文档介绍：原文:Development of fly ash-based automotive brake lining
粉煤灰基的汽车制动衬片的研究
摘要
火力发电厂每一年在全世界产生大量的粉煤灰, 其中美国就能独自产生7千万吨。在美国只有40%的粉煤灰能够被有效利用而剩下的则必须进行处理,这些就成为了工业负担。粉煤灰颗粒具有某些特性,这使他们作为填料而适用于摩擦复合材料。人们通过研究试图将超过50wt%的粉煤灰颗粒作为汽车刹车片摩擦复合材料。这篇论文介绍了这项研究关于摩擦复合材料的发展并采用了伊利诺伊州的某一家发电厂的粉煤灰。采用酚醛树脂、玻璃纤维、芳纶浆料、石墨、钛酸钾、铝纤维和铜粉以及粉煤灰等用于复合材料的研发。所研制的汽车刹车片复合材料的摩擦系数在稳定的范围(-),磨损率低于12wt%。
关键词:粉煤灰,填料,刹车片,定速试验,SEM表征
1、简介
、背景:汽车制动器衬复合材料
制动器是汽车零部件中最重要的安全性和功能部件。在美国汽车使用的大部分的刹车衬是金属纤维增强酚醛树脂基的,被称为半金属型。但是也有其他类型的衬片材料,可分类为金属,有机及碳基材料。多数制动器衬片是由典型的多种不同材料混合而成的复合材料。有时使用的成分高达20甚至25种。这些成分可分为四大类:粘合剂,结构材料,填料和摩擦添加剂/改性。粘合剂将其它的成分结合在一起,结构材料能够加固复合材料基体,填料组份可使制动衬成本下降,摩擦剂使摩擦系数保持稳定[1]。上述成分被期许能够协同作用以制备优化刹车片,即在不同操作条件下能够提供一致的摩擦磨损性能,同时产生的振动和噪音小,成本低,且能够大规模生产。
1989年在美国的环境保护机构颁布关于使用石棉制动器衬片的禁令之前,最优先考虑石棉材料的。石棉的几个工程特点使得它非常适合用于刹车片。石棉的热稳定度高达500℃,它可以让在使用过程中的摩擦表面再生,它的热绝缘,强大和灵活的性能。更主要的是,它易得且价廉。然而,由于对石棉的禁令,研究人员不得不挣扎着拿出一个同样有效的替代方案。其中,重晶石、云母和腰果壳当中的一些已经被考虑作为填料来使用[2]。
、粉煤灰作为灰刹车片填料
煤碳燃烧副产品是煤碳燃烧过程中的无机残留物,粉煤灰便是此类副产品。在美国,粉煤灰的处理是整个电厂关于环境和经济的责任,而且在整个处理过程中还会遇到环保法规和处理费用问题。比起地表蓄水处理,其他约40%的粉煤灰在美国被广泛有益利用,如混凝土,堤防的应用,路底基层等
[3]。同时,很少有文献尝试用粉煤灰增强复合材料。
粉煤灰由细颗粒组成(平均颗粒直径在10—30mm之间),具有均匀的物理和工程特性。粉煤灰具有比重低的特点,在2—3之间,相比之下可作为现代刹车片原料。粉煤灰颗粒通常在高温下生成,即1000℃以上。因此,他们应该在高温环境中提供一个具有热稳定性的大容器以制成摩擦复合材料的经验。另外,大部分的粉煤灰都含有大量的硅,氧化铝,硫酸钙和未燃烧的碳,这些组分已经被广泛应用于目前的商业制动器衬片。粉煤灰颗粒的比热容也很高(800千焦耳/公斤K),这个特性使得粉煤灰可以存储多余的热量产生制动衬和转子的接口。低电导率使得粉煤灰可能有助于防止产生的热量传导向刹车垫板一方而可能导致制动液可蒸发。最后,粉煤灰的成本费用几乎可忽略不计。上述特点说明了粉煤灰可作为制动衬摩擦复合材料。
另一方面,由于各个发电厂煤的使用质量及其全面的燃烧过程的差异使得世界各地的粉煤灰在矿物学成分上存在差异。然而,如果发电厂是基载站(即发电厂具有稳定的电力发电量),那么电厂产生的粉煤灰在整体矿物学成分上就不会相差太大。在伊利诺伊州卡本戴尔用于这项研究的粉煤灰颗粒获得了利用基负荷稳定功率,而且,在试图将特定的粉煤灰加入之前必须检测这种粉煤灰具有合适的矿物学特性。在同样情况下,典型的发电厂产生足够数量的粉煤灰供应给商业刹车片制作单位作为原材料,因此,制造商可能不会遇到在质量上存在差异的粉煤灰。
人们已致力于即将粉煤灰加入到刹车片复合材料中,与其他原料进行最优化配比,其中粉煤灰含量高达25wt%[4-6]。马尔霍特拉等[6]已经发现在摩擦复合材料中掺入粉煤灰和底灰颗粒可增大其整体摩擦系数。他们还得出结论认为,粉煤灰颗粒的性能类似于耐磨材料如Al2O3, Cr2O3 and SiC。这些基体复合材料的制备使用了酚醛树脂、熔渣纤维和洗涤器污泥。Filip和Hee利用全系列汽车底盘式机(SAE J2430)测试了含量高达25 wt%粉煤灰的制动器样品,证明了该样品的表现优于市售的原刹车片。
表1、粉煤灰的化学成分
化学成分 wt%
SiO2
Al2O3
Fe2O3
SO3
CaO
MgO