温-载-转速耦合条件下制动衬片的摩擦行为及磨损机制

《Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials》：Friction Behavior and Wear Mechanism of Brake Pads under Combined Temperature, Load, and Rotational Speed Conditions

　　

制动衬片作为高速列车、重型卡车及极地科考车辆制动系统内的核心摩擦部件，其极端环境下的摩擦学性能直接决定制动可靠性与行车安全。研究人员通过摩擦试验平台，系统考察了温度（-40 ℃、-20 ℃、25 ℃）、载荷（30–90 N）及转速（100–200 rpm）耦合作用对材料摩擦系数及磨面演化的影响。借助扫描电子显微镜(SEM)、能量色散X射线光谱仪(EDS)、X射线衍射(XRD)及X射线光电子能谱(XPS)表征发现，温度是决定磨损机制的主导因素：在-20 ℃时，材料呈准脆性特征，磨损以疲劳剥落为主；在-40 ℃时，材料完全脆化，磨损转变为脆性断裂；载荷升高会加剧损伤，但不改变各温度下的主导磨损机制。针对室温数据集，研究人员采用经验摩擦系数模型进行辅助分析，而低温数据主要用于探讨温度依赖性的COF响应及磨损机制。该研究阐明了低温干摩擦环境下制动衬片的失效机理，为极寒地区高可靠长寿命制动材料的开发提供了实验与理论支撑。

本研究发表于《Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials》，聚焦于极寒环境下制动衬片服役性能的瓶颈问题展开深入探讨。当前针对制动衬片摩擦学行为的研究多集中于-10 ℃以上的温度区间，且多采用恒定载荷条件，缺乏对-10 ℃至-40 ℃宽温域及重载（如2.5 MPa级）工况下多参数耦合效应的系统性分析。尤其针对-40 ℃极低温环境中由材料本征脆化主导的持续制动磨损机制、摩擦界面动态演化规律及损伤累积机制的认识仍存在显著空白，导致极寒地区制动衬片的选型、评估与寿命预测缺乏充分的理论依据。低温环境下材料脆化与界面润滑能力下降易诱发制动扭矩波动与响应迟滞，严重威胁车辆运行安全。为此，研究人员通过开展系统的低温干滑动摩擦磨损实验，旨在揭示温度、载荷与转速协同作用下制动衬片的摩擦行为与磨损机制，填补极低温下材料脆化与摩擦化学演化的研究缺口，为极寒环境装备制动可靠性提升提供科学支撑。

为实现上述研究目标，研究人员采用了多项关键技术方法。实验选用上海龙众提供的商用盘式制动器试样，将其加工为标准圆柱形试件，经研磨抛光后控制表面粗糙度Ra在0.8–1.6 μm范围内。摩擦磨损测试在配备可编程低温箱的Rtec MFT-2000摩擦磨损试验机上进行，设置温度梯度为25 ℃、-20 ℃、-40 ℃，其中低温工况下固定转速为150 rpm，载荷选取50 N与70 N；室温工况下则覆盖30–90 N载荷范围与100–200 rpm转速范围，以对比不同工况下的摩擦学响应差异。磨后试样表征综合运用SEM观察微观形貌与损伤特征，EDS进行微区元素定性与半定量分析，XRD鉴定物相组成与结构演变，XPS解析表面元素化学态与键合信息，从而多尺度揭示磨损机制的内在关联。

3.1 不同温度下的摩擦行为

研究人员通过分析摩擦系数(COF)随温度、载荷及转速的响应规律发现，温度是调控摩擦系数演化的主导因素。相同转速与载荷下，COF随温度降低而下降，例如200 rpm条件下，COF从25 ℃时的0.254降至低温下的0.244，这归因于低温抑制了材料表面热激活过程并削弱塑性变形能力，从而降低黏着摩擦贡献。载荷对COF的影响呈非单调趋势：先升后降再升，可能与高载荷下摩擦生热促进材料塑性流动、降低界面剪切强度，以及真实接触面积变化与表面膜形成/破坏有关。转速的影响则呈现温度依赖性：室温下COF随转速升高而降低，源于摩擦热积累促进表面氧化膜形成并改变界面耗能机制；低温下COF随转速升高略有上升，因材料脆化产生大量硬质磨屑，高速下磨屑的微切削与犁沟效应增强，成为摩擦系数的主要贡献源。综上，低温环境下摩擦行为的主导机制从25 ℃的热-塑性协同机制转变为脆性与磨屑切削耦合的控制机制。

3.2 磨损表面形貌与机制分析

通过SEM观察不同温度与载荷下的磨面演化，研究人员明确了磨损机制的转变路径。25 ℃时，随载荷增加，磨面粗糙度上升，低载荷下仅见浅划痕与轻微剥落，高载荷下则出现剥落坑、撕裂痕与裂纹，表明磨损从轻微磨粒磨损向严重的黏着撕裂与疲劳剥落过渡。-20 ℃时，磨面可见微裂纹、片状分层及疏松磨屑，载荷从50 N增至70 N后分层区域扩大，证实滑动过程中裂纹反复萌生与扩展，支持该温度下以疲劳剥落为主导的机制。-40 ℃时，磨面呈现明显的颗粒状剥落、碎裂、裂纹及解理特征，相比-20 ℃损伤更具脆性，载荷升高主要扩大断裂区域，不改变脆性断裂的主导地位。整体而言，磨损形态随温度降低从25 ℃的磨粒/黏着磨损经-20 ℃的疲劳剥落，最终演变为-40 ℃的脆性断裂，凸显温度对磨损机制转变的决定性作用，载荷仅影响损伤程度。

3.3 表面成分EDS分析

研究人员对25 ℃与-40 ℃、50 N、150 rpm条件下的磨面进行EDS点分析发现，室温磨面主要含Fe、C、O元素，Fe源于滑动过程中暴露的金属基体或转移材料，O信号指示表面氧化，C来自摩擦界面残留的碳质相。-40 ℃磨面中C、Ba、S、Sb元素信号增强，Fe信号减弱，其中Ba与S关联硫酸钡(BaSO₄)基填料，Sb可能源自含锑硫化物填料。这表明低温滑动后表面暴露组分发生显著变化：室温下以金属暴露与氧化为主，-40 ℃下脆性断裂使更多碳质相与填料相裸露，进一步佐证了磨损机制从磨粒/黏着磨损向脆性断裂的转变。

3.4 物相结构分析

借助XRD表征，研究人员揭示了不同工况下磨面物相结构的演变规律。25 ℃干摩擦条件下，磨面主相为C、金属相（Fe、Ni）及含Al–Fe–Si相；30 N低载荷下衍射峰清晰，表明表面结构稳定；随载荷增加，陶瓷相关相衍射峰增强变宽，暗示晶格畸变与表面损伤加剧；90 N时金属（Fe、Ni）相峰强减弱展宽，并出现微弱的填料衍生或摩擦化学相特征。低温条件下，-20 ℃时BaSO₄与（Fe,Ni）峰仍可见，载荷升高使（Fe,Ni）峰展宽，反映载荷加剧变形与结构无序；-40 ℃时BaSO₄信号减弱，（Fe,Ni）峰出现展宽或分裂，源于脆性断裂及填料与基体间界面脱粘；70 N工况下多数衍射峰弱化为宽峰，表明磨面结构严重退化。结果表明温度主导物相演化：室温下以摩擦诱导表面损伤与局部摩擦化学变化为主，低温下（尤其-40 ℃）脆性断裂与填料/基体脱粘作用凸显，载荷仅加重结构损伤而不改变温度主导机制。

3.5 表面化学态XPS机制分析

研究人员通过XPS分析磨面化学态发现，25 ℃磨面的Fe 2p谱拟合显示Fe³⁺/Fe²⁺面积比为1.26，表明摩擦诱导氧化显著；-20 ℃磨面的Si 2p谱可分解为Si–C（99.9 eV）与Si–O（102.2 eV）峰，后者存在证实疲劳剥落后含氧硅酸盐相裸露；-40 ℃磨面的Fe³⁺/Fe²⁺比降至0.85，反映低温抑制了高价铁氧化物的形成。定量结果证实温度调控滑动过程中的界面化学状态：室温下摩擦氧化占优，-20 ℃下疲劳剥落暴露含硅相，-40 ℃下脆性断裂削弱摩擦化学膜连续性，与SEM、EDS结果相互印证。

3.6 摩擦系数数学模型建立与拟合验证

基于经典SAE幂律模型，研究人员建立了摩擦系数μ与温度、载荷、转速的经验关系。由于室温工况下同时变量载荷与转速，故仅对该数据集进行拟合，得到比例系数K=0.4314，载荷敏感系数a=0.8605（小于1，表明COF呈弱负载荷依赖性），转速敏感系数b=0.0078（接近0，表明转速效应有限），模型R²=0.0851，仅作为辅助分析而非预测工具。低温测试中载荷与转速在各温度组内固定，无法独立拟合参数，故低温数据主要用于描述COF趋势与支撑磨损机制讨论。

讨论部分强调，本研究通过多尺度表征厘清了温度对磨损机制的主导作用，突破了以往低温摩擦学研究局限于-30 ℃以上间歇制动的不足，明确了-40 ℃极低温下材料脆化导致的脆性断裂机制及其对摩擦化学过程的抑制作用。研究结果为极寒环境制动材料的设计优化提供了关键实验数据与理论依据，对提升寒区装备制动可靠性具有重要工程价值。

研究结论如下：首先，低温显著加剧材料脆化并主导磨损机制转变。-40 ℃下磨损机制从25 ℃的黏着-磨粒复合磨损转变为脆性断裂，伴随大规模剥落与磨屑磨损；-20 ℃下材料保留一定塑性，以疲劳剥落为特征；载荷升高加剧损伤程度，但不改变各温度下的主导失效机制。其次，低温诱导磨面化学态显著变化。XPS结果显示-40 ℃下Fe氧化程度受抑，Si–O键与含氧碳官能团相对含量随降温而改变，Fe³⁺/Fe²⁺比从25 ℃的1.26降至-40 ℃的0.85，表明低温不利于高价铁氧化物形成。最后，经验COF模型作为室温数据集的辅助分析工具，提供了拟合参数与拟合优度指标；低温条件下的COF数据主要用于探讨温度依赖性摩擦响应与磨损机制，因各温度组内载荷与转速固定而无法独立拟合模型参数。上述成果为极寒环境制动材料的设计与评估提供了宝贵的实验数据支撑。