，涂层并非越厚越好，适中的厚度有助于在承载能力、结构稳定性和表面粗糙度之间取得平衡。

论文讨论部分总体围绕“成分优化—结构均匀性—磨损机制—热行为”之间的内在联系展开。研究表明，CoNiCrAlY 基体与纳米 ZrO₂ 第二相之间存在明显协同效应：前者提供较强支撑和结合骨架，后者赋予弥散强化和热稳定性。当 ZrO₂ 含量控制在 10% 左右时，复合涂层具有较好的颗粒分散性、较低摩擦因数、较少磨屑、较优磨痕形貌和良好的抗磨损能力；而当含量过高时，颗粒团聚、未熔颗粒和空洞增多，削弱了涂层的承载和抗磨能力，并引起更高表面温升。厚度研究进一步说明，200 μm 涂层在平整度、结合性和耐磨性之间达到了最佳平衡。该研究的重要意义在于为商用汽车制动片表面工程提供了可实施的微纳复合涂层设计依据，同时将低成本 Arduino 红外热图监测引入制动材料摩擦学评价，拓展了制动界面温度场分析方法。

研究结论部分可译为：本研究构建了用于汽车制动片的微米 CoNiCrAlY/纳米 ZrO₂ 颗粒复合涂层，重点考察其对摩擦学性能和热耐久性的协同增强作用。结果表明，与裸制动片相比，所制备涂层均可改善比磨损率，其中含 10% 纳米 ZrO₂ 且厚度为 200 μm 的 CoNiCrAlY 涂层表现出最低比磨损率。10% 纳米 ZrO₂ 在 CoNiCrAlY 基体中实现了均匀分散，可增强对外部滑动载荷所致位错运动的阻碍作用；200 μm 厚度涂层则与基体具有更好的结合强度，且沿厚度方向颗粒分布均匀。微米级 CoNiCrAlY 与纳米 ZrO₂ 的均匀复合分布还使 10% ZrO₂ 涂层获得了最低摩擦因数和最少磨屑质量。此外，滑动摩擦诱发的微凸体发热通过热图得到表征，其中 20% ZrO₂ 涂层温升最高，反映出由颗粒团聚和非均匀分布导致的较高表面微凸体。热图信息与磨屑质量数据可为理解制动片材料的磨损机制、耐久性和效率提供参考。