文献翻译-应用于摩擦制动的均匀复合材料.doc

1、应用于摩擦制动的均匀复合材料有活性渗透性的原始陶瓷材料（例如，硅在铝液中可以形成一个氧化铝-铝复合反应）是一种低成本和多种方法制造的材料并且由均匀的陶瓷和金相相互作用而成。这种材料通过控制成分和原始微观结构与反应浴的成分，来控制最终材料的结构和性能。本文概括了通过这些方法创造新一代的材料为汽车制动转子的初步尝试。两种类型的材料已经进行了测试。第一类型的材料是一个两级水平的氧化铝-铝结构的复合，这种结构包围着的碳化硅颗粒提供导热性。在较高温度下使用，铝合金被铝青铜代替。这两种材料表明其摩擦与磨损性能与铸铁相似，但是其密度是铸铁的一半并且有较好的导热性。简介汽车和卡车在过去的几十年在性能、可靠性和

2、安全性已有显著的改进。刹车系统也已采用高科技，许多智能系统也是如防锁死卡车。然而，圆盘的摩擦是刹车系统的核心且仍然是老问题。50多年来，灰色铸铁一直占有主导地位。铸铁的统治地位在汽车制动方面显而易见。铸铁价格低，在机械加工中很容易加工，并且在机械加工中有很大的平台，垫子为系统履行非常好，但是不能显示过量或者圆盘磨损。尽管铸铁有这些优点，但是比较重尤其是密度大约是7.15克/cc.铸铁具有相当良好的热导电性。石墨结构具有热导电性，在m-k中具有大约40-50w的值.替代材料具有低密度和较高的热导电性可以降低其生命周期成本并且改善效率和性能，但是价格比铸铁初期生产更加昂贵。热导电性是至关重要的。因

3、为高的热导电值更加有效的把垫子转子内部的热量传出去，致使垫子转子有较低的温度。降低垫子的温度有很重要的影响。首先，假如温度足够高可以使垫子产生快速的缩变，气压层在垫子和圆盘间显著的减少刹车性能。其次，较高温度通常可以加速垫子降格与减少生命。最后，为了提高圆盘面的较长生命，在使用温度范围以上圆盘应该具有相对较高的硬度，在垫子和转子的表面发展有益的传送胶片。目前，传送胶片的发展主要考虑实证方式。一个关键部位是更换铸铁制动器材料比如陶瓷可以减少圆盘质量。这样有很多优点，它不仅可提高燃油经济性，而且也因为它是旋转的结构有一个大的放大器所需要的能量使转子相对于车辆本身有旋转速度。同时，由于制动器重量小，

4、这样可以显著改善处理性能。使用在航空航天系统的碳-石墨方面，其制动系统重量轻，保时捷提到硅石和石墨黏合转子作为一部分（大部分消费者不能够负担，包括这些作者）。然而大部分材料科学家对于给定的应用选择一种材料基于它的性质或性能，成本的比例不能过大。如果用于商业化生产目前主张使用该方法，该方法的成本被广泛的接受。本文报道了一类新材料的初步发展，这类新材料基于均匀的金属-陶瓷结构的相互发展，相对于传统的陶瓷该结构有较好的韧性和较小的脆性并且有硬耐磨表面和好的热导电性。这种加工方式是不同寻常的，但潜在的是成本低。初步研究显示它具有的摩擦和磨损的特点和高的温度能力与铸铁相媲美。这些材料的优点是密度低、热导

5、电率高。这些材料在应用于安全方面如刹车至关重要，而且应用前需要系统和工艺优化。网状均匀复合材料Excera材料集团股份有限公司（原俗称的BFD公司）的成立基于 M.Breslin和他同事的工作引导， 表明先进的复合材料有氧化铝和铝通过浸入网状的硅预制成液体铝创造而成的。由于二氧化硅热力学不稳定与铝作用下将发生反应形成氧化铝，反应式：3SiO2+4Al2Al2O3 +3Si实际上，制造过程始于创造一个网状体含有二氧化铝和硅浸泡在洗浴液里通常硅胶质量的很多倍。当反应发生时其体积的三分子单元的氧化铝产生有大约其母体积两单元二氧化硅的70%。该体积的转变有氧化铝通过浇道和型芯口补偿的，合金是湿的组成合

6、金浴。这种复合材料有均匀的氧化铝和铝组织相互作用，其中陶瓷占该结构的大约70%。这一反应重要的是可以得到微观形状的二氧化硅。也就是说这样可以得到氧化铝-铝复合材料和原始二氧化硅具有相同的形状和尺寸除了同型收缩了大约1%.这一基本反应和由此产生的氧化铝-铝复合材料的性能已经被几篇文章记载了。Excera公司一直致力于商品化用这种方法，谈及到这类反应已经被命名为Onnex贸易。在这一类反应中加工过程有显著的柔性，在材料生产上有很好的通用性。正如W.Liu 和U.Koster那样清楚的阐释。这种活性渗入在大量的系统下能被用来创作均匀的复合材料只要反应显示热力学良好，产生的氧化物的体积相对于子氧化物小

7、些，在这种情况下，反应浴通过简单的合金和其他组织或者化合物添加到原始物质里可以减缓。陶瓷添加到原始物质里既可以是惰性的比如氧化铝和碳化硅颗粒也可以是活性的如碳化硼。当碳化硼添加到原始物质里的这种情况下他们在铝制的反应浴中将会形成硼-铝-碳化合物这种基本方法的通用性如插图1所示。图1 多功能的ONNEX系统的示意图 图2氧化铝 - 铝复合典型的微观结构 根据二氧化硅，可以改变结构，化学，或目前 50SiC颗粒分散70砂砾阶段。化学和合金镀液温度也可以改变。通过这些变化，可广泛用于丰富的陶瓷复合材料的生产，如右侧所示。 应用在刹车的Onnex 材料的性能这项研究课题的材料是由细粒二氧化硅粉末和70

8、-砂砾碳化硅颗粒注浆创造而成的。铸造被干燥，然后在铝-硅合金里烧结、转化。在一些情况下这些材料在这种状态下被检验。同时，为了改善该产品的温度能力，形成一个额外的变化铝-硅金属构件被铝青铜取代。在这篇文章中四种分离的物质被讨论：所有复合材料的制备与二氧化硅反应30%和50SiC和AL-25Si合金反应。热膨胀系数=弹性模量。.30% 70-grit 碳化硅和硅反应转变为铝-25硅.50% 70-grit 碳化硅和硅反应转变为铝-25硅.40% 70-grit碳化硅和硅反应转变为铝-25硅.50% 70-grit碳化硅和硅反应转变为铝-25硅 被95400青铜合金代替模拟垫压力1.72兆帕97公里

9、/小时。40的碳化硅铝复合材料的离心铸造材料的不同变化。P-I表示压力渗透瓶坯。负磨损的数字表明转子转移科幻流明的积聚。复合材料基于有30%和50%体积分数的组合是有细粒二氧化硅和70-grit碳化硅创造和转变的，他们的性能被A.Farmer.进行了测量。他们的性能在表I中得到总结，一个具有代表性的微观结构图在图2中显示，表明大约50%的体积由分散的碳化硅颗粒占据着，在他们之间由均匀的氧化铝和铝-硅合金。表I的数据清晰的显示了碳化硅组织在材料中的重要角色。碳化硅如果相对纯的话其热导电率值超过200W/m-K.碳化硅在改善这些复合材料的热导电性起着重要的角色。增加碳化硅的数量，减少其密度和热膨胀

10、系数进而提高该物质的热导电性和刚度。相对较大的碳化硅颗粒也象物质中的flaws，从一个相对自由的碳化硅物质中减少其强度。通过减少碳化硅颗粒的大小可以增加其强度，尽管生产起来比较有点困难。相对较高的热导电性再加上低的热膨胀系数使复合材料具有显著的非常好的热抗震性水平尽管强度低，这些材料目前应用在商业生产处理液铝铸造中。50%碳化硅材料与铝金属构件的摩擦和磨损行为的研究一直被视为在磨损以前，因为它有较简单的氧化铝-铝复合材料组成这些材料的框架。相关的汽车制动的摩擦副测试已经在Tribo材料技术LLC和Rockwell 科技公司完成了，两家公司都在加利福尼亚州，Thousand Oaks.10厘米直

11、径的圆盘被捏造和在实验仪器室为磨损性能进行了测试。该测试在一个固定的时间以恒转矩运行，其转子嵌入在磨损表面下通过热电偶测试了其温度。温度被保持在一个平稳水冷式底板上，垫子被固定在水平环保持架上靠着垫子旋转。轴向负荷要求测得的扭转力保持一致。从这些数据来看，得到摩擦系数。测试后的重量被装载在机器的旋转的部分上垫块材料决定磨损率和磨损性能。各种各样的垫块被使用尤其是测试进行了1000-2000次每秒钟。基于带有碳化硅ONNEX材料已经得到期望的混合性质在转子上进行了测试，这些材料由40% 70-grit碳化硅 石英硅反应转变为铝-25硅制成的。以前使用的普通的垫块材料来自Toyota Camry.

12、在这项研究力，几种不同的潜在转子材料被研究，应用在转子的这些材料（物质）被测试指定为有潜在的适应能力。测试在一定温度范围内进行，结果研究表明的最高温度为500摄氏度。如图表格III所示。在这种高温度条件下所有这些材料被高的磨损率和中转胶片的打碎所挑战除了这种ONNEX材料。在较低温度下，填充的ONNEX材料倾向有点耐磨对于库存的Camry垫块材料相对于铸铁和其他一些新奇的候选材料。本报道包括了数据指出铝 金属基复合材料进行测试结果表明温度不应超过400摄氏度下使用。然而这种ONNEX材料可以在至少500摄氏度下使用。同时，这种ONNEX材料在整个温度范围内有一个可以接受的摩擦系数。车辆刹车性能

13、在许多情况下如较高温度下仍然具有。居住在长期多山的后裔如欧洲的阿尔卑斯山Grosslockner 后裔，常被用作测试案例轻型车辆中的光盘温度可达650摄氏度。其温度可以高于卡车和重型车辆。参考文献1. 2. M.C. Breslin, “Process for Preparing Ceramic-Metal-Composite Bodies,” BFD, Inc., U.S. patent 5,214,011(25 May 1993).3. K.G. Ewsuk et al., Metall. Mat. Trans., 27A (8) (1996),pp. 21222129.4. M.C. B

14、reslin et al., Ceram. Eng. Sci. Proc., 5 (4)(1994), pp. 104112.5. M.C. Breslin et al., Mat. Sci. Eng., A195 (1995), pp.113119.6. G.S. Daehn et al., Acta Mater., 44 (1) (1996), pp.249261.7. W. Liu and U. Kster, Mater. Sci. Eng., A210 (1996),pp. 17.8. A. Farmer (Senior Research Thesis, Departmentof Ma

15、terials Science and Engineering, Ohio StateUniversity, 2000). Note: Weibull statistics are based onover 40 measurements for each material.9. M.Y. Chen and M.C. Breslin, Wear, 249 (2002), pp.868876.10. L. Ceschini et al., Wear, 216 (1998), pp. 229238.11. V. Imbeni, I.M. Hutchings, and M.C. Breslin, Wear,235 (1999), pp. 233235.12. D. Herling et al., PNNL-DOE report, Friction PairTesting of Candidate Metal Composite Brake Materials(2002), full report available at