复合材料制动摩擦机理及摩擦稳定性研究

The application of composite materials as brake pads is of great importance to ensure the safe running process and stable brake of high-speed-train. Our group has successfully developed the brake pad with proper coefficient and lower wear rate compared to import ones after numerous experiments and testing to optimize formula and technology and filled the domestic gap. However, little comprehension of braking mechanism between disc and pad leads to a series puzzles and problems: Why the composite materials can keep a stable friction coefficient at various working conditions and environment? How to control and regulate pad & disc materials to meet various train? How to control brake operating safely, reliably and flexibly? Given these questions, this research will simulate real braking speed, inertia, pressure and environment of high-speed-train to study the braking process, to explore firstly the asperities of heterogeneous components and build the contact model of heterogeneity materials, to measure the residual stress in the deformation layer and temperature distribution in matrix, and thus to elucidate the origin of the friction force, to elucidate the relationship between coefficient of fiction and materials properties (mechanical properties, thermal physical properties and texture), working conditions and environment, thus to lay a solid foundation for the designing and fabricating key parts of high-speed-train with Chinese intellectual property.

复合材料用做高速列车的制动刹车片，对保证列车的安全运行和平稳停驶至关重要。我们前期通过配方和工艺研究，开发出了满足高速列车制动需要的复合材料刹车片，摩擦稳定性高于进口件、磨耗低于进口件，填补了国内空白。但由于对复合材料的摩擦机理不清楚，无法解释刹车片和配副在时速50-380公里/小时的大范围和淋水制动工况下摩擦性能稳定不衰退的原因、无法解释高寒雨雪地域出现的制动不缓解事件、无法对高铁的制动行驶进行调控。基于此，本项目通过模拟高铁实际制动速度、制动惯量、制动压力、制动环境，研究复合材料表面微凸体、接触面积、摩擦温度、变形性、氧化性、第三体的变化规律，阐明制动摩擦力的来源，确定多尺度接触表面的研究方法，建立复合材料的接触模型，丰富和发展干摩擦理论；确立复合材料摩擦系数-材料性能-制动工况-环境作用的耦合关系，为高铁关键部件的自主设计、制造、选材提供可靠的理论依据。

高速铁路作为我国领先于世界发达国家的先进集成技术，目前的营运里程和运营速度均居世界第一，是能够走出国门为数不多的高科技产品。但高铁的基础研究特别是制动安全部件的基础理论研究滞后，势必会给列车的安全运行带来隐患，并将制约我国高铁的发展后劲，影响关键部件的国产化水平。复合材料用做高速列车的制动刹车片，对保证列车的安全运行和平稳停驶至关重要。但由于对制动的本质过程不清楚，行驶制动缺乏可调控性、设计制造具有自主知识产权的制动部件无章可循。.基于此，本项目从材料制备-性能优化-安全服役工况构建方面开展系统研究，开展复合材料的成分设计，揭示基体组成与摩擦演化行为的关联性，当Cu/Fe(wt%)为2.4时，材料具有高且稳定的摩擦系数，同时具有适中的磨损量；通过设计和制备包含第三体成分的预制摩擦膜，揭示了复合材料的制动摩擦机理，致密完整的摩擦膜是稳定摩擦系数降低磨损的关键因素，摩擦力来源于第三体与对偶盘的黏着和磨粒犁削；当摩擦膜在高温高剪切应力作用下发生剥落时，摩擦行为取决于材料自身的变形抗力。高速制动产生的高温降低了材料的变形抗力，导致摩擦系数衰退，磨损加重。通过研究复合材料与钢制动盘和碳陶制动盘配副的制动摩擦行为，表明复合材料与碳陶盘配副展现出了高且稳定的摩擦系数以及更小的磨损，为开发相容性适当的摩擦对副提供了研究方向。通过研究制动初速度、制动压力、制动惯量交叉作用下的摩擦磨损行为，构建了多工况条件下复合材料的摩擦失稳图和磨损图和数据库，为材料和部件的安全服役提供数据积累。.通过以上研究，共发表研究论文10篇、正在撰写论文4篇，申请及授权发明专利和实用新型专利3项，培养硕士生3人，博士生2人。研究生参加2次国际学生会议，1次国内学术会议。.全面完成了项目任务书提出的研究内容和预期成果。.