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

高速列车用铜基摩擦材料研究进展：涉及组分、界面及摩擦膜的摩擦学性能

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

文章介绍：

高速列车是指运行速度超过200 km/h的列车，因其运输速度快、安全性高、运载能力强而广受欢迎。在中国，列车运营速度已突破300 km/h，未来目标更是向超过400 km/h迈进。这一系列技术进步对高速列车的制动系统提出了严峻挑战。制动系统由制动片及其对偶件制动盘组成，在保障高速列车应急制动性能和运行安全中发挥着关键作用。

目前，铜基摩擦材料（CBFMs）主要通过粉末冶金工艺制备，广泛应用于运行速度超过300 km/h的高速列车制动片中，其具有摩擦系数稳定、耐磨性优异、热稳定性好以及机械强度高等特点。值得注意的是，制动片与制动盘表面在运行过程中承受着反复的高温高压热冲击。随着列车运行速度的不断提升，铜基摩擦材料也面临着制动效率下降、异常磨损加剧等问题，迫切需要开发能够满足更高性能要求的新型铜基摩擦材料。

影响铜基摩擦材料制动性能的三个关键因素包括：（1）材料的组成及其本征性能，涵盖基体、磨料组分和润滑组分的设计；（2）基体与各组分之间的界面相互作用及其损伤机制，以及摩擦膜的形成与破坏过程；（3）铜基摩擦材料在开放式制动系统中及复杂环境条件下的服役行为，以及对偶材料技术的进步。

本综述从材料组分、界面行为和摩擦膜三个关键角度对高速列车用铜基摩擦材料进行了系统分析，明确指出当前材料面临的主要挑战，并提出了未来的发展方向，以期为新一代高性能铜基摩擦材料的研发与应用提供理论支持和技术参考。

中文摘要：

随着高速列车运营速度的不断提升，对其制动系统的安全性与稳定性提出了更高要求。铜基摩擦材料（CBFMs）因其优异性能，已被广泛应用于运行速度超过300 km/h的高速列车制动片中。CBFMs通过与对偶材料的直接摩擦耗散大量制动能量，在保障高速列车安全可靠制动方面发挥着关键作用。影响CBFMs制动性能的主要因素包括：材料的组分及其本征性能、界面处的多尺度变化行为以及制动条件下的特殊摩擦学特征。本文从三个关键层面——组分、界面和摩擦膜（tribo-layer）——系统综述了近年来CBFMs在摩擦学性能方面的研究进展。首先，详细阐述了CBFMs中基体、润滑组分和磨料组分的最新发展趋势；其次，深入探讨了界面行为与摩擦学性能之间在微观与宏观尺度上的关联；第三，分析了不同尺度下摩擦膜的特性及其与磨损机制之间的关系。最后，文章总结了当前CBFMs研究所面临的挑战，包括多组分协同设计的复杂性、性能评估方法的局限性以及新型磨损机制的解析难度等。