B4C含量對高速動車組C/C-SiC制動材料摩擦磨損性能研究*

呂寶佳

(1 中國鐵道科學研究院集團有限公司 機車車輛研究所， 北京 100081；2 北京縱橫機電科技有限公司， 北京 100094)

盤形制動是高速列車的關鍵技術之一，是確保高速列車安全的重要措施，尤其是在列車其他制動措施出現故障時，只能依靠盤形制動作為安全可靠制動的最后保障。作為盤形制動的兩大關鍵元件——制動盤和閘片，其最基本的功能是吸收制動動能并將之轉化為熱能散發到空氣中，在這個過程中，制動盤和閘片的材料、結構和性能不能被破壞。隨著列車速度的提升，創新和優化制動盤/閘片結構、提高制動盤材料耐熱性能和減重是該領域的一個研究熱點。

碳纖維增強碳陶雙基復合材料 (C/C-SiC) 是繼粉末冶金制動材料和碳/碳復合材料 (C/C) 之后的新一代高性能制動材料，擁有密度低，比強度高，高溫力學性能優異，耐磨性好，對環境不敏感等特點[1-7]。目前已廣泛應用于飛機、高檔轎車、高層電梯等制動系統中。隨著軌道交通行業的不斷發展，C/C-SiC摩擦材料在高速列車、特種車輛、重載機械等領域中擁有廣闊的應用前景[8-11]。

摩擦材料作用將動能轉化為熱能達到減速的目的，制動過程中產生的熱量使摩擦面局部溫度超過1 000 ℃[9,12,13]。如果摩擦材料的比熱容較小，將導致摩擦材料整體溫度過高，摩擦界面易出現過熱點，進而影響摩擦磨損性能[14]。通過向材料中引入高比熱成分，可以在一定程度上有效降低摩擦面溫度，提高制動系統的穩定性和安全性[15,16]。碳化硼(B4C)擁有密度低、熔點高、硬度高、比熱及導熱系數高等優點，是一種理想的改性材料。同時，B4C在高溫有氧環境中易被氧化生成流動性好的B2O3，可以防止碳纖維及熱解碳 (PyC) 的氧化，降低材料的氧化磨損[17,18]。

文中采用B4C作基體改性材料，通過真空壓力浸漬結合化學氣相滲透(CVI)及液硅滲透(LSI)工藝制備B4C改性C/C-SiC制動材料，分析其組成與微結構特征，研究不同B4C含量對C/C-SiC摩擦材料摩擦磨損性能的影響。

1 試驗材料制備及摩擦磨損試驗方法

1.1 材料制備

文中采用的碳纖維型號為T300。采用針刺技術制備三維針刺碳纖維預制體，針刺孔密度為8～12 個/cm2，預制體密度約為0.55 g/cm3，碳纖維體積含量約為40%。B4C改性C/C-SiC制動材料采用如下3個步驟制備：(1) 采用羧甲基纖維素鈉 ([C6H7O2(OH)2CH2COONa]n) 作分散劑，加入蒸餾水中混合均勻并以氨水 (NH3·H2O) 和鹽酸調節PH值至11～12，加入B4C粉料 (粉末粒徑0.5～1 μm，純度99%) ，球磨48 h后得到濃度為100 g/L、200 g/L和400 g/L的3種B4C漿料。將三維針刺碳纖維預制體放入浸漬罐中，抽真空后注入B4C漿料，通過惰性氣體加壓0.5～1 h后取出，在烘箱中150 ℃條件下干燥3 h得到含B4C粉料的三維針刺碳纖維預制體；(2) 以丙烷和天然氣為前驅體，氫氣作為載氣，采用CVI工藝在含有B4C粉料的三維針刺碳纖維預制體內部沉積PyC，沉積溫度為900 ℃～1 200 ℃，沉積時間為400～500 h，所制備的多孔C/C-B4C預制體的密度為1.3～1.6 g/cm3；(3) 在真空條件下，采用LSI工藝制備B4C改性C/C-SiC制動材料，反應熔體為硅粉 (粉末粒徑40～50 μm，純度99.3%) ，反應溫度為1 450 ℃～1 700 ℃，保溫時間為1～2 h。對獲得的3種B4C含量的C/C-B4C-SiC制動材料分布標記為B1、B2、B3，分別對應第 (1) 步的B4C漿料濃度為100 g/L、200 g/L、400 g/L。未改性的C/C-SiC制動材料作為對照組，標記為SI。

1.2 摩擦磨損試驗測試

材料的摩擦磨損性能采用MM-1000-Ⅱ型摩擦磨損試驗機測試。在干燥工況下，材料的摩擦磨損性能測試參數如表1所示。其中轉動慣量為0.235 kg·m2，制動比壓為0.8 MPa。試驗前，從低速到高速依次進行磨合試驗，以保證摩擦副之間的接觸面積達80%以上。試驗過程中制動力矩、轉速、制動比壓和對應的制動時間由電腦記錄，并計算出相應的摩擦系數。其中摩擦系數μ的計算公式如下：

式中M為制動力矩，kN·m；P為制動壓力，MPa；R為制動盤摩擦半徑，mm。摩擦界面溫度通過制動盤上距摩擦表面約1 mm的測溫孔進行測量。試驗時，通過熱電偶實時記錄制動過程中摩擦次界面溫度。試樣的磨損性通過線磨損率表征，計算公式如下：

L=(L1-L2)/2n

式中L代表線磨損率，μm/cycle;L1代表試驗前制動盤的厚度，μm;L2代表試驗后制動盤的厚度，μm;n代表制動次數。采用真實色激光共聚焦顯微鏡 (Lasertec C130) 表征摩擦面形貌。

表1 制動試驗參數

2 材料的摩擦磨損性能分析

B4C含量和制動初速度對摩擦面溫度的影響如圖1所示，從圖中可以看出，摩擦面溫度隨制動初速度的增大而增大，且隨著B4C含量的增加而降低，表明B4C的引入提高了C/C-SiC制動材料的熱庫容量，可以有效降低摩擦面溫度，尤其在高速狀態下，摩擦面溫度最高可降低100 ℃以上。這是因為B4C的適量引入，在不降低材料導熱性能的前提下，提高了材料的比熱容。同時，B4C具有催化石墨化的作用[19]，可以將比熱較低并具有大量堆垛缺陷的PyC轉變為比熱高缺陷少的有序石墨。因此，在能量相同的情況下，材料熱容量提高，摩擦面溫度降低。

圖1 B4C 含量和初始制動速度對摩擦界面溫度的影響

不同B4C含量和制動初速度對摩擦材料的摩擦系數的影響如圖2所示，摩擦系數隨著制動速度的增大呈逐漸下降的趨勢。按制動速度的大小，分為低速 (5～10 m/s)、中速 (15～20 m/s)和高速 (25～28 m/s)進行分析。在低速狀態下，B1、B2和B3的摩擦系數相近但略低于C/C-SiC的摩擦系數。這是因為向材料中引入B4C后，B4C與PyC形成混合區域，將C/C-SiC中的C/C亞結構單元轉變為C/C-B4C亞結構單元，而B4C的硬度明顯高于碳相，因此C/C-B4C亞結構單元的硬度更高，對磨面硬質微凸體在該區域的犁削作用減弱，導致材料的摩擦系數降低。中速制動時，C/C-B4C-SiC和C/C-SiC的摩擦系數相差不大。高速制動時，隨著B4C含量的增加，C/C-B4C-SiC制動材料的摩擦系數顯著降低，表明在高能載制動時B4C的引入量對制動材料摩擦性能有著顯著的影響。

圖2 B4C含量和制動初速度對摩擦系數的影響

在不同制動速度下，B4C改性C/C-SiC制動材料的典型摩擦系數曲線如圖3所示。可以看出，四種材料的摩擦系數曲線圖3(a)是C/C-SiC曲線；圖3(b)是B1含量曲線；圖3(c)是B2含量曲線；圖3(d)是B4含量曲線)在不同制動速度下呈現出相似的趨勢表明B4C的引入對摩擦系數曲線的變化趨勢影響不大。隨著制動速度的提高，摩擦系數曲線由倒梯形向馬鞍形轉變。當制動速度為5～15 m/s時，摩擦系數曲線呈倒梯形；當制動速度為20～28 m/s時，摩擦系數曲線呈馬鞍形。此外，隨著B4C含量的增加，可以發現高速狀態下的摩擦系數曲線更加平滑，表明制動過程更加穩定，B4C的引入有利于穩定摩擦系數。

B4C含量和初始制動速度對制動材料磨損率的影響規律如圖4所示。向C/C-SiC中引入B4C改性后，材料的磨損率明顯降低，特別是在高速制動時，磨損率可降低50%以上，表明通過B4C改性后可明顯提高C/C-SiC制動盤材料的抗磨損性能。與B2和B3相比，B1的磨損率最低，這是因為B1的多孔C/C-B4C 預制體密度較高，其中PyC相含量較高，而適當提高C/C-SiC中的PyC含量可以有效降低材料的磨損率[20]。

圖3 B4C含量和初始制動速度對制動曲線的影響

圖4 B4C含量和初始制動速度對摩擦系數的影響

C/C-B4C-SiC制動材料在不同速度條件下的典型摩擦面形貌如圖5所示。在低速制動后，摩擦界面粗糙，在C/C-B4C區域和SiC區域均存在微凸體，但C/C-B4C區域微凸體的數量明顯少于SiC區域，表明該狀態下制動時主要磨損區域為C/C-B4C區域。低速制動時，對磨面中的硬質顆粒如SiC很容易嵌入軟質C相中，在剪應力的作用下對C/C-B4C區域產生犁削作用，造成磨損，因此低速制動的磨損機理主要為磨粒磨損，這正是低速狀態下摩擦系數相對較高的原因。但由于B4C的存在提高了C/C區域的硬度，減弱了SiC 等硬質微凸體的犁溝作用，提高了該區域抵抗磨損的能力。在中速制動后，可以看出摩擦面上的微凸體數量明顯減少，摩擦面粗糙度有所降低，不僅C/C-B4C區域發生磨損，SiC區域也發生磨損，局部區域形成不連續的摩擦膜。制動速度增大后，微凸體間的機械嚙合作用增強，導致部分硬質SiC微凸體被壓碎形成磨屑，脫落的SiC和B4C可以作為磨料促進磨屑在摩擦面間的充分研磨，細小的磨屑由于分子間作用力增加而趨向于形成摩擦膜。在高速制動后，可以看出，摩擦面幾乎被完全磨平，大量微凸體消失，表面孔隙被磨屑填充，摩擦面形成均勻而連續的摩擦膜。高速制動時，摩擦面溫度大幅提升，部分C相被氧化，同時B4C也發生氧化。生成的B2O3在450 ℃以上為液態，另一方面可以作為粘結劑促進磨屑的聚集，團聚的磨屑在正壓力和切向力的作用下很容易被碾平鋪展在摩擦面上，形成光滑而連續的摩擦膜，促進制動過程的穩定。另一方面可以覆蓋在C相表面防止其被繼續氧化，降低材料的氧化磨損，因此B4C改性C/C-SiC制動材料的磨損率明顯低于未C/C-SiC的磨損率，尤其在大載荷狀態下。

圖5 C/C-B4C-SiC制動材料在不同速度條件下的典型摩擦面形貌

3 結 論

(1)采用真空壓力浸漬結合CVI及LSI工藝制備了不同B4C含量的C/C-B4C-SiC復合材料，利用MM-1000-Ⅱ型試驗機對不同B4C含量的C/C-B4C-SiC復合材料摩擦副進行了摩擦磨損試驗對比。

(2)B4C的引入使C/C-SiC制動材料的熱容量增大，在制動能量相同時，可明顯降低摩擦面溫度，高速制動時，B4C改性C/C-SiC制動材料的磨損率可降低50%以上。

(3)隨著B4C含量的增加，高速狀態下的摩擦系數曲線更加平滑，表明制動過程更加穩定，B4C的引入有利于穩定摩擦系數。