1 引言

汽车作为现代社会重要的交通工具，其安全性至关重要。而汽车用制动器衬片作为汽车制动系统的关键部件，在汽车安全中起着举足轻重的作用。随着汽车工业的不断发展，人们对汽车的安全性、环保性等要求也越来越高。在这种背景下，XRF技术在筛查汽车用制动器衬片中重金属有害物质方面的必要性日益凸显。

汽车用制动器衬片中可能含有多种重金属有害物质，如铅、汞、镉、六价铬、铜、锑等。制动器衬片在使用过程中会产生磨损，释放出的有害元素可能进入环境中，造成土壤和水源污染，还可能对人体健康产生严重危害。例如，铅会对人体的神经系统、消化系统、骨骼造血功能造成伤害；汞会损害人体的中枢神经系统、肾脏等器官；镉可能导致肾脏衰竭等疾病。为了保护环境和人体健康，必须对其中的重金属有害物质进行严格筛查[1]。而XRF技术作为一种快速、准确、非破坏性的检测方法，具有独特的优势。

XRF技术可以在不破坏样品的情况下，快速检测出样品中的各种元素及其含量。它具有检测速度快、精度高、操作简便等优点，可以大大提高检测效率，降低检测成本。同时，XRF技术还可以对大量的样品进行快速筛查，及时发现含有重金属有害物质的样品，为质量控制提供有力支持。

2 XRF技术概述

2.1 XRF技术原理

XRF技术，即X射线荧光光谱（X-ray Fluorescence Spectrometer）技术，是一种非破坏性分析方法。其工作原理基于物质对X射线的吸收和荧光特性。当X射线照射到样品上时，样品中的原子会吸收部分X射线能量，导致原子跃迁到高能级。高能级不稳定，原子很快会回到低能级，并在这个过程中释放出一定能量的X射线。这些由样品内部发出的X射线被探测器接收，通过分析这些X射线的能量和强度，就可以确定样品中元素的种类和含量。XRF技术因其非破坏性、快速和廉价分析等特点，在工程、品质管理等领域得到广泛应用[2]。

2.2 XRF技术在汽车领域的应用

（1）合金识别和质量控制

X射线荧光光谱仪在汽车工业中广泛应用于材料分析，通过对零部件进行光谱分析，快速检测出零部件的成分和元素含量，从而确保汽车零部件的质量和稳定性，提升整车的性能和安全性。例如，手持XRF分析仪是一种用于分析合金成分和含量的便携式设备，它可以在现场快速、准确地分析合金的化学成分和含量，从而帮助用户快速辨别合金的真伪和质量。在生产线上，它可以实时监控原材料的化学成分，防止不合格材料进入生产流程，从而有效降低废品率和生产成本。此外，XRF还具有高度灵活性，能够适应各种形状和大小的样品，无论是金属部件、焊接点还是粉末状材料，都能进行快速分析。这种灵活性使得它成为多行业质量控制的工具，包括汽车制造等领域。

（2）RoHS 应用

日常生活中，需要对消费品中含有的重金属进行检测，X射线荧光光谱仪可以对汽车车身上的塑料件、金属件、锡焊、涂料进行筛查，检测限制性金属，如铅（Pb）、汞（Hg）、六价铬（Cr6+）、镉（Cd）和溴（Br），以确保在维修、重复使用或回收之前它们是安全的。便携式XRF的灵活性使得它尤其适用于对此类体积很大的材料进行进行安全质量筛查以及现场测试。

（3）镀层分析

汽车工业中，在车辆的各个组件中，镀层有多重应用，可以保护、增强和改善不同零部件的性能和美观。但在镀层厚度控制上非常重要，确保镀层有良好的性能，并且能控制成本。常见的镀层类型包括铜镀锡、铜镀银、镍镀铬、铁镀镍等。XRF还可以用于分析此类样品表面特殊处理镀层的质量密度（mg/m²）分析，比如铝合金表面的锆或钛镀层。

（4）车用油品分析

XRF可用于快速分析润滑油中的磨损金属、滤料颗粒分析、质量控制。通过对废弃油进行分析可以帮助发动机改进更新预防性维护计划。根据发动机、机械设备使用油品中金属杂质变化趋势分析可以用来确定哪些元素在增加或减少。趋势可以指出引擎的哪个部分正在损坏，这意味着可以进行更换或维修，以避免灾难性故障。典型的分析样品包括汽车燃油、发动机润滑油和添加剂、污染物、以及从机械设备中的磨损产生的碎屑。

（5）三元锂电池分析

三元锂电池正极材料的研究生产必要的金属元素：镍、钴和锰，镍、钴和锰的比例直接影响电池的性能特性。XRF可以帮助检测锂电池镍、钴、锰元素的含量。在三元锂电池正极材料的研究和生产过程中，关键的一步是分析和控制三种金属元素的组成，以获得需要的电池性能。这是因为正极材料通常由锂镍钴锰氧化物（LiNiCoMnO2）组成，镍、钴和锰的比例直接影响电池的性能特性。高价值的金属元素如镍、钴、锰还可以从回收的电池中进一步提取出来。这些材料可以用于制造新电池或其他产品。

3 汽车制动器衬片的种类及标准

3.1 汽车制动器衬片的种类

汽车制动器衬片按照摩擦材料可以分为以下几个种类：

（1）半金属摩擦材料：汽车和重型车辆盘式刹车片常用半金属摩擦材料，其材料成分通常含有30%～50%左右的铁金属（如钢纤维、还原铁粉、铁泡沫粉）。耐热性好，单位面积吸收功率高，导热系数高，可应用于汽车高速重载运行时要求制动的工况，但高制动噪声和边缘角落较脆。

（2）NAO摩擦材料：广义上是指非石棉-非钢纤维摩擦材料，目前圆盘中还含有少量钢纤维。NAO摩擦材料中的基材在大多数情况下是两种或两种以上纤维（无机纤维，少量有机纤维）的混合物，是非石棉混合纤维摩擦材料。刹车片为短切纤维摩擦块，离合器片为连续纤维摩擦片。

（3）粉末冶金摩擦材料：由铁基、铜基粉末材料经搅拌、加压、高温烧结而成，适用于较高温度下的制动和传动条件。

（4）碳纤维摩擦材料：以碳纤维为增强材料，具有模量高、导热性好、耐热性好等特点，是各种摩擦材料中性能最好的。但由于价格昂贵，应用范围有限，产量较少。在碳纤维摩擦材料成分中，除了碳纤维、石墨、碳化合物也有使用[3]。

3.2 汽车制动器衬片的标准

国家标准GB 5763-2018对有害成分限量要求及试验方法进行了规定。其中，铅（Pb）、六价铬（Cr6+）、汞（Hg）限量为1000 mg/kg，镉（Cd）限量为100 mg/kg[4]。

4 汽车制动器衬片中的重金属有害物质

4.1 常见的重金属有害物质

汽车制动器衬片中常见的重金属有害物质主要有铅、汞、六价铬、镉等。这些重金属在衬片的生产过程中可能会被引入，主要来源于原材料中的增强纤维、粘结剂、摩擦性能调节剂和非金属矿物填料等。

4.2重金属有害物质的危害

铅会对人体的神经系统、消化系统、骨骼造血功能造成伤害。长期接触含铅的制动器衬片，可能会导致人体出现头痛、头晕、乏力、记忆力减退、食欲不振等症状。严重的情况下，还可能会影响儿童的生长发育，导致智力低下。汞会损害人体的中枢神经系统、肾脏等器官。吸入汞蒸气或食用被汞污染的食物，可能会引起中毒症状，如头痛、恶心、呕吐、腹泻、呼吸困难等。长期接触汞还可能会导致神经系统受损，出现震颤、记忆力减退、失眠等症状。铬有多种价态，其中六价铬的毒性最强。六价铬可以通过呼吸道、消化道和皮肤接触进入人体，对人体的呼吸系统、消化系统、皮肤等造成损害。长期接触六价铬可能会导致肺癌、鼻咽癌等疾病。镉可能导致肾脏衰竭等疾病。镉在人体内的积累会影响肾脏的正常功能，导致蛋白尿、血尿等症状。长期接触镉还可能会影响骨骼的生长和发育，导致骨质疏松、骨折等症状。

汽车制动器衬片中的重金属有害物质会随着衬片的磨损而释放到环境中，对土壤、水源和空气造成污染。例如，含铅的制动器衬片在使用过程中，会释放出铅尘，这些铅尘会随着空气流动扩散到周围环境中，污染土壤和水源。重金属污染会对生态系统造成破坏。重金属在土壤和水中的积累会影响植物的生长和发育，导致农作物减产。同时，重金属还会通过食物链的传递，在生物体内积累，对动物和人类的健康造成威胁。此外，重金属污染还会影响环境的美观。例如，含铬的制动器衬片在使用过程中，会释放出铬离子，这些铬离子会使土壤和水源变色，影响环境的美观[5]。

5 XRF技术筛查汽车制动器衬片中重金属有害物质的方法

5.1 检测过程

（1）设置仪器参数，确定仪器管压管流，选取待测元素的谱线及检测时长。

（2）依据汽车用制动器衬片的类型和配方，准备所需原料。通过额外添加混合Pb、Cr、Cd、Hg相应的化合物，制备成所需浓度梯度的样品片。利用ICP-AES、原子吸收光谱仪等设备为样品片精确定量赋值。

（3）通过定量后的样品片可以用于XRF的标准曲线建立，线性符合要求即可用于制动器衬片的筛查。

5.2 结果分析

鉴于分析样品为复合材料，参考GB/T 39560.301标准要求，推荐最大限量的分析校正系数选为50%，由于通过EDXRF不能获得样品中元素的价态和分子信息，因此对六价铬只能检测其总铬（Cr）的含量。样品中Pb、Cr、Cd、Hg测定结果判定如下：当Pb、Cr、Hg≤500 mg/kg，Cd≤50 mg/kg时，可判定样品中Pb、Cr、Hg≤1000 mg/kg，Cd≤100mg/kg[6]。

当Pb、Cr、Hg＞500 mg/kg，Cd＞50 mg/kg时，应以JC/T 2268的分析结果为准。对于超标样品，需要进一步分析其超标原因。可能的原因包括原材料中重金属含量过高、生产过程中引入了重金属等。同时，还需要考虑检测结果的准确性，可以采用其他检测方法，如ICP-AES 法进行验证。

6 与电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-AES）的比较

（1）XRF技术的优点

XRF技术在检测过程中不会对样品造成破坏，能够保持样品的完整性，对于珍贵或难以获取的样品尤为重要。例如，在对汽车制动器衬片进行检测时，可以多次检测同一批样品而不会影响其使用性能。XRF技术检测速度快，能够在短时间内对大量样品进行筛查，提高检测效率。这对于汽车生产企业和质量监管部门来说，可以及时发现含有重金属有害物质的衬片，确保产品质量和安全性。XRF仪器操作相对简单，不需要复杂的样品前处理过程，降低了检测成本和操作人员的技术要求[7]。

（2）XRF技术的缺点

与 ICP-AES 法相比，XRF技术的检测精度可能稍低。尤其是对于低含量的重金属元素，XRF技术可能无法准确检测其含量。XRF技术的检测结果容易受到样品基体的影响。不同材质的汽车制动器衬片可能会对检测结果产生干扰，需要进行适当的校准和修正。

（3） ICP-AES 法的优点

ICP-AES 法具有较高的检测精度，能够准确测定汽车制动器衬片中微量的重金属元素含量。例如，对于含量较低的铅、镉、铬、汞等有害元素，ICP-AES 法可以给出准确的检测结果。ICP-AES 法的线性范围较宽，能够适应不同含量水平的重金属元素检测。这使得该方法在检测汽车制动器衬片中的有害元素时，具有更广泛的应用范围。ICP-AES 法可以同时测定多种元素，提高了检测效率。在对汽车制动器衬片进行检测时，可以一次性检测出多种重金属元素的含量，为全面评估衬片的质量提供了有力支持[8]。

（4） ICP-AES 法的缺点

ICP-AES 法需要对样品进行复杂的前处理过程，包括消解、稀释等步骤。这不仅增加了检测时间和成本，还可能引入误差。例如，在消解过程中，如果操作不当，可能会导致部分元素的损失或污染。ICP-AES 仪器价格相对较高，维护成本也较大。这对于一些小型检测机构或企业来说，可能会增加检测成本的负担[9]。

不同的重金属检测方法各有优缺点，在实际应用中应根据具体情况选择合适的检测方法。XRF技术具有非破坏性、快速、操作简便等优点，适用于对汽车制动器衬片进行大规模的快速筛查；ICP-AES 法。通过多种检测方法的结合使用，可以更全面、准确地检测汽车制动器衬片中的重金属有害物质，确保汽车的安全性和环保性。

7 结论

XRF技术在汽车制动器衬片有害元素筛查中具有重要作用，它能快速、准确检测重金属有害物质，保障汽车行驶安全和环境保护。该技术具有非破坏性、快速检测和操作简便的优势。未来发展方向包括提升检测精度、实现多功能集成化以及与其他检测技术的协同发展，以提供更全面、准确的质量控制解决方案。

参考文献：

[1]李名林.汽车材料禁用和限用标准研究.汽车工艺与材料，2006（6）.

[2]曹利国.能量色散X射线荧光方法M.成都：成都科技大学出版社，1998.

[3]韩福涛，毛成涛，等.汽车制动器衬片检测标准及测试方法研究[J].检验检疫学刊，2017，27（06）：32-35.

[4]GB 5763-2018，汽车用制动器衬片[S].

[5]赵云霞， 郭山， 刁帅， 刘小冬， 张良， 王迪. 汽车用制动器衬片有害成分的检测与分布[J]. 汽车零部件， 2022， （05）： 75-77.

[6]GB/T 39560.301，电子电气产品中某些物质的测定 第3-1部分：X射线荧光光谱法筛选铅、汞、镉、总铬和总溴[S].

[7]周宝宣，袁琦.土壤重金属检测技术研究现状及发展趋势.应用化工，2015，44（1）：131-138，145.

[8]王少丽.ICP-AES法测定汽车用制动器衬片中有害元素[J].福建分析测试，2021，30（3）：22-25.

[9]陈新坤.电感耦合等离子体原子发射光谱法原理和应用[M].天津：南开大学出版社，1987：196.