铜基摩擦材料内三维网状结构设计与调控及其摩擦学行为研究

为解决铜基摩擦材料(CBFMs)摩擦系数稳定性差与磨损率过高的问题，本研究创新性地提出通过湿法造粒与颗粒包覆技术构建并调控其内部三维网状结构。研究结果表明，该结构显著提升了材料导热性、力学性能及摩擦稳定性，磨损率降低50.17%，为高性能结构化摩擦材料的设计提供了新思路与理论支撑。

　　

随着高速列车、风力发电等高端装备的快速发展，铜基摩擦材料(Cu-based Friction Materials, CBFMs)因其优异的导热性、抗粘结性和抗卡滞性能而得到广泛应用。然而，在实际工况中，摩擦系数热衰退、异常磨损以及强度不足等问题日益突出，已成为制约高端装备进一步发展的瓶颈。传统研究多侧重于材料成分的优化，而对材料内部结构的设计与调控关注不足。近年来，多尺度结构设计已成为摩擦材料领域的重要趋势，从宏观的层状/梯度结构到微观的纳米纤维/颗粒调控，均可显著提升材料综合性能。在此背景下，如何通过创新结构设计突破现有性能局限，成为学界与工业界共同关注的焦点。

本研究发表于《Journal of Materials Research and Technology》，提出了一种通过湿法造粒与颗粒包覆技术构建并调控CBFMs内部三维网状结构的新方法。研究人员采用分步混合、湿法造粒、颗粒包覆、压制与烧结工艺制备样品，系统研究了三维网状结构与综合性能的构效关系，并通过有限元法分析了热-力动态多场特性。关键技术方法包括：通过湿法造粒技术调控预制颗粒尺寸以构建不同网格尺寸；采用颗粒包覆技术调节微细铜粉厚度以控制网格厚度；利用液压机（600 MPa）压制与纯氢气氛烧结炉（950°C/120 min）完成成型；通过万能材料试验机（GB/T 10424-2002标准）测试压缩性能；采用JF75摩擦磨损试验机评估摩擦系数与磨损率；结合扫描电镜与超景深显微镜观察磨损形貌；基于ABAQUS 2020建立有限元模型分析热-力耦合场分布。

3.1 三维网状结构尺寸对物理/力学性能的影响

研究显示，三维网状结构可显著增强CBFMs的力学性能。随着预制颗粒尺寸增大，材料密度呈下降趋势（图7a），而压缩强度先增后降（图8a）。其中，1-3 mm颗粒制备的样品压缩强度最高（57.3%提升），因致密网状结构更利于承载并抑制微裂纹。网状厚度增加则使压缩强度持续上升，25 wt%样品强度达88.07 MPa，较无网状结构样品提升61.5%（图8b）。

3.3 三维网状结构尺寸对摩擦学性能的影响

三维网状结构有效调控了摩擦系数(COF)与磨损率。随着网格尺寸增大，COF呈先降后升再降趋势（图9a），因网状结构作为磨损碎屑成核点促进二次平台形成，降低摩擦。网状厚度增加使COF波动减小、稳定性增强（图9c,d）。磨损率随网格尺寸增大先升后降，3-5 mm样品磨损率最低（2.33×10^-7 cm³·(N·m)^-1，降低45.61%）（图10a）；而随网状厚度增加，磨损率持续下降，25 wt%样品达最低值（降低50.17%）（图10b）。

3.4 含三维网状结构CBFMs的磨损机制

磨损形貌分析表明，无网状结构样品表面粗糙，存在大量凹坑与少量二次平台，磨损机制为严重粘着磨损（图11a）。含网状结构样品表面更光滑，因网状结构作为初级平台促进致密二次平台形成，保护基体免受刮擦（图11b-e）。随网状厚度增加，磨损表面逐渐平滑，25 wt%样品形成连续致密保护层（图12）。

3.5 热-力学动态多场特性

有限元分析揭示，三维网状结构不仅承受更高应力（峰值应力始终位于网状区域，图13-14），还显著改善热分布。含网状结构样品平均温度明显较低，因高导热性网状结构快速导出摩擦热，避免局部过热与热衰退（图15-16）。这表明三维网状结构通过增强力学承载与热管理双重机制提升耐磨性。

4. 结论

本研究通过湿法造粒与颗粒包覆技术成功构建并调控了CBFMs内部三维网状结构，明确其尺寸参数（网格尺寸与厚度）对材料性能的显著影响。主要结论包括：三维网状结构提升压缩强度最高达61.5%；增强摩擦稳定性与抗热衰退性；将磨损率降低50.17%。该工作为结构化粉末冶金材料设计提供了新思路，奠定了CBFMs进一步研究的理论基础。未来研究将聚焦于微观尺度动态过程分析，以深化对网状结构作用机制的理解。