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        科學研究    
        最新公告
        2020-09-05
        根據《科技部 教育部 人力資源社會保障部 財政部 中科院 自然科學基金委關于鼓......
        標志性成果

        標志性成果3

        發布時間:2018-03-16    作者:      來源:      瀏覽次數:6035


        名稱

        類別

        成果為第一完成單位

        本室固定人員參加名單

        所屬研究方向

        高速重載制動系統用摩擦材料

        應用基礎

        肖鵬、姚萍屏、黃伯云、熊翔、李專

        先進粉末冶金材料

        粉末冶金國家重點實驗室有著40多年的摩擦材料研發和制造歷史,研制的高性能摩擦材料已成功應用于海、陸、空、天各個領域,為我國C919大飛機、神舟飛船、各類軍機、高速重載裝甲車等制動系統提供了關鍵摩擦材料。取得的主要創新成果如下:

        1、設計了高含量非金屬摩擦組元配方,研制了高耐磨高能制動粉末冶金摩擦材料,成功應用于高速鐵路和航空航天領域

        針對高能制動摩擦材料國產化的重大需求,開展了高耐磨高能制動粉末冶金摩擦材料及制備技術的研究與開發[1]。揭示了高速制動條件下高速列車制動閘片材料關鍵摩擦組元和潤滑組元的高速制動協同作用機理,建立了制動閘片材料設計的基礎理論;闡明了強熱-機耦合條件下高速列車制動盤裂紋萌生及擴展和失效調控機理,完善制動盤材料組織結構與性能優化理論;揭示了高速列車制動摩擦系統材料工作界面復雜演變機制,獲取復雜苛刻高速制動工況下摩擦系統材料匹配性原理[3~6]。依托本技術,研發了 300-350km/h動車組、CRH1型動車組(燕尾型)、CRH1型動車組(非燕尾型)、CRH5型動車組(燕尾型)四個型號動車組的粉末冶金閘片。成果得到了成功轉化,成為湖南第一家,國內第五家時速300至350公里高鐵的閘片供應商。

         

        圖1 粉末冶金閘片的截面形貌和臺架試驗過程中緊急制動條件下的制動曲線

        首次采用一套摩擦副實現了兩個空間飛行器對接時制動耗能、可靠傳扭和過載保護,解決了飛行器對接過程中的安全保證問題,發明了全功能(制動耗能、穩定傳扭和過載保護功能)空間摩擦副[12~13];設計制造了全功能摩擦副的真空、大氣和高低溫交變條件下的摩擦磨損性能測試裝置,解決了空間摩擦副可靠性和壽命評估問題,成功保障了神舟系列飛船與天宮1號和2號的交會對接任務。

        實驗室針對新型長征7號等大功率運載火箭高動載、高壓力要求,開發了以彌散強化銅為強化相的新型銅/石墨摩環材料,實現了性能較大幅度的提高。所研制的發動機渦輪泵端面摩環材料保障了新一代火箭液氧煤油發動機核心部分渦輪和渦輪泵在高壓、高轉速、大溫差的工況下順利工作。成功應用于我國于2016年6月25號和2016年11月3日發射的最新的長征七號和長征五號運載火箭?!案吣湍ジ吣苤苿臃勰┮苯鹉Σ敛牧系难兄婆c產業化”獲2013年度湖南省科技進步一等獎。

         

        2、發明了高性能碳陶摩擦材料及其摩擦副,在國際上率先成功將碳陶摩擦副應用于高速、重載和復雜環境下的制動系統

        碳陶復合材料具有密度低(~2.0g/cm3)、耐高溫、能載水平高、壽命長和全環境適用等優點,被公認為是21世紀最有希望滿足高速、重載與苛刻環境制動需求的新一代高性能摩擦材料。

        在國內外首創了“兩步硅化-熔硅定向滲透”核心制備技術,突破了碳纖維彈性后效導致產品開裂的關鍵技術,以及控制基體SiC結構的關鍵技術,制備了短碳纖維增韌的高強度碳陶摩擦材料,與國際上現行采用連續碳纖維增韌和MSI技術制備相比,實現了原材料成本降低50%、制備周期縮短60%、能耗降低50%、綜合成本降低60%。

        首次發現了Cu5Si促進磨屑形成摩擦膜作用和FexSiy的粘著增摩作用,發明了減震降噪、增摩擦減磨損碳陶摩擦材料配方,首次采用Cu5Si、FexSiy等組元調控碳陶摩擦磨損性能,顯著提高了碳陶制動產品的摩擦性能,實現了制動過程減震降噪,高能載制動增摩擦減磨損。經美國Link實驗室檢測,制動噪音指數(Noise Index)降到了9.3,徹底解決了SiC易引起高制動噪音的難題。

        設計、合成了嵌C網絡結構SiC基體,突破了碳陶摩擦材料切削和磨粒磨損金屬對偶的關鍵技術,實現了碳陶摩擦材料對各種制動系統的普適性,顯著拓廣了應用領域。同時實現了憎水增摩的SiC與親水潤滑的基體碳協同作用,有效解決基體碳遇水摩擦系數衰退的先天性問題。相關研究成果發表在Ceramics International等國際權威期刊[7~10],獲國際同行高度評價,碳陶摩擦材料研究創始人Walter Krenkel院士評價為“*****international reputation,breakthrough”[11]。

        我國XX型主戰坦克采用碳陶摩擦材料制動盤后,使用壽命提高了3倍,剎車效率提高了40%,并推廣應用于其它型號[14~15]。直升機用碳陶制動盤摩擦副已經達到裝機狀態水平,裝配有碳陶制動盤的新一代防雷車在2014 第十屆中國珠海航展上展出?!靶滦透咝阅芴继漳Σ敛牧霞捌涞统杀局苽浼夹g”獲2014年度湖南省技術發明一等獎。

        圖2 實驗室開發的部分碳陶摩擦材料產品

        成果佐證清單

        序號

        成果類型

        成果名稱

        完成人

        刊物、出版社或授權單位名稱

        年、卷、期、頁或專利號

        1

        獎勵

        高耐磨高能制動粉末冶金摩擦材料的研制與產業化

        姚萍屏(1),熊翔(2), 易茂中(3),黃伯云(4)

        湖南省科學技術進步一等獎

        2013

        2

        獎勵

        新型高性能碳陶摩擦材料及其低成本制備技術

        肖鵬(1),熊翔(2),李專(3),黃伯云(4)

        湖南省技術發明一等獎

        2014

        3

        專著

        高性能粉末冶金制動摩擦材料

        姚萍屏

        中南大學出版社

        2015.11

        4

        專著

        碳陶摩擦材料的制備、性能與應用

        肖鵬,熊翔,李專

        科學出版社

        2016.07

        5

        論文

        Influence of WC carbide particle size on the microstructure and abrasive wear behavior of WC–10Co–4Cr coatings for aircraft landing gear.

        Taimin Gong, Pingping Yao, Xiaoting Zuo,Zhongyi Zhang,Yelong Xiao, Lin Zhao, Haibin Zhou,Minwen Deng,Qi Wang,Aiwen Zhong

        Wear

        2016, s362–363:135-145.

        6

        論文

        Wear map for a copper-based friction clutch material under oil lubrication

        Taimin Gong, Pingping Yao, Yelong Xiao, Kunyang Fan, Huiqiang Tan, Zhongyi Zhang, Lin Zhao, Haibin Zhou, Minwen Deng

        Wear

        2015, 328-329, 270-276

        7

        論文

        Friction and wear behavior of copper matrix composite for spacecraft rendezvous and docking under different conditions

        Yelong Xiao, Pingping Yao, Haibin Zhou, Zhongyi Zhang, Taimin Gong, Lin Zhao, Xiaoting Zuo, Minwen Deng, Zongxiang Jin

        Wear

        2014,320, 127-134

        8

        論文

        Microstructure and properties of Cu-Ti alloy infiltrated chopped Cf reinforced ceramics composites

        Peng Xiao, Yu-hai Lu, Yi-zhong Liu, Zhuan Li, Hua-chan Fang, Wei Zhou, Renato S.M. Almeida, Yang Li.

        Ceramics International

        2017,43: 16628-16637

        9

        論文

        Mechanical behavior of LSI based C/C-SiC composites subjected to flexural loadings

        Yang Li, Peng Xiao, Yuan Shi, Renato S.M. Almeida, Wei Zhou, Zhuan Li, Heng Luo, Florian Reichert, Nico Langhof, Walter Krenkel.

        Composites Part A

        2017, 95:315-324

        10

        論文

        Fatigue behavior and residual strength evolution of 2.5D C/C-SiC composites

        Yang Li, Peng Xiao, Heng Luo, Renato S.M. Almeida, Zhuan Li, Wei Zhou, Alexander Brückner, Florian Reichert, Nico Langhof, Walter Krenkel.

        Journal of the European Ceramic Society

        2016, 36(16):3977-3985

        11

        論文

        Microstructure and tribological characteristics of needled C/C–SiC brake composites fabricated by simultaneous infiltration of molten Si and Cu

        Zhuan Li, Yi-zhong Liu, Ben-gu Zhang, Yu-hai Lu, Li Yang, Xiao Peng

        Tribology International

        2016, 93: 220-228

        12

        專利

        空間對接用粉末冶金摩擦片及其制備工藝

        姚萍屏,黃伯云,熊翔

        國家知識產權局

        ZL201110015133.2

        13

        專利

        直升機傳動系統用自潤滑耐磨部件結構

        姚萍屏

        國家知識產權局

        ZL201320652500.4

        14

        專利

        一種用于高速列車的碳陶制動閘片及制備方法

        肖鵬,黃伯云,李專

        國家知識產權局

        ZL201310502530.1

        15

        專利

        一種碳陶復合材料制動盤及制備方法

        李專,肖鵬,黃伯云

        國家知識產權局

        ZL201310502512.3



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