福州大學鄭開魁教授團隊：鋁作為環(huán)保型樹脂基制動材料中銅的優(yōu)良替代物：性能、生物毒性與機理分析 | CJME論文推薦

引用論文

Kaikui Zheng, Yanjie Liu, Jianfang Hu, Zhiying Ren, Youxi Lin, Yangjian Cheng, Aluminum as a Superior Substitute for Copper in Eco-Friendly Resin-Based Brake Materials: Performance, Biotoxicity and Mechanism Analysis, Chinese Journal of Mechanical Engineering, 100243, https://doi.org/10.1016/j.cjme.2026.100243.

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研究背景及目的

制動片作為制動系統(tǒng)中重要部件，對于汽車安全行駛至關(guān)重要。樹脂基制動材料憑借工藝簡便、成本可控的優(yōu)點，已成為汽車制動系統(tǒng)中主流的摩擦材料選擇。在摩擦材料中，金屬銅作為關(guān)鍵增強相，常以纖維或粉末形態(tài)添加，能顯著提升材料的導熱性、高溫穩(wěn)定性及摩擦性能。然而，其帶來的環(huán)境問題日益凸顯：制動過程中產(chǎn)生的含銅磨損碎屑經(jīng)雨水沖刷進入水體，對水生生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成威脅，例如干擾鮭魚等生物的生理活動。因此，研發(fā)綠色環(huán)保的無銅制動材料已成為行業(yè)重要趨勢。

已有研究探索了多種銅的替代方案，例如采用高導電石墨、鈦酸鉀、改性植物纖維、稀土氧化物或工業(yè)副產(chǎn)物，如粉煤灰空心微珠等。這些材料在一定程度上改善了摩擦磨損性能，但普遍存在局限性，或未能完全實現(xiàn)銅的所用功能，如理想的導熱、增強及摩擦調(diào)節(jié)作用。這導致尋找一種性能相當、經(jīng)濟可行且環(huán)境友好的銅替代物仍然是一個挑戰(zhàn)。鋁金屬具有良好的導熱性、延展性、高溫穩(wěn)定性，上述特點與銅的性質(zhì)相似，且鋁的密度更低、價格實惠，對環(huán)境及生物影響性小，展現(xiàn)出作為銅替代品的巨大潛力。本研究直接對比鋁與銅在相同樹脂基體系中的作用機制與性能差異，深入探究鋁粉替代制動材料中銅粉的可行性，并闡明其作用機理，對于開發(fā)新一代高性能環(huán)保制動材料具有較高的理論和工程應用價值。

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亮點或創(chuàng)新點

(1) 采用鋁粉替代制動材料中對環(huán)境有害且成本高的銅粉，有效降低制動材料成本的同時實現(xiàn)了制動材料的輕量化。

(2) 研究不僅關(guān)注材料的傳統(tǒng)性能指標（密度、熱穩(wěn)定性、摩擦系數(shù)、磨損率），還引入環(huán)境相容性初步評估，通過分析銅粉和鋁粉磨屑對微生物形貌的影響，從生態(tài)安全角度為材料選擇提供參考，使研究更具前瞻性和綠色設(shè)計理念。

(3) 對材料配方進行多因素、多水平的系統(tǒng)優(yōu)化，獲得綜合性能（摩擦系數(shù)與磨損率）優(yōu)化配方，揭示了Cu/Al 含量對制動材料摩擦學及環(huán)保性能的影響機制。

03

試驗方法

以銅粉（形態(tài)：放大后呈絮狀顆粒）和鋁粉（形態(tài)：球形顆粒，質(zhì)地均勻）為核心變量。采用單因素實驗法，設(shè)計不同Cu/Al 含量的系列配方。在保持Cu/Al 粉與重晶石粉總份數(shù)為45 份的前提下，改變兩者比例，實現(xiàn)Cu/Al 含量（變量）的梯度變化，而改性酚醛樹脂、氧化鋁、石墨等其他組分含量保持不變，確保性能變化可明確歸因于Cu/Al 的差異。

預處理：所有原料根據(jù)其特性進行嚴格干燥，以去除水分，確保工藝穩(wěn)定性。

混料：采用分步混料法。先將除竹纖維外的各組分干混均勻，再加入竹纖維短時混合，以獲得成分均勻的粉體預制料。

熱壓成型：使用四柱液壓機進行干法熱壓成型。模具溫度（上模170 °C，下模 165 °C）、成型壓力（8 MPa）、保壓時間（7 分鐘），并在保壓過程中進行多次排氣以消除氣泡。

后處理：成型后的坯件在160 °C 下進行長時間（12 小時）熱處理（固化），以充分交聯(lián)樹脂，提高材料硬度與熱穩(wěn)定性，隨后緩慢冷卻。最終篩選外觀完好（無起泡、開裂等缺陷）的樣品用于后續(xù)測試。

表征與測試：使用阿基米德排水法測定材料密度；利用同步熱分析儀在空氣氣氛下（升溫速率10℃/min，室溫~600℃）進行熱重分析（TG）與差示掃描量熱法（DSC）以評估熱性能；依據(jù)國家標準GB/T3398.2—2008 和GB/T 1451-2005，分別采用洛氏硬度計與擺錘沖擊試驗機測量材料硬度和沖擊強度；使用摩擦試驗機（對偶件為HT250 灰口鑄鐵盤）測試不同溫度下的摩擦學性能（摩擦系數(shù)與磨損率）；并通過掃描電子顯微鏡（SEM）及其能譜儀（EDS）分析磨損表面形貌與元素組成，結(jié)合白光共焦三維輪廓儀對表面進行三維形貌與粗糙度定量分析。

04

結(jié)論

（1）銅/鋁粉末的添加均能提升樹脂基剎車材料的物理機械性能。剎車材料密度隨銅含量增加而升高，隨鋁含量增加呈下降趨勢。相較于銅，含鋁剎車材料有利于實現(xiàn)材料輕量化，并能達到與加銅材料相當?shù)挠捕?。同時，銅或鋁的添加均可改善剎車材料的熱穩(wěn)定性，其中鋁含量的提升效果更為顯著。

（2）添加鋁的剎車材料不僅表現(xiàn)出更高的摩擦系數(shù)，還具備更優(yōu)的摩擦穩(wěn)定性及更低的衰減率。銅/鋁的添加促進了剎車材料在摩擦過程中摩擦膜的形成，使材料磨損機制從無銅/鋁時的磨粒磨損轉(zhuǎn)變?yōu)槟チＤp與輕微粘著磨損共存模式。

（3）銅/鋁的添加降低了剎車材料磨損表面的平均粗糙度，使表面磨損形貌更平滑，從而減少了凹坑和裂紋的形成。含銅剎車碎屑可通過裂解作用導致大腸桿菌死亡，而含鋁剎車碎屑對微生物生長狀態(tài)無影響。

（4）最佳優(yōu)化配方為：鋁粉20 份、改性樹脂20 份、竹纖維7 份、氧化鋁10 份、重晶石粉35 份、橡膠粉5 份、石墨3 份。該配方制備的剎車材料摩擦系數(shù)穩(wěn)定維持在0.53 - 0.60 之間，磨損率范圍為（0.32–0.68）×10 –7 cm 3 ·N -1 ·m -1 。

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前景與應用

本研究系統(tǒng)探討了鋁粉（Al）作為銅粉（Cu）替代物在樹脂基剎車材料中的作用機制與綜合性能。結(jié)果表明，鋁不僅能夠有效替代銅，還在輕量化、摩擦性能穩(wěn)定性及環(huán)境相容性方面展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。優(yōu)化的鋁基剎車材料配方實現(xiàn)了優(yōu)異的綜合性能，同時避免了銅屑對微生物（如大腸桿菌）的毒性。這證實了鋁是一種具有高性能、環(huán)境友好和輕量化潛力的理想銅替代材料 。

（1）綠色環(huán)保汽車剎車片的直接應用與推廣

隨著全球范圍內(nèi)對剎車片含銅量限制法規(guī)（如美國華盛頓州的“銅禁令”）的日趨嚴格，本研究開發(fā)的鋁基配方可直接用于制造符合法規(guī)要求的無銅或低銅環(huán)保型剎車片，為剎車片制造商提供成熟的技術(shù)解決方案。

新能源汽車對輕量化以提升續(xù)航里程有更高要求。鋁基剎車材料密度更低，有助于實現(xiàn)制動系統(tǒng)的輕量化，同時其穩(wěn)定的摩擦性能能滿足電動汽車高扭矩、頻繁能量回收制動工況下的可靠性需求，市場應用潛力巨大。

（2）高性能與可持續(xù)性兼顧的摩擦材料體系構(gòu)建

該研究驗證了鋁在促進摩擦膜形成、改善磨損表面狀態(tài)、提升熱穩(wěn)定性方面的積極作用。這為開發(fā)以鋁為核心增強相，協(xié)同其他環(huán)保組分（如竹纖維、石墨）的新一代高性能可持續(xù)摩擦材料體系奠定了理論基礎(chǔ)和技術(shù)路徑。

相關(guān)的材料設(shè)計理念（如輕金屬替代、生物質(zhì)纖維增強）和磨損機制認識，可拓展至其他需要摩擦調(diào)節(jié)的領(lǐng)域，如離合器面片、工程機械制動器等，推動整個摩擦材料行業(yè)向綠色高性能方向轉(zhuǎn)型。

關(guān)于作者

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作者介紹

鄭開魁，教授，博導， 福建省“雛鷹計劃”青年拔尖人才 ?，F(xiàn)任福州大學機械工程及自動化學院院長助理、福州大學能源裝備摩擦學研究所副所長、先進制造學院智能制造系主任。主要從事摩擦學、表面工程、增材制造、機器人技術(shù)等領(lǐng)域研究。主持國家自然科學基金面上項目等10 余項，發(fā)表論文70 余篇，授權(quán)專利30 余項。

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團隊研究方向

福州大學能源裝備摩擦學研究所是中國機械工程學會摩擦學分會副理事長單位，長期開展摩擦學基礎(chǔ)研究和應用基礎(chǔ)研究。研究所立足國家戰(zhàn)略需求，旨在為能源裝備節(jié)能延壽和國防裝備的安全可靠服役提供技術(shù)支撐。團隊發(fā)起人為高誠輝教授，師從中國科學院院士雷天覺。歷經(jīng)30 余年發(fā)展，在能源裝備的摩擦減振、載流摩擦、摩擦制動、綠色潤滑等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)技術(shù)突破，形成新質(zhì)生產(chǎn)力。近十年，研究所承擔了包括國家自然科學基金（聯(lián)合重點項目、面上項目、青年項目）20 余項；教育部創(chuàng)新團隊、國家重點研發(fā)計劃課題、中央軍委科技委創(chuàng)新特區(qū)項目、裝備部預先研究項目和省重大專項等近30 項科研任務。研究成果獲省部級科技進步一等獎2 項、二等獎8 項、三等獎3 項。發(fā)表相關(guān)學術(shù)論文600 多篇，其中三大檢索系統(tǒng)收錄400 多篇；獲中國發(fā)明專利授權(quán)100 余項；出版學術(shù)專著6部 。

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近兩年團隊發(fā)表文章

[1] Kaikui Zheng, Faxuan Zheng, Jingyi Lin, Zhiying Ren*, Youxi Lin*. Utilization of red mud as copper substitute in eco-friendly resin-based brake composites: Performance evaluation and machine learning prediction. Tribology International, 2026, 214: 111324.

[2]Kaikui Zheng,Yuanteng Li,Guoxin Xie,Ling Pan*,Zhiying Ren*.Enhanced surface strengthening of 2205 duplex stainless steel through hybrid thermal-field assisted ultrasonic surface rolling process: Corrosion and tribological behavior under extreme environments. Tribology International, 2025, 212: 110944.

[3] Yanjie Liu, Kaikui Zheng*, Zhiying Ren. Molecular dynamics analysis of friction wear in gray cast iron brake discs: an atom-scale investigation of graphite/matrix interface behavior.Wear, 2026, 586: 206477.

[4] Kaikui Zheng*, Youxi Lin, Tingzheng Lai, Chenghui Gao, Ming Liu*, Zhiying Ren. Replacing copper in composites with waste foundry sand: A novel approach for Cu-free resin-based braking material. Tribology International, 2024, 191: 109110.

[5] Kaikui Zheng*, Xinzhe Zhao, Ling Pan*, Zhiying Ren. Ultrasonic rolling strengthening of TC11 titanium alloy surface: Corrosion and wear properties under extreme conditions.Wear, 2024, 550-551: 205415.

責任編輯：杜蔚杰

責任校對：向映姣

審 核：張 彤

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