高鐵行業新型剎車片材料

1.復合型剎車片

    為了滿足未來高速鐵路的制動技術要求，國內外科研工作者都在努力研制開發高性能剎車片材料，以滿足市場要求。其中C/C復合材料是近幾年開發出來的新型制動材料，是一種C纖維增強、以C為基體的新型結構材料，它具有質量輕、模量高、比強度大、熱膨脹系數低、耐高溫、耐熱沖擊、耐腐蝕、吸震性好等一系列的優良性能，C/C復合材料的這些獨特性能使之能同時完成剎車副的三項功能，即提高摩擦、傳遞機械載荷、吸收動能。

    從碳纖維增強體的結構來看，其可以分為三種，第一種為單層氈，其由于短纖維未能形成完整的纖維增強體，導致材料力學性能低，所以該種結構所制，備的剎車片主要用于早期的實驗機型；第二種為整體氈，其碳布層結構所制的材料因其層剪切強度低，垂直導熱率低等因素的影響，其應用的剎車片也是早期機型；第三種結構為針刺氈結構，非常合適CVD工藝增密，并且所制的材料具有良好的力學、熱學和摩擦磨損性能，已經成為目前C/C復合材料增強體的基本結構，并取得不斷改進。

    C/C復合材料制動剎車片由于成本高，主要用于飛機制動器，但是隨著近年來高速鐵路的發展，國內外科技工作者開始研制開發用于高速鐵路的C/C復合材料制動剎車片。德國KnoorBremse公司研制的一種碳纖維復合材料制動器，實驗證明，該制動器在時速高達250km/h下質量尚好。在該公司試驗臺以250km/h試驗時，其吸收的制動能高達100MJ。法國碳工業公司制造的碳纖維復合材料的比熱容是鋼的2倍，線脹系數和彈性模量都比較小，具有優異的耐高溫性能。它能在1000℃的高溫下工作，件重僅為鋼的1/4，目前已經在TGV-A上得到應用。日本新干線270km/h電動車制動系統也采用了碳纖維增強材料。由此可見，碳纖維復合材料是一種國際上重點開發的剎車片材料，我國在C/C復合材料制動剎車片的研發上也已經起步。

2.合成剎車片

    合成摩擦材料是將金屬粉末、酚醛樹脂和摩擦調節劑等經充分混煉后加熱壓制而成，它將材料與制品工序合二為一。所用摩擦調節劑，一般是采用腰果殼油制成的顆粒。按形狀與制動方式的不同，又分為合成剎車片和合成閘片。合成剎車片與閘片的配方與工藝相同，改變其配比工藝，可獲得不同的摩擦系數。我國目前研制的合成剎車片分低摩擦系數合成剎車片和高摩擦系數合成剎車片。

    合成摩擦材料具有如下明顯的特色：可通過改變材質配方和工藝在一定范圍內可調整其物理機械性能，耐磨性好，使用壽命可達鑄鐵剎車片/閘片的四倍以上，制動時無火花，重量輕，高速區摩擦系數大且不隨列車速度的改變而變化。合成摩擦材料也存在如下幾個不足之處：一是導熱性差，制動量熱量難以散發，因而車輪產生溫升，甚至導致熱裂。其次是在濕潤狀態下，摩擦系數大為下降，受天氣影響大，在雨雪天氣制動能力下降。此外，這類剎車片與車輪踏面反復磨合后，使二者間的粘性降低；有機合成摩擦材料的使用溫度一般不能超過250℃。當制動處溫度達250℃時，其磨損率急劇增加。溫度較高時，由于其組分的改變，摩擦系數也將改變。有機合成摩擦材料推薦使用在時速160～200km的列車上。

3.高磨合成剎車片

    高摩合成剎車片研究工作開展最早的有英國、美國和前蘇聯。1907年，英國飛洛多公司用棉毛混紡條層壓成剎車片，并用于倫敦地鐵。以后逐漸改進，至50年代己改用以石棉等為增強材料和酚醛樹脂為黏合劑的合成剎車片。美國早在1924年就開始研制以層壓木為非金屬摩擦材料，并應用于鐵路車輛制動。1954年以后，“Cobra” 牌號合成剎車片作為商品形式在鐵路上大量使用，其主要成分為合成橡膠、石棉等，摩擦系數在每小時140公里速度時為0.26，耐磨性為鑄鐵剎車片的5倍。蘇聯在合成剎車片的研究上開始也很早，在地下鐵道中早就使用層壓木的塑料剎車片。不過新的合成剎車片的材質研究是從1956年開始。曾用三種類型的黏合劑，分別為酚醛樹脂、合成橡膠、酚醛樹脂和合成橡膠混合物。試驗結果表明：采用合成橡膠為黏合劑的高摩合成剎車片的制動性能優異。已廣泛應用于快速旅客列車上。