实际道路测试中制动温度对制动磨损产生的颗粒物综合表征研究

《Environmental Challenges》：Comprehensive Particulate Matter Characterization Study from Brake Wear due to Brake Temperature under Real-World Driving Test

　　

近期研究表明，欧盟VI排放标准车辆的制动磨损是尾气外颗粒物（PM）排放的主要贡献者。由于制动温度显著影响摩擦机制，它仍是刹车片设计中的关键因素。本研究调查了实际道路驾驶条件下制动温度（具体为“冷”态<130°C和“热”态>130°C）对制动磨损PM特性的影响。研究人员使用一辆配备半金属刹车片和车载采样系统的轿车，通过光散射激光光度法、IC/OC分析和SEM-EDS收集并分析了PM样品的质量浓度、化学成分和形貌。以130°C为阈值将制动条件分为“热”和“冷”，该阈值是PM排放显著升高的临界点。然而，该阈值对车辆规格和行驶循环条件仍然敏感。结果表明，热制动排放的PM比冷制动多6–8倍，其中PM₁约占总排放的64%。虽然两种条件下都含有来自粘结剂和增强剂的氧、碳（主要是有机碳）和氮的化学特征，但热制动触发了额外金属元素（如Fe、Si、Al、Mg、Zn和Pt）的释放。Pt和Zn的存在特别表明制动盘的磨损增加。此外，SEM分析揭示了形貌转变：冷制动产生的颗粒主要为光滑球形，而热制动产生的颗粒由于金属沉积而表面粗糙。这些发现表明存在一个改变颗粒生成机制的临界温度阈值。

### 研究背景与意义

颗粒物（PM）是危害人类健康和环境的重要空气污染物，交通来源的PM不仅来自尾气，还包括制动磨损、轮胎磨损、道路扬尘等非尾气排放。其中，制动磨损是常规EURO VI排放标准车辆非尾气PM的主要来源，约占总PM排放的42%。制动过程中，摩擦生热导致刹车片温度升高，显著影响摩擦机制和颗粒物生成。然而，现有研究多基于实验室制动台架，难以真实反映实际道路驾驶中的传热机制；且对制动温度如何影响PM特性（尤其是形态学特征）的探讨尚不充分。因此，本研究旨在实际道路驾驶条件下，系统区分不同制动温度（冷态与热态）下制动磨损PM的质量浓度、化学成分和形态特征，以揭示温度依赖性变化规律。该论文发表于《Environmental Challenges》。

### 主要关键技术与方法

1. **车载等速采样系统**：采用钟形装置包裹左前轮制动系统，连接3英寸恒容采样（CVS）系统，在阻塞流条件下实现等速采样（采样流量10 m3/h），确保不同粒径颗粒无偏进入采样线。
2. **实时PM浓度与粒径分布测量**：使用DustTrak 8533光散射激光光度计（0.1–15 μm），实时测量PM₁、PM_2.5、PM₄、PM₁₀及总PM的质量浓度。
3. **化学成分分析**：采用扫描电子显微镜-能谱分析（SEM-EDS）测定PM元素组成；采用总碳/有机碳（TC/OC）法区分有机碳（OC）与无机碳（IC）。
4. **实际驾驶循环（RDC）**：在封闭平坦道路上执行约4000秒的瞬态驾驶循环（含加速和减速阶段），模拟拥堵交通路况；通过连续监测制动温度，以130°C为阈值划分冷、热测试。

### 研究结果

#### PM质量浓度
通过重量分析法（吉尔安GilAir-5采样泵）对比冷、热测试的PM排放（mg/km），结果表明热测试的PM排放约为冷测试的3倍。DustTrak 8533实时数据进一步显示，热测试的PM₁和PM₁₀浓度比冷测试低约6–7倍（即热测试更高），且PM₁约占总排放的64%。这些结果与文献（Perricone et al., 2018; Verma et al., 2016; Vainio, 2021; Worawat et al., 2022）一致。

#### PM化学成分
**冷测试**：EDS分析显示PM主要由氧、碳和氮组成。氧来自制动过程中酚醛树脂等原料的氧化；碳主要来自环氧树脂粘结剂（在100°C下即出现质量损失，约7%）。TC/OC分析表明，冷测试中所有碳均为有机碳。

**热测试**：EDS分析发现，除氧、碳、氮外，还出现额外金属元素：铁（来自填料和钢质磨料）、硅、铝、镁（来自粘结剂、填料和磨料）、以及铂和锌（来自刹车片第一层的耐磨损耐热涂层）。TC/OC分析显示，热测试中碳组分约38%为有机碳，0.02%为无机碳。这表明，随着制动温度升高至130°C以上，分子间作用力减小，导致刹车片结构破坏、组分脱落，从而释放更多金属颗粒。

#### PM的形态与结构
DustTrak 8533的粒径分布显示，冷、热测试中大部分颗粒均属于PM₁（分别占86.75%和79.58%），但热测试中PM_2.5、PM₄和PM₁₀的比例更高。SEM图像（1000×至20000×）揭示：冷测试产生的颗粒呈球形且表面光滑（碳和氧的特征）；热测试产生的颗粒呈球形但表面粗糙（金属沉积所致）。研究人员提出概念模型：冷态（<130°C）制动主要发生机械磨损，导致粘结剂和增强剂（C、O、N）脱落，形成光滑球形颗粒；热态（>130°C）制动因频繁摩擦导致热量累积，热过程主导，使填料、磨料和涂层中的金属成分（Fe、Si、Pt、Al等）脱落并附着于颗粒表面，形成粗糙球形颗粒。

### 讨论与结论

**讨论**：研究结果指出，制动温度存在一个临界阈值（本研究中为130°C），在此温度前后PM生成机制发生本质变化：低温下以有机组分（粘结剂）的机械剥落为主；高温下则引发金属组分（填料、磨料、涂层）的热分解和脱落。该阈值并非普适值，而是依赖于车辆规格和驾驶循环条件。例如，车辆尺寸不同导致离地间隙差异，会影响制动系统的热过程，从而改变临界温度。此外，PM₁可深入肺泡区甚至进入血液，其中金属成分（如Fe、Zn）可能产生活性氧，引发氧化应激和炎症，增加哮喘、支气管炎甚至致癌风险。

**结论**：本研究得出以下结论：
I. 制动磨损PM排放受制动温度显著影响。以130°C划分的冷、热测试中，热测试PM排放量可达冷测试的6至8倍。需注意，该阈值取决于车辆类型和驾驶循环条件。
II. 冷测试中制动磨损仅含有氧、碳（主要为有机碳）和氮；热测试中额外出现金属组分（铁、铂、硅、铝、镁、锌）。这表明冷测试PM主要来自粘结剂，而热测试PM主要来自粘结剂、填料、磨料和涂层。
III. SEM分析表明，冷测试PM结构为球形（类似氧和碳的形态），热测试PM因金属覆盖而呈粗糙表面球状。
IV. 制动温度变化导致制动磨损PM特性显著差异，提示存在改变颗粒生成机制的温度阈值。因此，在未来的标准化测试中，有必要考虑并明确界定此类温度阈值，以便对制动磨损PM排放进行有意义的比较。