Nghiên cứu và phát triển má phanh gốm
Để đáp ứng yêu cầu ngày càng khắt khe về tốc độ cao, an toàn và tiện nghi trên những chiếc ô tô hiện đại, cần phải không ngừng nỗ lực phát triển hệ thống phanh và vật liệu phanh. Đặc biệt khi phanh ở nhiệt độ cao, độ ổn định và an toàn của vật liệu là rất quan trọng. Bài viết này cung cấp một cái nhìn tổng quan ngắn gọn về nghiên cứu và phát triển má phanh gốm, tìm hiểu quá trình chuẩn bị và các vấn đề kỹ thuật chính của má phanh gốm ô tô cũng như tiềm năng thị trường khổng lồ của chúng. Nó đề xuất rằng má phanh gốm sẽ là xu hướng phát triển của vật liệu ma sát phanh ô tô, có ý nghĩa rất lớn đối với sự phát triển của vật liệu phanh gốm.
Do các vấn đề về tiếng ồn, độ rung, tốc độ mài mòn cao và tuổi thọ ngắn của vật liệu ma sát bán kim loại và vật liệu ma sát không chứa amiăng chủ yếu được sử dụng trong hệ thống phanh ô tô, vật liệu ma sát tổng hợp cacbon/cacbon có thể thay thế được có thể có hiệu suất tuyệt vời, nhưng giá thành của chúng tương đối cao và thường chỉ được sử dụng trên máy bay. Vật liệu gốm có ưu điểm là trọng lượng riêng nhỏ, điểm nóng chảy cao, độ cứng cao, ổn định hóa học tốt và chống ăn mòn nên đã được sử dụng rộng rãi trong vật liệu ma sát. Do đó, việc phát triển vật liệu ma sát gốm mới với hiệu suất ma sát ổn định, tốc độ mài mòn thấp, tuổi thọ cao, không gây tiếng ồn và rung động đã trở thành một lĩnh vực nghiên cứu vật liệu ma sát nóng.
1.Lịch sử sử dụng vật liệu má phanh
Vật liệu má phanh truyền thống được làm từ nhựa phenolic chứa đầy sợi amiăng, trong đó amiăng được làm từ khoáng chất silicat và chứa một lượng nước tinh thể nhất định trong thành phần của nó. Tốc độ của ô tô hiện đại tăng lên đã khiến nhiệt độ bề mặt của các bộ phận phanh lên tới 300-500 độ . Vật liệu ma sát amiăng có tính dẫn nhiệt và chịu nhiệt kém, sẽ mất nước kết tinh ở khoảng 400 độ. Ở nhiệt độ 550 độ, nước kết tinh sẽ bị mất hoàn toàn và tác dụng tăng cường về cơ bản đã mất đi. Sau khi amiăng bị khử nước, nó có thể gây ra ma sát không ổn định, làm hư hỏng vật liệu của lớp làm việc, tăng độ mài mòn và hiện tượng "tụt nhiệt" rõ ràng. Ngoài ra, amiăng còn có tác dụng gây ung thư bụi trong quá trình gia công và sử dụng nên má phanh gốc amiăng đã bị cấm ở các nước công nghiệp phương Tây và Trung Quốc cũng hạn chế sử dụng loại vật liệu này. Rõ ràng là vật liệu ma sát hữu cơ amiăng không còn phù hợp với nhu cầu phát triển của ngành công nghiệp ô tô và xã hội hiện đại mà sẽ dần được thay thế bằng vật liệu mới.
Vật liệu má phanh thế hệ thứ hai là vật liệu composite than chì bán kim loại. Thành phần chính của nó là sợi thép, than chì, bột kim loại và các vật liệu phụ trợ của chúng, được liên kết và hình thành bằng nhựa phenolic biến tính. Nó được đặt tên theo hàm lượng kim loại trong má phanh chiếm một nửa tổng trọng lượng. Các quốc gia như Hoa Kỳ, Châu Âu và Nhật Bản bắt đầu thúc đẩy việc sử dụng chúng trên quy mô lớn vào những năm 1960. Khả năng chống mài mòn của tấm bán kim loại cao hơn 25% so với tấm amiăng và chúng còn có những ưu điểm như hệ số ma sát cao, dẫn nhiệt tốt, dễ gia công và tạo hình. Vì vậy, loại vật liệu này hiện đang thống trị thị trường má phanh tại Trung Quốc.
Tuy nhiên, sản phẩm vẫn có những nhược điểm sau: ① Sợi thép dễ bị rỉ sét, dễ bám dính hoặc làm hỏng sản phẩm sau khi rỉ sét, độ bền của sản phẩm giảm và độ mài mòn tăng sau khi rỉ sét; ② Độ dẫn nhiệt cao có thể dễ dàng gây ra lực cản không khí trong hệ thống phanh ở nhiệt độ cao, dẫn đến tách lớp tấm ma sát ra khỏi tấm thép; ③ Độ cứng cao có thể làm hỏng vật liệu kép, dẫn đến rung động và tiếng ồn phanh tần số thấp; ④ Mật độ cao.
Vật liệu má phanh thế hệ thứ ba là vật liệu ma sát hữu cơ không chứa amiăng (NAO). Sợi thủy tinh, sợi polyimide thơm hoặc các loại sợi khác (như carbon và gốm sứ) chủ yếu được sử dụng làm vật liệu gia cố. Ưu điểm chính của nó là duy trì hiệu suất phanh tốt cả ở nhiệt độ thấp và cao, giảm mài mòn, giảm tiếng ồn và kéo dài tuổi thọ của đĩa phanh. Chất liệu của má phanh loại NAO đã trải qua một số thay đổi, và hiện nay vật liệu NAO đã vượt qua hiệu quả của má phanh amiăng về nhiều mặt, chủ yếu là về hiệu suất chống ma sát và tiếng ồn.
Má phanh gốm là một loại vật liệu ma sát mới. Má phanh gốm được cấu tạo từ sợi gốm, chất độn không chứa sắt, chất kết dính và một lượng nhỏ kim loại. Chúng có những ưu điểm như không gây tiếng ồn, không bám bụi, không bị ăn mòn trục bánh xe, tuổi thọ cao và bảo vệ môi trường.
2.Đặc tính cơ lý của 2 má phanh gốm
Kết quả thử nghiệm các tính chất vật lý và so sánh độ bền va đập giữa má phanh gốm mới và má phanh nhựa được thể hiện trong Bảng 1
Công thức gốm mới sử dụng nhiều loại chất độn xốp nhẹ và không chứa bất kỳ thành phần kim loại nào (sợi thép, bọt, bột sắt, kim loại nặng, v.v.). So với công thức bán kim loại, má phanh gốm có độ xốp mở lớn và mật độ thấp. Trong khi đó, so với vật liệu ma sát gốc nhựa, vật liệu ma sát gốc gốm cũng có độ cứng thấp hơn. Điều này chủ yếu là do các lý do sau: thứ nhất, có nhiều lỗ rỗng trên bề mặt má phanh gốm, làm giảm diện tích hữu hiệu của vật liệu để chịu được tải trọng bên ngoài, dẫn đến giá trị nhỏ hơn trong quá trình kiểm tra độ cứng; Thứ hai, nhựa phenolic được xếp chặt với các vòng thơm cứng được nối với nhau bằng methylene, và sau khi xử lý ở nhiệt độ cao, độ cứng của nó tương đối cao; Trong công thức gốc nhựa (công thức bán kim loại thông thường), có nhiều thành phần kim loại hơn (sợi thép), điều này cũng làm cho độ cứng tổng thể của vật liệu ma sát gốc nhựa cao hơn. Về độ bền va đập, so với má phanh gốm, má phanh nhựa có hàm lượng thành phần hữu cơ tương đối cao hơn, đặc biệt là bổ sung thêm bột cao su nitrile, giúp phân tán một lượng hạt cao su dẻo thích hợp trên một lớp nhựa cứng và cứng liên tục. ma trận, tạo thành cái gọi là "hợp kim phân tử cao". Khi ma trận cao su nhựa bao gồm các hạt cao su, do tính đàn hồi của các hạt cao su, các vết nứt do nồng độ ứng suất tạo ra sẽ được hấp thụ khi vật liệu bị tác động, cản trở sự mở rộng hơn nữa của các vết nứt và làm chậm mức độ hư hỏng vật liệu. Ở cấp độ vĩ mô, nó được biểu hiện dưới dạng sự cải thiện về độ bền va đập của vật liệu; Mặc dù chất kết dính vô cơ trong công thức gốm có tác dụng liên kết tốt ở nhiệt độ cao nhưng tính linh hoạt của chúng lại không tốt. Tuy nhiên, nhược điểm này có thể đạt được bằng cách sửa đổi vật liệu của má phanh gốm, cố gắng thay đổi mô đun đàn hồi của má phanh gốm. Lý thuyết vết nứt vi mô Griffith có thể được sử dụng để thêm các hạt hoặc sợi nhựa vào ma trận vật liệu gốm để chế tạo vật liệu gốm kim loại hoặc composite, đồng thời cũng có thể gây ra một số lượng lớn các vết nứt cực nhỏ trong vật liệu một cách nhân tạo, sử dụng nó để hấp thụ năng lượng và ngăn chặn sự lan truyền vết nứt. Sự xuất hiện gần đây của gốm dẻo là việc bổ sung zirconia vào alumina, sử dụng sự biến đổi pha của zirconia để tạo ra sự thay đổi thể tích và hình thành một số lượng lớn các vết nứt nhỏ hoặc ứng suất bên trong đáng kể trong ma trận, từ đó cải thiện độ dẻo dai của vật liệu. Các phương pháp trên có thể được áp dụng để nghiên cứu và cải tiến má phanh gốm, để má phanh gốm không chỉ có độ cứng cực cao mà còn có độ dẻo dai tương đương với má phanh nhựa.
3.Các vấn đề kỹ thuật chính của má phanh gốm
Hiện nay, có một số vấn đề kỹ thuật quan trọng cần được cải thiện đối với vật liệu ma sát gốm ô tô:
(1) Cải thiện hiệu suất và chất lượng của chất kết dính (nhựa và cao su) cho vật liệu ma sát (như nhiệt độ phân hủy nhiệt cao, mất nhiệt thấp, hàm lượng phenol tự do thấp, điểm làm mềm cao, kích thước hạt mịn, độ bền tốt, v.v.), tích cực phát triển các loại nhựa mới làm vật liệu ma sát;
(2) Cải thiện tính dẫn nhiệt của vật liệu ma sát để tăng tốc độ truyền nhiệt ma sát và ngăn chặn sự suy giảm hiệu suất do sự phân hủy của vật liệu ma sát;
(3) Tích cực phát triển các chất độn xốp nhẹ và hiệu suất cao để giảm mật độ sản phẩm và giảm tiếng ồn khi phanh;
(4) Nâng cao trình độ của các thiết bị xử lý chủ chốt như nghiền, trộn, ép nóng và xử lý nhiệt (hóa rắn), cải thiện vận hành quy trình, phương pháp kiểm tra và kiểm soát chất lượng, đồng thời đảm bảo tính ổn định của chất lượng sản xuất hàng loạt sản phẩm;
(5) Giảm tiếng ồn phanh do miếng ma sát gây ra;
(6) Cải thiện độ bền cắt và độ bền nén của má phanh ma sát để phanh an toàn.
Qua nghiên cứu và phân tích các tính chất cơ lý của má phanh ô tô gốm mới, có thể thấy, má phanh gốm có các đặc tính như hệ số ma sát ổn định, chịu nhiệt độ tốt, tuổi thọ cao, phanh thoải mái, không gây hư hại cho phanh. đĩa kép và không có tiếng ồn khi phanh. Hơn nữa, chúng có hiệu quả chi phí cao và triển vọng ứng dụng rộng rãi.
Mặc dù má phanh gốm khó có thể thay thế má phanh truyền thống trong thời gian ngắn nhưng những chiếc xe hiện đại đang hướng tới hiệu suất cao, tốc độ cao, an toàn và thoải mái. Điều này đòi hỏi hệ thống phanh, với tư cách là một bộ phận quan trọng của ô tô, phải an toàn và đáng tin cậy. Đồng thời, vật liệu phanh mới phải liên tục được phát triển để đáp ứng những yêu cầu khắt khe hơn. Má phanh gốm chắc chắn sẽ trở thành xu hướng phát triển trong tương lai.
Việc nghiên cứu và phát triển hơn nữa các loại má phanh gốm ô tô mới, đặc biệt là má phanh chịu nhiệt độ cao, độ ồn thấp, không chứa kim loại và không có sợi, dự kiến sẽ thay đổi trạng thái ứng dụng của các má phanh hiện có ở Trung Quốc và sẽ có rất nhiều tác động. ý nghĩa quan trọng về kinh tế và xã hội.
