全断面岩石掘进机(Tunnel boring machine,TBM)是目前世界上最先进的大型现代化隧道掘进作业系统,TBM工作时冲击振动剧烈,关键零部件(如刀具、刮渣板、摩擦片等)损毁严重。目前,我国使用的TBM关键易损件完全依赖进口。TBM驱动离合器摩擦片是其重要的动力传输部件之一,本论文将结合TBM驱动离合器的工况条件和失效形式,从摩擦材料组份特点出发,通过理论分析和试验研究,研究一种摩擦磨损性能优异、机械强度高、热稳定性好、环保无污染、能够满足TBM驱动离合器摩擦片使用性能要求的混杂纤维增强聚醚醚酮基复合摩擦材料,实现TBM驱动离合器摩擦片的国产化。通过对TBM驱动离合器摩擦片工况分析和现有摩擦材料的分析,确定了材料体系;通过采用均匀设计的组分筛选试验确定了材料最佳配比(质量百分比,wt.%):基体聚醚醚酮(PEEK)16.1%,304不锈钢纤维含量为4.7%,碳纤维含量为12.5%,腰果壳粉含量为13.6%,填料中重晶石粉11.1%,铬铁矿粉5.1%,石墨和硫化锑为11.5 %,铝粉6.2 %,高岭土和萤石为10.7%。通过对成型工艺特点的分析,依据正交试验设计原理,对热压和固化工艺参数进行了正交试验,以密度、硬度和冲击强度为指标进行了性能试验,确定了最佳成型工艺;成型工艺采用干法工艺,包括干混合、预压、热压成型、热处理及机加工等工序。热压处理工艺为:温度310～340℃,压力25～40 MPa,保温时间3～5 min/mm。固化处理工艺为:80℃×30 min,150℃×30 min,270℃×30 min,310～320℃×12 h。在最佳成型工艺和最佳配比的条件下,材料在100-350℃时摩擦系数稳定在0.394-0.476,热衰退率4.8%,具有很好的热恢复性。材料的磨损率在350℃时为0.310×10-7 cm3(N·m)-1,具有良好的摩擦磨损性能及良好的抗弯强度和冲击韧性。通过扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、红外光谱分析仪(FT-IR)、X射线光电子能谱(XPS)等微观分析,转移膜是该材料具有优异性能的关键。结果表明:低于200℃时,以磨粒磨损机理为主;在200～350℃时,表面形成较完整的转移膜,以粘着磨损为主,兼有磨粒磨损;高温阶段未发生基体的热分解,磨屑大多为细小片状。表面膜的形成可以稳定摩擦系数和降低磨损,表面膜主要是钡、铁的氧化物或硫化物。表面膜结构有两种:一种是单晶或多晶粉末填料包围PEEK基体的胞状结构,另一种是PEEK基体和摩擦填料形成的网状结构。通过人工神经网络预测材料组分与材料摩擦磨损性能间的关系。结果表明:对于由材料组分预测材料摩擦磨损性能的网络,确定的最佳网络结构为5-[29]1-2,训练函数为trainlm,输入与隐含层、隐含层与输出层之间的传递函数分别为对数型函数logsig和直线型函数purelin。根据材料摩擦磨损性能预测材料组分的最佳网络结构为2-[300]1-[150]2-4,训练函数为trainscg,输入与隐含层、隐含层与输出层之间的传递函数分别为对数型函数logsig、tansig和直线型函数purelin。用人工神经网络对复合摩擦材料的配方与性能进行预测有较高的准确度。通过对研制的复合纤维增强聚醚醚酮复合摩擦片材料在TBM驱动离合器上的应用试验,结果表明:不锈钢/碳纤维复合纤维增强聚醚醚酮复合摩擦材料能满足TBM离合器正常工作状态下传递扭距的使用要求,而且具有过载保护功能,可以在TBM上推广使用。