铁路客运高速化和货运重载化的发展趋势,对铁路机车的制动系统提出了更高的要求。高摩合成闸瓦是铁路机车制动系统的重要部件,其性能的好坏,关系着列车的安全运行。本文在以酚醛树脂和丁腈橡胶为粘结剂,钢纤维、复合矿物纤维及海泡石纤维为增强材料,钾长石、铁粉、沉淀硫酸钡、铝矾土、石墨等填料为闸瓦材料配方的基础上,添加碳纤维和石墨烯。采用扫描电镜和能谱分析、压缩试验、冲击试验、弯曲试验、硬度试验和摩擦磨损试验等手段,研究了不同转速、不同温度、不同载荷下,碳纤维和石墨烯对高摩合成闸瓦材料的摩擦磨损性能及力学性能的影响。研究结果表明,添加2%、4%碳纤维时,碳纤维在基体上分布均匀,无机填料、纤维和粘结剂的粘结性较好;添加6%、8%碳纤维时,出现部分交错、团聚等现象。含2%-8%碳纤维时,材料的综合力学性能随碳纤维含量的增加先升高后降低;当碳纤维含量为4%时,闸瓦材料获得良好的机械性能。含4%碳纤维时,添加0.5%-2.0%石墨烯,随石墨烯含量的增加,材料的综合力学性能先升高后降低;当石墨烯含量为1.0%时,综合力学性能较好,冲击韧性为11.725kJ/m~2,压缩强度为54.6374MPa,压缩模量为1083.371MPa,弯曲强度为20.67MPa,洛氏硬度为87HRR。转速相同时,碳纤维含量不同,材料的摩擦系数和磨损量发生不同程度的变化。含4%碳纤维、转速1000r/min时,摩擦系数高达0.483,磨损量低至3.2mg。添加4%碳纤维时,加入0.5%-2.0%石墨烯,材料的摩擦系数和磨损量随石墨烯含量的增加而有所不同。当石墨烯含量为1.0%、转速1000r/min时,摩擦系数最大,为0.491,磨损量最小,为3.7mg。温度相同时,随碳纤维含量的增加,含4%碳纤维的闸瓦材料具有良好的摩阻性能和耐磨性。当碳纤维含量为4%时,加入0.5%-2.0%石墨烯,随石墨烯含量的增加,材料的摩擦系数先增大后减小,磨损量先减小后增大。当石墨烯含量为1.0%、温度100℃时,摩擦系数最大,为0.457,磨损量最小,为5.8mg。载荷相同时,碳纤维含量不同,材料的磨损量有所差异。载荷30N时,未加碳纤维时,磨损量高达4.7mg;添加4%碳纤维时,磨损量低至2.3mg。当碳纤维含量为4%时,加入0.5%-2.0%石墨烯,随石墨烯含量的增加,材料的耐磨性不同。添加1.0%石墨烯时,材料的耐磨性较好。含4%碳纤维时,材料的摩擦系数在1000r/min和100℃时,达到最大值;磨损量随转速、温度、载荷的增大而增加。含碳纤维4%、石墨烯1.0%时,材料的摩擦系数随转速的增大先增大后减小,随温度的升高而增大,耐磨性随转速、温度、载荷的增大而降低。闸瓦材料发生轻微磨损时,摩擦表面会产生划痕,形成少量、小面积的摩擦表面膜,以磨粒磨损为主;发生严重磨损时,摩擦表面比较粗糙,产生大量的表面膜,出现剥层、裂纹等现象,以粘着磨损、磨粒磨损和疲劳磨损为主。综上所述,在粘结剂15%、填料60%、钢纤维8%、复合矿物纤维3%、海泡石纤维14%的基础上,添加碳纤维4%、石墨烯1.0%时,闸瓦材料获得了良好的综合性能。