城轨交通作为城市公共交通的核心载体，其制动系统的可靠性与安全性直接关系到运营效率与乘客安全。合成闸片作为制动系统的关键部件，通过与制动盘摩擦实现动能转化，其摩擦性能的稳定性受材料配方、工况环境及界面相互作用等多重因素影响。传统有机合成闸片虽具备轻量化、无火花等优势，但在高速制动产生的瞬时高温下易出现热衰退现象，导致摩擦系数骤降。因此，基于复合材料技术优化合成闸片的摩擦性能，成为提升城轨制动系统可靠性的重要方向。
复合材料闸片的组成与摩擦机制
现代合成闸片多采用复合材料体系，以改性酚醛树脂为基体，掺入碳纤维、钢纤维、芳纶纤维等增强相，并辅以石墨、腰果壳油等摩擦调节剂。这种多组分设计通过纤维增强提升材料的抗剪切强度，而摩擦调节剂则通过形成润滑膜或硬质颗粒层调控摩擦系数。例如，碳纤维的加入可提高材料的高温稳定性，而钢纤维的引入能增强初始摩擦力矩，但过量金属纤维可能加剧制动盘磨损。
制动过程中，摩擦界面经历动态演变：初期树脂基体优先磨损，形成磨屑颗粒；随着纤维暴露，硬质纤维与制动盘直接接触，形成“摩擦点”并改变磨屑分布。这一过程伴随第三体层的形成，其成分包括脱落的树脂、纤维碎片及制动盘剥落的金属颗粒。第三体的存在显著影响摩擦稳定性——适度的第三体层可起到润滑作用，降低磨损率；但过度堆积或脱落会导致摩擦系数波动，甚至引发制动抖动。
摩擦性能优化的关键技术路径
1. 基体与增强相的协同设计
针对树脂基体热稳定性不足的问题，可采用纳米二氧化硅改性酚醛树脂，通过纳米粒子填充提高玻璃化转变温度。实验表明，纳米改性树脂在300℃下的热失重率较传统树脂降低40%，有效延缓高温软化。增强相方面，碳纤维与陶瓷纤维的混杂使用可兼顾韧性与耐磨性。例如，碳纤维含量控制在15%-20%时，闸片在干摩擦条件下的磨损率可降低至0.5×10⁻⁷ cm³/(N·m)，同时保持0.35-0.40的稳定摩擦系数。
2. 摩擦调节剂的梯度分布控制
传统闸片中摩擦调节剂均匀分布，易导致局部润滑过度或磨损不均。通过粉末冶金工艺实现石墨与铜粉的梯度分布，可在闸片表层形成高润滑层，内部保留高强度基体。这种结构设计使闸片在制动初期快速建立摩擦力矩，后期通过表层润滑膜抑制温度攀升。测试数据显示，梯度结构闸片在300℃高温下的摩擦系数波动范围从±0.12缩小至±0.05，热衰退率降低65%。
3. 界面第三体的主动调控
针对湿摩擦环境下第三体形成受抑制的问题，可在闸片表面预制微孔结构。这些微孔在制动过程中作为磨屑储存腔，避免磨屑被水流冲刷导致界面接触恶化。例如，采用激光打孔技术制备直径50μm、孔距200μm的阵列微孔，可使湿摩擦条件下的摩擦系数恢复至干摩擦状态的85%以上，同时将磨损率控制在干摩擦条件的1.2倍以内。
应用挑战与未来展望
尽管复合材料闸片在实验室条件下展现出优异性能，但其工业化应用仍面临挑战：一是多组分体系的均匀性控制，需优化热压工艺参数以避免纤维团聚；二是长期服役下的性能衰减机制，需建立加速寿命试验模型预测闸片更换周期；三是与制动盘的匹配性优化，需通过台架试验验证不同材料组合的兼容性。
未来研究可聚焦于智能响应型复合材料的开发，例如引入形状记忆聚合物基体，使闸片在高温下自动调整表面粗糙度；或利用4D打印技术制造具有自适应孔隙结构的闸片，实现摩擦性能的实时调控。随着材料基因组技术与数字孪生技术的融合，复合材料闸片的设计周期有望从目前的18-24个月缩短至6个月以内，为城轨交通的高质量发展提供材料支撑。
