高速铁路是我国领先于世界发达国家的先进集成技术之一,刹车片-制动盘作为高速列车安全运行的必要保障,其要求确保能在外供电缺失等紧急情况下,仅靠刹车片与制动盘的摩擦制动使列车在任一行驶速度下安全停驶。针对这一要求,开发摩擦系数较高且稳定、磨损较低、强度适当的刹车片材料是目前工业界和学术界的重点目标。然而刹车片材料由性质相异、微观尺寸差异悬殊的多种组分复合而成,各组分所产生的摩擦磨损机理不尽相同,由此给材料的开发带来极大困难。随着自主研发技术的发展和成熟,高铁的运营时速将进一步提高,刹车片材料也面临更严峻的挑战,只有深入理解不同工况下材料摩擦磨损的演化规律以及各组分对摩擦行为的影响机制,材料的成分设计和制备工艺才有理可循、有据可依,列车的安全运行将得以保障。对此,本研究基于等效高铁实际工况(30～380km/h)的惯性制动摩擦实验,通过设计并制备具有不同金属基体、不同陶瓷摩擦组元以及预制摩擦膜的摩擦材料,研究不同工况下摩擦表面成分、组织和结构的演化以及摩擦膜的形成和破坏行为,来揭示材料摩擦磨损的变化规律以及摩擦行为的影响机制,为材料设计和服役应用提供理论指导和数据支持。论文的研究内容和主要结论如下:1.以铜粉和铁粉为主要基体组元,设计了不同铜/铁比例(Cu/Fe(wt%)=7.5～0.26)制备摩擦材料,通过研究摩擦膜的组织、成分和剥离强度变化,揭示基体组成与摩擦演化行为的内在关联。结果表明,基体组成通过影响表面摩擦膜的形成和破坏而影响材料的摩擦磨损:Cu/Fe比例越低,越容易形成连续且剥离强度高的摩擦膜,材料摩擦系数和磨损越小;提高Cu/Fe 比例,摩擦膜的形成变得困难,剥离强度也逐渐降低,材料表现出高的摩擦系数和磨损率。另外,摩擦膜的剥离强度影响材料在高速制动时的摩擦系数稳定性,剥离强度越高,高速累次制动的摩擦系数越稳定,磨损率越低。当Cu/Fe为2.4时,材料具有高且相对稳定的摩擦系数,同时具有适中的磨损率。2.设计了不同类型(TiC、Al2O3、SiO2、TiO2)和含量(0～12vol%)的陶瓷摩擦组元制备摩擦材料,研究陶瓷组元的增摩和失效机制。结果表明陶瓷组元的自身硬度和与基体的界面结合及热膨胀匹配性是决定其增摩作用的主要原因,且增摩作用的发挥还受速度条件影响。制动速度未达到发生剥层磨损的条件时,陶瓷组元的增摩作用取决于其自身硬度和含量,硬度越高、含量越多,增摩效果越显著;发生剥层磨损后,陶瓷摩擦组元的增摩作用主要取决于其与基体的界面结合,结合性越好,增摩效果越显著。TiC具有高硬度和与铁基体良好的互扩散性,因此能兼顾低速与高速的制动性能需求,当添加6vol%时表现出最佳的摩擦磨损性能。3.基于以上研究结果,并配合适当量的润滑组元和其他增强组分,制备了刹车片摩擦材料。设计了初速度为50～380km/h的制动摩擦实验以评价其摩擦性能。结果表明,在50～380km/h速度范围内,材料的平均摩擦系数表现出“降低-升高-降低”的三段式变化,其在50～160km/h和350～380km/h阶段降低,在200～320km/h阶段升高,值在0.382～0.416范围内变化。整个速度范围内,平均摩擦系数的波动为8.9%,满足行业标准要求的15%上限。不同制动速度下,平均摩擦系数的变化规律与摩擦膜形态演化之间存在紧密联系。材料的磨损率随速度变化呈“V”字型特征,最低点位于160km/h,为0.028cm3/MJ;高点位于380km/h处,达到0.236cm3/MJ,满足标准要求的0.35cm3/MJ上限。按其程度可分为:轻微磨损、中等磨损和严重磨损三种。轻微磨损发生于120～200km/h阶段,主导磨损机制为磨粒磨损、犁削磨损和氧化磨损;中等磨损发生于50～80km/h和250～320km/h阶段,分别以粘着和剥层磨损为主;严重磨损发生于超过320km/h的阶段,主要由严重剥层所致。4.为揭示刹车片材料的三段式摩擦曲线产生机制,设计并制备了具有预制摩擦膜(PTF)的材料,与刹车片材料的摩擦磨损行为进行对比。有趣的是,PTF材料表现出与刹车片材料极为相似的制动摩擦行为:三段式的摩擦系数曲线和“V”字型的磨损曲线变化特征,表明摩擦膜决定着材料的制动摩擦行为。由于摩擦膜性质相对稳定,只要其不发生严重破坏,材料将保持较平稳的摩擦系数以及较低的磨损,此时摩擦力来源于摩擦膜与对偶盘的啮合与犁削作用;当摩擦膜经受高温高剪切应力而发生严重剥层破坏时,制动摩擦性能发生显著衰退,原因是剥层破坏导致的表层接触区剪切抗力降低。5.基于以上所制备摩擦材料的摩擦行为特点,设计了包括制动初速度、施加正载荷、制动惯量三个工况变量的112组制动摩擦试验。研究中以最高踏面温度Tmax作为中间变量,构建了多工况条件下的摩擦失稳图和磨损机理图,确定了摩擦稳定/非稳区和严重磨损区的边界条件以及材料摩擦性能最优的工况区间,以为列车安全制动提供参考。