ต้นกำเนิดและการพัฒนาผ้าเบรก

ผ้าเบรกถือเป็นชิ้นส่วนด้านความปลอดภัยที่สำคัญที่สุดในระบบเบรก ซึ่งมีบทบาทชี้ขาดต่อคุณภาพของเอฟเฟกต์เบรก และผ้าเบรกที่ดีจะช่วยปกป้องผู้คนและยานพาหนะ (เครื่องบิน)

ประการแรก ที่มาของผ้าเบรก

ในปี พ.ศ. 2440 HerbertFrood ได้ประดิษฐ์ผ้าเบรกชิ้นแรก (โดยใช้ด้ายฝ้ายเป็นเส้นใยเสริมแรง) และใช้ในรถม้าลากและรถยนต์ในยุคแรกๆ ซึ่งก่อตั้งบริษัท Ferodo Company ที่มีชื่อเสียงระดับโลก จากนั้นในปี พ.ศ. 2452 บริษัทได้คิดค้นผ้าเบรกที่ทำจากแร่ใยหินชนิดแข็งตัวแรกของโลก ในปี 1968 ผ้าเบรกที่ทำจากกึ่งโลหะตัวแรกของโลกได้ถูกประดิษฐ์ขึ้น และตั้งแต่นั้นเป็นต้นมา วัสดุเสียดสีก็เริ่มพัฒนาไปสู่การปราศจากแร่ใยหิน ในประเทศและต่างประเทศเริ่มศึกษาเส้นใยทดแทนแร่ใยหินหลายชนิด เช่น เส้นใยเหล็ก ใยแก้ว เส้นใยอะรามิด คาร์บอนไฟเบอร์ และการใช้งานอื่นๆ ในวัสดุเสียดสี

ประการที่สอง การจำแนกประเภทของผ้าเบรก

มีสองวิธีหลักในการจำแนกประเภทวัสดุเบรก ประการหนึ่งแบ่งตามการใช้สถาบัน เช่นวัสดุเบรกรถยนต์ วัสดุเบรกรถไฟ และวัสดุเบรกการบิน วิธีการจำแนกประเภทนั้นง่ายและเข้าใจง่าย หนึ่งจะแบ่งตามประเภทของวัสดุ วิธีการจำแนกประเภทนี้มีความเป็นวิทยาศาสตร์มากกว่า วัสดุเบรกสมัยใหม่ส่วนใหญ่ประกอบด้วยสามประเภทต่อไปนี้: วัสดุเบรกที่ทำจากเรซิน (วัสดุเบรกที่มีแร่ใยหิน วัสดุเบรกที่ไม่มีแร่ใยหิน วัสดุเบรกที่ใช้กระดาษ) วัสดุเบรกที่เป็นโลหะผง วัสดุเบรกคอมโพสิตคาร์บอน/คาร์บอน และวัสดุเบรกที่ทำจากเซรามิก

ประการที่สาม วัสดุเบรกรถยนต์

1 ประเภทของวัสดุเบรกรถยนต์ตามวัสดุการผลิตจะแตกต่างกัน สามารถแบ่งออกเป็นแผ่นใยหิน แผ่นกึ่งโลหะ หรือแผ่นโลหะต่ำ แผ่น NAO (สารอินทรีย์ที่ปราศจากใยหิน) แผ่นคาร์บอนคาร์บอน และแผ่นเซรามิก
1.1.แผ่นใยหิน

ตั้งแต่เริ่มแรก แร่ใยหินถูกนำมาใช้เป็นวัสดุเสริมแรงสำหรับผ้าเบรก เนื่องจากเส้นใยแร่ใยหินมีความแข็งแรงสูงและทนต่ออุณหภูมิสูง จึงสามารถตอบสนองความต้องการของผ้าเบรก จานคลัตช์ และปะเก็นได้ เส้นใยนี้มีความสามารถในการรับแรงดึงที่แข็งแกร่ง สามารถจับคู่กับเหล็กเกรดสูงได้ และสามารถทนต่ออุณหภูมิสูงถึง 316 ° C ยิ่งไปกว่านั้น แร่ใยหินยังมีราคาถูกอีกด้วย สกัดจากแร่แอมฟิโบลซึ่งพบได้ในปริมาณมากในหลายประเทศ วัสดุเสียดสีแร่ใยหินส่วนใหญ่ใช้เส้นใยแร่ใยหิน ได้แก่ แมกนีเซียมซิลิเกตไฮเดรต (3MgO·2SiO2·2H2O) เป็นเส้นใยเสริมแรง เพิ่มสารตัวเติมสำหรับปรับคุณสมบัติแรงเสียดทาน วัสดุคอมโพสิตเมทริกซ์อินทรีย์ได้มาจากการกดกาวในแม่พิมพ์กดร้อน

ก่อนปี 1970 แผ่นเสียดสีชนิดใยหินมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในโลก และครองอำนาจมายาวนาน อย่างไรก็ตามเนื่องจากแร่ใยหินมีประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนต่ำ ความร้อนจากแรงเสียดทานไม่สามารถกระจายออกไปได้อย่างรวดเร็ว จะทำให้ชั้นสลายตัวเนื่องจากความร้อนของพื้นผิวเสียดสีหนาขึ้น เพิ่มการสึกหรอของวัสดุ ในระหว่างนี้. น้ำใสของเส้นใยแร่ใยหินมีการตกตะกอนที่อุณหภูมิสูงกว่า 400°C คุณสมบัติการเสียดสีลดลงอย่างเห็นได้ชัด และการสึกหรอจะเพิ่มขึ้นอย่างมากเมื่ออุณหภูมิถึง 550°C หรือมากกว่า น้ำคริสตัลสูญเสียไปมาก การปรับปรุงจะหายไปอย่างสมบูรณ์ ที่สำคัญกว่านั้น ได้รับการพิสูจน์ทางการแพทย์แล้ว แร่ใยหินเป็นสารที่สร้างความเสียหายอย่างร้ายแรงต่ออวัยวะระบบทางเดินหายใจของมนุษย์ กรกฎาคม 1989 สำนักงานคุ้มครองสิ่งแวดล้อมแห่งสหรัฐอเมริกา (EPA) ประกาศว่าจะมีการห้ามนำเข้า ผลิต และแปรรูปผลิตภัณฑ์แร่ใยหินทั้งหมดภายในปี 1997

1.2 แผ่นกึ่งโลหะ

เป็นวัสดุเสียดสีชนิดใหม่ที่พัฒนาขึ้นบนพื้นฐานของวัสดุเสียดสีอินทรีย์และวัสดุเสียดสีโลหะผสมผงแบบดั้งเดิม ใช้เส้นใยโลหะแทนเส้นใยแร่ใยหิน เป็นวัสดุเสียดทานที่ไม่มีแร่ใยหินซึ่งพัฒนาโดย American Bendis Company ในช่วงต้นทศวรรษ 1970
ผ้าเบรกไฮบริด "กึ่งโลหะ" (Semi-met) ส่วนใหญ่ทำจากฝอยเหล็กหยาบเป็นเส้นใยเสริมแรงและเป็นส่วนผสมที่สำคัญ ผ้าเบรกอินทรีย์ชนิดใยหินและชนิดไม่มีแร่ใยหิน (NAO) สามารถแยกแยะความแตกต่างจากรูปลักษณ์ได้อย่างง่ายดาย (เส้นใยละเอียดและอนุภาค) และยังมีคุณสมบัติทางแม่เหล็กบางอย่างอีกด้วย

วัสดุเสียดสีกึ่งโลหะมีลักษณะสำคัญดังต่อไปนี้:
(l) มีความเสถียรมากต่ำกว่าค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทาน ไม่ก่อให้เกิดการสลายตัวเนื่องจากความร้อน เสถียรภาพทางความร้อนที่ดี
(2) ทนต่อการสึกหรอได้ดี อายุการใช้งาน 3-5 เท่าของวัสดุเสียดสีแร่ใยหิน
(3) ประสิทธิภาพการเสียดสีที่ดีภายใต้ค่าสัมประสิทธิ์การเสียดสีโหลดสูงและมีเสถียรภาพ
(4) การนำความร้อนที่ดี การไล่ระดับอุณหภูมิมีขนาดเล็ก เหมาะอย่างยิ่งสำหรับผลิตภัณฑ์ดิสก์เบรกขนาดเล็ก
(5) เสียงเบรกเล็กน้อย
สหรัฐอเมริกา ยุโรป ญี่ปุ่น และประเทศอื่นๆ เริ่มส่งเสริมการใช้พื้นที่ขนาดใหญ่ในทศวรรษ 1960 ความต้านทานการสึกหรอของแผ่นกึ่งโลหะสูงกว่าแผ่นใยหินมากกว่า 25% ปัจจุบันครองตำแหน่งที่โดดเด่นในตลาดผ้าเบรกในประเทศจีน และรถอเมริกันส่วนใหญ่ โดยเฉพาะรถยนต์และรถยนต์โดยสารและรถบรรทุกสินค้า ผ้าเบรกกึ่งโลหะมีสัดส่วนมากกว่า 80%
อย่างไรก็ตามผลิตภัณฑ์ยังมีข้อบกพร่องดังต่อไปนี้:
(l) เส้นใยเหล็กเป็นสนิมง่าย ติดง่ายหรือเสียหายคู่หลังเกิดสนิม และความแข็งแรงของผลิตภัณฑ์ลดลงหลังเกิดสนิม และการสึกหรอเพิ่มขึ้น
(2) การนำความร้อนสูงซึ่งง่ายต่อการทำให้ระบบเบรกสร้างความต้านทานก๊าซที่อุณหภูมิสูง ส่งผลให้ชั้นแรงเสียดทานและแผ่นเหล็กหลุดออก:
(3) ความแข็งสูงจะสร้างความเสียหายให้กับวัสดุคู่ ส่งผลให้เกิดการสั่นและเสียงเบรกความถี่ต่ำ
(4) ความหนาแน่นสูง
แม้ว่า "กึ่งโลหะ" จะไม่มีข้อบกพร่องเล็กๆ น้อยๆ แต่เนื่องจากมีเสถียรภาพในการผลิตที่ดี ราคาต่ำ จึงยังคงเป็นวัสดุที่ต้องการสำหรับผ้าเบรกรถยนต์

1.3. ฟิล์มหนาว
ในช่วงต้นทศวรรษ 1980 มีผ้าเบรกไร้ใยหินชนิดไฮบริดผสมไฟเบอร์หลายชนิดในโลก ซึ่งก็คือผ้าเบรกประเภท NAO สารอินทรีย์ไร้ใยหินรุ่นที่สาม มีวัตถุประสงค์เพื่อชดเชยข้อบกพร่องของวัสดุเบรกกึ่งโลหะเสริมใยเหล็กเดี่ยว เส้นใยที่ใช้ ได้แก่ เส้นใยพืช เส้นใยอารามง ใยแก้ว ใยเซรามิก คาร์บอนไฟเบอร์ ใยแร่และอื่น ๆ เนื่องจากการใช้เส้นใยหลายชนิด เส้นใยในผ้าเบรกจึงเสริมประสิทธิภาพซึ่งกันและกัน และง่ายต่อการออกแบบสูตรผ้าเบรกพร้อมประสิทธิภาพที่ครอบคลุมเป็นเลิศ ข้อได้เปรียบหลักของแผ่น NAO คือการรักษาประสิทธิภาพการเบรกที่ดีที่อุณหภูมิต่ำหรือสูง ลดการสึกหรอ ลดเสียงรบกวน และยืดอายุการใช้งานของจานเบรก ซึ่งแสดงถึงทิศทางการพัฒนาในปัจจุบันของวัสดุเสียดสี วัสดุเสียดสีที่ใช้โดยผ้าเบรก Benz/Philodo แบรนด์ดังระดับโลกคือวัสดุอินทรีย์ไร้แร่ใยหิน NAO รุ่นที่สาม ซึ่งสามารถเบรกได้อย่างอิสระที่อุณหภูมิใดๆ ปกป้องอายุการใช้งานของผู้ขับขี่ และเพิ่มอายุการใช้งานของเบรก แผ่นดิสก์

1.4 แผ่นคาร์บอนคาร์บอน
วัสดุเสียดสีคอมโพสิตคาร์บอนคาร์บอนเป็นวัสดุชนิดหนึ่งที่มีเมทริกซ์คาร์บอนเสริมด้วยคาร์บอนไฟเบอร์ คุณสมบัติการเสียดสีนั้นดีเยี่ยม ความหนาแน่นต่ำ (เฉพาะเหล็ก); ระดับความจุสูง มีความจุความร้อนสูงกว่าวัสดุโลหะผงและเหล็กกล้ามาก ความเข้มความร้อนสูง ไม่มีการเสียรูปปรากฏการณ์การยึดเกาะ อุณหภูมิในการทำงานสูงถึง 200 ℃; แรงเสียดทานและการสึกหรอที่ดี อายุการใช้งานยาวนาน ค่าสัมประสิทธิ์การเสียดสีมีเสถียรภาพและปานกลางระหว่างการเบรก แผ่นคอมโพสิตคาร์บอน-คาร์บอนถูกนำมาใช้ครั้งแรกในเครื่องบินทหาร ต่อมาถูกนำมาใช้โดยรถแข่ง Formula 1 ซึ่งเป็นการใช้วัสดุคาร์บอนคาร์บอนเพียงอย่างเดียวในผ้าเบรกรถยนต์
วัสดุเสียดสีคอมโพสิตคาร์บอนคาร์บอนเป็นวัสดุพิเศษที่มีความเสถียรทางความร้อน ความต้านทานการสึกหรอ การนำไฟฟ้า ความแข็งแรงจำเพาะ ความยืดหยุ่นจำเพาะ และคุณสมบัติอื่นๆ อีกมากมาย อย่างไรก็ตาม วัสดุเสียดสีคอมโพสิตคาร์บอน-คาร์บอนก็มีข้อบกพร่องดังต่อไปนี้: ค่าสัมประสิทธิ์การเสียดสีไม่เสถียร ความชื้นได้รับผลกระทบอย่างมาก
ความต้านทานต่อการเกิดออกซิเดชันต่ำ (เกิดออกซิเดชันอย่างรุนแรงที่อุณหภูมิสูงกว่า 50 ° C ในอากาศ) ข้อกำหนดสูงสำหรับสิ่งแวดล้อม (แห้ง สะอาด) มันมีราคาแพงมาก การใช้งานถูกจำกัดอยู่ในฟิลด์พิเศษ นี่เป็นเหตุผลหลักว่าทำไมการจำกัดคาร์บอนของวัสดุคาร์บอนจึงเป็นเรื่องยากที่จะส่งเสริมในวงกว้าง

1.5 ชิ้นเซรามิก
เป็นผลิตภัณฑ์ใหม่ในวัสดุเสียดสี ผ้าเบรกเซรามิกมีข้อดีคือ ไม่มีเสียงดังรบกวน ไม่มีเถ้าล้ม ไม่กัดกร่อนดุมล้อ อายุการใช้งานยาวนาน รักษาสิ่งแวดล้อม และอื่นๆ ผ้าเบรกเซรามิกได้รับการพัฒนาโดยบริษัทผ้าเบรกของญี่ปุ่นในช่วงทศวรรษ 1990 ค่อยๆ กลายเป็นที่รักคนใหม่ของตลาดผ้าเบรก
ตัวแทนทั่วไปของวัสดุเสียดทานที่ทำจากเซรามิกคือคอมโพสิต C/ C-sic ซึ่งก็คือคอมโพสิตเมทริกซ์ C/SiC ของซิลิกอนคาร์ไบด์เสริมใยคาร์บอน นักวิจัยจากมหาวิทยาลัย Stuttgart และสถาบันวิจัยการบินและอวกาศแห่งเยอรมนีได้ศึกษาการใช้วัสดุคอมโพสิต C/ C-sic ในด้านการเสียดสี และพัฒนาผ้าเบรก C/ C-SIC สำหรับใช้ในรถยนต์ Porsche ห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Oak Ridge กับวัสดุคอมโพสิต Honeywell Advnanced, HoneywellAireratf Lnading Systems และระบบ Honeywell CommercialVehicle บริษัทกำลังทำงานร่วมกันเพื่อพัฒนาผ้าเบรกคอมโพสิต C/SiC ต้นทุนต่ำเพื่อทดแทนเหล็กหล่อและผ้าเบรกเหล็กหล่อที่ใช้ในยานพาหนะที่ใช้งานหนัก

2 ข้อดีของผ้าเบรคคอมโพสิตคาร์บอนเซรามิก:
1 เมื่อเทียบกับผ้าเบรกเหล็กหล่อสีเทาแบบดั้งเดิม น้ำหนักของผ้าเบรกคาร์บอนเซรามิกจะลดลงประมาณ 60% และมวลที่ไม่ระบบกันสะเทือนจะลดลงเกือบ 23 กิโลกรัม
2 ค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานของเบรกเพิ่มขึ้นสูงมาก ความเร็วปฏิกิริยาของเบรกจะเพิ่มขึ้น และการลดทอนของเบรกจะลดลง
3 การยืดตัวของแรงดึงของวัสดุคาร์บอนเซรามิกอยู่ระหว่าง 0.1% ถึง 0.3% ซึ่งเป็นมูลค่าที่สูงมากสำหรับวัสดุเซรามิก
4. แป้นเหยียบดิสก์เซรามิกให้ความรู้สึกสบายอย่างยิ่ง สามารถสร้างแรงเบรกสูงสุดในระยะเริ่มแรกของการเบรกได้ทันที ดังนั้นจึงไม่จำเป็นต้องเพิ่มระบบช่วยเบรกด้วยซ้ำ และการเบรกโดยรวมจะเร็วขึ้นและสั้นกว่าระบบเบรกแบบเดิม ;
5 เพื่อต้านทานความร้อนสูง มีฉนวนความร้อนเซรามิกระหว่างลูกสูบเบรกและผ้าเบรก
6. ดิสก์เบรกเซรามิกมีความทนทานเป็นพิเศษ หากการใช้งานปกติเปลี่ยนฟรีตลอดอายุการใช้งาน และโดยทั่วไปจะใช้ดิสก์เบรกเหล็กหล่อธรรมดาเป็นเวลาสองสามปีในการเปลี่ยน