高铁的核心技术之一刹车片
先不说2297在高铁刹车片上的前世、今生、后世,仅转发高铁刹车片前世今生的一些文章。见下文:
国外刹车片材料的发展 日本是高速铁路发展为迅速的,日本东海道新干线在 1964 年 10 月 1 日正式开通了上条高速铁路,列车运行速度达到了 210km/h。目前,日 本高铁稳定运行速度是 300km/h,随着列车的高速化,其制动系统中刹车片材料 的研究与应用也进入了一个新时期。 日本高铁的刹车片材料经历了由合成材料, 粉末冶金材料到碳纤维材料的过 程。合成材料在高铁早期被广泛使用,但是合成刹车片在 250℃高温下,磨损迅 速增加的弱点使其只能在 180~200km/h 以下的高铁上使用。随着列车速度的 提升,合成刹车片已经不能满足其技术要求,随后日本开始开发粉末冶金刹车材 料。由于粉末冶金刹车材料的使用温度较高,当制动单元体积温度达到 500℃以 上,闪点温度达到 1000℃左右的时候,粉末冶金刹车片仍能保持良好的刹车性 能,适用温度比合成材料提高,相应的适用速度、冲击韧性也较合成材料有了一 定的提高[4-5],因此粉末冶金刹车材料慢慢的替代了合成材料。
继日本之后, 欧美各国也竞相发展高速铁路, 其中法国的 TGA, 德国的 ICE, 和西班牙的 AVE 都是具代表性的高速铁路。这些的高铁目前所使用的制 动闸片主要为粉末冶金刹车片。但是作为航空业潜在竞争对手的高速铁路,人 们对其速度和效率的要求也在不断提高, 在这种情形下, 有必要开发一种耐高温、 质量轻的新型刹车材料, 而目前各个发达不断深入研究的碳纤维复合材料和 陶瓷复合材料是一种较为理想的高速铁路刹车材料。 为了满足未来高速铁路的制动技术要求, 国内外科研工作者都在努力研制开 发高性能刹车片材料,以满足市场要求。其中 C/C 复合材料是近几年开发出来 的新型制动材料,是一种 C 纤维增强、以 C 为基体的新型结构材料,它具有质 量轻、模量高、比强度大、热膨胀系数低、耐高温、耐热冲击、耐腐蚀、吸震性 好等一系列的优良性能, C/C 复合材料的这些独特性能使之能同时完成刹车 副的三项功能,即提高摩擦、传递机械载荷、吸收动能。 从碳纤维增强体的结构来看,其可以分为三种,种为单层毡,其由于短 纤维未能形成完整的纤维增强体,导致材料力学性能低,所以该种结构所制,备 的刹车片主要用于早期的实验机型;第二种为整体毡,其碳布层结构所制的材料 因其层剪切强度低, 垂直导热率低等因素的影响, 其应用的刹车片也是早期机型; 第三种结构为针刺毡结构,非常合适 CVD 工艺增密,并且所制的材料具有良好 的力学、热学和摩擦磨损性能,已经成为目前 C/C 复合材料增强体的基本结构, 并取得不断改进。 C/C 复合材料制动刹车片由于成本高,主要用于飞机制动器,但是随着近年 来高速铁路的发展,国内外科技工作者开始研制开发用于高速铁路的 C/C 复合 材料制动刹车片。德国 KnoorBremse 公司研制的一种碳纤维复合材料制动器, 实验证明, 该制动器在时速高达 250km/h 下质量尚好。 在该公司试验台以 250km/h 试验时, 其吸收的制动能高达 100MJ。 法国碳工业公司制造的碳纤维复合材料的 比热容是钢的 2 倍,线胀系数和弹性模量都比较小,具有优异的耐高温性能。它 能在 1000℃的高温下工作,件重仅为钢的 1/4,目前已经在 TGV-A 上得到应用。日本新干线 270km/h 电动车制动系统也采用了碳纤维增强材料[12]。由此可见, 碳纤维复合材料是一种国际上重点开发的刹车片材料,我国在 C/C 复合材料制 动刹车片的研发上也已经起步。
高速铁路的不断发展势必会对会其制动装置中摩擦材料的性能提出更高的 要求,高铁行驶速度的提升要求摩擦材料能够在较宽的速度、温度范围内具有稳 定的摩擦性能。 国内外对此进行了广泛的研究, 从铸铁摩擦材料、 合成摩擦材料、 粉末冶金摩擦材料到 C/C 复合摩擦材料以及高磨合成材料,其中 C/C 复合摩擦 材料能够很好解决铸铁材料的锈蚀、摩擦性能低、摩擦噪音等问题,相对于粉末 冶金材料其在质量和强度上有更大的优势。 从刹车材料发展现状和近几年的研发方向,可看出,刹车材料的主要研究方 向是开发集优良导热性、稳定摩擦系数、耐高温抗冲击、耐磨减磨、质量轻便的 碳系复合材料。可预见,通过不断改进碳系复合材料,它将会在高速铁路上被广泛应用。
更多信息请关注复合材料信息网http://www.cnfrp.com
国外刹车片材料的发展 日本是高速铁路发展为迅速的,日本东海道新干线在 1964 年 10 月 1 日正式开通了上条高速铁路,列车运行速度达到了 210km/h。目前,日 本高铁稳定运行速度是 300km/h,随着列车的高速化,其制动系统中刹车片材料 的研究与应用也进入了一个新时期。 日本高铁的刹车片材料经历了由合成材料, 粉末冶金材料到碳纤维材料的过 程。合成材料在高铁早期被广泛使用,但是合成刹车片在 250℃高温下,磨损迅 速增加的弱点使其只能在 180~200km/h 以下的高铁上使用。随着列车速度的 提升,合成刹车片已经不能满足其技术要求,随后日本开始开发粉末冶金刹车材 料。由于粉末冶金刹车材料的使用温度较高,当制动单元体积温度达到 500℃以 上,闪点温度达到 1000℃左右的时候,粉末冶金刹车片仍能保持良好的刹车性 能,适用温度比合成材料提高,相应的适用速度、冲击韧性也较合成材料有了一 定的提高[4-5],因此粉末冶金刹车材料慢慢的替代了合成材料。
继日本之后, 欧美各国也竞相发展高速铁路, 其中法国的 TGA, 德国的 ICE, 和西班牙的 AVE 都是具代表性的高速铁路。这些的高铁目前所使用的制 动闸片主要为粉末冶金刹车片。但是作为航空业潜在竞争对手的高速铁路,人 们对其速度和效率的要求也在不断提高, 在这种情形下, 有必要开发一种耐高温、 质量轻的新型刹车材料, 而目前各个发达不断深入研究的碳纤维复合材料和 陶瓷复合材料是一种较为理想的高速铁路刹车材料。 为了满足未来高速铁路的制动技术要求, 国内外科研工作者都在努力研制开 发高性能刹车片材料,以满足市场要求。其中 C/C 复合材料是近几年开发出来 的新型制动材料,是一种 C 纤维增强、以 C 为基体的新型结构材料,它具有质 量轻、模量高、比强度大、热膨胀系数低、耐高温、耐热冲击、耐腐蚀、吸震性 好等一系列的优良性能, C/C 复合材料的这些独特性能使之能同时完成刹车 副的三项功能,即提高摩擦、传递机械载荷、吸收动能。 从碳纤维增强体的结构来看,其可以分为三种,种为单层毡,其由于短 纤维未能形成完整的纤维增强体,导致材料力学性能低,所以该种结构所制,备 的刹车片主要用于早期的实验机型;第二种为整体毡,其碳布层结构所制的材料 因其层剪切强度低, 垂直导热率低等因素的影响, 其应用的刹车片也是早期机型; 第三种结构为针刺毡结构,非常合适 CVD 工艺增密,并且所制的材料具有良好 的力学、热学和摩擦磨损性能,已经成为目前 C/C 复合材料增强体的基本结构, 并取得不断改进。 C/C 复合材料制动刹车片由于成本高,主要用于飞机制动器,但是随着近年 来高速铁路的发展,国内外科技工作者开始研制开发用于高速铁路的 C/C 复合 材料制动刹车片。德国 KnoorBremse 公司研制的一种碳纤维复合材料制动器, 实验证明, 该制动器在时速高达 250km/h 下质量尚好。 在该公司试验台以 250km/h 试验时, 其吸收的制动能高达 100MJ。 法国碳工业公司制造的碳纤维复合材料的 比热容是钢的 2 倍,线胀系数和弹性模量都比较小,具有优异的耐高温性能。它 能在 1000℃的高温下工作,件重仅为钢的 1/4,目前已经在 TGV-A 上得到应用。日本新干线 270km/h 电动车制动系统也采用了碳纤维增强材料[12]。由此可见, 碳纤维复合材料是一种国际上重点开发的刹车片材料,我国在 C/C 复合材料制 动刹车片的研发上也已经起步。
高速铁路的不断发展势必会对会其制动装置中摩擦材料的性能提出更高的 要求,高铁行驶速度的提升要求摩擦材料能够在较宽的速度、温度范围内具有稳 定的摩擦性能。 国内外对此进行了广泛的研究, 从铸铁摩擦材料、 合成摩擦材料、 粉末冶金摩擦材料到 C/C 复合摩擦材料以及高磨合成材料,其中 C/C 复合摩擦 材料能够很好解决铸铁材料的锈蚀、摩擦性能低、摩擦噪音等问题,相对于粉末 冶金材料其在质量和强度上有更大的优势。 从刹车材料发展现状和近几年的研发方向,可看出,刹车材料的主要研究方 向是开发集优良导热性、稳定摩擦系数、耐高温抗冲击、耐磨减磨、质量轻便的 碳系复合材料。可预见,通过不断改进碳系复合材料,它将会在高速铁路上被广泛应用。
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