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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展：涉及組分、界面及摩擦膜的摩擦學性能

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：

高速列車是指運行速度超過200 km/h的列車，因其運輸速度快、安全性高、運載能力強而廣受歡迎。在中國，列車運營速度已突破300 km/h，未來目標更是向超過400 km/h邁進。這一系列技術進步對高速列車的制動系統提出了嚴峻挑戰(zhàn)。制動系統由制動片及其對偶件制動盤組成，在保障高速列車應急制動性能和運行安全中發(fā)揮著關鍵作用。

目前，銅基摩擦材料（CBFMs）主要通過粉末冶金工藝制備，廣泛應用于運行速度超過300 km/h的高速列車制動片中，其具有摩擦系數穩(wěn)定、耐磨性優(yōu)異、熱穩(wěn)定性好以及機械強度高等特點。值得注意的是，制動片與制動盤表面在運行過程中承受著反復的高溫高壓熱沖擊。隨著列車運行速度的不斷提升，銅基摩擦材料也面臨著制動效率下降、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性能的三個關鍵因素包括：（1）材料的組成及其本征性能，涵蓋基體、磨料組分和潤滑組分的設計；（2）基體與各組分之間的界面相互作用及其損傷機制，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系統中及復雜環(huán)境條件下的服役行為，以及對偶材料技術的進步。

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

中文摘要：

隨著高速列車運營速度的不斷提升，對其制動系統的安全性與穩(wěn)定性提出了更高要求。銅基摩擦材料（CBFMs）因其優(yōu)異性能，已被廣泛應用于運行速度超過300 km/h的高速列車制動片中。CBFMs通過與對偶材料的直接摩擦耗散大量制動能量，在保障高速列車安全可靠制動方面發(fā)揮著關鍵作用。影響CBFMs制動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條件下的特殊摩擦學特征。本文從三個關鍵層面——組分、界面和摩擦膜（tribo-layer）——系統綜述了近年來CBFMs在摩擦學性能方面的研究進展。首先，詳細闡述了CBFMs中基體、潤滑組分和磨料組分的最新發(fā)展趨勢；其次，深入探討了界面行為與摩擦學性能之間在微觀與宏觀尺度上的關聯；第三，分析了不同尺度下摩擦膜的特性及其與磨損機制之間的關系。最后，文章總結了當前CBFMs研究所面臨的挑戰(zhàn)，包括多組分協同設計的復雜性、性能評估方法的局限性以及新型磨損機制的解析難度等。