碳陶复合材料用于高速列车制动盘和闸片及其摩擦行为研究

碳纤维增强的碳-碳化硅复合材料，即碳陶材料，既具备陶瓷材料耐高温、耐腐蚀、抗热震、抗氧化的特性，又克服了陶瓷的高脆性和裂纹敏感性，在高温下表现出良好的抗热冲击性能和摩阻性能，是较为理想的高温摩擦材料。本项目拟对现有碳陶材料进行涂层预处理，制备出具有不同热物理性能、力学性能和抗氧化吸湿性能的复合材料；将复合材料组合为制动盘和闸片摩擦配副，在模拟高速列车制动工况条件下进行材料试验，通过测试过程和终态信息参数及微观组织观察，研究碳陶材料的盘片匹配性；确定影响材料摩擦稳定性的因素；阐明碳陶材料在制动工况多因素耦合作用下的损伤机理和失效模式；建立碳陶材料的环境性能表征方法和数据库，指导材料在高速列车制动部件上的结构设计和应用。

本项目采用不同成分和力学性能的碳陶复合材料作为制动配副，模拟高铁的实际制动工况，系统研究了碳陶材料的摩擦性能，阐明了材料的磨损机制；通过与目前在役的粉末冶金材料（PM）对比，评估碳陶材料的最佳使用条件。项目采用热压制备的C/SiC材料作为刹车盘，化学气相渗透与熔融硅浸渗结合工艺制备的C/C-SiC材料作为刹车片组成刹车系统，对材料的微观组织、物理性能、力学性能、热学性能、抗氧化性能进行了全面分析表征。模拟高铁制动工况（制动压力1.25MPa，制动速度30——63m/s，相当于运行速度203——419km/h）研究了C/C-SiC的摩擦性能。由于C/C-SiC表面逐渐形成摩擦膜，摩擦系数（COF）随着制动速度的上升先由0.43下降到0.32，之后保持稳定。而C/C-SiC的磨耗则先上升，随后在59m/s时骤降为最小值315mm3/MJ。这是因为低速下纤维/基体界面结合较弱，裂纹经过界面不会发生任何变化；而在59m/s时界面强度合适，裂纹经过界面时发生偏转，减小了磨耗。湿态摩擦测试结果表明C/C湿态COF在0.1左右，与干态相比下降50%；C/C-SiC湿态COF从干态下的0.43上升到0.49。对三种不同材料在同样高铁工况下进行对比，由于两种材料在30m/s速度下就已形成了完整的摩擦膜， C/C和PM的COF稳定在0.22和0.32左右。随着制动速度的上升C/C的磨耗不断下降，PM的磨耗则维持了一段时间的稳定后快速上升。这主要是由于两者不同的磨损机制与自身性能造成的，PM的主要磨损机制是粘着与氧化磨损，随着制动速度上升，材料温度上升、基体的软化，磨损快速加剧，磨耗大幅上升。C/C的主要磨损机制则是裂纹的萌生与扩展，但摩擦过程中不断循环的形成摩擦膜——摩擦膜破碎——形成摩擦膜过程使C/C的质量磨耗在整个制动过程中几乎不变，耗散的能量却迅速上升，导致磨耗下降。.本研究的实验结果表明，C/C-SiC材料具有良好的高温性能，在高速下表现出稳定的摩擦系数和较低的磨耗，具有极大应用价值；而C/C材料虽然磨耗不断下降，但摩擦系数过低会导致制动时间与距离的大幅增加，同时湿态下摩擦系数还会大幅下降，不符合高铁制动安全标准。而现有的PM材料，在低速下摩擦性能优秀，磨耗低且摩擦系数稳定，然而在达到一定速度之后，磨耗会迅速加剧。