Recherche et développement de plaquettes de frein en céramique
Afin de répondre aux exigences de plus en plus exigeantes en matière de vitesse, de sécurité et de confort des voitures modernes, il est nécessaire de s'efforcer continuellement de développer des systèmes et des matériaux de freinage. La stabilité et la sécurité du matériau sont cruciales, notamment lors d'un freinage à haute température. Cet article donne un bref aperçu de la recherche et du développement des plaquettes de frein en céramique, explore le processus de préparation et les principaux problèmes techniques des plaquettes de frein en céramique pour automobiles, ainsi que leur énorme potentiel de marché. Il propose que les plaquettes de frein en céramique constitueront la tendance de développement des matériaux de friction pour freins automobiles, ce qui revêt une grande importance pour le développement des matériaux de frein en céramique.
En raison des problèmes de bruit, de vibration, de taux d'usure élevé et de courte durée de vie des matériaux de friction semi-métalliques et des matériaux de friction sans amiante principalement utilisés dans les systèmes de freinage automobile, les matériaux de friction composites carbone/carbone qui peuvent être remplacés peuvent avoir d'excellentes performances, mais leurs coûts sont relativement élevés et ne sont généralement utilisés que sur les avions. Les matériaux céramiques présentent les avantages d'une faible densité, d'un point de fusion élevé, d'une dureté élevée, d'une bonne stabilité chimique et d'une résistance à la corrosion, et ont été largement utilisés dans les matériaux de friction. Par conséquent, le développement de nouveaux matériaux de friction en céramique avec des performances de friction stables, un faible taux d'usure, une longue durée de vie, sans bruit ni vibration est devenu un domaine brûlant de recherche sur les matériaux de friction.
1. Historique de l'utilisation du matériau des plaquettes de frein
Le matériau traditionnel des plaquettes de frein est constitué de résine phénolique remplie de fibres d'amiante, où l'amiante est fabriquée à partir de minéraux silicatés et contient une certaine quantité d'eau cristalline dans sa composition. L'augmentation de la vitesse des voitures modernes a entraîné des températures de surface des composants de frein atteignant jusqu'à 300-500 degrés. Les matériaux de friction en amiante ont une mauvaise conductivité thermique et une mauvaise résistance à la chaleur et perdront de l'eau cristalline à environ 400 degrés. À 550 degrés, l’eau cristalline sera complètement perdue et l’effet fortifiant sera pratiquement perdu. Après déshydratation de l'amiante, cela peut provoquer un frottement instable, une détérioration du matériau de la couche de travail, une usure intensifiée et un phénomène évident de « récession thermique ». De plus, l'amiante a un effet cancérigène sur ses poussières lors de son traitement et de son utilisation, c'est pourquoi les plaquettes de frein à base d'amiante ont été interdites dans les pays industriels occidentaux, et la Chine a également restreint l'utilisation de ce type de matériau. Il est évident que les matériaux de friction organiques en amiante ne conviennent plus aux besoins de développement de l’industrie automobile et de la société moderne et seront progressivement remplacés par de nouveaux matériaux.
Le matériau des plaquettes de frein de deuxième génération est un matériau composite en graphite semi-métallique. Ses principaux composants sont la fibre d'acier, le graphite, la poudre métallique et leurs matériaux auxiliaires, qui sont liés et formés avec de la résine phénolique modifiée. Il doit son nom au fait que le métal contenu dans la plaquette de frein représente la moitié du poids total. Des pays comme les États-Unis, l’Europe et le Japon ont commencé à promouvoir leur utilisation à grande échelle dans les années 1960. La résistance à l'usure des tôles semi-métalliques est de plus de 25 % supérieure à celle des tôles d'amiante, et elles présentent également des avantages tels qu'un coefficient de frottement élevé, une bonne conductivité thermique et un traitement et un formage faciles. Par conséquent, ce type de matériau domine actuellement le marché des plaquettes de frein en Chine.
Cependant, le produit présente toujours les inconvénients suivants : ① les fibres d'acier sont sujettes à la rouille, ce qui peut facilement adhérer ou endommager le produit après la rouille, et la résistance du produit diminue et l'usure augmente après la rouille ; ② Une conductivité thermique élevée peut facilement provoquer une résistance de l'air dans le système de freinage à des températures élevées, entraînant le détachement de la couche de plaque de friction de la plaque d'acier ; ③ Une dureté élevée peut endommager le double matériau, entraînant des vibrations et un bruit de freinage à basse fréquence ; ④ Haute densité.
Le matériau des plaquettes de frein de troisième génération est un matériau de friction organique sans amiante (NAO). Les fibres de verre, les fibres de polyimide aromatiques ou d'autres fibres (telles que le carbone et la céramique) sont principalement utilisées comme matériaux de renforcement. Son principal avantage est qu'il maintient de bonnes performances de freinage à basse et haute température, réduit l'usure, réduit le bruit et prolonge la durée de vie des disques de frein. Le matériau des plaquettes de frein de type NAO a subi plusieurs changements, et désormais les matériaux NAO ont effectivement surpassé les performances des plaquettes de frein en amiante dans de nombreux aspects, principalement en termes de performances antifriction et de bruit.
Les plaquettes de frein en céramique constituent une nouvelle variété de matériaux de friction. Les plaquettes de frein en céramique sont composées de fibres céramiques, de charges sans fer, d'adhésifs et d'une petite quantité de métal. Ils présentent des avantages tels que l'absence de bruit, l'absence de poussière, l'absence de corrosion des moyeux de roue, une longue durée de vie et la protection de l'environnement.
2. Propriétés physiques et mécaniques de 2 plaquettes de frein en céramique
Les résultats des tests de comparaison des propriétés physiques et de la résistance aux chocs entre les nouvelles plaquettes de frein à base de céramique et les plaquettes de frein à base de résine sont présentés dans le tableau 1.
La nouvelle formule céramique utilise une variété de charges poreuses légères et ne contient aucun composant métallique (fibre d'acier, mousse, poudre de fer, métaux lourds, etc.). Par rapport à la formule semi-métallique, les plaquettes de frein en céramique ont une grande porosité ouverte et une faible densité. Parallèlement, comparés aux matériaux de friction à base de résine, les matériaux de friction à base de céramique ont également une dureté inférieure. Cela est principalement dû aux raisons suivantes : premièrement, il existe de nombreux pores à la surface des plaquettes de frein à base de céramique, ce qui réduit la surface efficace du matériau lui-même pour résister aux charges externes, ce qui entraîne des valeurs plus faibles lors des tests de dureté ; Deuxièmement, la résine phénolique est étroitement empilée avec des anneaux aromatiques rigides reliés par du méthylène, et après durcissement à haute température, sa dureté est relativement élevée ; Dans la formule à base de résine (formule semi-métallique ordinaire), il y a plus de composants métalliques (fibres d'acier), ce qui augmente également la dureté globale du matériau de friction à base de résine. En termes de résistance aux chocs, par rapport aux plaquettes de frein à base de céramique, les plaquettes de frein à base de résine ont une teneur relativement plus élevée en composants organiques, en particulier l'ajout de poudre de caoutchouc nitrile, qui disperse une quantité appropriée de particules de caoutchouc flexibles sur une résine rigide et dure continue. matrice, formant ce qu'on appelle « l'alliage à haut poids moléculaire ». Lorsque la matrice de caoutchouc résine est composée de particules de caoutchouc, en raison de l'élasticité des particules de caoutchouc, les fissures générées par la concentration des contraintes sont absorbées lorsque le matériau est impacté, empêchant ainsi l'expansion ultérieure des fissures et ralentissant le degré de dommage matériel. Au niveau macro, cela se manifeste par une amélioration de la résistance aux chocs du matériau ; Bien que les liants inorganiques contenus dans les formules céramiques aient de bons effets de liaison à haute température, leur flexibilité n'est pas bonne. Cependant, cet inconvénient peut être obtenu en modifiant le matériau des plaquettes de frein à base de céramique, en essayant de modifier le module d'élasticité des plaquettes de frein à base de céramique. La théorie des microfissures de Griffith peut être utilisée pour ajouter des particules ou des fibres de plastique à la matrice du matériau céramique afin de fabriquer des matériaux cermet ou composites, et peut également provoquer artificiellement un grand nombre de fissures extrêmement fines dans le matériau, l'utiliser pour absorber l'énergie et empêcher la propagation des fissures. L'émergence récente des céramiques ductiles est l'ajout de zircone à l'alumine, qui utilise la transformation de phase de la zircone pour générer des changements de volume et former un grand nombre de microfissures ou de contraintes internes importantes dans la matrice, améliorant ainsi la ténacité du matériau. Les procédés ci-dessus peuvent être appliqués à la recherche et à l'amélioration de plaquettes de frein à base de céramique, de sorte que les plaquettes de frein à base de céramique présentent non seulement une dureté extrêmement élevée, mais également une ténacité comparable à celle des plaquettes de frein à base de résine.
3. Problèmes techniques clés des plaquettes de frein en céramique
À l’heure actuelle, plusieurs problèmes techniques clés doivent être améliorés pour les matériaux de friction céramiques automobiles :
(1) Améliorer les performances et la qualité des adhésifs (résine et caoutchouc) pour les matériaux de friction (tels qu'une température de décomposition thermique élevée, une faible perte de chaleur, une faible teneur en phénol libre, un point de ramollissement élevé, une granulométrie fine, une bonne ténacité, etc.), et développer activement de nouveaux types de résines pour matériaux de friction ;
(2) Améliorer la conductivité thermique des matériaux de friction pour accélérer le transfert de chaleur de friction et prévenir la dégradation des performances causée par la décomposition des matériaux de friction ;
(3) Développer activement des charges poreuses légères et performantes pour réduire la densité du produit et réduire le bruit de freinage ;
(4) Améliorer le niveau des équipements de processus clés tels que le concassage, le mélange, le pressage à chaud et le traitement thermique (solidification), améliorer les opérations de processus, les méthodes de test et de contrôle de la qualité et assurer la stabilité de la qualité de la production de masse des produits ;
(5) Réduire le bruit de freinage induit par les plaquettes de friction ;
(6) Améliorer la résistance au cisaillement et à la compression des plaquettes de friction de frein pour un freinage sûr.
Grâce à la recherche et à l'analyse des propriétés physiques et mécaniques des nouvelles plaquettes de frein automobiles à base de céramique, on peut constater que les plaquettes de frein en céramique présentent des caractéristiques telles qu'un coefficient de frottement stable, une bonne résistance à la température, une longue durée de vie, un freinage confortable, aucun dommage au double disque, et aucun bruit de freinage. De plus, ils présentent une rentabilité élevée et de larges perspectives d’application.
Bien qu'il soit peu probable que les plaquettes de frein en céramique remplacent les plaquettes de frein traditionnelles à court terme, les voitures modernes s'orientent vers des performances élevées, une vitesse élevée, une sécurité et un confort. Cela nécessite que le système de freinage, en tant que composant important des automobiles, soit sûr et fiable. Dans le même temps, de nouveaux matériaux de freinage doivent être développés en permanence pour répondre à des exigences plus strictes. Les plaquettes de frein en céramique deviendront inévitablement une tendance de développement à l'avenir.
La recherche et le développement de nouveaux types de plaquettes de frein en céramique pour automobiles, en particulier des plaquettes de frein résistantes aux hautes températures, à faible bruit, sans métal et sans fibres, devraient modifier le statut d'application des plaquettes de frein existantes en Chine et auront un impact très important. une importance sociale et économique importante.
