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随着汽车工业和交通运输的发展，对保障行驶安全的重要部件-制动摩擦材料的要求逐步提高。现代摩擦材料需要在不同的速度、温度和压力下保持稳定的摩擦系数，具备低磨损率和较高的机械强度，以保证车辆在各种工况下安全舒适地制动。传统的石棉基摩擦材料由于潜在的致癌风险逐渐被半金属和非石棉有机(NAO)摩擦材料所取代。普通半金属摩擦材料存在易生锈、制动噪音和损伤对偶等缺陷不能广泛应用，而普通NAO摩擦材料耐温性过低而制约了应用范围。陶瓷型摩擦材料属于NAO摩擦材料的一个重要分支，除具备普通NAO摩擦材料环保、制动舒适的特点外，在耐热性和摩擦稳定性方面都有提高。因此，陶瓷型摩擦材料逐渐成为近年来汽车摩擦材料领域的研究热点。陶瓷型摩擦材料以人造陶瓷纤维为主构成增强体系，然而单一陶瓷纤维难以满足摩擦材料对强度及摩擦磨损性能的综合要求，故应用型的陶瓷型摩擦材料的增强体系需由多种增强材料构成。由于陶瓷型摩擦材料近年来才得到研究和应用，原材料的选择仍处于尝试阶段，对于增强材料之间复合协同作用的机理仍不明确，配方优化技术等方面均存在很多难点有待解决。本论文以陶瓷纤维、纳米钛酸钾晶须等为增强材料制备多维复合增强陶瓷型汽车摩擦材料，并研究多维增强材料的互补与协同作用机理，还探索配方预测与性能优化的研究方法。
本论文研究创新点在于研制出以多尺度、多维度和多材质为特征的新型多维复合增强的高性能陶瓷型摩擦材料，系统探讨摩擦材料的结构与力学、热学及摩擦磨损性能等综合性能的关系，探索增强材料之间的协同与互补机理。还建立神经网络预测模型以探讨原材料配方与性能之间关系的规律，并应用于配方预测与性能优化。
本论文研究的主要内容：
以酚醛树脂为粘接剂，以陶瓷纤维、芳纶纤维、纳米钛酸钾晶须(K2O·6TiO2)、玻璃纤维、铜纤维和片状蛭石等为增强材料，以合成石墨、天然石墨、焦碳等为摩擦调节剂，以硫酸钡等为填料制备具有“微米(陶瓷纤维)和纳米(钛酸钾晶须)”尺度、“一维(纤维)和二维(片状蛭石)”形态、“无机(增强材料)和有机(高分子树脂)”材质，以多尺度、多维度和多材质为特征的多维复合增强材料体系。采用冲击强度试验机、万能试验机、塑料洛氏硬度试验机、动态热机械分析仪(DMA)、热重分析(TGA)、环境扫描电镜(ESEM)、定速摩擦磨损试验机以及卡斯摩擦磨损试验机等进行材料表征与测试，以深入了解摩擦材料的结构与力学、热学与摩擦磨损性能等综合性能的关系。通过设计均匀试验以分析原材料配方对性能的影响程度和原材料之间的相互作用，着重探讨微米、纳米陶瓷纤维共增强材料的协同与互补机理，通过各种增强组元间的优化组合和优势互补实现力学、热学与摩擦磨损性能的综合优化。还建立神经网络预测模型以探索材料配方与性能之间关系的规律，用配方测试集进行网络训练，训练后的神经网络应用于配方预测与性能优化。通过以上研究为高性能陶瓷型摩擦材料的制备、机理分析以及应用研究提供了实验和理论依据。
(1)制备陶瓷纤维增强陶瓷型汽车摩擦材料，着重探讨微米陶瓷纤维和纳米钛酸钾晶须(PTV)与材料力学、热学与摩擦磨损性能之间的关系。研究结果表明：当陶瓷纤维与钛酸钾晶须的体积比为2:1，二者总量为30％时，二者能得到较好的协同效应，所制备摩擦材料的冲击强度为2.3KJ/㎡，弯曲强度为17.3H/c㎡，最大应变为1.02mm/mm，300℃摩擦系数为0.44，材料的玻璃化转变温度提高到240℃。陶瓷纤维和钛酸钾晶须共增强摩擦材料而且具有更好的速度、压力和温度摩擦稳定性和耐磨性能，进一步证实微米陶瓷纤维和纳米钛酸钾晶须之间具有良好的协同效应。PIN具有较高的硬度、耐热性、分散性以及较强的与基体树脂结合界面强度，使PTV-陶瓷纤维共增强方式下材料具有致密的内在结构和平滑的摩擦表面。
(2)采用回归建模和结构分析，探索多维增强结构中各增强相之间的相互作用及其对复合材料力学及摩擦磨损性能的影响机理。结果表明：经过优化配方，由不同性质、维度的增强材料制备的多维复合增强陶瓷型汽车摩擦材料具有优异的力学和摩擦磨损性能，冲击强度为0.54J/c㎡、总磨损率为1.35×10-7cm3/N·m、摩擦系数的变异系数为5.86％。在多维复合增强体系中，以微米级玻璃纤维为主体形成增强骨架，在长纤维周围分布短纤维、纳米钛酸钾晶须以及片状蛭石。各增强相之间的互补和协同效应，使这种多维增强结构能将局部应力以多种方式扩散吸收，材料力学和摩擦磨损性能从而得以提高，满足了汽车摩擦材料在力学、摩擦磨损等各方面性能的要求。
(3)采用BP(Back propagation，误差反向传播算法)神经网络模型有效模拟了多维复合增强陶瓷型摩擦材料的原材料比例和摩擦磨损性能之间的关系。结果证实，采用三层网络结构，隐层神经元为4的神经网络结构能较好地进行材料摩擦磨损性能的预测，经过训练的神经网络还可以辅助摩擦材料的配方优化，而且优化试样实际性能测试结果和预测值相对误差小于20％，具备较好的工程应用价值。