高速磁浮列车滑橇用复合材料摩擦块制备与性能研究
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作者:袁雨青 刘鹏 虞大联 郑涌
摘 要：对现有高速磁浮列车滑橇用摩擦块材料进行了分析。研制了一种新型滑撬用碳陶复合材料。测试了力学性能和摩擦性能。结果表明，研制的碳陶复合材料的力学性能优良，其剪切强度、抗弯强度和冲击韧性分别达到23 MPa、152 MPa和 28kJ/m2，与现有材料相比，分别提高76.9%、3.4%和86.7%。材料的动摩擦系数小于0.3，且随速度升高而减小，复合材料磨损率低且小于钢的磨损率。采用碳/陶瓷复合材料在技術上是可行的，并取得了预期的效果。
关键词：高速磁浮;摩擦块;碳陶复合材料;力学性能;摩擦性能
中图分类号：TB 文献标识码：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2020.36.073
0 引言
高速磁悬浮列车相对于传统轮轨高速列车具有乘坐舒适性、安全性、高速、高效等优点，成为一种全新的高速交通系统，也是未来高速铁路发展的方向。
作为高速磁悬浮列车驻车、紧急刹车和被拖曳时的支撑部件，滑橇是承载磁悬浮列车的关键部件，要求有足够的强度和对轨道极低的磨损率。目前，高速磁浮摩擦块普遍采用进口C/C复合材料，国内也进行过相关研究。其不足之处是炭布层间没有炭纤维增强，其层间剪切强度较低，易分层和掉边。我国发明专利CN1647875公开了一种采用化学气相沉积（Chemical Vapor Infiltration，CVI）和浸渍炭化制备C/C磁悬浮列车滑橇的方法，但其工艺周期需500小时以上，生产成本高。
由于我国还没有制定专门针对高速磁浮列车用摩擦块的技术标准，本研究根据列车实际运行工况的要求，制定了研制开发摩擦块的具体方案：选定合适的原材料;仿真计算验证;优化工艺试验，小批量试制;确定检验的项目并对比检测。旨在研制出适合高速磁浮列车用滑橇摩擦块，解决既有摩擦块材料层间剪切强度低、冲击韧性差等问题。
1 既有摩擦材料分析
既有摩擦材料分为A和B两种。借助金相显微技术、扫描电镜（SEM）+能谱分析（EDX）仪、X射线衍射分析（XRD）、热重分析、力学性能和导热性能的检测分析，对这两种摩擦块材料进行研究。
材料A扫描电镜照片如图1所示，可以看出，摩擦块的预制体结构为炭布叠层，炭布层厚度为100～200μm;结合能谱分析结果（图2），摩擦块材料的基体为树脂炭和碳化硅，纤维束间的基体为碳化硅，纤维束内的基体为炭;炭化硅基本上填充于纤维束间和炭布层间的孔隙和裂纹中;在摩擦块的厚度方向，碳化硅的分布比较均匀。XRD分析结果进一步表明摩擦块的主要成分为碳和碳化硅，成分见表1所示。此外根据热重分析计算：SiC含量为～8%。
用同样的方法对摩擦材料B进行分析，如图4-6所示。材料B的预制体为三维结构，其中包含三种不同直径和类型的纤维，可能为金属丝、玻璃纤维（或高硅氧纤维）（或高硅氧纤维）和木纤维（或预氧化纤维），其中金属丝的直径为（200±20）μm。能谱分析表明，金属丝为铜锌合金，另外两种纤维为木纤维（或预氧化纤维）和玻璃纤维（或高硅氧纤维）（或高硅氧纤维）（直径为8～10μm）。基体主要由碳元素组成，中间含有少量的Na，S，O，可能为树脂中固有物。XRD（见图7）分析结果表明主要成分为非结晶物（树脂、玻璃纤维（或高硅氧纤维））和Cu0.64Zn0.36相。
分析表明，现有进口摩擦块材料为炭布增强炭/碳化硅复合材料，表观密度为1.67 g/cm3.其织物结构为炭布叠层，炭布层厚度为100～200μm。基体为树脂炭和碳化硅，碳化硅的分布在板的厚度方向比较均匀，SiC重量百分含量为～8%。端部摩擦块为纤维、铜合金丝增强树脂复合材料，表观密度为1.60 g/cm3，预制体为三维结构，由三种不同直径和类型的纤维组成，为金属丝、玻璃纤维（或高硅氧纤维）和木纤维（或预氧化纤维），其中金属丝为Cu0.64Zn0.36铜锌合金直径为（200±20）μm。
2 摩擦材料选择
高速磁浮列车摩擦块的使用工况，对摩擦材料提出了极高的要求，材料需具有密度低（不高于2.0g/cm3）、耐高温（≥1200℃）、高速下摩擦系数小（不大于0.3）、能载水平高、寿命长等特点。
碳陶摩擦材料是一种以碳纤维为增强增韧相，以碳和碳化硅为双基体的先进复合材料，已成为新一代制动材料的一个主要研究方向，在飞机、高速列车、赛车、地铁等制动系统上具有广泛的应用前景。20世纪90年代初，德国斯图加特大学和德国宇航院等率先开始碳陶摩擦材料的研究，并于2002年研制出碳陶制动盘应用于Porsche（保时捷）轿车;法国TGV高速列车和日本新干线已试用碳陶制动盘。，综合分析技术要求与各种材料的特点，确定选用碳陶材料作为制备摩擦块的原材料。
3 样件试制
碳陶摩擦块的制备工艺流程具体如下：
（1）针刺炭纤维预制体。采用接力式针刺的方法在垂直于铺层方向引入炭纤维束制成炭纤维预制体。
（2）前高温热处理。将制得的炭纤维预制体在高温处理炉进行高温热处理。
（3）化学气相渗透。采用快速化学气相渗透法对经过高温热处理后的炭纤维预制体进行热解炭增密，制得低密度炭纤维增强基体炭（C/C）复合材料。
（4）后高温热处理。在保护气氛下，将制得的低密度C/C复合材料在高温感应处理炉进行高温热处理。
（5）熔融渗硅。将加工后的低密度C/C复合材料坯体置于装有硅粉的石墨坩锅中在高温真空炉中进行熔融渗硅。
（6）精细机加工。将制得的C/C-SiC摩擦材料在CNC中心对产品装配部位进行精细机加工，男足装配尺寸精度要求，在数控研磨平台上对产品表面进行研磨达到厚度、平面度和粗糙度要求。 4 性能测试与分析
4.1 力学性能
按照GBT 34559（碳碳复合材料压缩性能试验方法）进行抗压强度试验。试样及载荷加载方式如图8所示。抗压强度值σ（MPa）可由式（1）计算所得：
式中：P為最大载荷（单位：N），L为长度（单位：mm），W为试样宽度（单位：mm），B为试样厚度（单位：mm）。
按照ASTM D2344/D2344M-13进行层间剪切强度试验。载荷加载方向如图9所示。层间剪切强度值τ（MPa）由式（2）计算所得：
式中：P为最大载荷（单位：N），W为试样宽度（单位：mm），B为试样厚度（单位：mm）。
冲击韧性试验按照GB/T 14389进行。载荷加载方式如图10所示。冲击韧性α（单位：kJ/m2）由式（3）计算所得：
式中，A为击断试样所消耗的冲击功（单位：kJ），W为试样宽度（单位：m），B为试样厚度（单位：m）。
测试所得碳陶复合材料力学性能如表3所示。
由表3可知，滑橇碳陶复合材料的层剪强度达到23MPa，比现有材料提高76.9%;抗弯强度达到152MPa，提升3.4%;冲击韧性达到28kJ/m2，比现有材料提高86.7%。由于铺层针刺预制体在厚度方向引入了连续炭纤维，形成了准三维网状结构，使结构整体性大为提高，有效阻止了裂纹扩展，并改变了裂纹扩展方向，延长了裂纹扩展路径，从而有效提高了复合材料的韧性，其冲击韧性和剪切强度显著提高。
4.2 摩擦性能
根据支撑滑橇摩擦块与轨道的作用原理，用碳陶试环做动环，用S355N钢对偶做静环，摩擦试验试样及设备如图11、12所示。调整试验机转速与试验机压力来达到模拟运营情况下摩擦磨损性能测试。试验测试程序及条件如表4所示，结果图13所示。
结果表明，碳陶摩擦块与S355N对偶环具有摩擦系数稳定，重复性能好、碳陶磨损率低，不伤对偶钢，瞬时摩擦系数曲线表现平稳，波动小。试验后的试样形貌可见试样表面平整、光滑、形成了均匀的摩擦膜，如图14所示，为粘着摩擦机制。
5 结论
（1）采用接力式针刺的方法制成炭纤维预制体，经高温处理，化学气相渗透，熔融渗硅等处理，成功制备了适用于滑橇的碳陶复合材料。
（2）材料的各项力学性能高出现有材料3.4%-86.7%，满足技术要求。
（3）材料的动摩擦系数小于0.3，且随速度升高而减小。复合材料磨损率低且小于钢的磨损率。复合材料的磨损率低于滑行轨。采用碳/陶瓷复合材料在技术上是可行的，并取得了预期的效果。
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