汽车制动系统的摩擦材料通常含有金属成分，以提高其耐磨性、热扩散性和强度。铜、钢、铁、黄铜、青铜和铝等各种金属以纤维或颗粒的形式被用于摩擦材料中，众所周知，金属成分的类型、形态和硬度会影响摩擦材料的摩擦和磨损。
目前，摩擦材料行业经常使用钢纤维，因为钢纤维具有良好的耐磨性，并能在高温下保持摩擦效果（抗褪色且恢复快）。然而，钢纤维会导致盘片过度磨损和盘片厚度变化（DTV）过大，这是造成制动器振动或抖动的主要原因。钢纤维对制动转子的侵蚀性是由于其高硬度以及钢和灰铸铁之间的金属粘附性。添加铜或铜合金主要是为了提高制动盘上的热扩散率。
众所周知，铜会在摩擦界面产生铜氧化物，从而在高温下维持摩擦系数（COF）的水平。因此，加入铜或铜合金可控制摩擦系数，同时避免对反面的侵蚀。在使用铝金属基复合材料（Al-MMC）制动转子时，会在摩擦材料中添加铝纤维。
有关铝纤维对摩擦特性的特殊作用的资料很少见诸文献。人们对金属-金属接触的摩擦和磨损进行了广泛的研究，并在摩擦学文献中找到了大量信息。人们根据纯金属在摩擦界面的粘附机制，从两种金属的"兼容性"角度来理解金属对的滑动特性。
然而，从纯金属与金属接触中获得的摩擦系数往往不同于金属与金属相对表面滑动的复合材料的摩擦系数；造成差异的原因是复合材料中其他成分的影响。由于各种摩擦材料之间复杂的相互作用，摩擦材料中的金属纤维对制动性能的作用尚未得到广泛报道。
本实验的摩擦材料试样是根据典型的无石棉有机物（NAO）类型配方制作的。
如表1所示，摩擦材料试样包含粘结剂、增强剂、摩擦改进剂等，并采用典型的制造方法制造。
为了确认生产过程中的均匀混合和适当固化，使用洛氏硬度计测量了表面硬度的分布。摩擦材料的表面硬度范围为84±5HRs（洛氏硬度S级）。摩擦材料中金属纤维的添加量为15Vol.%，其他成分的添加量没有变化。
表2列出了金属纤维的几何和材料特性。本研究中使用的金属纤维是工业级的，在长度和直径上有一定的分布。用于摩擦试验的灰铸铁盘是由含有约4.2重量%碳当量（C=3.5重量%，Si=2.1重量%）的灰铸铁熔液浇铸而成。
Al-MMC盘由含30%碳化硅的A356Al合金（美国Duralcan公司）铸锭制成。磁盘直径为12厘米，厚度为2.5厘米。摩擦盘安装在摩擦试验机中时，其跳动范围为7-11µm。
上图显示了本实验中使用的灰铁和AlMMC盘的微观结构。
两种磁盘的物理特性如下见表3。本次研究使用的小型摩擦试验机采用液压机提供法向载荷。单个摩擦材料试样的尺寸为2cm×2cm×1cm，测试仪的设计是将两块摩擦材料压在反向盘上（总表观接触面积=8cm2）。摩擦力测试仪及其接触几何形状的示意图已在之前发表。
数据采集系统记录摩擦力、施加的压力、滑动速度和摩擦表面的圆盘温度。摩擦表面的温度是用非接触式红外测温仪测量的。本实验中使用的摩擦测试程序由三部分组成：低温测试，用于测量摩擦表面的摩擦力；压力测试，用于测量摩擦表面的压力；滑动测试，用于测量摩擦表面的温度。
制动器的摩擦系数随滑动速度和/或施加压力的变化是一个非常重要的问题，因为驾驶员希望在各种制动条件下都能获得相同水平的摩擦力。COF的变化还与制动现象有关，如噪音、抗衰减和振动。
摩擦材料的COF通常会随着滑动速度的变化而变化，而COF的变化量在很大程度上取决于摩擦材料中的成分。当COF随滑动速度减小而增大时，止动末端的摩擦力就会增大，从而在止动末端造成令人不悦的前冲。
止动末端COF的增加被称为反衰减，通常与噪音和抖动同时出现。摩擦副的速度敏感性还与粘滑现象密切。粘滑现象通常当静态COF与动态COF相差较大时，就会出现粘滑现象。虽然粘滑现象在很大程度上取决于系统动力学，但众所周知，摩擦材料中的成分对粘滑现象也有很大影响。
为了抑制制动过程中的粘滑现象，人们做出了很多努力，如改变系统的刚度和/或重新设计摩擦材料的配方。在这项研究中，我们通过在一系列滑动速度和施加压力下进行测试，研究了摩擦材料中的金属纤维对摩擦特性的影响。
含有三种不同金属纤维的摩擦材料针对两种不同的反向盘进行了测试。在压力和速度敏感性测试中的每个制动事件中，初始制动温度(IBT)为50◦C，滑动15秒后的最终温度低于100◦C。上图显示了灰铸铁用作所研究的三种摩擦材料的对盘时COF的变化。对于含有铜纤维的摩擦材料，COF随滑动速度的增加而降低。
另一方面，含有铝纤维的摩擦材料随着滑动速度的变化很小。这一结果似乎与摩擦材料中的金属纤维与灰铸铁盘的相互作用有关，而与温度效应无关，因为在该试验中温度上升并不明显。
虽然上图中显示的负相关关系的详细机理还需要进一步研究，但结果表明铜或钢纤维可能会导致令人反感的制动噪音和振动。在对制动过程中表现出抗褪色的含钢摩擦材料的调查中也报告了类似的结果。
随着施加载荷的增加，COF也有增加的趋势。这种趋势很可能是由于滑动界面的实际接触面积随着载荷的增加而增加，这是由表面凸起变形引起的。在这项研究中，经过多次尝试，都未能成功地定量测量出实际接触面积与载荷的函数关系。这似乎部分是由于摩擦材料试样的性质造成的，试样由许多不同的成分组成。
上图显示了使用Al-MMC作为反向盘时COF对速度和压力的敏感性。从图中可以看出，Al-MMC盘的COF对滑动速度的敏感性低于灰铁盘。观察到COF随施加的压力发生很大变化，这表明摩擦材料的金属纤维与Al-MMC盘的相互作用不同于它们之间的相互作用。
研究还发现，含有铝纤维的摩擦材料显示出较高的COF值。含有铝纤维的摩擦材料的高COF值与基于金属相容性的磨损机制相吻合。特别是，COF随施加压力的变化很大，这似乎是由于摩擦材料中的成分与Al-MMC盘中坚硬的SiC颗粒相互作用所致。
虽然还需要进一步研究才能了解详细的磨损机理，但由于Al-MMC盘在μ-ν关系中的负斜率较小，因此这些结果表明，使用Al-MMC制动转子可以减少制动器引起的噪音、振动和颠簸（NVH）问题。不过，使用Al-MMC盘也有一个缺点：COF会随施加的压力发生显著变化，而商用摩擦副有望在各种制动条件下保持非常稳定的COF。
制动过程中摩擦力的减小称为衰减，在高温下抗衰减是商用摩擦材料的一项关键要求。COF通常会随着滑动温度的变化而变化，因为材料的吸附性和抗变形性会随温度的变化而变化。在这项研究中，我们使用了上述一系列摩擦耦合。
为了在滑动界面产生高温，采用了恒定的间隙测试模式。上图显示了灰口铸铁摩擦片的COF和摩擦片温度随滑动时间的变化情况。含有铜纤维和钢纤维的摩擦材料在高温下保持了COF，但含有铝纤维的摩擦材料在高温下COF急剧下降。在铜纤维摩擦材料中，由于铜纤维的高导热性以及在高温滑动过程中在摩擦界面形成的铜氧化物，COF得以保持，据报道，铜氧化物可提高高温下的抗褪色性。
钢纤维摩擦材料的COF变化不大，这是因为钢纤维具有高温强度。另一方面，含有铝纤维的摩擦材料在大约200◦C时的COF较低，这似乎是由于铝在高温下软化所致。这一结果间接表明，，摩擦界面的闪光温度要高得多。
比测得的表面温度低，因此COF下降是由于铝纤维的局部熔化造成的。上图显示了摩擦材料摩擦表面上部分熔化和沾污的铝纤维。COF的振荡是由于旋转盘的跳动造成的。
我们进行了单独的初步测试，以确定我们在研究中测量的摩擦片跳动不会影响其他摩擦特性，如速度灵敏度、压力灵敏度和磨损率。
上图显示了灰铸铁盘和铜纤维摩擦材料在试验后的摩擦表面。在这种情况下，圆盘表面出现了均匀的转移膜，这与观察到的高温下稳定的摩擦行为相吻合。另一方面，钢纤维摩擦材料产生了粗糙的摩擦表面。因此，COF在高温下的大幅振荡似乎是摩擦表面剧烈相互作用的结果。
在高温条件下，由于滑动过程中摩擦界面处的铝纤维软化，COF值较低，摆动较小。对于Al-MMC盘，观察到了不同的摩擦行为，这可归因于Al-MMC的高比热容和高导热性。在这种情况下，与灰铸铁摩擦相比，铜纤维摩擦材料的COF更低，摩擦稳定性更好。
另一方面，摩擦材料中的钢纤维严重损坏了Al-MMC盘表面。在这种情况下，恒定间隔试验无法完成，因为在高温下观察到的摩擦行为不稳定。铝纤维摩擦材料的COF值在试验开始时急剧下降，随后COF值变低，并在高温时保持稳定。
摩擦试验后，对摩擦盘和摩擦材料的摩擦表面进行了检测。对于铜纤维和铝纤维摩擦材料，在摩擦表面观察到了单一形式的转移膜，表明摩擦行为稳定。相反，钢纤维摩擦材料在恒定间隔测试中产生了严重的材料转移。
Al-MMC盘的严重破坏似乎是由于钢纤维在高温下对Al-MMC的侵蚀；熔化的铝和硬碳化硅颗粒又转移到摩擦材料上，导致摩擦材料中嵌入的硬碳化硅颗粒进一步造成材料转移。另一方面，铝纤维摩擦材料与AlMMC盘的低COF不会导致铝熔化。
为了测量不同摩擦材料和对盘的磨损程度，进行了一次扩展摩擦试验。磨损测试包括20次拖曳；每次拖曳时间为180秒，施加压力为0.6兆帕，IBT为100◦C。拖动重复20次，以获得可测量的磨损。
一般来说，滑动过程中的部件磨损是通过计算体积变化或按滑动时间或距离对磨损量进行归一化来获得的。不过，对于汽车制动摩擦材料和转子来说，实验室磨损计算还应考虑测试过程中产生的摩擦力，以便更能代表现场使用情况。
商用摩擦材料的耐磨性通常取决于制动过程中产生的惯性能量，而在现场测试中，需要用车辆惯性来估算磨损寿命。因此，在这项实验室规模的研究中，通过将磨损量（体积变化）除以摩擦力和滑动距离来获得特定（或归一化）磨损率。
在进行压力控制摩擦试验以测量磨损量以及比较不同配方的摩擦材料时，这种方法非常重要。上图显示了计算出的所有六种摩擦副的具体磨损率。结果表明，钢纤维摩擦材料在与两种磁盘摩擦时的磨损量都要大。
而其他两种摩擦材料的磨损率则更低。还应注意的是，灰铁和Al-MMC盘的铜纤维和铝纤维摩擦材料的具体磨损率几乎相同。这表明盘表面的摩擦膜（或转移层）有效地防止了摩擦材料和对盘之间的直接，而磨损率则由摩擦材料中的金属纤维类型。
在这项工作中，上图中的磨损率不包括严重摩擦磨损。这是因为钢纤维摩擦材料在Al-MMC盘上的磨损测试是在观察到严重的材料转移之前进行的。
将含有不同金属纤维（铜、钢或铝）的摩擦材料与两种不同的对盘（灰铸铁和Al-MMC）进行了测试，以研究摩擦界面上的金属成分的摩擦特性，如速度敏感性、压力敏感性、抗温度衰减性和耐磨性。
在低温条件下使用灰铸铁作为反向盘时，含有铜或钢纤维的摩擦材料显示出较高的速度敏感性。另一方面，当使用Al-MMC盘时，速度敏感性较小，不同金属纤维的摩擦材料之间几乎没有差别。然而，在Al-MMC盘时，COF随施加的压力变化很大。
通过在灰铸铁盘上使用带有铜纤维或钢纤维的摩擦材料，耐高温褪色性能得到了改善。然而，在恒定间隔测试中，钢纤维摩擦材料会产生高摩擦热，导致温度迅速升高。对于Al-MMC盘，使用含铜纤维的摩擦材料可观察到最佳的抗褪色性能。当钢纤维摩擦材料在高温下与Al-MMC盘摩擦时，发现摩擦行为不稳定，材料转移严重。
