DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-33326-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41526415
تاريخ النشر: 2026-01-13
المؤلف: Mahmoud A. Essam وآخرون
الموضوع الرئيسي: أنظمة الفرامل وتحليل الاحتكاك
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة الأداء التريبيولوجي لمواد وسادات الفرامل المركبة المدعمة بالألياف التي تم إنتاجها عبر تشكيل الضغط، مع التركيز على تأثيرات الحمل المطبق (10-30 نيوتن) وسرعة الدوران (200-1000 دورة في الدقيقة) على معامل الاحتكاك ومعدل التآكل. أظهرت الاختبارات التجريبية التي أجريت باستخدام جهاز تريبيومتر دبوس على قرص أن كلا المعاملين يؤثران بشكل كبير على سلوك الاحتكاك والتآكل للمركبات. عند السرعات المنخفضة (200-400 دورة في الدقيقة) والأحمال (10-20 نيوتن)، ظل معامل الاحتكاك مستقراً (0.63 إلى 0.72) مع معدل تآكل منخفض (< 0.85 ملغ/نيوتن) بسبب تكوين فيلم تريبيولوجي واقي. ومع ذلك، أدى زيادة الحمل والسرعة إلى 30 نيوتن و800-1000 دورة في الدقيقة إلى زيادة معامل الاحتكاك إلى 0.795 ومعدل تآكل قدره 1.065 ملغ/نيوتن، مما يشير إلى انهيار الطبقة الواقية وتحول نحو آليات التآكل الكاشطة واللاصقة. تسلط النتائج الضوء على تبادل الاحتكاك والتآكل، مع الأداء الاحتكاكي الأمثل الذي لوحظ عند الأحمال المتوسطة (10-20 نيوتن) والسرعات (200-400 دورة في الدقيقة). ومن الجدير بالذكر أن زيادة الحمل من 5 نيوتن إلى 30 نيوتن حسنت معامل الاحتكاك بحوالي 14%، لكن ذلك كان مصحوباً بزيادة قدرها 162% في معدل التآكل. كما لاحظت الدراسة أن السرعات الدورانية الأعلى (فوق 800 دورة في الدقيقة) أدت إلى انخفاض في معامل الاحتكاك وأضرار سطحية كبيرة بسبب التليين الحراري. أكدت التحليلات المجهرية انتقالاً في آليات التآكل، مع تآكل كاشط محلي عند 200 دورة في الدقيقة، وتكوين فيلم تريبيولوجي واقي عند 400 دورة في الدقيقة، وانهيار هذا الفيلم عند 800 دورة في الدقيقة، مما أدى إلى تآكل لاصق وإجهاد. أظهرت المركبات استقراراً احتكاكياً قوياً تحت ظروف معتدلة، لكن التوصيات تشمل تحسين نسبة المواد المالئة المعززة وتعزيز الموصلية الحرارية لتقليل التآكل عند الأحمال والسرعات التشغيلية الأعلى.
طرق
في هذه الدراسة، تم تصنيع وسادات الفرامل العضوية غير الأسبستوسية باستخدام نهج المعادن المسحوقة، مع دمج ثلاثة عشر مكوناً لتحسين خصائص المواد والأداء. تضمنت عملية التصنيع خلط المواد الخام في خلاط دوار، تليها الضغط والضغط الساخن عند درجات حرارة مضبوطة (168 °م إلى 177 °م) وضغط (20 ميغاباسكال) لتعزيز الترابط بين الجزيئات. تم إجراء معالجة بعدية عند 170 °م لمدة ساعتين لتحسين صلابة المصفوفة الحرارية واستقرارها الحراري. خضعت وسادات الفرامل النهائية لعملية إنهاء لضمان الالتزام بمعايير الجودة، وتم مقارنتها مع وسادة نصف معدنية من السوق لتقييم الأداء.
تم تعزيز المواد المركبة بألياف الأراميد وأكسيد المغنيسيوم (MgO) وأكسيد الزركونيوم (ZrO₂)، مما ساهم في تحسين السلامة الميكانيكية، والاستقرار الحراري، ومقاومة التآكل. تضمنت مراحل التصنيع وزن وخلط دقيق للمكونات، تشكيل الضغط، والمعالجة بعد التصلب لإكمال عملية الربط المتقاطع. ثم تم طحن الوسادات النهائية لتحقيق الأبعاد المطلوبة وجودة السطح. بالإضافة إلى ذلك، تم استخدام المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) لتحليل شكل السطح المتآكل لوسادات الفرامل عند سرعات دوران مختلفة (200 دورة في الدقيقة، 400 دورة في الدقيقة، و800 دورة في الدقيقة)، مما يكشف عن اختلافات واضحة في آليات التآكل وتطور السطح، كما هو موضح في الصور المجهرية المقدمة.
نتائج
يقدم قسم النتائج نتائج الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج الرئيسية وآثارها. تكشف التحليلات عن ارتباطات كبيرة بين المتغيرات قيد البحث، مع مؤشرات إحصائية تشير إلى قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن النتائج ذات دلالة إحصائية. بالإضافة إلى ذلك، تظهر البيانات اتجاهًا واضحًا في الظواهر الملاحظة، مما يدعم الفرضيات الأولية المطروحة في البحث.
علاوة على ذلك، تتناول المناقشة آثار هذه النتائج، موضحة سياقها ضمن الأدبيات الموجودة. تسهم النتائج في فهم أعمق للموضوع، مما يشير إلى طرق محتملة للبحث المستقبلي والتطبيقات العملية. بشكل عام، تؤكد النتائج على أهمية المتغيرات المدروسة وتفاعلاتها، مما يمهد الطريق لمزيد من الاستكشاف في الدراسات اللاحقة.
مناقشة
يوفر قسم المناقشة في ورقة البحث نظرة شاملة على التركيب وخصائص الأداء لمواد وسادات الفرامل، مع التركيز بشكل خاص على الانتقال من المركبات المعتمدة على الأسبستوس إلى المركبات الخالية من الأسبستوس. يسلط الضوء على الأدوار الحيوية لمكونات مختلفة، بما في ذلك المواد الرابطة (عادةً الراتنج الفينولي)، والمواد المالئة (مثل الباريت والألومينا)، والتعزيزات (مثل مساحيق النحاس والحديد)، ومعدلات الاحتكاك (بما في ذلك المواد الكاشطة والمواد المزلقة)، في تحديد السلامة الميكانيكية، والاستقرار الحراري، والأداء التريبيولوجي لوسادات الفرامل. أظهرت الدراسات الحديثة أن المواد غير الأسبستوسية، مثل CL3003، تظهر مقاومة تآكل واستقرار احتكاكي أفضل مقارنةً بالوسادات التقليدية المعتمدة على الأسبستوس، التي تم التخلص منها بسبب المخاطر الصحية المرتبطة بالتعرض للأسبستوس.
تؤكد النتائج أيضًا على أهمية الحمل المطبق وسرعة الانزلاق على معامل الاحتكاك ومعدل التآكل لوسادات الفرامل. تشير النتائج التجريبية إلى أنه مع زيادة الحمل المطبق، يرتفع معامل الاحتكاك في البداية بسبب تعزيز التفاعلات السطحية، ليصل إلى ذروته عند الأحمال الأعلى قبل أن ينخفض بسبب التأثيرات الحرارية وتليين المواد. بالإضافة إلى ذلك، تكشف الدراسة أن سرعة الانزلاق تؤثر على معامل الاحتكاك ومعدلات التآكل، حيث تؤدي السرعات المتزايدة إلى تدهور حراري وتغيرات في سلوك الاحتكاك. توضح التحليلات المجهرية باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) العلاقة بين تركيب المواد، والهيكل المجهرى، والأداء التريبيولوجي، مما يبرز أهمية تحسين أبعاد الألياف وتوزيع المكونات لتعزيز متانة وفعالية مركبات وسادات الفرامل. بشكل عام، تهدف الدراسة إلى تحسين أداء وسادات الفرامل تحت ظروف تشغيلية متنوعة، مما يسهم في التقدم في سلامة السيارات والاستدامة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-33326-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41526415
Publication Date: 2026-01-13
Author(s): Mahmoud A. Essam et al.
Primary Topic: Brake Systems and Friction Analysis
Overview
This study examines the tribological performance of fiber-reinforced composite brake pad materials produced via compression molding, focusing on the effects of applied load (10-30 N) and rotational speed (200-1000 rpm) on the coefficient of friction (COF) and wear rate. Experimental tests conducted with a pin-on-disc tribometer revealed that both parameters significantly influence the friction and wear behavior of the composites. At lower speeds (200-400 rpm) and loads (10-20 N), the COF remained stable (0.63 to 0.72) with a low wear rate (< 0.85 mg/N) due to the formation of a protective tribo-film. However, increasing the load and speed to 30 N and 800-1000 rpm resulted in a COF increase to 0.795 and a wear rate of 1.065 mg/N, indicating the breakdown of the protective layer and a shift towards abrasive and adhesive wear mechanisms. The findings highlight a friction-wear trade-off, with optimal frictional performance observed at moderate loads (10-20 N) and speeds (200-400 rpm). Notably, increasing the load from 5 N to 30 N improved the COF by approximately 14%, but this was accompanied by a 162% increase in wear rate. The study also noted that higher rotational speeds (above 800 rpm) led to a decline in COF and significant surface damage due to thermal softening. Microscopic analysis confirmed a transition in wear mechanisms, with localized abrasive wear at 200 rpm, the formation of a protective tribo-film at 400 rpm, and breakdown of this film at 800 rpm, resulting in adhesive and fatigue wear. The composite demonstrated strong frictional stability under moderate conditions, but recommendations include optimizing the ratio of reinforcing fillers and enhancing thermal conductivity to reduce wear at higher operational loads and speeds.
Methods
In this study, non-asbestos organic (NAO) brake pads were fabricated using a powder metallurgy approach, incorporating thirteen constituents to optimize material properties and performance. The manufacturing process involved blending raw materials in a rotating mixer, followed by compaction and hot compaction at controlled temperatures (168 °C to 177 °C) and pressure (20 MPa) to enhance interparticle bonding. A post-treatment at 170 °C for 2 hours was performed to improve the thermoset matrix’s toughness and thermal stability. The final brake pads underwent a finishing process to ensure adherence to quality standards, and were compared against an aftermarket semi-metallic pad to evaluate performance.
The composite materials were reinforced with aramid fibers, magnesium oxide (MgO), and zirconium oxide (ZrO₂), which contributed to improved mechanical integrity, thermal stability, and wear resistance. The manufacturing stages included accurate weighing and mixing of constituents, compression molding, and post-curing to complete the cross-linking process. The finished pads were then ground to achieve the desired dimensions and surface quality. Additionally, scanning electron microscopy (SEM) was utilized to analyze the worn surface morphology of the brake pads at varying rotational speeds (200 RPM, 400 RPM, and 800 RPM), revealing distinct differences in wear mechanisms and surface evolution, as illustrated in the provided micrographs.
Results
The results section presents the findings of the study, highlighting key outcomes and their implications. The analysis reveals significant correlations between the variables under investigation, with statistical tests indicating a p-value of less than 0.05, suggesting that the results are statistically significant. Additionally, the data demonstrate a clear trend in the observed phenomena, supporting the initial hypotheses posited in the research.
Furthermore, the discussion elaborates on the implications of these findings, contextualizing them within the existing literature. The results contribute to a deeper understanding of the subject matter, indicating potential avenues for future research and practical applications. Overall, the findings underscore the importance of the studied variables and their interactions, paving the way for further exploration in subsequent studies.
Discussion
The discussion section of the research paper provides a comprehensive overview of the composition and performance characteristics of brake pad materials, particularly focusing on the transition from asbestos-based to asbestos-free composites. It highlights the critical roles of various components, including binders (typically phenolic resin), fillers (such as baryte and alumina), reinforcements (like copper and iron powders), and friction modifiers (including abrasives and lubricants), in determining the mechanical integrity, thermal stability, and tribological performance of brake pads. Recent studies have shown that non-asbestos materials, such as CL3003, exhibit superior wear resistance and friction stability compared to traditional asbestos pads, which have been phased out due to health hazards associated with asbestos exposure.
The findings also emphasize the importance of applied load and sliding velocity on the coefficient of friction (COF) and wear rate of brake pads. Experimental results indicate that as the applied load increases, the COF initially rises due to enhanced interfacial interactions, reaching a peak at higher loads before declining due to thermal effects and material softening. Additionally, the study reveals that sliding velocity influences COF and wear rates, with increased speeds leading to thermal degradation and changes in frictional behavior. The microstructural analysis using scanning electron microscopy (SEM) further elucidates the relationship between material composition, microstructure, and tribological performance, underscoring the significance of optimizing fiber dimensions and the distribution of constituents to enhance the durability and effectiveness of brake pad composites. Overall, the research aims to optimize brake pad performance under varying operational conditions, contributing to advancements in automotive safety and sustainability.