Valutazione delle proprietà termiche dei materiali costituenti le pastiglie freno automobilistiche

The objective of this thesis is the characterization of the thermal properties of materials used in automotive brake pads. The focus of this experimental study is the classification of various raw materials, commonly found in friction material formulations, based on their thermal diffusivity (α), specific heat capacity (Cp) and thermal conductivity (K). Thermal diffusivity was determined using Laser Flash Analysis (LFA), while Cp was measured employing both LFA and differential scanning calorimetry (DSC). Subsequently, thermal conductivity was calculated as the product of α, Cp, and the density of the samples. The classes of materials included in the study are: binders (phenolic resins), carbon compounds, metals and metal alloys, inorganic fillers and fibers. The analyzed samples, defined as “simplified samples”, are bi-component composites consisting of phenolic resin (novolac), combined with a raw material in powder or in fibrous form. These composites use the same binder present in friction materials, simulating the matrix, but minimizing the typical variability of real heterogeneous multi-component materials. Indeed, in the bi-component composites the thermal properties depend exclusively on the type of raw material, its spatial arrangement, the interaction that it produces with the matrix and the porosity of the sample. The thesis investigates the trends of the thermal properties of the simplified samples, with temperature (between 100 and 250°C) and with the resin weight fraction (from 2 to 10% by weight), which is closely related to the sample porosity. Different theoretical models, originally developed for predicting the K of bi-component composites, were employed to extrapolate a theoretical K value for the pure raw material, given the experimental values for the simplified sample and the pure resin. The values thus obtained are still influenced by the matrix; indeed, the theoretical K values of the same pure raw material, in composites with different resin percentages, are slightly different. These data were used, through the combination of the aforementioned theoretical models, to predict the K of multi-component samples, give back good fits with the experimental data. This approach validated the models, enabling their use for classify the conductivity of pure raw materials, within a common matrix for different samples. This study provides the tools for obtaining predictions on the real complex heterogeneous matrices, with the aim to obtain important information for the production of new formulations for friction materials, with better capabilities in managing the heat flows generated during braking.

L’obiettivo di questa tesi è lo studio di differenti proprietà termiche dei materiali che costituiscono le pastiglie freno di autoveicoli. Il focus del progetto sperimentale è una classificazione di alcune delle materie prime, tipicamente presenti nelle formulazioni dei materiali di attrito, in funzione della loro diffusività (α), capacità (Cp) e conducibilità termica (K). La α è stata misurata tramite la Laser Flash Analysis (LFA) e la Cp sia con la LFA che con la differential scanning calorimetry (DSC). Successivamente, la conducibilità termica è stata calcolata come il prodotto tra α, Cp e la densità dei campioni. Le classi di materiali incluse nello studio sono: leganti (resine fenoliche), composti carboniosi, metalli e leghe metalliche, filler inorganici e fibre. I campioni analizzati, definiti “campioni semplificati”, sono compositi bicomponenti costituiti da resina fenolica (novolacca), combinata con una materia prima in polvere o fibrosa. Questi compositi sfruttano lo stesso legante presente nei materiali d’attrito, simulandone la matrice, ma riducendo al minimo la variabilità tipica dei materiali eterogenei multicomponenti reali. Infatti, nei compositi bicomponenti le proprietà termiche dipendono esclusivamente dal tipo di materia prima, dalla sua disposizione nello spazio, dall’interazione che essa produce con la matrice e dalla porosità del campione. L’elaborato indaga gli andamenti delle proprietà termiche dei campioni semplificati con la temperatura (tra 100 e 250°C) e con la frazione in peso di resina (dal 2 al 10% in peso), la quale è strettamente correlata con la porosità del campione. Differenti modelli teorici, nati per la previsione della K dei compositi bicomponenti, sono stati invece utilizzati per estrapolare un valore di K teorica della materia prima pura, note quella sperimentale del campione semplificato e della resina pura. I valori così ottenuti sono ancora soggetti ad un’influenza da parte della matrice; infatti, le K teoriche della medesima materia prima pura, in compositi a diversa percentuale di resina, sono leggermente differenti. Questi dati sono stati utilizzati, tramite la combinazione dei modelli teorici di cui sopra, per prevedere la K di campioni multicomponenti, restituendo dei buoni fitting con i dati sperimentali. In questo modo è stato possibile provare la loro validità, rendendo possibile il loro utilizzo per classificare la conducibilità delle materie prime pure, in una matrice comune ai differenti campioni. Tale studio pone le basi per effettuare delle previsioni sulle matrici eterogenee complesse reali, con l’obiettivo di ottenere importanti informazioni per l’ideazione di nuove formulazioni per materiali d’attrito, con migliori capacità nella gestione dei flussi di calore generati durante una frenata.