曲選輝，章 林，吳佩芳，釋加才讓，曹靜武，任淑彬，劉婷婷

（1.北京科技大學新材料技術研究院，北京100083；2.北京天宜上佳新材料股份有限公司，北京100094）

現(xiàn)代軌道交通剎車材料的發(fā)展與應用

曲選輝1，章 林1，吳佩芳2，釋加才讓2，曹靜武2，任淑彬1，劉婷婷1

（1.北京科技大學新材料技術研究院，北京100083；2.北京天宜上佳新材料股份有限公司，北京100094）

分析了軌道交通車輛用盤形制動裝置中閘片/制動盤組成的摩擦副的工作條件及其對材料的要求，介紹了鑄鐵閘片、樹脂基閘片、鐵基和銅基粉末冶金閘片的性能特點及適用領域，重點分析了粉末冶金閘片各組元的功能及摩擦磨損性能調(diào)控機制.基于制動盤熱斑形成機理，闡明了閘片形狀與排布對制動盤熱源分布的影響規(guī)律.闡述了鑄鐵、鑄鋼、鍛鋼、金屬基復合材料和C/C復合材料制動盤的研究進展，并指出了現(xiàn)代軌道交通剎車材料設計與制造的研究熱點及研究方向.

軌道交通；制動閘片；制動盤；粉末冶金；摩擦性能

現(xiàn)代軌道交通具有速度快、運量大、安全等特點.我國軌道交通發(fā)展迅猛，已成為世界上高速鐵路發(fā)展最快，系統(tǒng)技術最全，集成能力最強，運營里程最長，運行速度最高，在建規(guī)模最大的國家.截至2015年底，我國鐵路營業(yè)里程達到12.1萬公里，其中高速鐵路（200～400 km/h）1.9萬公里，位居世界第一.預計到2020年，我國高鐵運營里程將超過2.2萬公里，屆時將會有5 000多列動車組投入運行.

高速列車基礎制動裝置通常采用盤形制動，利用閘片與制動盤產(chǎn)生的摩擦力實現(xiàn)減速或停車，如圖1所示.閘片與制動盤組成一對摩擦副，其中制動閘片是保證高速列車運行安全的關鍵部件，其性能直接影響到制動性能、制動盤和閘片本身的使用壽命及列車的安全運行.高速列車閘片在高速摩擦產(chǎn)生的高溫下工作，高速列車在制動時，其制動元件的溫度將達到500℃以上，閃點溫度甚至可達1 000℃左右.以1輛軸重為17 t的動車為例，當速度為380 km/h時，單個制動盤的緊急制動耗能高達47 MJ.隨著列車高速化，制動負荷越來越大，制動時產(chǎn)生的熱能及熱沖擊也大大增加，對制動閘片和制動盤的性能要求也越來越高.此外，由于制動閘片和制動盤是易損部件，需要定期更換，具有巨大的市場需求，因此，已成為各工業(yè)國家及有關公司激烈競爭的高技術領域.

圖1 盤形制動裝置中閘片/制動盤摩擦副Fig.1 Friction pairs of brake pad/brake disk in disc brake device

1 制動閘片

閘片要求具有制動平穩(wěn)、高抗粘著性、高強韌性、高耐磨性、熱物理性能優(yōu)異、結構可靠、噪音小等特性［1］.圖2是UIC541-3標準要求的高速列車用閘片在干燥條件下的瞬時摩擦系數(shù).理想的閘片材料應具有摩擦系數(shù)隨制動速度的變化波動小，且無明顯熱衰退.

根據(jù)列車的運行速度和設計要求，目前在用的閘片材料主要有鑄鐵、樹脂基材料和粉末冶金（PM）材料3大類，C/SiC復合材料閘片目前還處于研發(fā)階段.幾種典型的閘片產(chǎn)品如圖3所示.

1.1 鑄鐵閘片

鑄鐵閘片經(jīng)歷了從灰鑄鐵閘片、中磷閘片、高磷閘片到合金鑄鐵閘片的發(fā)展，通常只用于100 km/h左右的列車.隨著制動速度增大，閘片溫度上升，摩擦系數(shù)下降，磨損量増大.普通鑄鐵的摩擦系數(shù)小，通常為 0.25～0.35.中磷閘片（0.7wt.%～1.0wt.%P）在75 km/h制動初速度時，摩擦系數(shù)比灰鑄鐵閘片提高20%～25%，在低速時兩者相當.但中磷閘片的耐磨性比灰鑄鐵閘片提高約50%，可提高車輛運行速度5%～10%.在緊急制動距離800 m條件下，旅客列車最高運行速度可達到 100 km/h.高磷閘片（1.5 wt.%～2.5wt.%P）的摩擦系數(shù)較大，具有更好的耐磨性，制動時閘片摩擦出現(xiàn)火花較小，制動距離也短，但存在脆性大，容易斷裂的問題，需采用鋼背來補強.

圖3 幾種閘片產(chǎn)品圖Fig.3 Several kinds of brake pads：（a） cast iron brake shoe［3］；（b，c） resin-based brake pad［4］；（d，e）PM brake pad［5-6］；（f）C/SiC brake pad［7］

添加稀土元素能夠進一步提升高磷鑄鐵的性能，彌散分布的稀土化合物細化磷共晶，使其呈不規(guī)則塊狀分布，磷共晶類型從三元向二元轉(zhuǎn)化.稀土元素減小了珠光體片間距和滲碳體厚度，強化了基體，提高了耐磨性，從而起到降低鑄鐵閘片的脆性并提高耐磨性的作用［8］.石墨形貌也是影響含磷鑄鐵性能的重要因素，含蠕蟲狀石墨的鑄鐵具有優(yōu)良的耐磨性，又有高的摩擦系數(shù)，閘片摩擦表面的裂紋數(shù)量和尺寸比高磷鑄鐵小，在實際應用中不易斷裂與掉塊，制動火花性能也得以改善.合金鑄鐵閘片是在含磷量較高的閘片中進一步加入少量合金元素（如Cu，Ni，Cr，Ti，V），既可進一步提高摩擦系數(shù)，又可強化鑄鐵基體，提高閘片的耐熱裂性.如日本將特種鑄鐵閘片應用于北海道高速動力車上，130 km/h時，即使在降雪條件下，也能在600 m內(nèi)使列車制動.

1.2 樹脂基閘片

樹脂基閘片是將粘結劑（腰果殼油改性酚醛樹脂、天然橡膠、丁苯橡膠、丁腈橡膠、粉末丁腈橡膠等）、增強材料（玻璃纖維、鋼纖維、碳纖維、礦物纖維等）和摩擦改性劑（石墨、鉀長石、氧化鋯、沉淀硫酸鋇、凹凸棒粘土、硅灰石粉、菱鎂土、高嶺土等）混合后加壓加熱固化而制得的復合材料［9］.通常，樹脂基閘片使用時速為160～200 km/h.國外生產(chǎn)樹脂基閘片的著名企業(yè)有法國Flertex公司的“REF”，德國Becorit公司的“Becorit”，美國西屋的“COBRA”，法國VALEO的“HERSOT”，德國JURID的“JURID”、英國“FERODO”，亞柏克斯公司的“虎”牌等.樹脂基閘片經(jīng)歷了從石棉樹脂基閘片、無石棉摩擦材料（NAO）型樹脂基閘片到用于快速、重載的高摩樹脂基閘片的發(fā)展過程.法國TGV-PSE高速列車上使用的樹脂基閘片主要成分為丁醛（丁二烯）苯乙烯（SBR）彈性粘結劑，或甲醛酚醛樹脂粘結劑，加入鐵和氧化鐵、硅和二氧化硅、氧化鋁、硫酸鋇、鋅和氧化鋅、氧化鎂和銅.25.5 m空調(diào)雙客上采用了HZ408牌號的樹脂基閘片，這種閘片以腰果殼液改性酚醛樹脂和丁苯橡膠摻合膠型作為粘結劑的有機樹脂基閘片，具有熱穩(wěn)定性好、噪聲小和耐磨性好的優(yōu)點.

樹脂改性是提高基體熱分解溫度和高溫摩擦系數(shù)穩(wěn)定性的重要手段.具有代表性的有4種酚醛樹脂改性體系：橡膠-酚醛樹脂、腰果殼油改性酚醛樹脂、三聚氰胺-腰果殼油改性酚醛樹脂、聚乙烯醇改性酚醛樹脂.此外，Wang等［10］通過乳膠?；瘜W改性生成了大分子網(wǎng)絡結構，提高了酚醛樹脂的耐熱性、強韌性及閘片的熱穩(wěn)定性和耐磨性，可滿足160 km/h列車的要求.Saffar等［11］得出含40vol.%酚醛樹脂和苯乙烯-丁二烯橡膠的樹脂基閘片的摩擦磨損性能很大程度上受橡膠組分的影響，由于橡膠在高滑動速度下的粘彈性響應，橡膠基復合材料的摩擦系數(shù)衰減和回復得以改善.Liu等［12］得出羧基丁腈橡膠改性酚醛樹脂材料綜合性能最佳，摩擦系數(shù)穩(wěn)定，磨損量小.Cong等［13］認為改性酚醛樹脂能夠產(chǎn)生更多的內(nèi)摩擦單元，沖擊韌性和壓縮強度更高，制動穩(wěn)定性更好.Ho等［14］發(fā)現(xiàn)銅纖維增強的酚醛樹脂基摩擦材料表現(xiàn)出高且穩(wěn)定的摩擦系數(shù)和低磨損.Kolluri等［15］發(fā)現(xiàn)合成摩擦材料溫度分布均勻性與石墨顆粒大小有關，細小顆粒有利于溫度的均勻化，而中等尺寸顆粒的材料溫度不均現(xiàn)象最嚴重，石墨顆粒過大也不利于溫度的均勻化.Dharani等［16］得出芳綸漿粕和玻璃纖維復合使用可降低摩擦材料的磨損，提高摩擦穩(wěn)定性.樹脂基閘片的彈性模量過高是造成閘片與制動盤點接觸及局部溫升的原因，降低彈性模量是解決制動盤熱裂的有效途徑.日本和英國樹脂基閘片的彈性模量均不超過1 000 MPa，熱斑溫度低于600℃，避免了熱裂.這可以從調(diào)整橡膠彈性體和軟硬質(zhì)點組分的含量，以及降低摩擦塊的耐磨性以使其利于界面更新等方面降低閘片的彈性模量，增大制動過程的實際接觸面積，從而消除熱裂.金屬鑲嵌是影響樹脂基閘片正常應用的另一個重要問題，其形成機理是摩擦磨損產(chǎn)生的金屬磨屑鑲嵌在閘片表面形成金屬鑲嵌起始點，制動時的高溫高壓使制動盤材質(zhì)不斷向金屬點轉(zhuǎn)移而形成大塊金屬鑲嵌物.

1.3 粉末冶金閘片

粉末冶金閘片是指采用粉末冶金工藝制備摩擦塊，再通過鉚接或焊接的方式固定在鋼背上而得到閘片.國外生產(chǎn)粉末冶金閘片的公司主要有德國 Knorr-Bremse公司和 Becorit公司、法國Flertex公司、美國Honeywell等，其中Knorr-Bremse公司壟斷全球80%以上高鐵剎車片的市場.國內(nèi)生產(chǎn)粉末冶金閘片的公司主要有北京天宜上佳新材料有限公司、常州南車鐵馬科技實業(yè)有限公司、青島亞通達鐵路設備有限公司、北京浦然軌道交通科技有限公司、中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司、北京西屋華夏技術有限公司等.粉末冶金閘片材料主要有鐵基和銅基兩類.

1.3.1 鐵基閘片

鐵基閘片材料主要以Fe-Ni-C系合金為基體，添加基體強化元素（Cr、Cu等），摩擦組元（SiO2、Al2O3、SiC、ZrO2、BC等）和潤滑組元（Pb、Sn、Sb、Bi、石墨、MoS2、磷化物、氮化物及氧化物等）制得的摩擦材料［17-18］.鐵基閘片具有較高的耐熱性、強度、硬度和抗氧化性，但它與鑄鐵或鋼制動盤具有親和性，容易產(chǎn)生粘著，低速時摩擦系數(shù)波動大，摩擦表面損傷較嚴重，用作高速列車閘片時受到較大限制［19-20］.

添加的低熔金屬Sn、Pb、Bi、Cd在剎車過程中熔化或軟化，形成表面膜層，提高了摩擦副的抗粘著能力和磨合性.添加Mn、Al和Co提高材料耐磨性，Al和Co降低平均摩擦系數(shù).MoS2在燒結過程中分解，產(chǎn)物硫與鐵反應生成層狀結構，具有潤滑作用［21］.添加Cr降低了摩擦系數(shù)，使摩擦系數(shù)的穩(wěn)定性變差.添加Cu降低塑性，提高材料強度和硬度，從而提高抗粘著性，減小熱衰退.添加B4C提高材料的摩擦系數(shù)能力比SiO2強，而SiO2提高耐磨性的能力比B4C好.石墨部分溶解于鐵，強化基體，部分是游離碳.隨著石墨含量增加，片狀石墨析出物變粗，鐵素體數(shù)量減少，滲碳體變粗大.由珠光體與游離片狀石墨相結合的組織具有較好的綜合性能.石墨有助于穩(wěn)定摩擦系數(shù)，抑制摩擦過程中產(chǎn)生的噪音、顫動等不良狀況.添加莫來石有利于提高鐵基閘片的摩擦系數(shù)，使材料在高溫時具有足夠高的摩擦系數(shù)和熱穩(wěn)定性，既可以縮短剎車時間，也可以改善剎車平穩(wěn)性［22］.

1.3.2 銅基閘片

銅基閘片是以銅作為基體，添加基體強化組元（Fe、Ni、Mo、Ti、Sn、Zn、P等），摩擦組元（SiO2、Al2O3、SiC、石棉、金屬、ZrO2等非金屬氧化物、碳化物、氮化物）和潤滑組元（石墨、MoS2、CaF2、WS2、B4C、BN、Pb、Bi等）燒結而成的材料［23-24］.銅基閘片具有較好的綜合性能和優(yōu)異的制動效果，使用時速已提高到350 km或更高，且能夠保持穩(wěn)定的摩擦系數(shù).日本的新干線，法國的TGV以及德國的ICE高速列車的制動閘片均應用的是銅基粉末冶金閘片.表1是幾種典型銅基粉末冶金閘片的成分.

Ni與Cu無限固溶，對Cu起強化作用.Sn與Cu形成復雜化合物以強化基體.Al、Fe與Cu形成鋁鐵青銅，具有較高的強度，同時低熔點的Sn和Al在燒結過程中產(chǎn)生瞬時液相，促使合金化和致密化.適當含量和粒度配比的SiC、Al2O3和ZrO2等陶瓷顆粒彌散分布于基體，起增摩和嚙合作用，使對偶件表面保持一定的粗糙度，降低摩擦副間的粘著磨損，提高了摩擦系數(shù)的穩(wěn)定性和制動平穩(wěn)性［25］.Al2O3表面鍍銅處理能夠改善Al2O3與基體的界面結合強度，提高摩擦材料的綜合性能［26］.Sn、Pb、Bi等低熔點金屬在摩擦面溫度超過其熔點時熔化，并在摩擦表面形成潤滑膜，降低了摩擦系數(shù)和溫度，而當金屬重新凝固時，摩擦系數(shù)又恢復到原有水平，有助于摩擦穩(wěn)定性和抗粘著能力的提高.添加0.1wt.%～2wt.%Fe后，鐵顆粒彌散分布在基體中起強化作用，在摩擦表面形成微凸體增大摩擦表面的粗糙度，同時使銅保持高的熱導率［26］.Fe顆粒與制動盤的親和性比銅基體好，在摩擦力和摩擦熱的作用下吸附性好，有利于降低磨損量和提高摩擦系數(shù)［27］.適量的SiO2能提高閘片的摩擦綜合性能，SiO2含量過高（＞7%）易破壞基體的連續(xù)性.石墨有利于在摩擦面形成薄而緊致的摩擦潤滑層，增強第三體的流動性，有利于增加接觸面積，降低應力集中，起到穩(wěn)定摩擦系數(shù)、降低磨損量的作用［28］.另外，石墨的取向?qū)δΣ聊p性也有重要影響，石墨沿垂直于摩擦面方向，基體連續(xù)性提高，表面石墨分布均勻，有助于材料導熱率的提高和摩擦表面溫度的降低，能夠提高摩擦系數(shù)穩(wěn)定性.石墨顆粒表面涂覆Mo2C、TiC有助于提高銅基復合材料的致密度、界面結合及熱導率［29］.此外，孔隙的體積、大小、結構及分布對閘片的摩擦磨損性能也有重要影響，孔隙由于邊緣破碎或撕裂而產(chǎn)生磨屑，并直接參與摩擦磨損過程，導致摩擦系數(shù)和磨損增大.

表1 典型銅基粉末冶金閘片成分（wt.%）Table 1 Compositions of typical PM brake pads（wt.%）

1.4 制動閘片的結構

制動盤在高負荷制動條件下溫升顯著，受力不均勻形成局部熱應力，導致熱斑的形成，這是引起制動盤疲勞裂紋的萌生和擴展，乃至失效的主要原因.圖4所示的環(huán)狀熱斑、宏觀熱斑和區(qū)域型熱斑引起的破壞性最大，其中宏觀熱斑是引起制動盤失效的主要原因［30］.

圖4 制動盤熱斑類型［30］Fig.4 Hot spots on brake disk［30］：（a）ring hot spots；（b）macroscopic hot spots；（c）regional hot spots

熱斑的尺寸和分布主要取決于閘片的結構、形狀及其組成材料.通過調(diào)整閘片的形狀與排布能夠調(diào)整接觸表面的壓力大小和分布，以及熱源分布.制動盤與閘片的接觸狀態(tài)越穩(wěn)定，接觸壓力分布就越均勻，摩擦熱就能均勻地傳進制動盤.Wirth［31］提出等壓力（ISOBAR）閘片結構，該閘片由多個獨立的六邊形摩擦塊組成，摩擦塊用鉸連接方式固定于閘片背板，并可以自由轉(zhuǎn)動，大幅度提高了制動盤摩擦面的溫度分布均勻性.閘片摩擦塊形狀對制動盤損傷程度也有重要影響，主要的形狀有圓形、六邊形和三角形［32-34］.摩擦塊為圓形時，盤面的溫差和熱應力最小，摩擦塊為三角形時，盤面的溫差和熱應力最大［35］.這種差異是由于摩擦塊的位置分布影響到摩擦接觸弧長度，摩擦環(huán)帶對應的接觸弧長度偏差越小，制動盤溫度越低，分布也越均勻.農(nóng)萬華等［36］提出結構因子來表征閘片的結構特征.

式中：N為結構因子；R為摩擦半徑；L為摩擦副在盤中半徑為R的圓周上接觸弧長之和；R0為制動盤的外圓半徑.結構因子N所代表的物理意義正好與盤半徑為R的圓周上的熱流密度相對應，N值越大輸入的熱流密度也越大，N體現(xiàn)了摩擦熱能分配狀態(tài)，用以表征閘片的結構差異.

為了解決摩擦塊在制動盤上制動壓力不均衡，無法獲得最大有效摩擦面積的問題，粉末冶金閘片采用如圖5所示的彈性浮動結構［37-38］.閘片摩擦塊安裝在彈性元件上，并通過卡簧連接在背板上，使用過程中產(chǎn)生自適應性浮動，減輕了偏磨現(xiàn)象，不僅能夠穩(wěn)定和提高摩擦性能，還能起到減震的作用［39］.

圖5 摩擦塊彈性浮動安裝結構Fig.5 Elastic floating structure of friction blocks

閘片在高寒、潮濕、雨雪條件下使用時，外界硬質(zhì)顆粒異物會夾在制動盤和閘片之間不能脫落，引起制動盤磨削并加重磨損.北京天宜上佳新材料股份有限公司通過改變摩擦塊的形狀和排布，以及彈性浮動結構設計，形成有效排屑及散熱通道，避免磨削物的堆積和金屬鑲嵌，提高了散熱效果及載荷均衡性，明顯降低了制動盤異常磨耗，提高了摩擦系數(shù)穩(wěn)定性（圖6）和摩擦面溫度分布均勻性［40］.圖7為研制的TS399高寒閘片，從2013年起在哈大線批量裝車.

圖6 彈性浮動摩擦塊的瞬時摩擦系數(shù)［40］Fig.6 Instantaneous friction coefficient of elastic floating fric-tion blocks［40］

圖7 天宜上佳公司TS399粉末冶金閘片［41］Fig.7 TS399 PM brake pads fabricated by Beijing Tianyishangjia New Material Corp.，Ltd［41］

2 制動盤

制動盤要求具有高的強度、高的耐熱性能、大的比熱容、以及優(yōu)良的導熱、抗蝕、抗磨等性能.圖8是不同速度條件下使用的制動盤材料.

圖8 不同速度條件下使用的制動盤材料［5］Fig.8 Brake disk materials used by varied trains with differ-ent speeds［5］

2.1 鑄鐵、鑄鋼、鍛鋼制動盤

鑄鐵制動盤材料經(jīng)歷了從普通片狀石墨鑄鐵、含Ni-Cr-Mo的低合金鑄鐵到蠕墨鑄鐵的發(fā)展過程.普通片狀石墨鑄鐵制動盤在使用過程中磨損較快，在地鐵上應用較多.低合金鑄鐵中添加了Ni、Cr、Mo，提高了耐熱龜裂性和高溫耐磨性，但強度較低，熱疲勞性較差.蠕墨鑄鐵制動盤通過貝氏體等溫淬火處理強化鑄鐵基體，并添加變質(zhì)劑將使片層狀石墨轉(zhuǎn)變?yōu)槿湎x狀石墨，保持了鑄鐵的導熱性，提高了強度和抗熱龜裂性，但耐磨性還需要進一步提高.鑄鋼制動盤具有較高的強度和抗熱龜裂性能，但存在導熱性不高、熱容量小、膨脹系數(shù)較大等問題，目前動車組制動盤主要是鑄鋼材料.鍛鋼具有較高的強度和韌性，同時還具有較高的抗熱龜裂性、良好的耐磨性和耐熱疲勞性，使用壽命長，是目前高速列車制動盤普遍采用的材料.組合制動盤以鑄鐵作為摩擦材料制成摩擦盤輻，以鑄鋼（鍛鋼）作為補強材料制成盤轂，能發(fā)揮鑄鐵耐磨性能好和鍛鋼抗熱龜裂性能好的特點.

2.2 金屬基復合材料制動盤

鋁基復合材料制動盤以AS7G06、AV4NT或AS18UNG等牌號的鋁合金作為基體，添加8vol.%～20vol.%的SiC或Al2O3等陶瓷顆粒作為增強相制備的復合材料［42］，具有質(zhì)量輕、摩擦系數(shù)高、耐磨損、導熱性好等優(yōu)點，盤體能快速冷卻.熱容相同時，比傳統(tǒng)鋼質(zhì)制動盤減重50%，且摩擦系數(shù)穩(wěn)定，摩擦表面溫度明顯降低.Becorit公司研制了30和50 MJ復合材料制動盤.日本和德國分別在100 N系新干線電動車組和ICE-1線路上裝車運行試驗，質(zhì)量僅為鑄鐵制動盤的40%，壽命大幅提高［43-44］.

在鋁基復合材料制備技術中，較接近產(chǎn)業(yè)化的方法是液態(tài)金屬攪拌法和復合鑄造法［45］.美國Duralcan公司采用液體金屬攪拌生產(chǎn)出性能優(yōu)良的SiC/A356鋁合金復合材料，但需要采用較昂貴的真空設備.復合鑄造法是在較低的熔煉溫度下，將合金的半固態(tài)漿液與陶瓷顆粒攪拌相結合，并通過預處理提高SiC顆粒流動性.中國南車集團株洲電力機車有限公司與湖南大學合作，采用移動坩堝式噴射共沉積技術以及大型環(huán)件楔形壓制致密化技術開發(fā)了高速列車用Al-20%Si/SiCp復合材料制動盤，但其塑性較低，與對偶件的磨損較大.采用球形碳化硅顆粒能夠減少SiC粒子的磨損性，提高摩擦系數(shù)的穩(wěn)定性和耐磨性.

組合式制動盤將陶瓷顆粒增強鋁基復合材料作為盤的摩擦面，而盤轂部分為塑性較好的鋁合金，有望解決鋁基復合材料制動盤塑性低，抗裂紋擴展能力差的問題.Zeuner［46］采用多步澆鑄工藝制備局部增強鋁基復合材料，如圖9所示.澆鑄模具有3個澆道，首先澆鑄復合材料層，待局部凝固后，再澆鑄A356鋁合金，最后澆鑄第3層復合材料層.

圖9 多步澆鑄法制備局部增強鋁基復合材料［46］Fig.9 Locally reinforced Al-based composites prepared by multi-step casting method［46］

北京科技大學曲選輝、任淑彬、章林等人系統(tǒng)研究了Al/SiC、Cu/SiC等金屬基復合材料的近終成形制備技術及摩擦磨損性能［24，29，47-49］.采用壓力鑄造工藝（圖10）將陶瓷顆粒預成形多孔坯與高強鋁合金進行復合，得到層狀結構鋁基復合材料［50］，使鋁合金基體優(yōu)異的力學性能、加工性能和高熱導率，以及復合材料層優(yōu)異的摩擦磨損性能都得以充分發(fā)揮.

圖10 層狀結構鋁基復合材料壓力鑄造復合工藝［50］Fig.10 Layered structure of Al-based composites prepared by pressure casting［50］

2.3 C/C復合材料制動盤

C/C復合材料制動盤具有密度低（1.8 g/cm3）、比熱容高、耐熱性良好和使用溫度高等優(yōu)點［51］.德國Knoor-Bremse公司研制的C/C復合材料在250 km/h試驗時，吸收的制動能高達100 MJ.法國已在TGV-A和TGV-PSE高速列車上安裝了SepcagbSA3D牌號的C/C復合材料制動裝置，可吸收制動功高達90 kJ，并表現(xiàn)出優(yōu)良的綜合性能.日本新干線370 km/h動車制動系統(tǒng)及試驗臺速為450 km/h的高速低噪音列車也選用C/C復合材料作為制動材料.

為了降低C/C制動盤的成本，使其應用于高速列車，通常選用短碳纖維作為增強相，采用模壓法進行成形，然后采用高壓或中壓浸漬碳化法致密化.Chareire［52］等開發(fā)了混雜纖維強化C/C復合材料制動盤，長纖維平行于制動盤表面與摩擦方向，短纖維分布在碳基體內(nèi).C/C復合材料除存在成本高的問題外，還有摩擦系數(shù)隨制動初速度增加變化較大、能量損耗大致使制動系統(tǒng)及臨近組件溫升過高、以及復合材料中的氣孔在潮濕環(huán)境下吸濕而會引起摩擦系數(shù)大幅度下降等.為提高C/C復合材料的高溫抗氧化性，可在基體中加入B2O3和Si粉作為抗氧化劑，并在非摩擦面涂覆抗氧化SiC涂層，如日本三菱公司的油漆工型SiC轉(zhuǎn)換法［53］.美國橡樹嶺國家實驗室與 Honeywell Advanced Composites公 司、HoneywellAircraft Landing Systems公 司、HoneywellCommercial Vehicle Systems公司合作，正在研制低成本的C/C-SiC復合材料剎車片.法國TGV-NG高速列車和日本新干線已試用C/C-SiC閘片.

3 應用與展望

我國高鐵技術已逐步走到世界前列，為了滿足列車高速化對高性能閘片的需求，應從材料設計角度系統(tǒng)研究制動閘片材料各組元的特征、界面結構及其對閘片的力學性能、熱穩(wěn)定性和摩擦磨損性能的影響規(guī)律，提高閘片的使用速度極限、耐熱性、摩擦系數(shù)的穩(wěn)定性、以及制動盤溫度分布均勻性.形成具有自主知識產(chǎn)權的材料體系，并完善制動閘片評價標準.

列車運行具有里程長、工作環(huán)境復雜多變的特點，需要開展剎車副材料的環(huán)境適應性研究，有針對性地研發(fā)適合特定環(huán)境使用的制動材料，特別是要解決冰雪惡劣氣候?qū)е庐惓Ｄズ牡入y題.

為了推進制動盤輕量化，降低制造成本，應重點解決大尺寸金屬基復合材料制動盤的脆性和使用溫度較低，以及C/C制動盤的摩擦系數(shù)隨制動速度增加變化大等難題.

［1］FERRER C，PASCUAL M，BUSQUETS D，et al.Tribological study of Fe-Cu-Cr-graphite alloy and cast iron railway brake shoes by pin-on-disc technique［J］.Wear，2010，268（5）：784-789.

［2］International Union of Railways（UIC）.UIC 541-3 Ed.7.Brakes-discbrakesand theirapplication-General conditions for the approval of brake pads：UIC 541-3［S］.France：International Union of Railways（UIC），2010.

［3］http://cn.ksalex.com/zhawa/pro_show-756.html.

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（編輯 呂雪梅）

Development and application of braking materials for modern rail transit vehicles

QU Xuanhui1，ZHANG Lin1，WU Peifang2，SHIJIA Cairang2，CAO Jingwu2，REN Shubin1，LIU Tingting1
（1.Institute for Advanced Materials and Technology，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China；2.Beijing Tianyishangjia New Material Corp.，Ltd.，Beijing 100094，China）

The working conditions and requirements of the corresponding materials of the friction pair composed of brake pad and brake disc in disc brake device for rail transit vehicles are analyzed.The characteristics and application fields of cast iron，resin-based brake pad and powder metallurgy brake pads are summarized.The main focus is on the analysis of the functions of varied components in iron-based and copper-based powder metallurgy brake pads，as well as the key factors that determine their friction and wear performance.Based on the formation mechanism of hot spots on brake discs，the effect of shape and arrangement of brake pads on the heat distribution of brake disc is analyzed.Moreover，the development of cast iron，cast steel，forged steel，metal matrix composite，and C/C composite brake disc is elucidated briefly.Finally，the key research directions on the design and manufacture of the brake materials for modern rail transit are also proposed.

modern rail transit；brake pad；brake disc；powder metallurgy；friction performance

TL61.3

A

1005-0299（2017）02-0001-09

2016-12-02.< class="emphasis_bold">網(wǎng)絡出版時間：

時間：2017-03-25.

國家重點研發(fā)計劃項目（2016YFB0301403）；國家自然科學基金資助項目（51574030，51174029）.

曲選輝（1960—），男，教授，長江學者特聘教授，國家杰出青年基金獲得者.

曲選輝，E-mail：quxh＠ustb.edu.cn.

10.11951/j.issn.1005-0299.20160421