1.汽车制动材料需要解决的关键技术
近年来，国内外对汽车制动材料进行了广泛的研究，并取得了巨大的研究成果。但目前，汽车制动材料还需解决以下两项关键技术：
伴随现代环保意识的增强，人们对汽车产生的噪音的问题越来越关注。因此，减少刹车片诱发的制动噪音成为一个重要的研究课题。汽车刹车片噪音，涉及到制动器的总成结构，而不单是制动材料本身的问题。目前，科学界对噪音的产生及形成机理还没有统一的定论。一般认为，其原因不外乎三种[20]：一是刹车片与对偶不匹配，产生共振或伤盘；二是刹车片的摩擦稳定性差；三是刹车片与制动对偶随制动比压、温度、速率的变化，双方材质互为粘附。为解决此问题，一般可以添加一些润滑剂和增韧剂，积极开发轻质和性能优越的多孔填料，以降低制动噪音。
2）提高摩擦材料粘结剂的性能。粘结剂是摩擦材料组成的核心，它性能的好坏直接影响刹车片的性能。一般来说，粘结剂应具有长寿命、良好的稳定性和较好的耐热性能，其中耐热性是关键。目前，人们普遍采用物理和化学的方法对酚醛树脂进行改性，其耐热性能大幅度提高。但随着车速的提高，对摩擦材料的热衰退性能提出了更高的要求。目前摩擦材料粘结剂的研究，已不再局限于树脂和橡胶，而且拓展到了利用金属粉末或金属硫化物在高温下具有的特殊性能，减少树脂在摩擦材料中的使用比例，以弥补树脂及橡胶在高温下的不足。因此，尽管采用高性能树脂能提高摩擦材料的耐热性能，但其改善毕竟有限，我们应更多的关注和利用金属粉末及金属硫化物的性能或开发一些新型的无机粘结剂。同时，材料的热传导性虽然是影响耐热性的间接因素，却非常重要。因此，为了降低制动温度，提高耐热性能，我们也可以从提高制动材料的导热系数入手，加快散热速度，防止材料因温度过高导致性能下降。
3 汽车制动材料的发展趋势
汽车工业的快速发展造成了汽车摩擦材料研究的白热化。为了开发能满足当代汽车工艺要求的全新制动材料，当前汽车制动材料发展趋势可以从以下几个方面来看。
3.1 制备工艺的改进及低成本化
目前汽车刹车片的市场主要以树脂基和半金属基复合摩擦材料为主，其制备技术已相对稳定和成熟，但由于树脂耐热性的问题，其摩擦性能还有待进一步提高。而对于一些金属和金属陶瓷基摩擦材料，虽然各方面性能较佳，由于其价格高、制造工艺复杂、成本因素制约了其在中低档汽车上的推广应用。各个国家在制造工艺方面均做了大量的研究，采用了许多先进技术，如对金属纤维的软化处理，对非金属纤维的蓬松处理和浸渍处理，对硬质原料粉末的球化处理，喷涂、挤压、大气压力固结（CAP）技术，组合固结，Starmix混粉技术，快速多项移动成型（BOG）技术，以及后续加工和表面处理等，均是为了全面提高摩擦材料的综合性能[38]。
3.2 材料的改性及配方的优化设计
汽车制动材料是以高分子化合物为粘结剂，以无机或有机类纤维为增强成分，以矿物粉体和有机粉体为摩擦性能调节剂制备而成的功能材料。其组成成分少则十几种，有时甚至添加了几十种不同的材料。根据各个组分在摩擦材料中所起的作用，一般将其分为增强纤维、有机粘结剂和填料。
3.2.1 原材料的改性研究
在原材料方面，对于增强纤维，由于单一纤维各有优缺点，且在不同方向上具有不同的力学和物理性能。因此，对纤维增强的摩擦材料而言，使用混杂纤维进行合理复合，使其充分发挥各自的优点，制成性能优良、成本较低的摩擦材料，必将成为摩擦材料的研究方向之一。对于树脂粘结剂，目前主要还是选用酚醛树脂，其最突出的优点是耐热性好，但在高温下会分解，使摩擦材料发生热衰退，摩擦磨损性能变差，因此酚醛树脂的改性也是其研究方向之一。对填料而言，在现代汽车制动材料中，有机粘结剂和增强纤维的用量正逐渐减少，以矿物为主的填料用量越来越多。各国都在积极研究开发一些轻质、多孔的无机填料，特别是当一些纳米粒子的填料加入时，产生了一种新型的摩擦材料，即纳米摩擦材料。
3.2.2 纳米摩擦材料
纳米复合材料的概念于20世纪80年代中期由Roy提出[27]。纳米复合材料具有优异的性能和广泛的应用价值，利用纳米粒子取代普通无机填料与聚合物基体复合，能大幅度提高聚合物材料的整体性能[28]。贺鹏等[29]将其作用归纳为以下几点：提高热性能，如热膨胀系数降低、导热系数大幅提高、阻燃性增强；改善力学性能，如同时增加强度和增加韧性、增强耐磨性、改进光电性能等。葛世荣等[30]人，制备了纳米SiO2和纳米TiO2填充PA1010尼龙复合材料，测试结果表明：填充纳米颗粒可以提高尼龙复合材料的力学性能，纳米SiO2和纳米TiO2作为填料可以提高PA1010的耐磨性，降低摩擦系数。其中纳米颗粒的最佳质量分数为10％。马世宁[31]等对纳米固体润滑干膜的摩擦学性能进行了研究，试验表明：添加纳米Al2O3粉末在摩擦系数略有增加的同时，耐磨性也得到了很好的改善。美国马里兰大学[32]材料系在实验室研制成功纳米Al2O3与橡胶的复合材料。这种材料与常规橡胶相比，耐磨性大大提高，介电常数也提高了将近一倍。
3.2.3 材料配方的优化设计
汽车制动材料一般采用模压成形法，因此材料的成分配方至关重要。目前在代表世界摩擦材料先进水平的欧洲和北美国家中，其摩擦材料先进的配方技术主要体现在：1）无石棉、无金属、无Kevlar等化学纤维和天然纤维、树脂含量低至5%~6%，并采用第二粘结剂。2）多体系复合材料的配方优化。多年以来，摩擦材料研究及应用的主导体系一直是以1维唯象的纤维为增强体、0维唯象的颗粒为填料和3维唯象有机基体组合而成的0-1-3型聚合物基复合材料体系。目前，国内外开展了多种新结构体系摩擦材料的研究，有研究者选用多种纤维、以2维唯象的层片为增强体，并与多种有机无机微粒和树脂混合制得0-1-2-3型复合体系摩擦材料。发现以相同的填充分数，可获得比单纯纤维和单纯粒子增强材料高的力学性能，并能同时兼顾强度和韧性、高温摩擦和磨损性能、综合性能优越。
在汽车制动材料配方优化设计的过程中，大量的专利技术和应用研究用来完善和提高制动材料的摩擦磨损性能。曹献坤[33]等人对Kevlar增强纤维的摩擦材料配方进行了研究设计。应用正交试验设计方法，以摩擦制品的摩擦系数、磨损量和冲击强度为试验指标，由多因素方差分析进行配方优化，得材料配比（Wt％）为：Kevlar纤维1～5，膨胀蛭石片40～50，改性酚醛树脂16～19，石墨5～8，有机摩擦粉10～15，无机填料10～18。杨金生[34]等对半金属制动材料的成分配方进行了改性并获得较好的制动摩擦磨损效果。国外商用摩擦材料的配方设计，由于涉及到商业秘密很少公开，在摩擦磨损机理研究中，只会简单给出实验材料的配方。韩国的Ho Jang等[35]学者，对复合摩擦材料中的Sb2S3ZrSiO4在表面摩擦过程中的特性进行了研究，并给出了材料的配方。美国专利[36]利用10%的aramid纤维，5%的钛酸钾纤维，与10%酚醛树脂和其他调节剂，在一定工况下，形成5~100μm厚的有机薄层，极大的减少了制动噪音与震颤。M.H.Choa[37]对灰铸铁制动鼓在摩擦过程中，灰铸铁摩擦表面的微观形貌变化进行了研究，并比较了有钢纤维摩擦材料与无钢纤维摩擦材料对灰铸铁表面的影响特性。
3.3 摩擦磨损理论的完善
汽车在制动时，即是发生在制动材料和金属刹车盘之间的摩擦过程。现代摩擦学往往把摩擦材料/金属刹车盘这一对摩擦副的相对运动过程，视为是摩擦学系统[21-22]。其基本思想是，把相对运动和相互作用的诸表面及参加作用的介质，抽象成由摩擦学元素构成的系统，然后依据系统学理论，把摩擦学系统归属于开式、离散、动态系统，研究摩擦过程中能量和材料的损失。与此同时，摩擦学系统的结构和功能，也随摩擦过程变化。可由图4所示系统模型来描述这一摩擦学系统[23]。
关于制动材料摩擦磨损机理的研究主要包括以下两方面:一方面是试图从理论上解释磨损机理，导致了不少磨损模型和假设的建立；另一方面是努力通过实验找到磨损的规律，使磨损机理的理论研究和实际应用结合起来，建立磨损的计算方法。迄今为止，关于制动材料摩擦磨损机理的研究很多，但由于制动材料中成分和组织以及材料性能的复杂性，还没有一个公认的理论能解释所有的摩擦磨损现象。目前己有的算式大部分是基于某一种磨损机理而建立的，或是根据特定的实验条件而建立的经验公式[24]。因此，关于其磨损机制的研究和磨损模型的建立还有待深入和完善[25]。一般来说，摩擦材料与金属对偶体系可反映5种磨损类型，即:磨粒磨损，粘着磨损，疲劳磨损，热磨损和宏观剪切磨损[26]。
另外，目前关于汽车制动材料的报导绝大多数仅局限于宏观层次上的研究，而很少从微观上进行分析。为了能对制动材料摩擦磨损机理有更好的认识，更现代化检测手段的运用显得十分必要。譬如，由于扫描电镜对非导电体的观测并不充分，而原子力显微镜提供了在原子、分子尺度上观察非导体表面形貌的有效手段，所以可以从更加微观的角度上对摩擦材料表面、磨屑以及对偶件的形貌特征和化学成分特征进行分析研究。同时，随着新材料和微电子技术的迅速发展，人们将微电子技术和微传感器技术用于摩擦材料，形成能够自动检测制动过程中摩擦系数、摩擦力、摩擦量及表面温度的功能摩擦材料，进而通过控制技术自动调节制动过程中的制动力和表面温度，这将有助于更深入的了解制动过程中的摩擦磨损现象。这些都是未来制动材料发展的重要方向。
4 结束语
当今世界，节能和环保是汽车工业的两大主题。因此，今后汽车制动材料的主要研究方向是更安全、更轻量化、更省燃油。这不仅需要新材料的开发，还需要采用新结构、新系统，从而大幅度提高制动材料的摩擦磨损性能，实现轻量化，达到节能的目的。
近几年来，随着我国汽车工业的突飞猛进，制动材料也取得了很大的发展。但跟国外相比，还有一定的差距。为开发新型的制动材料，我们应审时度势，随时跟踪国际市场，根据我国国情发展自己的汽车制动材料；在努力提高产品质量及批量稳定性的同时，开发新产品，满足不同车种和行驶条件的要求；改善树脂粘结剂质量并开发新型的无机粘结剂；采用新工艺、新型摩擦材料，为振兴我国汽车工业做出应有的贡献。
