高速列车制动盘材料的研究现状与发展趋势(3)
CC复合材料的致密化方法有两种,一是用化学气相沉积法(CVD)获得热解碳,二是用浸渍碳化法获得玻璃碳或沥青碳。前者使所制备的C 性能指标较高,但其所用设备复杂、生产C复合材料结构致密、
周期长,操作困难、性能重复性差,制造成本较高,难以在民用工业上得到应用;而后者所用设备简单、生产周期短、操作容易、性能重复性好,但所制备的C 结构疏松、性能较差。为了C复合材料基体的残碳率低、
第1期 齐海波等:高速列车制动盘材料的研究现状与发展趋势 55 提高残碳率、增加致密度,人们广泛采用高压或中压浸渍碳化的方法制备C 各种C C复合材料。C复合材料的石墨化工艺基本相同。
[15]在1995~1996年期间,在完成铁道部C C复合摩阻材料的预研项目过程中,曾选用短切碳纤维为
增强组份,酚醛树脂为基体组份,采用热模压法成形,反复加压碳化后浸渍中温沥青,循环4~5次,试制了
3密度为1170g cm以上的C C复合摩阻材料。为提高C C复合材料的高温抗氧化性,还在基体中加入了
B2O3和Si粉作为抗氧化添加剂,并在材料的外部非摩擦面上涂以抗氧化涂层。研制的C C复合材料在惯性制动实验台上的测试结果表明,材料的摩擦系数稳定在013左右,且具有较高的耐磨损性能。412 应用情况及存在问题
[16]法国在1987-1989年间曾将C “铁道综研”正在进行目标C复合材料应用于高速列车制动。日本
[17]试验台速为450km h的高速低噪音列车也选用C C复合材料作为制动摩擦材料。
由于碳材料抗氧化性差,因而在选用C C复合材料作为制动盘时,构形式来实现列车的摩擦制动。C C的多片全碳盘式制动结构[18],())组件组成。利用空气压力压紧定子,盘[16],使用过程,每个盘面上有4个复合材料制动块。,,从而使摩擦系数得到稳定。
此外, C复合材料表面的抗氧化处理也可得到良好的效果。日本三菱公司开发了油漆工型
[18]SiC转换法,其原理是C C复合材料表面上刷涂的原料浆中的Si3N4与复合材料中的石墨之间发生如下反应,在表面生成完整、无缺陷的SiC层。
(1)Si3N4+3C→3SiC+2N2
目前,C C复合材料作为列车制动摩擦材料存在的问题主要表现在以下三个方面:一是成本较高,目前国际上每千克碳纤维的价格约为30美元,国内价格更高。一是摩擦系数随制动初速度增加变化较大和能量损耗大致使制动系统及临近组件温升过高等问题。对于前者,可以通过对制动力的控制来补偿C C复合材料制动盘摩擦系数的变化;而后者,可以采用强制通风方式对周围部件进行冷却。此外,密度较低的C C复合材料中存在的气孔在潮湿环境下吸湿而会引起制动过程中摩擦系数大大下降,从而影响列车行车安全,这需要从提高C C复合材料的致密度、进行完整的表面处理和适当的结构调整等方面加以改进。
413 发展趋势
用于超过350km h的列车制动器,C C复合材料的卓越高温摩阻性能使其具有其它摩擦制动材料无以比拟的优势,因而是超高速列车的首选摩擦制动材料。
自八十年代以来,日本对碳纤维增强碳基复合材料(C C)制动盘进行了大量的实验室实验,并在新干线上进行了装车试运行[10,17];同期,法国在下一代TGV高速列车上进行了C C复合材料制动盘的装车实验[16]。此外,英国SABWabco公司已经研制出了碳纤维增强陶瓷基复合材料制动盘[19],用于法国TGV2NG高速列车,实现了一轴两盘,使每轴簧下重量减轻250kg。与钢盘制动器相比,碳纤维增强陶瓷基复合材料制动器可以节约制造成本50%。进而,考虑到减轻簧下重量对车辆提速和对减小轮轨磨损率的影响,其经济效益将不可估量。目前,该制动盘已投放国际市场。
5各种制动盘材质性能价格对比分析
现将蠕墨铸铁、锻钢、铝基复合材料和碳 碳复合材料的性能价格比列于表1。
56石 家 庄 铁 道 学 院 学 报
表1 制动盘材质性能价格比较
名 称拉伸强度
≥800
≥250
100延伸率 %≥~密度 kg m-17第14卷3导热系数线膨胀系数-1-1 ℃W m K#215;10-6 (200℃)(20~200℃)(519) 价 格便宜一般较高昂贵数据来源文献[7]文献[16]文献[20]文献[21]蠕墨铸铁锻钢铝基复合材料C C复合材料
分析表1中各项数据,并结合各种材料制动盘在使用寿命、重量、维修次数和对钢轨磨损等方面的情况,发现铝基复合材料作为制动盘在高速列车上使用其性能价格比最高,应当优先发展和积极进行技术储备;当列车超高速运行时,C C:列车行驶速度在250km h以下时,6 结论
(1),通过提高铸铁或锻钢的摩擦磨损性能和抗热龟裂性,,基本可以满足列车的制动性能要求;
(2)250~300km h之间的高速列车,采用价格适中的陶瓷颗粒增强铝基复合材料制作制动盘,不仅可以减轻列车自重,而且具有优良的制动性能,需要在降低成本、改善性能及结构匹配等方面进行系统研究;
文章来源:《材料研究学报》 网址: http://www.clyjxbzz.cn/zonghexinwen/2020/1008/335.html