福州大学郑开魁教授团队：铝作为环保型树脂基制动材料中铜的优良替代物：性能、生物毒性与机理分析 | CJME论文推荐

引用论文

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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关于文章

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研究背景及目的

制动片作为制动系统中重要部件，对于汽车安全行驶至关重要。树脂基制动材料凭借工艺简便、成本可控的优点，已成为汽车制动系统中主流的摩擦材料选择。在摩擦材料中，金属铜作为关键增强相，常以纤维或粉末形态添加，能显著提升材料的导热性、高温稳定性及摩擦性能。然而，其带来的环境问题日益凸显：制动过程中产生的含铜磨损碎屑经雨水冲刷进入水体，对水生生态系统构成威胁，例如干扰鲑鱼等生物的生理活动。因此，研发绿色环保的无铜制动材料已成为行业重要趋势。

已有研究探索了多种铜的替代方案，例如采用高导电石墨、钛酸钾、改性植物纤维、稀土氧化物或工业副产物，如粉煤灰空心微珠等。这些材料在一定程度上改善了摩擦磨损性能，但普遍存在局限性，或未能完全实现铜的所用功能，如理想的导热、增强及摩擦调节作用。这导致寻找一种性能相当、经济可行且环境友好的铜替代物仍然是一个挑战。铝金属具有良好的导热性、延展性、高温稳定性，上述特点与铜的性质相似，且铝的密度更低、价格实惠，对环境及生物影响性小，展现出作为铜替代品的巨大潜力。本研究直接对比铝与铜在相同树脂基体系中的作用机制与性能差异，深入探究铝粉替代制动材料中铜粉的可行性，并阐明其作用机理，对于开发新一代高性能环保制动材料具有较高的理论和工程应用价值。

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亮点或创新点

(1) 采用铝粉替代制动材料中对环境有害且成本高的铜粉，有效降低制动材料成本的同时实现了制动材料的轻量化。

(2) 研究不仅关注材料的传统性能指标（密度、热稳定性、摩擦系数、磨损率），还引入环境相容性初步评估，通过分析铜粉和铝粉磨屑对微生物形貌的影响，从生态安全角度为材料选择提供参考，使研究更具前瞻性和绿色设计理念。

(3) 对材料配方进行多因素、多水平的系统优化，获得综合性能（摩擦系数与磨损率）优化配方，揭示了Cu/Al 含量对制动材料摩擦学及环保性能的影响机制。

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试验方法

以铜粉（形态：放大后呈絮状颗粒）和铝粉（形态：球形颗粒，质地均匀）为核心变量。采用单因素实验法，设计不同Cu/Al 含量的系列配方。在保持Cu/Al 粉与重晶石粉总份数为45 份的前提下，改变两者比例，实现Cu/Al 含量（变量）的梯度变化，而改性酚醛树脂、氧化铝、石墨等其他组分含量保持不变，确保性能变化可明确归因于Cu/Al 的差异。

预处理：所有原料根据其特性进行严格干燥，以去除水分，确保工艺稳定性。

混料：采用分步混料法。先将除竹纤维外的各组分干混均匀，再加入竹纤维短时混合，以获得成分均匀的粉体预制料。

热压成型：使用四柱液压机进行干法热压成型。模具温度（上模170 °C，下模 165 °C）、成型压力（8 MPa）、保压时间（7 分钟），并在保压过程中进行多次排气以消除气泡。

后处理：成型后的坯件在160 °C 下进行长时间（12 小时）热处理（固化），以充分交联树脂，提高材料硬度与热稳定性，随后缓慢冷却。最终筛选外观完好（无起泡、开裂等缺陷）的样品用于后续测试。

表征与测试：使用阿基米德排水法测定材料密度；利用同步热分析仪在空气气氛下（升温速率10℃/min，室温~600℃）进行热重分析（TG）与差示扫描量热法（DSC）以评估热性能；依据国家标准GB/T3398.2—2008 和GB/T 1451-2005，分别采用洛氏硬度计与摆锤冲击试验机测量材料硬度和冲击强度；使用摩擦试验机（对偶件为HT250 灰口铸铁盘）测试不同温度下的摩擦学性能（摩擦系数与磨损率）；并通过扫描电子显微镜（SEM）及其能谱仪（EDS）分析磨损表面形貌与元素组成，结合白光共焦三维轮廓仪对表面进行三维形貌与粗糙度定量分析。

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结论

（1）铜/铝粉末的添加均能提升树脂基刹车材料的物理机械性能。刹车材料密度随铜含量增加而升高，随铝含量增加呈下降趋势。相较于铜，含铝刹车材料有利于实现材料轻量化，并能达到与加铜材料相当的硬度。同时，铜或铝的添加均可改善刹车材料的热稳定性，其中铝含量的提升效果更为显著。

（2）添加铝的刹车材料不仅表现出更高的摩擦系数，还具备更优的摩擦稳定性及更低的衰减率。铜/铝的添加促进了刹车材料在摩擦过程中摩擦膜的形成，使材料磨损机制从无铜/铝时的磨粒磨损转变为磨粒磨损与轻微粘着磨损共存模式。

（3）铜/铝的添加降低了刹车材料磨损表面的平均粗糙度，使表面磨损形貌更平滑，从而减少了凹坑和裂纹的形成。含铜刹车碎屑可通过裂解作用导致大肠杆菌死亡，而含铝刹车碎屑对微生物生长状态无影响。

（4）最佳优化配方为：铝粉20 份、改性树脂20 份、竹纤维7 份、氧化铝10 份、重晶石粉35 份、橡胶粉5 份、石墨3 份。该配方制备的刹车材料摩擦系数稳定维持在0.53 - 0.60 之间，磨损率范围为（0.32–0.68）×10 –7 cm 3 ·N -1 ·m -1 。

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前景与应用

本研究系统探讨了铝粉（Al）作为铜粉（Cu）替代物在树脂基刹车材料中的作用机制与综合性能。结果表明，铝不仅能够有效替代铜，还在轻量化、摩擦性能稳定性及环境相容性方面展现出显著优势。优化的铝基刹车材料配方实现了优异的综合性能，同时避免了铜屑对微生物（如大肠杆菌）的毒性。这证实了铝是一种具有高性能、环境友好和轻量化潜力的理想铜替代材料 。

（1）绿色环保汽车刹车片的直接应用与推广

随着全球范围内对刹车片含铜量限制法规（如美国华盛顿州的“铜禁令”）的日趋严格，本研究开发的铝基配方可直接用于制造符合法规要求的无铜或低铜环保型刹车片，为刹车片制造商提供成熟的技术解决方案。

新能源汽车对轻量化以提升续航里程有更高要求。铝基刹车材料密度更低，有助于实现制动系统的轻量化，同时其稳定的摩擦性能能满足电动汽车高扭矩、频繁能量回收制动工况下的可靠性需求，市场应用潜力巨大。

（2）高性能与可持续性兼顾的摩擦材料体系构建

该研究验证了铝在促进摩擦膜形成、改善磨损表面状态、提升热稳定性方面的积极作用。这为开发以铝为核心增强相，协同其他环保组分（如竹纤维、石墨）的新一代高性能可持续摩擦材料体系奠定了理论基础和技术路径。

相关的材料设计理念（如轻金属替代、生物质纤维增强）和磨损机制认识，可拓展至其他需要摩擦调节的领域，如离合器面片、工程机械制动器等，推动整个摩擦材料行业向绿色高性能方向转型。

关于作者

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作者介绍

郑开魁，教授，博导， 福建省“雏鹰计划”青年拔尖人才 。现任福州大学机械工程及自动化学院院长助理、福州大学能源装备摩擦学研究所副所长、先进制造学院智能制造系主任。主要从事摩擦学、表面工程、增材制造、机器人技术等领域研究。主持国家自然科学基金面上项目等10 余项，发表论文70 余篇，授权专利30 余项。

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团队研究方向

福州大学能源装备摩擦学研究所是中国机械工程学会摩擦学分会副理事长单位，长期开展摩擦学基础研究和应用基础研究。研究所立足国家战略需求，旨在为能源装备节能延寿和国防装备的安全可靠服役提供技术支撑。团队发起人为高诚辉教授，师从中国科学院院士雷天觉。历经30 余年发展，在能源装备的摩擦减振、载流摩擦、摩擦制动、绿色润滑等领域实现技术突破，形成新质生产力。近十年，研究所承担了包括国家自然科学基金（联合重点项目、面上项目、青年项目）20 余项；教育部创新团队、国家重点研发计划课题、中央军委科技委创新特区项目、装备部预先研究项目和省重大专项等近30 项科研任务。研究成果获省部级科技进步一等奖2 项、二等奖8 项、三等奖3 项。发表相关学术论文600 多篇，其中三大检索系统收录400 多篇；获中国发明专利授权100 余项；出版学术专著6部 。

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近两年团队发表文章

[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.

责任编辑：杜蔚杰

责任校对：向映姣

审 核：张 彤

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