集成实验-计算方法，用于加速表征和建模纤维增强热塑性材料的非线性粘弹性、弹塑性-损伤响应

《Composite Structures》：Integrated experimental-computational approach for the accelerated characterization and modeling of the nonlinear viscoelastic, elastoplastic-damage response of fiber-reinforced thermoplastics

本研究通过添加La?O?至铜基粉末冶金材料，探究其协同CrFe增强刹车片摩擦与机械性能的机制。结果表明1.0 wt% La?O?优化密度和硬度，提升摩擦系数稳定性及耐磨损性，在350 km/h下磨损减少34.70%，为高铁高性能刹车片设计提供理论依据。

　　

Jingyu Wu|Min Zhong|Meirong Yi|Xiaobing Li|Jianfeng Chen|Wenhu Xu

江西师范大学先进制造学院，江西省轻合金重点实验室，摩擦学重点实验室，南昌市，江西330031，中国

摘要

本研究旨在阐明氧化镧（La₂O₃）添加对高速铁路用铜基摩擦材料摩擦学和力学性能的增强机制。通过粉末冶金方法制备了不同La₂O₃/CrFe比例的样品，并结合电子背散射衍射（EBSD）微观结构分析，评估了硬度、密度等力学性能。基于模拟制动条件的摩擦实验测试了摩擦系数和磨损率的稳定性。研究结果表明：1.0 wt%的La₂O₃通过晶粒细化和弥散强化作用，实现了最佳的密度和硬度；在80–350 km/h的速度范围内，该材料表现出优异的摩擦稳定性和耐磨性。此外，La₂O₃能够调节摩擦膜的形成并稳定接触平台，从而在350 km/h以下的速度下使磨损率降低了34.70%。本研究为高性能铜基刹车片的设计提供了重要依据，突显了稀土氧化物改性在提高制动安全性和效率方面的价值。

引言

铜基复合材料广泛应用于工业机械、航空航天和军事装备中，尤其是在铁路运输领域。这得益于它们优异的导热性、稳定的摩擦系数以及与钢制刹车盘的良好兼容性。它们已被广泛研究作为高速列车刹车片的首选材料[1]、[2]。然而，随着高速列车的快速发展，其运行速度和载荷能力显著提高，这对铜基刹车片带来了严峻挑战[3]、[4]。在极端使用条件下，传统刹车片会出现表面退化、摩擦系数波动大和服务寿命缩短等问题，直接威胁到制动安全和运行效率[5]、[6]、[7]、[8]。

为了解决这些问题，研究人员对粉末冶金铜基复合材料的摩擦稳定性进行了大量研究[9]、[10]。研究结果表明，CrFe是一种有效的增强相，能够提升铜基复合材料的物理和摩擦学性能[11]、[12]，这主要归功于其与铜基体之间的良好界面结合，从而改善了力学性能和热稳定性。然而，CrFe的抗氧化性能较差，在高温或极高载荷下其增强效果可能不足。为弥补这一缺陷，现有研究引入了TiC、SiC和Al₂O₃等陶瓷颗粒：粗粒陶瓷颗粒主要作为摩擦改性剂，在高速条件下抑制摩擦系数的热退化[13]、[14]；细粒陶瓷增强剂则用于提高复合材料的硬度、耐磨性和高温稳定性[15]、[16]、[17]、[18]。

最新研究表明，稀土氧化物（REOs）是有效的改性剂，能够显著提升金属基复合材料的力学性能[19]、[20]、[21]、[22]、[23]。例如，Y₂O₃在氧化物弥散强化（ODS）铜体系中展现出巨大潜力，其纳米级分散显著增强了界面结合强度并大幅提高了屈服强度[24]、[25]；La₂O₃通过细化Cu-TiB₂复合材料的颗粒-基体界面，降低了循环载荷下的表面裂纹扩展速率[21]；纳米级稀土氧化物通过位错钉扎和声子边界散射实现直接强化和间接热稳定[23]、[26]；在La₂O₃-蛇纹石-聚四氟乙烯复合材料中，亚纳米级La₂O₃与纳米蛇纹石协同作用，在潮湿条件下显著降低了磨损率[27]；对于Al₂O₃涂层，La₂O₃通过稳定α-Al₂O₃相降低了孔隙率和磨损率[28]。目前关于稀土氧化物的研究主要集中在它们作为金属基复合材料中的弥散强化相的作用上，它们通过晶粒细化和位错钉扎来提升力学性能和热稳定性。然而，它们作为铜基刹车片的摩擦改性剂，特别是在高速制动条件下调节摩擦-磨损机制方面的潜力，仍需进一步深入探索[29]。

因此，本研究采用梯度替代策略将氧化镧La₂O₃引入铜基粉末冶金材料中，并结合CrFe进行表征。通过摩擦实验、扫描电子显微镜（SEM）、能量色散谱仪（EDS）和X射线衍射（XRD）分析，研究了La₂O₃浓度（0–2 wt%）对铜基摩擦材料物理和摩擦学性能的影响，阐明了La₂O₃对刹车片物理性能（如硬度、密度）和制动性能（如摩擦系数稳定性、耐磨性）的作用机制和关键影响因素。研究结果为提高高速铁路刹车片的性能提供了理论依据。

材料与样品制备

生产过程如图1所示。样品采用粉末冶金方法制备：首先根据表1中的配方比例称量原料粉末，然后使用行星球磨机混合4小时（转速300 rpm，钢球与粉末的质量比为5:1），最后在600 MPa的压力下压制成Φ50 × 8 mm的形状。

微观结构与物理性能

在摩擦实验前，通过背散射电子（BSE）成像研究了La₂O₃含量对样品微观结构的影响（图4）。结果显示铜基体内多种相分布均匀：CrFe（大的块状灰色相）、Fe（颗粒状灰色相）和石墨（黑色相），这些相与铜基体之间有清晰的界面。这归因于Fe和Cu之间的良好润湿性以及石墨表面的铜涂层。

结论

本研究探讨了La₂O₃添加量对铜基摩擦材料制动性能的协同调控机制。其核心在于La₂O₃通过影响基体强化、摩擦膜的形成与稳定性以及接触平台特性，在不同制动条件下主导了不同的磨损模式。

• (1)
  适量的La₂O₃可提升材料的物理性能。添加1.0 wt% La₂O₃的样品（L2）

作者贡献声明

Jingyu Wu：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、方法学设计、实验研究、数据分析。Min Zhong：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、方法学设计、实验研究、数据分析。Meirong Yi：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、方法学设计、实验研究、资金申请。Xiaobing Li：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、方法学设计、实验研究。Jianfeng Chen：撰写 – 审稿与

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文工作的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了江西省自然科学基金（20252BAC240055）和江西省轻合金重点实验室（2024SSY05031）的支持。