课题基金 / 基金详情

高速列车制动摩擦材料的成分协同设计及摩擦膜稳定化机制

批准号:
52204369
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
20.0 万元
负责人:
张鹏
依托单位:
学科分类:
粉末冶金与粉体工程
结题年份:
2024
批准年份:
2022
项目状态:
已结题
项目参与者:
张鹏

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
铜基制动闸片因其摩擦磨损性能稳定、耐热性能和散热性能优异、抗粘着性好等优势,成为保证高速列车运行安全的关键部件之一。本项目针对高速下铜基制动闸片紧急制动时摩擦系数衰退及异常波动的问题,提出了综合利用复合摩擦剂的多尺度协同强化以及复合润滑剂的宽温域润滑理念协同设计闸片成分,促进摩擦膜的高强韧及高润滑以维持高速制动过程动态化稳定的新思路。为实现复合摩擦剂和复合润滑剂的最优配比设计并发挥优异的协同强化及润滑作用,重点解决高速制动过程中摩擦膜动态化稳定机制及闸片制备过程中显微组织调控的关键科学和技术问题,为高性能铜基制动闸片的设计与制备技术奠定理论和技术基础,亦将为其他摩擦制动材料的开发提供思路和借鉴。
英文摘要
Copper-based brake pad has become one of the key components to ensure the operation safety of high-speed railway train because of its stable friction and wear performance, excellent heat resistance and heat dissipation performance and good adhesion resistance. Aiming at the challenge of decline and abnormal fluctuation of friction coefficient of copper-based brake pad during emergency braking at high speed, this project puts forward a new idea of comprehensively utilizing the multi-scale collaborative strengthening of composite friction components and the lubrication in wide temperature range of composite lubricants to jointly design the compositions of brake pad, which promote the high strength, toughness and high lubrication of friction film and maintain the dynamic stability of high-speed braking process. In order to realize the optimal ratio of composite friction components and composite lubricants and achieve the excellent synergistic strengthening and lubrication, this project focuses on solving the key scientific and technical problems of dynamic stability mechanism of friction film in the process of high-speed braking and microstructure adjusting in the process of brake pad preparation. This work lays a theoretical and technical foundation for the design and preparation technology of high-performance copper-based brake pads, and also provide ideas and reference for the development of other friction braking materials.
铜基制动闸片因其摩擦磨损性能稳定、耐热性能和散热性能优异、抗粘着性好等优势,成为保证高速列车运行安全的关键部件之一。然而在高速下紧急制动时,铜基制动闸片面临摩擦系数衰退及异常波动的问题。本工作首先阐明了高速、高温条件下摩擦制动性能的失效机制,发现在高应力和高温导致的富铜相软化和氧化共同作用下,摩擦表面相继发生氧化、疲劳开裂,层状摩擦膜及最终低强度均质摩擦膜的形成。石墨的破坏及氧化、硬质相的细化甚至纳米化构成了摩擦膜的主要特征,该低强度摩擦膜不能够提供足够的摩擦阻力,并在摩擦界面剧烈迁移运动,导致摩擦系数的波动、衰退及磨损量的剧烈升高。据此提出在设计成分时应以能够形成高强韧低转移速率的稳态摩擦膜为目标。.进行了以Cr-CrFe-Fe为主的复合摩擦剂设计:雾化铁粉和铜包铁粉均具有合适的粒度和高强度,强化摩擦表面的同时降低了对基体的分割作用,并促进摩擦表面富铁氧化膜的形成;Cr和高碳CrFe粉的协同添加有利于提高制动性能,这是由于在高温烧结过程中,Fe与Cr互扩散形成多孔Cr,低强度Cr粉在制动过程中容易变形和破裂,作为摩擦膜中细小氧化物的来源,并且通过颗粒强化提高了摩擦膜的强度,而CrFe粉末具有较高的硬度和稳定性,能够起承载载荷和强化摩擦亚表层的作用,二者共同促进了高强度摩擦膜的生成。进行了以片状/粒状石墨-MoS2-MoO3为主的复合润滑剂设计:大粒度鳞片状石墨匹配粒状石墨,同时利用片状石墨优异的润滑作用和粒状石墨强度高的特性,抑制因石墨开裂导致的剥层磨损并阻碍磨屑运动,提高摩擦系数稳定性和耐磨性;通过MoS2与Cu和Fe之间的反应程度调控铜基体的强度和润滑性;MoO3能够在400 km/h下强烈促进摩擦表面致密氧化膜的形成,同时提高摩擦系数、摩擦系数稳定性和耐磨性。1:1台架结果表明最终设计的以纯铜为基体,Fe-CrFe-Cr为复合摩擦剂,片状/粒状石墨-MoS2-MoO3为复合润滑剂的高速度等级铜基制动闸片满足《动车组闸片暂行技术条件》标准要求,同时在400 km/h下也表现出良好的应用前景。
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