1、,配方设计功能与材料性能,摩擦密封材料协会济南讲座 2010.03.06,二、配方设计基础与发展,配方设计功能与材料性能,配方设计 基础,基于,原理,设计 方法,测试 技术,1、摩擦磨损机理 2、材料属性（特性、贡献值） 3、应用原理（研究对象）,1、复合效应原理 2、有限元分析或三元图方法（两元素或三元素）加和法 （理论）1.分子表面性能应该等于各原子的贡献值之和。接触界面势垒理论。是一种新发展的理论，有望取代摩擦系数成为表征指标。 3、模型、数据库,1、测试设备和手段物理化学微观到宏观分析 （结构和性能） 摩擦磨损、机械物理性能 动力学模拟（惯性测力台） 噪音测试分析 2、分析技术和评估
2、3、数据库,产品设计 应用,材料机械物理特性,摩擦副,摩擦条件（PTV),IE 工程,配方设计功能与材料性能,一、配方设计功能与要求概要,纤维,基体,填料,二、.基体: 高分子粘结剂-树脂,配方设计功能与材料性能,二、.基体: 高分子粘结剂-树脂（范例）,配方设计功能与材料性能,1.三元图的制动性能试验（摩擦和磨损）以及热性能的试验评价,研究配比的三元图,制动试验,热性能试验,GTA 和 TGA温度曲线,配方设计功能与材料性能,三、增强纤维:,配方设计功能与材料性能,四、功能填料:,摩擦产品组分性能综合评评估：,配方设计功能与材料性能,惯性测力试验：,综合 性能,Pa Vb (T),（P-,
3、v -, T- ),复合效应,配方设计功能与材料性能,五、配方设计程序&方法&工具:,确定 目标功能,1.车型 ：轿车.轻卡.重卡 2.确定动能：（动能量级） 3.制动器型号结构 最大制动力矩 盘/鼓直径(mm) 盘/鼓厚度(mm) 名誉摩擦系数 机械效率(%) 3.摩擦产品功能 4.客户标准,材料属性,产品性能,设计 模型,技术参数 转化,1. 合成化学物理性能 组分材料性质 密度 孔隙率 比热 热传导，热容量 升温速率 2. 材料力学性质 硬度 弹性模量 抗压.绕.弯.剪强度 3. 摩擦特性,1.化学物理性能 抗腐蚀，防锈 2. 摩擦性能 合适的摩擦系数; （设计系数） 摩擦系数稳定性;
4、（动摩擦系数） 耐衰减性能；（PTV) 制动器噪音 (NVH) 耐磨性能 ， (寿命） 摩擦副相对性差异 涉水恢复性; 舒适性好 健康.安全.环保,1.化学物理特性 密度(g/cm3) PH 值 气孔率, 抗腐蚀粘附性 硬度 强度(M.Pa) 粘结强度(M.Pa) 冷热压缩(m) 热膨胀(10min) (m) 热传导() 2. 摩擦系数和磨损（各类标准）冷态.工作.系数 3.制动性能 台架标准（按类别要求）,1. 摩擦磨损模型： 静摩擦 动摩擦 磨损 2. 配方体系模型 3.产品模型 4.设计试验 5.试验测试 6. 数据库,设计方法: 有限元分析设计 &（三角坐标法）+ 数据库模型 + 经验
5、,工具: DFMEA 分析，优化试验设计，6SD设计，数据库,配方设计功能与材料性能,1、设计模型 - 摩擦在制动器应用的设计概念,动摩擦系数： = （P-, v -, T- ）,配方设计功能与材料性能,1、设计模型 - 摩擦在制动器应用的设计概念,动摩擦系数系统影响因素：,材料的机械特性,摩擦副材料属性,对偶属性,条件属性,接触面形态尺寸,（PTV),弹性模量 E 泊桑比 剪切强度 抗压屈服强度q /q 比值,F = Pa Vb (T),盘片：平面/平面 鼓片：曲面/曲面 摩擦界面 尺寸,制动效率,鼓,盘,P,M,配方设计功能与材料性能,1、设计模型 - 摩擦在制动器应用的设计概念 磨损类型
6、,产生磨损的根本原因：在于受摩擦负荷作用的物体与摩擦副系统中相关元素之间发生的机械、物理和化学作用的结果。,配方设计功能与材料性能,1、设计模型 - 摩擦在制动器应用的设计概念 磨损类型“氢脆”磨损和断裂形成,在摩擦刹车的制动过程中，有机刹车片与铸铁的刹车盘之间为滑动接触。在更高的摩擦温度下, 有机物的热降解和力化学反应,氢从有机树脂中脱离出来，致使刹车片表面发生碳富集。氢扩散到铸铁表面，导致氢浓度的增加,很轻易地氢浓度会超越临界浓度(饱和状态)后, 即产生”氢脆”现象。还有，刹车盘上的水或蒸汽也会导致氢扩散到刹车盘表面。刹车盘表面温度在200600范围内时，可以观测到氢与碳化铁之间的反应。该
7、反应的结果是甲烷和铁，方程式如下： Fe3C + 4H CH4 + 3Fe这意味着，该反应导致了刹车盘表面的脱碳化。不含碳的铁比基质的其它部分表现出更低的硬度。这会导致两种不同类型的铁之间的张力。虽然刹车盘表面不会发生化学变化，但物理结构变为马氏铁。断裂会沿与刹车盘表面平行的方向发生，刹车盘材质的薄膜会从刹车盘转移到刹车片内。为了防止氢在刹车过程中向刹车盘表面的大量扩散，推荐在刹车片中用其他添加剂来“束缚（捆绑）”氢。另一种可能是通过在刹车盘表面形成一层转移膜作为壁垒以防止氢扩散。刹车片中的一定添加剂在摩擦表面形成纳米级的转移膜作为壁垒防止了氢的扩散,降低了刹车盘的表面磨损发生裂痕、裂纹的危险
8、性.火车闸瓦是典型的案例。,配方设计功能与材料性能,1、设计模型 - 摩擦在制动器应用的设计概念 磨损类型“氢脆”磨损和断裂形成,配方设计功能与材料性能,1、材料属性 材料结构与性能,材料属性,设计模型,1、化学材料 组成 化学性能 理论密度 孔隙率 比热 热传导，热容量 升温速率2. 材料力学性质 硬度 弹性模量 抗压.绕.弯.剪强度3. 摩擦特性,配方体系,结构和 功能,桥架作用 理论密度,材料类型 半金属 低金属 NAO-陶 导热系数 高 中高 低 较高 中高 低,理论密度 产品设计性能,1.化学物理性能 抗腐蚀，防锈 2. 摩擦性能 合适的摩擦系数; （设计系数） 摩擦系数稳定性; （
9、动摩擦系数） 耐衰减性能；（PTV) 制动器噪音 (NVH) 耐磨性能 ， (寿命） 摩擦副相对性差异 涉水恢复性; 舒适性好 健康.安全.环保,压实密度,相关性和摩擦贡献值,转化,1.产品性能评价和控制 2.产品技术参数的转化 3.工艺技术参数转化 4. 成本&性价比分析,（1）密度：特性参数的意义：密度参数对摩擦和磨损、升温速率、热导性 及压缩模量等材料特性有着敏感性，是保证原型 产品设计定型后集中反映材料属性的非常重要指 标。原型产品设计定型后，将配方确定的理论密度 和相对密度即是将结果转化为生产过程控制的重 要特性参数。并给出参数的偏差。相对密度是根 据车型概念、产品特性要求并由化学材
10、料组成和 工艺条件确定的，它反映了配方的固有属性，并 用于生产过程的质量控制 ，保证投产的产品和原 始配方的一致性。,配方设计功能与材料性能,1、材料属性 密度特性参数&性能,（2）如密度低于要求密度时的影响：,偏低密度,标准密度,偏低密度,标准密度,磨损,制动力矩,2、用于过程的质量控制 用离散度大小和偏离中心值，评价质量的稳定性和一致性。,1、用于配方材料属性的控制和结果转化到生产： 偏离密度降低了制动力矩和增加磨损。,控制和转化,密度的功能和物理意义,关于压缩性在制动特性方面的物理意义：问题的提出： 1、摩擦片需要做压缩测试的意义？是因为噪音吗？如果是，会有什么影响呢？ 2、不同的材料，
11、如NAO和低金属，在压缩上会有显著区别吗？压缩性是衡量NVH的重要评价指标。压缩性即压缩率（Compressibility）是二十一世纪才被定义为摩擦材料的一个新的重要评价指 标，由Honeywell公司提出相关标准，并被广大业界接受和成为衡量噪声、振动、舒适性（NVH） 的重要评价指标。压缩性会有什么影响呢？对制动噪音的研究已建立实际制动器结构的动力学模型，从理论上对制动噪音进行了定量和定 性的分析。这一阶段较成熟的观点认为制动噪音是由摩擦闭环耦合诱发制动器各组成部件动态特性 匹配不当引起的自激振动。基于此观点，对盘式制动器的制动噪音的研究中，建立了包括制动钳、制动片和制动盘在内的藕 合模型
12、，此模型分析了结构参数对噪音倾向的影响，定义出控制压缩性是控制摩擦片产生噪音的一 个合适范围。显然，压缩性是在研究制动器系统中控制噪音的一个重要评价指标。而摩擦片的压缩性对噪音会 有什么影响呢？,配方设计功能与材料性能,1、材料属性 压缩性参数 & 性能,配方设计功能与材料性能,1、材料属性 压缩性参数 & 性能,这些因素在制动摩擦时会产生高频振动及相应噪音，但这些因素可以通过控制压缩性即压缩率在 合理的范围内来避免这些因素。控制压缩率，实际上还可以控制制动片的整体硬度在一个合适的 范围内，尽量减少制动噪音，同时兼顾摩擦材料的耐磨性。因此，普遍认为制动片的压缩率与整个制动系统的噪音有直接关系，
13、实际中表现为压缩率值高则 噪音小，压缩率值低则噪音大，但没有明确的相关性和相关指标。在制动器系统中，藕和振动频率（共振）是产生噪音的主要原因，因此摩擦片的压缩率指标范围 是根据藕和振动频率匹配的，如测试制动盘和卡钳在系统中的振动频率，测试摩擦片的振动频率 和压缩率指标范围，这样可以吸收共振频率而减少噪音。当然，这些指标是在产品设计时就已确 定并在生产过程中加以控制。,1、摩擦系数过高； 2、摩擦材料硬度高； 3高硬度材料含量高； 4、高温制动后摩擦材料表面形成光滑而硬的氧化层 5、碳化膜； 6、摩擦材料气孔率； 7、制动速度负阻尼 8、摩擦材料高温蠕变性和塑性变形；,摩擦片的压缩性对噪音会 会
14、有什么影响呢？,产生噪音因素,噪音 NVH,配方设计功能与材料性能,1、材料属性 压缩性参数 & 性能,从材料力学性能研究，压缩 率与材料的弹性模量有关，但 也所不同。弹性模量E 是弹性 应力和弹性应变之间的比值， 如下公式： 弹性模量E =/ = 弹性应力 =弹性应变,压缩性与弹性模量的相关性,摩擦材料的弹性模量 主要有三大因素的影响： 1、摩擦材料的组成； 2、摩擦材料的化学键； 3、摩擦材料的气孔率；,压缩率不同,弹性模量 不同,压缩性与材料噪音相关因素的影响：从压缩性的影响，半金属到低金属材料对噪音的影响因素，尤其钢纤维对低频和高频噪音的显著性影响，其解决方案更多的技术是从材料结构上改
15、进匹配，如底料、消音片，通过控制压缩率范围从而达到减少噪音的目的，所以控制压缩率是显著的。而NAO则不同，它从材料结构上不同与低金属材料，本身材料性质已减少降低了对噪音的影响因素，也降低了对压缩性敏感性。所以压缩性与低金属材料是显著不同的。,压缩模量 不同,半金属,低金属,NAO,压缩性对噪音的影响,配方设计功能与材料性能,1、材料属性 - 压缩性参数 & 性能,压缩性另外还有个重要的物理意义。这也是新的研究概念。1、压缩性与摩擦表面温度场的相关性。 控制压缩性合适的范围，可改善摩擦表面温度场。制动过程是动能转化热能的过 程，是通过摩擦界面热转换传递热能。摩擦热与摩擦界面接触面积和触点性质有关
16、。 界面接触面积定义为宏观接触、微观接触、微型触点。宏观接触不等于有良好的微观 接触，而微观接触又有不同的微型触点，这些微观摩擦行为对摩擦热产生的温度场、 升温速率有着显著的影响。微观接触面积越大，微型触点越多，可降低瞬间闪点摩擦 热和升温速率改善温度场。微观接触面积又与材料硬度有关，这些影响因素可以通过 控制压缩性指标范围调节减少这些影响因素。通常压缩率值大获得微观接触面积越 大，减少瞬间闪点摩擦热和低的热传导，改善摩擦界面温度场。2、热传导和热压缩性的关系。热传导和压缩性是间接关系。热传导和温度场是直接关系。在标准中一般规定热传 导要小于220，如果热传导温度过高，通过制动片传导到制动缸，
17、会引起制动液沸 腾产生汽化，致使热压缩失效而导致制动失效。,配方设计功能与材料性能,1、材料性能 防锈蚀 性能PH 值、粘附性,制动盘： C Si Mn P S Cu Cr +Mo % 3.6-3.8 1.75-1.95 0.5-0.8 0.1max 0.13man 0.40 0.30,PH,粘附性：盘片的防锈、防粘能力 可预防制动失效。 如盘片锈蚀，表面氧化层易诱发 粘连，制动时，粘附力使片易发生局部脱落。,1.制动盘严重侵蚀 （锈蚀）后易和摩 擦片发生了粘连。,Cr+Mo 元素影响,PH值中性 或略偏碱,铬: 铬是碳化物形成元素。铬除与碳结合成碳化物外，其余部分溶于基体内，从而提高基体的电极电位，对抗腐蚀是有利的.,含量 减少,1.抗氧化能力下降 2.硬度和韧性都降低。,含量 增多,韧性 硬度 耐磨性下降,
