可持续制动片开发：集成微米和纳米级陶瓷增强材料及碳纳米管以提升摩擦学性能

《Journal of Composites Science》：Sustainable Brake Pad Development: Integrating Micro- and Nano-Sized Ceramic Reinforcements and Carbon Nanotubes for Enhanced Tribological Performance

　　

鉴于传统制动片材料（如石棉和铜）引发的环境和健康问题，开发可持续、高性能的摩擦复合材料对汽车工业至关重要。本研究探讨了将微米和纳米级Al₂O₃、SiC及碳纳米管（CNTs）引入新型环保、无石棉、无铜制动片配方中的效果。通过冷压和热模压工艺制备了六种复合材料样品：五种配方分别包含单一、尺寸控制的微米/纳米级增强材料（Al₂O₃、SiC和CNTs），以及一种参比配方（CBP# Reference），其中包含未精炼的商用级Al₂O₃和SiC组合，替代了尺寸控制的添加剂。对所有配方的物理、机械和摩擦学性能进行了严格表征。纳米Al₂O₃配方显示出最高密度（2.197 g/cm³）和抗压强度（249.7 MPa），而微米SiC配方实现了优异的耐磨性，记录了最低质量损失（0.0053 g）和最高硬度（90 HV）。纳米SiC配方提供了最均衡的整体性能，兼具高硬度（86.2 HV）与所有样品中最高的平均摩擦力（33.65 N）以及最稳定的摩擦力-时间响应。CNT增强配方产生了最高的最大摩擦力（42.07 N），但相较于陶瓷增强样品，其密度、硬度和抗压强度仅呈中等程度改善。与CBP#参比相比，所有五种开发的配方均表现出更高的硬度、摩擦系数以及更低的质量损失，证实了其作为汽车制动摩擦应用中持久、可持续替代材料的潜力。

**论文解读：基于微纳米陶瓷颗粒与碳纳米管增强的可持续制动片开发**

**研究背景与问题**
制动片是汽车安全系统的关键部件，通过将动能转化为热能实现减速，直接影响道路安全。传统制动片广泛使用石棉纤维作为增强材料，因其耐热性和摩擦性能优异且成本低，但石棉已被证实会导致间皮瘤等呼吸系统疾病，因此被逐步淘汰。同时，铜化合物作为摩擦改性剂，被识别为对水生生态系统有害的环境污染物。美国华盛顿州法案（SB 6557）和加州制动片合作法要求降低制动片中的铜含量，欧盟REACH法规（EC No. 1907/2006）也对有害化学品进行严格管控。制造商面临的挑战是开发环保型制动片，在不牺牲摩擦系数、耐磨性、热稳定性、降噪性和可制造性等关键性能的前提下满足法规要求。现有研究已探索陶瓷颗粒（如氧化铝Al₂O₃、碳化硅SiC）和碳纳米管（CNTs）作为增强材料，但多为单独或有限组合研究，缺乏在统一环保配方下系统比较微米与纳米尺寸及不同增强类型对性能影响的综合评估。本研究旨在开发无石棉、无铜的制动片复合材料，通过系统引入微米和纳米级Al₂O₃、SiC及CNTs，填补这一空白，为下一代可持续摩擦复合材料的设计提供实用指导。

**研究内容与结论**
研究人员通过冷压和热模压工艺制备了六种复合材料样品：五种配方分别包含单一尺寸控制的微米/纳米级增强材料（微米Al₂O₃、纳米Al₂O₃、微米SiC、纳米SiC、CNTs），以及一种参比配方（CBP# Reference），其中使用未精炼的商用级Al₂O₃和SiC组合。所有配方均系统表征了物理、机械和摩擦学性能。结果表明，纳米Al₂O₃配方具有最高密度（2.197 g/cm³）和抗压强度（249.7 MPa），归因于纳米颗粒的均匀分散提高了致密性和结构完整性；微米SiC配方实现了最高硬度（90 HV）和最低质量损失（0.0053 g），反映其优异耐磨性；纳米SiC配方提供了最均衡的综合性能，兼具高硬度（86.2 HV）和最高平均摩擦力（33.65 N）以及最稳定的摩擦力-时间响应；CNT增强配方产生了最高最大摩擦力（42.07 N），但密度、硬度和抗压强度仅为中等改善。所有五种开发配方在硬度、摩擦系数方面均超过参比商用制动片，且质量损失更低，证实其作为可持续高性能替代材料的潜力。该研究发表在《Journal of Composites Science》。

**主要关键技术方法**
- 微观结构表征：使用场发射扫描电子显微镜（FE-SEM，FEI Inspect S50，荷兰）配备二次电子（SE）和背散射电子（BSE）探测器，以及能量色散X射线光谱（EDS，Bruker AXS XFlash Detector 410-M，德国）分析元素组成。
- 晶体结构分析：X射线衍射（XRD，Bruker D6，德国）使用Cu Kα辐射，鉴定物相。
- 力学性能测试：依照ASTM D695，用300 kN万能试验机（WDW-300，中国济南）测定压缩强度；依照ASTM E384，用维氏硬度计（Model HV-10，Zwick/Roell，德国）测量硬度，加载100 gf，保载15 s。
- 摩擦学性能测试：依照ASTM G99，用销-盘式摩擦试验机（Model T-01M，?ukasiewicz Research Network，波兰）在干燥滑动条件下（室温25±2°C，18 min）测定摩擦力与磨损量，对偶材料为灰铸铁盘（硬度257 HV），载荷50 N，滑动速度1.0 m/s。

**研究结果**
*3.1. 化学成分与微观结构分析*
通过EDS分析三种商用制动片，发现元素组成差异显著（如Ba、Ti、Ca含量不同）。SEM和EDS映射显示，微米Al₂O₃（M-Al₂O₃）样品呈现均匀致密结构，Al元素分布均匀；纳米Al₂O₃（N-Al₂O₃）样品具有更连续的分散和更致密的微观结构；微米SiC（M-SiC）样品显示角状颗粒均匀嵌入，无严重团聚；纳米SiC（N-SiC）样品呈现更精细均匀的分布，颗粒间距减小；CNT增强样品虽无法直接分辨CNT，但形貌致密，碳元素分布均匀。XRD图谱显示，所有样品在27–29° 2θ范围共有峰，SiC增强样品中纳米SiC峰更尖锐，且纳米SiC在34.0°出现独特反射峰，对应钙铝硅酸盐相（如钙长石CaAl₂Si₂O₈和钙铝榴石Ca₃Al₂Si₃O₁₂）。

*3.2. 物理与力学性能*
密度测试表明，N-Al₂O₃#2密度最高（2.197 g/cm³），超过商用参比（2.115 g/cm³），Al₂O₃增强比SiC和CNT更有利于致密化。硬度测试中，M-SiC#3硬度最高（90 HV），所有配方均远超商用参比（48 HV），SiC增强整体优于Al₂O₃和CNT，微米尺寸略优于纳米尺寸。

*3.3. 摩擦与磨损测试*
摩擦系数（CoF）计算显示，商用参比CoF最低（0.620），开发配方CoF范围0.784–0.841，CNT配方最高（0.841），纳米颗粒比微米颗粒产生更高CoF。质量损失测试中，M-SiC#3磨损最低（0.0053 g），商用参比最高（0.0106 g），所有配方磨损均低于商用参比。比磨损率（SWR）计算同样确认M-SiC#3最低（4.87×10^-8 cm³/N·m，较商用参比降低47.5%）。压缩强度测试中，N-Al₂O₃#2最高（249.7 MPa），商用参比为163.8 MPa，M-Al₂O₃#1最低（86.7 MPa）。载荷-位移曲线显示N-Al₂O₃#2峰值载荷最高（≈32.9 kN）。摩擦力-时间曲线分析表明，N-Al₂O₃#2跑合期最短（~200 s），准稳态摩擦力持续上升；N-SiC#4跑合期极短（~100–150 s），摩擦力最稳定且最高；CNTs#5跑合期约150–200 s后进入稳定振荡带，无持续漂移，优于商用参比。磨损表面SEM显示，N-Al₂O₃#2表面光滑稳定，N-SiC#4表面粗糙、多微裂纹，CNTs#5介于两者之间。

**结论**
本研究成功开发了环保、无石棉、无铜的制动片复合材料，增强材料为微米/纳米级Al₂O₃、SiC和CNTs。结果表明，增强材料类型和颗粒尺寸显著影响复合材料的物理、机械和摩擦学性能。N-Al₂O₃复合材料具有最高密度（2.197±0.008 g/cm³）和抗压强度（249.7±5.1 MPa），表明其结构完整性优异。M-SiC配方实现了最高硬度（90±2.1 HV）和最低质量损失（0.0053±0.0002 g），在滑动条件下耐磨性出色。N-SiC复合材料提供了机械强度与摩擦学性能的最佳组合，而CNT增强复合材料产生了最高的最大摩擦力（42.07±1.1 N），凸显其提升制动效率的潜力。总体而言，这些发现证实，优化增强材料和颗粒尺寸对于设计高性能、可持续的制动摩擦复合材料至关重要，使其能够满足日益严格的环境法规而不牺牲制动性能。开发的配方性能与商用制动片相当或更优，展示了其未来汽车应用的潜力。未来工作将聚焦于磨损表面SEM/EDS详细磨损机理分析、长期耐久性和热稳定性评估，以及纳米增强制动片配方的工业可扩展性评估。