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Progress of copper-based friction materials for high-speed train: Tribological property involving components, interfaces, and tribo-layers

高速列車用銅基摩擦材料研究進(jìn)展：涉及組分、界面及摩擦膜的摩擦學(xué)性能

作者信息：

Yuxuan Xu ^a, Haibin Zhou ^b, Qi Chen ^a, Donglin Liu ^a, Yong Han ^a, Minwen Deng ^a, Pingping Yao ^a *

a State Key Laboratory of Powder Metallurgy, Central South University, Changsha, 410083, China

b Hunan Province Key Laboratory of Materials Surface/Interface Science & Technology, 

Central South University of Forestry and Technology, Changsha, 410004, China

https://doi.org/10.1016/j.revmat.2025.100014

文章介紹：

高速列車是指運(yùn)行速度超過200 km/h的列車，因其運(yùn)輸速度快、安全性高、運(yùn)載能力強(qiáng)而廣受歡迎。在中國(guó)，列車運(yùn)營(yíng)速度已突破300 km/h，未來(lái)目標(biāo)更是向超過400 km/h邁進(jìn)。這一系列技術(shù)進(jìn)步對(duì)高速列車的制動(dòng)系統(tǒng)提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。制動(dòng)系統(tǒng)由制動(dòng)片及其對(duì)偶件制動(dòng)盤組成，在保障高速列車應(yīng)急制動(dòng)性能和運(yùn)行安全中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

目前，銅基摩擦材料（CBFMs）主要通過粉末冶金工藝制備，廣泛應(yīng)用于運(yùn)行速度超過300 km/h的高速列車制動(dòng)片中，其具有摩擦系數(shù)穩(wěn)定、耐磨性優(yōu)異、熱穩(wěn)定性好以及機(jī)械強(qiáng)度高等特點(diǎn)。值得注意的是，制動(dòng)片與制動(dòng)盤表面在運(yùn)行過程中承受著反復(fù)的高溫高壓熱沖擊。隨著列車運(yùn)行速度的不斷提升，銅基摩擦材料也面臨著制動(dòng)效率下降、異常磨損加劇等問題，迫切需要開發(fā)能夠滿足更高性能要求的新型銅基摩擦材料。

影響銅基摩擦材料制動(dòng)性能的三個(gè)關(guān)鍵因素包括：（1）材料的組成及其本征性能，涵蓋基體、磨料組分和潤(rùn)滑組分的設(shè)計(jì)；（2）基體與各組分之間的界面相互作用及其損傷機(jī)制，以及摩擦膜的形成與破壞過程；（3）銅基摩擦材料在開放式制動(dòng)系統(tǒng)中及復(fù)雜環(huán)境條件下的服役行為，以及對(duì)偶材料技術(shù)的進(jìn)步。

本綜述從材料組分、界面行為和摩擦膜三個(gè)關(guān)鍵角度對(duì)高速列車用銅基摩擦材料進(jìn)行了系統(tǒng)分析，明確指出當(dāng)前材料面臨的主要挑戰(zhàn)，并提出了未來(lái)的發(fā)展方向，以期為新一代高性能銅基摩擦材料的研發(fā)與應(yīng)用提供理論支持和技術(shù)參考。

中文摘要：

隨著高速列車運(yùn)營(yíng)速度的不斷提升，對(duì)其制動(dòng)系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性提出了更高要求。銅基摩擦材料（CBFMs）因其優(yōu)異性能，已被廣泛應(yīng)用于運(yùn)行速度超過300 km/h的高速列車制動(dòng)片中。CBFMs通過與對(duì)偶材料的直接摩擦耗散大量制動(dòng)能量，在保障高速列車安全可靠制動(dòng)方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。影響CBFMs制動(dòng)性能的主要因素包括：材料的組分及其本征性能、界面處的多尺度變化行為以及制動(dòng)條件下的特殊摩擦學(xué)特征。本文從三個(gè)關(guān)鍵層面——組分、界面和摩擦膜（tribo-layer）——系統(tǒng)綜述了近年來(lái)CBFMs在摩擦學(xué)性能方面的研究進(jìn)展。首先，詳細(xì)闡述了CBFMs中基體、潤(rùn)滑組分和磨料組分的最新發(fā)展趨勢(shì)；其次，深入探討了界面行為與摩擦學(xué)性能之間在微觀與宏觀尺度上的關(guān)聯(lián)；第三，分析了不同尺度下摩擦膜的特性及其與磨損機(jī)制之間的關(guān)系。最后，文章總結(jié)了當(dāng)前CBFMs研究所面臨的挑戰(zhàn)，包括多組分協(xié)同設(shè)計(jì)的復(fù)雜性、性能評(píng)估方法的局限性以及新型磨損機(jī)制的解析難度等。