《Polymers》：Comparison of Performance Criteria of Vehicle Brake Pad Biopolymers Derived from Renewable Biomass
Hicri Yavuz
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本研究聚焦于汽车刹车片领域，针对传统材料的环境与健康风险，研究人员开发了四种以可再生生物质丝瓜纤维增强的生物聚合物刹车片。通过系统测试，证实了所开发材料在摩擦系数、磨损率、硬度及对刹车盘影响等方面均能满足工业标准，为开发高性能、环保的刹车摩擦材料提供了新方案，对推动汽车行业绿色转型具有重要意义。
随着气候变化和环境问题的日益突出，工业界和研究机构正致力于推动绿色环境和可持续发展。其中，利用生物质基产品开发生物聚合物（Biopolymer）已成为关键方向。汽车工程是这一研究领域的领头羊之一。刹车系统是汽车安全的核心部件，其性能与刹车片的质量和耐久性密切相关。然而，传统的刹车片材料，如石棉或铜，存在健康和环境风险。开发出既满足高性能标准，又兼具成本效益和环境友好性的刹车片，成为了一项紧迫的挑战。与此同时，全球对植物基纤维的兴趣与日俱增，这主要归功于其环境可持续性、低碳足迹等优势。在此背景下，Hicri Yavuz开展了一项研究，探讨利用一种具有刚性纤维结构的天然材料——丝瓜纤维，作为刹车片增强材料的潜力。该研究旨在为汽车行业提供一种新型的、基于可再生资源的环保解决方案，相关论文发表在《Polymers》期刊上。
为了验证丝瓜纤维在刹车片中的应用潜力，研究人员采用了多项关键技术方法。首先，他们通过热压成型工艺制备了四种不同丝瓜纤维含量（8%、12%、16%、20%）的生物聚合物复合材料刹车片样本。样本性能的评估严格遵循TS555标准，在刹车片测试设备上进行了摩擦系数和磨损率的测试。其中，摩擦系数（μ）和磨损率（Wa）的计算分别基于摩擦力、载荷以及质量损失、滑动距离、载荷值和密度等参数。此外，研究还使用肖氏D硬度计测量了材料的硬度，并利用二维粗糙度测量仪评估了刹车片对配对刹车盘表面粗糙度（包括平均粗糙度Ra和最大粗糙度Rz）的影响。为了深入观察磨损表面的形貌，研究采用了扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy, SEM）进行微观结构分析，并辅以USB显微镜进行宏观表面形貌观察。
3.1. 摩擦系数研究
通过摩擦系数测试，研究人员发现所有样本的平均摩擦系数值均在0.20–0.70的工业标准范围内。具体而言，BPLY8、BPLY12、BPLY16和BPLY20样本的平均摩擦系数分别为0.32、0.28、0.28和0.27，表明样本的摩擦系数随纤维含量的增加呈下降趋势，但仍保持在安全有效的范围内。瞬时摩擦系数与温度关系的图表进一步显示，在约1000米的滑动距离内，由于较高的粘附力，摩擦系数呈上升趋势，随后因摩擦生热而趋于稳定。值得注意的是，BPLY8样本在8000米后出现了显著的波动，而其他样本则表现出更稳定的摩擦性能。
3.2. 磨损率与密度研究
密度测试显示，随着样本中纤维含量的增加，其密度从2.234 g/cm3 (BPLY8) 降至2.029 g/cm3 (BPLY20)，这有利于减轻刹车片重量。磨损率测试结果表明，从BPLY8到BPLY20，磨损率呈下降趋势，具体值分别为2.6 × 10?8cm3/Nm, 1.47 × 10?8cm3/Nm, 1.28 × 10?8cm3/Nm, 和 1.05 × 10?8cm3/Nm，均处于理想的工业标准范围（0.5 × 10?7至 3.5 × 10?7cm3/Nm）内。磨损率的降低与摩擦系数的下降以及实验过程中达到的最高温度（BPLY8最高，为133°C）降低的趋势一致。
3.3. 硬度研究
硬度测试结果显示，随着纤维含量的增加，样本的肖氏D硬度值呈现轻微上升趋势。这种硬度的部分增加与磨损率的降低存在关联，因为通常硬度增加会降低磨损率。
3.4. 粗糙度差异研究
本研究的一个独特之处在于评估了刹车片对配对刹车盘表面粗糙度的影响。实验发现，随着样本中纤维含量的增加，刹车盘的平均粗糙度（Ra）和最大粗糙度（Rz）在实验前后的差异也呈增大趋势，这可能与样本硬度的增加有关。尽管如此，所有样本引起的盘面粗糙度差异均在合理范围内。特别是在BPLY20样本的SEM图像中观察到的磨料磨损痕迹，直接导致了其相较于其他样本更高的粗糙度差异。
3.5. 磨损表面的宏观与微观结构研究
宏观图像分析显示，随着样本中纤维比例的增加，黄色矩形区域内观察到的纤维图像在表面有增多趋势，证明了纤维在刹车片样本中均匀分布。然而，在BPLY8样本中，沿刹车盘旋转方向的整个长度上观察到了宏观裂纹，这归因于8%的纤维增强比例不足以在制动机械载荷下将材料牢固结合。这种裂纹可能是导致BPLY8样本摩擦系数在8000米后不稳定的原因之一。
SEM微观分析揭示了磨损表面的关键特征。红色线圈出的区域代表了制动过程中刹车片与刹车盘之间发生接触的主要平台（primary plateau）。在BPLY12、BPLY16和BPLY20样本中观察到了更大、更完整的接触表面，这有助于获得更高且更稳定的摩擦系数。相比之下，BPLY8样本的接触面较小，可能与纤维-基体结合松散有关。研究还观察到了粘着磨损、磨料磨损等机制。在BPLY20样本中发现了一个浅的磨料磨损痕迹，但由于其磨损率最低，表明该磨损并不严重。此外，在一些样本的橙色四边形区域内观察到了局部深坑，这是制动过程中不同组分在机械或热效应下分离并脱离基质所形成的结构变形。
本研究成功开发了四种基于可再生生物质丝瓜纤维的生物复合材料刹车片（BPLY8, BPLY12, BPLY16, BPLY20）。实验结果表明，除了BPLY8样本，其余三个样本均能提供稳定且符合工业标准的摩擦系数和磨损率。具体而言，所有样本的摩擦系数和磨损率均满足TS555标准要求。随着纤维含量的增加，样本的磨损率降低，密度减小，硬度轻微增加，这对减轻重量和提升耐磨性具有积极意义。然而，纤维含量的增加也轻微增大了对刹车盘表面的粗糙度影响，但仍在可接受范围内。宏观和微观分析证实，8%的丝瓜纤维含量不足以提供足够的增强作用，导致BPLY8样本出现宏观裂纹和较小的摩擦接触面，因此不是最优比例。而其他更高纤维比例的样本则表现出更优的结构完整性和性能稳定性。
这项研究的重要意义在于，它不仅系统评估了丝瓜纤维作为刹车片增强材料的可行性，而且首次在同类研究中考察了生物聚合物刹车片对配对刹车盘表面粗糙度的影响。研究结果证明，丝瓜纤维增强的生物聚合物刹车片能够平衡性能、环境友好性和成本，为开发新一代可持续的汽车刹车摩擦材料提供了实验依据和新的思路，对推动汽车行业向绿色、可持续发展转型具有重要的参考价值。
