高速磁浮列車滑橇用復(fù)合材料摩擦塊制備與性能研究

袁雨青 劉鵬 虞大聯(lián) 鄭涌

摘?要：對(duì)現(xiàn)有高速磁浮列車滑橇用摩擦塊材料進(jìn)行了分析。研制了一種新型滑撬用碳陶復(fù)合材料。測(cè)試了力學(xué)性能和摩擦性能。結(jié)果表明，研制的碳陶復(fù)合材料的力學(xué)性能優(yōu)良，其剪切強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性分別達(dá)到23 MPa、152 MPa和 28kJ/m2，與現(xiàn)有材料相比，分別提高76.9%、3.4%和86.7%。材料的動(dòng)摩擦系數(shù)小于0.3，且隨速度升高而減小，復(fù)合材料磨損率低且小于鋼的磨損率。采用碳/陶瓷復(fù)合材料在技術(shù)上是可行的，并取得了預(yù)期的效果。

關(guān)鍵詞：高速磁浮;摩擦塊;碳陶復(fù)合材料;力學(xué)性能;摩擦性能

中圖分類號(hào)：TB?????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A??????doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2020.36.073

0?引言

高速磁懸浮列車相對(duì)于傳統(tǒng)輪軌高速列車具有乘坐舒適性、安全性、高速、高效等優(yōu)點(diǎn)，成為一種全新的高速交通系統(tǒng)，也是未來高速鐵路發(fā)展的方向。

作為高速磁懸浮列車駐車、緊急剎車和被拖曳時(shí)的支撐部件，滑橇是承載磁懸浮列車的關(guān)鍵部件，要求有足夠的強(qiáng)度和對(duì)軌道極低的磨損率。目前，高速磁浮摩擦塊普遍采用進(jìn)口C/C復(fù)合材料，國(guó)內(nèi)也進(jìn)行過相關(guān)研究。其不足之處是炭布層間沒有炭纖維增強(qiáng)，其層間剪切強(qiáng)度較低，易分層和掉邊。我國(guó)發(fā)明專利CN1647875公開了一種采用化學(xué)氣相沉積（Chemical Vapor Infiltration，CVI）和浸漬炭化制備C/C磁懸浮列車滑橇的方法，但其工藝周期需500小時(shí)以上，生產(chǎn)成本高。

由于我國(guó)還沒有制定專門針對(duì)高速磁浮列車用摩擦塊的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，本研究根據(jù)列車實(shí)際運(yùn)行工況的要求，制定了研制開發(fā)摩擦塊的具體方案：選定合適的原材料;仿真計(jì)算驗(yàn)證;優(yōu)化工藝試驗(yàn)，小批量試制;確定檢驗(yàn)的項(xiàng)目并對(duì)比檢測(cè)。旨在研制出適合高速磁浮列車用滑橇摩擦塊，解決既有摩擦塊材料層間剪切強(qiáng)度低、沖擊韌性差等問題。

1?既有摩擦材料分析

既有摩擦材料分為A和B兩種。借助金相顯微技術(shù)、掃描電鏡（SEM）+能譜分析（EDX）儀、X射線衍射分析（XRD）、熱重分析、力學(xué)性能和導(dǎo)熱性能的檢測(cè)分析，對(duì)這兩種摩擦塊材料進(jìn)行研究。

材料A掃描電鏡照片如圖1所示，可以看出，摩擦塊的預(yù)制體結(jié)構(gòu)為炭布疊層，炭布層厚度為100～200μm;結(jié)合能譜分析結(jié)果（圖2），摩擦塊材料的基體為樹脂炭和碳化硅，纖維束間的基體為碳化硅，纖維束內(nèi)的基體為炭;炭化硅基本上填充于纖維束間和炭布層間的孔隙和裂紋中;在摩擦塊的厚度方向，碳化硅的分布比較均勻。XRD分析結(jié)果進(jìn)一步表明摩擦塊的主要成分為碳和碳化硅，成分見表1所示。此外根據(jù)熱重分析計(jì)算：SiC含量為～8%。

用同樣的方法對(duì)摩擦材料B進(jìn)行分析，如圖4-6所示。材料B的預(yù)制體為三維結(jié)構(gòu)，其中包含三種不同直徑和類型的纖維，可能為金屬絲、玻璃纖維（或高硅氧纖維）（或高硅氧纖維）和木纖維（或預(yù)氧化纖維），其中金屬絲的直徑為（200±20）μm。能譜分析表明，金屬絲為銅鋅合金，另外兩種纖維為木纖維（或預(yù)氧化纖維）和玻璃纖維（或高硅氧纖維）（或高硅氧纖維）（直徑為8～10μm）?；w主要由碳元素組成，中間含有少量的Na，S，O，可能為樹脂中固有物。XRD（見圖7）分析結(jié)果表明主要成分為非結(jié)晶物（樹脂、玻璃纖維（或高硅氧纖維））和Cu0.64Zn0.36相。

分析表明，現(xiàn)有進(jìn)口摩擦塊材料為炭布增強(qiáng)炭/碳化硅復(fù)合材料，表觀密度為1.67 g/cm3.其織物結(jié)構(gòu)為炭布疊層，炭布層厚度為100～200μm。基體為樹脂炭和碳化硅，碳化硅的分布在板的厚度方向比較均勻，SiC重量百分含量為～8%。端部摩擦塊為纖維、銅合金絲增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料，表觀密度為1.60 g/cm3，預(yù)制體為三維結(jié)構(gòu)，由三種不同直徑和類型的纖維組成，為金屬絲、玻璃纖維（或高硅氧纖維）和木纖維（或預(yù)氧化纖維），其中金屬絲為Cu0.64Zn0.36銅鋅合金直徑為（200±20）μm。

2?摩擦材料選擇

高速磁浮列車摩擦塊的使用工況，對(duì)摩擦材料提出了極高的要求，材料需具有密度低（不高于2.0g/cm3）、耐高溫（≥1200℃）、高速下摩擦系數(shù)?。ú淮笥?.3）、能載水平高、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。

碳陶摩擦材料是一種以碳纖維為增強(qiáng)增韌相，以碳和碳化硅為雙基體的先進(jìn)復(fù)合材料，已成為新一代制動(dòng)材料的一個(gè)主要研究方向，在飛機(jī)、高速列車、賽車、地鐵等制動(dòng)系統(tǒng)上具有廣泛的應(yīng)用前景。20世紀(jì)90年代初，德國(guó)斯圖加特大學(xué)和德國(guó)宇航院等率先開始碳陶摩擦材料的研究，并于2002年研制出碳陶制動(dòng)盤應(yīng)用于Porsche（保時(shí)捷）轎車;法國(guó)TGV高速列車和日本新干線已試用碳陶制動(dòng)盤。，綜合分析技術(shù)要求與各種材料的特點(diǎn)，確定選用碳陶材料作為制備摩擦塊的原材料。

3?樣件試制

碳陶摩擦塊的制備工藝流程具體如下：

（1）針刺炭纖維預(yù)制體。采用接力式針刺的方法在垂直于鋪層方向引入炭纖維束制成炭纖維預(yù)制體。

（2）前高溫?zé)崽幚怼⒅频玫奶坷w維預(yù)制體在高溫處理爐進(jìn)行高溫?zé)崽幚怼?/p>

（3）化學(xué)氣相滲透。采用快速化學(xué)氣相滲透法對(duì)經(jīng)過高溫?zé)崽幚砗蟮奶坷w維預(yù)制體進(jìn)行熱解炭增密，制得低密度炭纖維增強(qiáng)基體炭（C/C）復(fù)合材料。

（4）后高溫?zé)崽幚怼Ｔ诒Ｗo(hù)氣氛下，將制得的低密度C/C復(fù)合材料在高溫感應(yīng)處理爐進(jìn)行高溫?zé)崽幚怼?/p>

（5）熔融滲硅。將加工后的低密度C/C復(fù)合材料坯體置于裝有硅粉的石墨坩鍋中在高溫真空爐中進(jìn)行熔融滲硅。

（6）精細(xì)機(jī)加工。將制得的C/C-SiC摩擦材料在CNC中心對(duì)產(chǎn)品裝配部位進(jìn)行精細(xì)機(jī)加工，男足裝配尺寸精度要求，在數(shù)控研磨平臺(tái)上對(duì)產(chǎn)品表面進(jìn)行研磨達(dá)到厚度、平面度和粗糙度要求。

4?性能測(cè)試與分析

4.1?力學(xué)性能

按照GBT 34559（碳碳復(fù)合材料壓縮性能試驗(yàn)方法）進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。試樣及載荷加載方式如圖8所示?？箟簭?qiáng)度值σ（MPa）可由式（1）計(jì)算所得：

式中：P為最大載荷（單位：N），L為長(zhǎng)度（單位：mm），W為試樣寬度（單位：mm），B為試樣厚度（單位：mm）。

按照ASTM D2344/D2344M-13進(jìn)行層間剪切強(qiáng)度試驗(yàn)。載荷加載方向如圖9所示。層間剪切強(qiáng)度值τ（MPa）由式（2）計(jì)算所得：

式中：P為最大載荷（單位：N），W為試樣寬度（單位：mm），B為試樣厚度（單位：mm）。

沖擊韌性試驗(yàn)按照GB/T 14389進(jìn)行。載荷加載方式如圖10所示。沖擊韌性α（單位：kJ/m2）由式（3）計(jì)算所得：

式中，A為擊斷試樣所消耗的沖擊功（單位：kJ），W為試樣寬度（單位：m），B為試樣厚度（單位：m）。

測(cè)試所得碳陶復(fù)合材料力學(xué)性能如表3所示。

由表3可知，滑橇碳陶復(fù)合材料的層剪強(qiáng)度達(dá)到23MPa，比現(xiàn)有材料提高76.9%;抗彎強(qiáng)度達(dá)到152MPa，提升3.4%;沖擊韌性達(dá)到28kJ/m2，比現(xiàn)有材料提高86.7%。由于鋪層針刺預(yù)制體在厚度方向引入了連續(xù)炭纖維，形成了準(zhǔn)三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使結(jié)構(gòu)整體性大為提高，有效阻止了裂紋擴(kuò)展，并改變了裂紋擴(kuò)展方向，延長(zhǎng)了裂紋擴(kuò)展路徑，從而有效提高了復(fù)合材料的韌性，其沖擊韌性和剪切強(qiáng)度顯著提高。

4.2?摩擦性能

根據(jù)支撐滑橇摩擦塊與軌道的作用原理，用碳陶試環(huán)做動(dòng)環(huán)，用S355N鋼對(duì)偶做靜環(huán)，摩擦試驗(yàn)試樣及設(shè)備如圖11、12所示。調(diào)整試驗(yàn)機(jī)轉(zhuǎn)速與試驗(yàn)機(jī)壓力來達(dá)到模擬運(yùn)營(yíng)情況下摩擦磨損性能測(cè)試。試驗(yàn)測(cè)試程序及條件如表4所示，結(jié)果圖13所示。

結(jié)果表明，碳陶摩擦塊與S355N對(duì)偶環(huán)具有摩擦系數(shù)穩(wěn)定，重復(fù)性能好、碳陶磨損率低，不傷對(duì)偶鋼，瞬時(shí)摩擦系數(shù)曲線表現(xiàn)平穩(wěn)，波動(dòng)小。試驗(yàn)后的試樣形貌可見試樣表面平整、光滑、形成了均勻的摩擦膜，如圖14所示，為粘著摩擦機(jī)制。

5?結(jié)論

（1）采用接力式針刺的方法制成炭纖維預(yù)制體，經(jīng)高溫處理，化學(xué)氣相滲透，熔融滲硅等處理，成功制備了適用于滑橇的碳陶復(fù)合材料。

（2）材料的各項(xiàng)力學(xué)性能高出現(xiàn)有材料3.4%-86.7%，滿足技術(shù)要求。

（3）材料的動(dòng)摩擦系數(shù)小于0.3，且隨速度升高而減小。復(fù)合材料磨損率低且小于鋼的磨損率。復(fù)合材料的磨損率低于滑行軌。采用碳/陶瓷復(fù)合材料在技術(shù)上是可行的，并取得了預(yù)期的效果。

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