1．5---,2．5％）发展至今的含磷量在3％以上的超高磷铸铁闸瓦，使列车制动效果不断得到了提高。
在广泛使用的含磷量较高的闸瓦中进一步加入少量合金元素（如Cu，Ni，Cr，Ti，V），既可进一步提高摩擦系数，又可强化铸铁基体，提高闸瓦的耐热裂性。
如日本将特种铸铁闸瓦应用于北海道高速动力车上，时速为130km时，即使在降雪条件下，也能在600m以内使列车制动。
2.粉末冶金闸瓦
采用粉末冶金技术生产闸瓦与闸片，不但在性能质量上具有突出的优点，在组分的设计、产品的多样化上也极具灵活性。
采用粉末冶金技术可以任意改变材料的组分，可以避免传统制造工艺中的疏松、缩孔、材料组织的枝晶偏析及晶粒长大等铸造缺陷，有助于提高零件的各项力学性能。
用粉末冶金技术制备列车制动闸瓦和闸片已取得了很大的成功，形成了粉末冶金铁基，铜基，铁．铜基为主体的粉末冶金摩擦材料体系。
对材料的组成、工艺等与性能之间的关系进行了很多研究，这些研究使得粉末冶金摩擦材料的生产技术与产品性能不断提高。
粉末冶金闸瓦由原料粉末经混和、压制、烧结而成。
它既具有铸铁闸瓦的摩擦系数不受天气气候影响的优点，又具有合成闸瓦的摩擦系数不随列车速度变化的优点，并且耐磨性和导热性都好。
瑞典、加拿大等国的高速列车，大功率机车和法国TGV高速列车等均使用这种闸瓦，且都取得了优异的制动效果。
但粉末冶金闸瓦对车轮的磨损较为严重，成本比铸铁及合成闸瓦高，这些方面尚有待进一步研究与改进。
[4][7]
3.复合闸瓦
为满足铁路运营高速化、重载化、车辆的轻量化以及在规定范围内刹车的要求，材料学家已研究、应用了新型复合材料闸瓦，主要有C／C纤维复合材料和金属基复合材料。
C／C纤维复合材料是用碳纤维强化碳基体的复合材料，具有质轻、高强度、高模量、低热膨胀、高抗裂性和优良的耐高温性能，能在1000温度下正常工作。
它己在飞机和赛车上得到了广泛的应用，法国已在TGV高速列车上使用了这种复合材料制动装置，效果显著。
金属基复合材料是以铝为基体、以均匀分布的陶瓷颗粒为强化相，它克服了铝材热稳定性差、耐磨性欠佳的缺点，具有较高的强度、优良的耐热性与抗裂性。
法国的尤里达、克诺尔等公司及德、美、日、英等国正在高速列车上研究应用这种陶瓷增强铝基复合材料新型闸瓦。
[3][6]
4.合成闸瓦
合成摩擦材料是将金属粉末、酚醛树脂和摩擦调节剂等经充分混炼后加热压制而成，它将材料与制品工序合二为一。
所用摩擦调节剂，一般是采用腰果壳油制成的颗粒。
按形状与制动方式的不同，又分为合成闸瓦和合成闸片。
合成闸瓦与闸片的配方与工艺相同，改变其配比工艺，可获得不同的摩擦系数。
我国目前研制的合成闸瓦分低摩擦系数合成闸瓦和高摩擦系数合成闸瓦。
合成摩擦材料具有如下明显的特色：
可通过改变材质配方和工艺在一定范围内可调整其物理机械性能，耐磨性好，使用寿命可达铸铁闸瓦／闸片的四倍以上，制动时无火花，重量轻，高速区摩擦系数大且不随列车速度的改变而变化。
合成摩擦材料也存在如下几个不足之处一是导热性差，制动量热量难以散发，因而车轮产生温升，甚至导致热裂。
其次是在湿润状态下，摩擦系数大为下降，受天气影响大，在雨雪天气制动能力下降。
此外，这类闸瓦与车轮踏面反复磨合后，使二者间的粘性降低；有机合成摩擦材料的使用温度一般不能超过250。
C。
当制动处温度达250。
C时，其磨损率急剧增加。
温度较高时，由于其组分的改变，摩擦系数也将改变。
有机合成摩擦材料推荐使用在时速160"-200km的列车上。
[7]二．高摩合成闸瓦
高摩合成闸瓦研究工作开展最早的有英国、美国和前苏联。
1907年，英国飞洛多公司用棉毛混纺条层压成闸瓦，并用于伦敦地铁。
以后逐渐改进，至50年代己改用以石棉等为增强材料和酚醛树脂为黏合剂的合成闸瓦。
美国早在1924年就开始研制以层压木为非金属摩擦材料，并应用于铁路车辆制动。
1954年以后，“Cobra"牌号合成闸瓦作为商品形式在铁路上大量使用其主要成分为合成橡胶、石棉等，摩擦系数在每小时140公里速度时为O．26，耐磨性为铸铁闸瓦的5倍。
苏联在合成闸瓦的研究上开始也很早，在地下铁道中早就使用层压木的塑料闸瓦。
不过新的合成闸瓦的材质研究是从1956年开始。
曾用三种类型的黏合剂，分别为酚醛树脂、合成橡胶、酚醛树脂和合成橡胶混合物。
试验结果表明：
采用合成橡胶为黏合剂的高摩合成闸瓦的制动性能优异。
已广泛应用于快速旅客列车。
1.高摩合成闸瓦的基本组成
高摩合成闸瓦升是以矿物为主的无机材料复合而成，以高聚物（橡胶与树脂）为黏结剂、有机和无机纤维为增强材料，矿物粉体和有机粉体为填料，经过复合、加工而制成的功能材料。
这种材料的特点是具有良好的摩擦系数和耐磨损性能、同时还具有一定的耐热性和机械强度，能满足车辆或机械的传动与制动性能要求。
它们被广泛应用在火车、汽车、农用车辆、飞机、船舰、石油钻机、矿山机械及各类工程机械设备以及自行车、洗衣机等生活用品方面，作为动力的传递或制动减速用不可缺少的材料。
（1）基体
树脂基摩擦材料中的树脂基体亦称粘结剂，是其重要组成部分。
它不仅起到粘结纤维和填料、有效传递载荷和使载荷均衡的作用，而且对材料的摩擦磨损性能、抗冲击性能、耐温性能都有很大影响，因此选择合适的树脂基体是制备良好性能树脂基摩擦材料的前提。
选择基体的要点是，要求基体应具有①合适的模量以保证在摩擦时有大的实际接触面积，并使摩擦对偶工作稳定；②足够高的热分解强度，以防止引起严重的“热衰退”现象；③分解后的残余物质要有一
定的摩擦性能；④与纤维要有优良的浸润性、高的黏附强度；⑤良好的成型加工
性能。
（2）增强体
增强体在树脂基摩擦材料中不仅对基体起增强作用以提高材料的强度、耐热
性与耐磨损性等，而且还可以调节与改善材料的摩擦磨损特性。
增强体一般应具
有足够的高温强度，保证在制动过程中不燃烧、不产生有害气体，无公害，有适
宜的摩擦性能。
增强体按几何形状划分，有纤维状、粒状与片状，按属性划分，
有无机增强体和有机增强体，其中有合成材料也有天然材料。
纤维状增强体是目前应用最为普遍的一种。
纤维在摩擦材料中不仅对基体起增强作用，它还在摩擦界面上同摩擦材料中其它组分一起承受摩擦力的作用，并影响摩擦材料的摩擦磨损特性。
（3）填料
填料是组成摩擦材料的主要成分，包括多种摩擦性能调节剂和其它配合剂。
填料在摩擦材料中主要起改善材料的物理与机械性能、调节摩擦性能及降低成本
的作用，对摩擦材料的磨损性能进行多方面调节，使摩擦材料制片（刹车片和离
合器面片）能更好地满足各种工况条件下的制动和传动功能的要求。
此外，还常
常通过加用不同的填料来控制调节摩擦材料制品的硬度、密度、结构密实度、制
品外观以及改善制动噪音、降低制品成本等。
[8][9][10]
2.高摩合成闸瓦的特点
高摩擦系数合成闸瓦具有下列特点：
（1）高摩擦系数合成闸瓦的摩擦系数可随需要而进行相应的配置，同时可使其摩擦系数随速度的变化与轮轨间的粘着系数的变化基本相吻合，以达到缩短制动距离、提高列车的制动限速的目的。
（2）能节约能源，可用小直径制动缸，节省了用风量，并可减少列车初充风和再充风时间，使列车再制动的制动力不衰竭，保证了行车安全。
（3）减轻了车辆自重，货车的制动装置可以减轻，不但降低了车辆的自重，同时也减轻了转向架的簧下重量，避免或减轻制动梁断裂和脱落事故。
（4）经磨耐用，高摩合成闸瓦的使用寿命是高磷铸铁闸瓦的3～18倍，使长大坡道地区列检的铲托工作量近于零，并保证了列车正点运行，并因此可以减轻列检人员的体力劳动。
（5）高摩擦系数合成闸瓦制动无火花，可避免长大坡道上车辆地板着火和森林地区制动火花而引起的火灾事故。
（6）对车轮踏面磨耗小，且踏面很光亮。
因此可延长轮对的使用寿命，和便于检查踏面上的擦伤、剥离、热裂和毛细裂纹。
（7）高摩擦系数合成闸瓦的摩擦材料不导电或导电率很小，因此其磨屑不会使轨道电路短路和不会引起机车牵引电机的故障。
（8）使用高摩擦系数合成闸瓦每年可节约数十万吨生铁。
（9）高摩合成闸瓦的粘着利用效果好。
高摩擦系数合成闸瓦除了具有上述优点外，也存在一些缺点，导热系数低，大量摩擦热量需由轮对散去，故不良闸瓦会使轮对产生热裂：
某些配方的高摩擦系数合成闸瓦在摩擦面上会产生金属镶嵌（即金属瘤），使车轮踏面产生磨耗。
世界各国对此都有报道，同时都在采取各种方式力图改进，防止金属镶嵌的产生
此外，高摩擦系数合成闸瓦的强度较铸铁闸瓦低，因此搬运、安装和检查时要改变原来的操作习惯。
[8][12][13]
3高摩合成闸瓦的摩擦磨损理论
（1）摩擦理论
摩擦是普遍存在于自然界以及人类日常生活和生产劳动中的一种现象，研究这种现象的科学即为摩擦学（Tribology）。
我国国家标准（GB2889—82）对摩擦学给出的定义为：
关于做相对运动的相互作用表面的理论与实践的一门科学技术。
曾经有多种理论来解释滑动摩擦中摩擦力产生的原因。
①机械啮合论此为古典摩擦理论，该理论认为任何物体表面总是凹凸不平的，当两个凹凸不平的表面接触时，就会凹凸交错彼此啮合，若发生相对运动时，互相交错啮合的凹凸部位就要阻碍物体的运动。
摩擦力就是所有这些啮合点切向阻力的总和。
此理论适用于一般粗糙度表面，但无法解释当摩擦表面研磨达到极为光洁时，摩擦力反而上升的事实。
②分子吸引论此理论认为接触两表面上分子间的吸引力是产生摩擦的原因，它可以解释表面研磨达到极为光滑时，摩擦力上升的现象，因为此时接触两表面更为接近，分子间吸引力增大。
③分子．机械论机械论实际是上述机械啮合论和分子吸引论两个理
论的综合，所以更全面和正确，也就是认为摩擦力是表面间机械啮合作用和表面
间分子相互吸引作用所产生的切向阻力的总和。
二十世纪三十四年代，Bowden和Tabor等人从机械一分子联合作用的观点出发，经过系统的实验研究，在研
究金属与金属摩擦的基础上建立了较完整的粘着摩擦理论，对于摩擦磨损研究具
有重要的意义。
（2）磨损理论
①磨粒磨损一对摩擦副相对滑动时，粗糙表面的硬质凸起或滑动摩擦面间硬质粒子划过摩擦对偶软表面，对软表面起犁削作用产生犁沟，即发生磨粒磨损其中硬质凸起犁削造成的磨损称为二体磨粒磨损，摩擦面间硬质颗粒造成的磨损称为三体磨损。
如果粘着磨损粒子保留在摩擦表面间，聚集长大并经过加工硬化作用，成为硬的粒子，也将导致磨粒磨损。
磨粒磨损是最为普遍的磨损形式。
②粘着磨损摩擦材料与对偶在法向压力作用下，表面上微凸体受到很大的
压应力，发生塑性变形，两接触表面将通过分子间的作用发生粘着。
当摩擦材料
与对偶相互滑动时，粘着点发生剪断破坏，如果两种材料之间的粘着力大于任一
材料内在的结合力，这一材料表面上一些小颗粒将会从粘附到对偶表面上，造成
磨损。
③疲劳磨损疲劳磨损包括机械疲劳和热疲劳磨损。
摩擦材料与其对偶相对滑动时，在两者的接触区将产生很大的应力和塑性变形。
在反复的交变应力下，
摩擦材料与其对偶表面薄弱环节将会引发疲劳裂纹，并逐步扩展，最后以微细薄
片形式断裂剥落下来。
此外，摩擦过程中都伴随着材料表面层温度的升高，导致
材料的热疲劳，长期反复的热应力作用，将加速材料表面裂纹的产生与扩展。
[13]
三国内外发展现状
英、美国家合成闸瓦的研制工作开展得较早，而作为商业形式开始在铁路上的使用是在1954年以后。
英国铁路较早在选取合成闸瓦摩擦材料最佳性能方面进行了大量的研究工作其中英国运输制动机公司（TBI）制造了低弹性模量的合成闸瓦，使制动时对车轮的热作用小而在英国铁路上投入使用。
美国合成闸瓦研制的较快，其中美国的Cobra高摩擦系数合成闸瓦于1964年便得到北美铁路协会的承认而投入大量应用。
1977年美国亚柏克斯公司的“虎”牌高摩擦系数合成闸瓦也正式投入生产并推广使用。
到80年代中美国已有100多万量货车采用高摩擦系数合成闸瓦，至今美国货车几乎全部使用了高摩擦系数合成闸瓦。
前苏联也于上世纪50年代开始研制，1964年以前，苏联开始推广5-6-60型高摩擦系数合成闸瓦，由于存在金属镶嵌问题，从19654年起改为6KB-10型。
1966年改为8-1-66型高摩擦系数合成闸瓦。
8-1-66型高摩擦系数合成闸瓦对车轮踏面影响较小，1973年全路已有55%的货车和80%的客车采用高摩擦系数合成闸瓦，到1986年已有95%的货车使用高摩擦系数合成闸瓦，到1987年所有货车全部应用了高摩擦系数合成闸瓦。
[14][15]
日本于1958年开始研制合成闸瓦，最先在东海道线运行的“回声号”特快车上试用，后在151系特快电车上采用高摩擦系数合成闸瓦。
到目前为止，日本已高摩擦系数合成闸瓦为主，现共有7家公司生产高摩擦系数合成闸瓦。
70年代后期，世界卫生组织证实石棉粉尘从呼吸道进入肺内，经积累可造成石棉肺外，石棉还是一种致癌物质。
因此从上世纪70年代后期，美英等国家已先后研制出无石棉高摩擦系数合成闸瓦并广泛应用。
由于石棉对环境的污染及石棉粉尘对人体健康的危害，许多国家早在好多年前就以法律的形式严格禁止使用石棉制品，我国也于今年10月1日起将以法律的形式禁止在一些制品中使用石棉物质。
[17]
我国合成闸瓦的研究工作始于1958年，于上世纪60年代研制出6148#、45#高摩擦系数合成闸瓦没，并最终于1965年选定45#高摩擦系数合成闸瓦在-5-哈尔滨理工大学工程硕士学位论文客车上是使用，后因其耐磨性差及生产质量不好于1970年停止使用。
我国于上世纪80年代又先后研制出407G性含石棉的高摩擦系数合成闸瓦和国内首创TK-81型无石棉的高摩擦系数合成闸瓦。
后又研制了进口机车和国产机车用高摩擦系数合成闸瓦并投入使用[29][30]。
就货车用高摩擦系数合成闸瓦而言，虽然我们于上世纪80年代初就研制出了407G、TK-81型高摩擦系数合成闸瓦，但由于受运行速度的限制，上述闸瓦在1：
1制动动力试验台测试制动摩擦性能只限于95Km/h，现场线路试验未超过80Km/h，而实际应用速度也只有60~70km/h[31~33]。
这对于今天提出快速货车120km/h速度，制动距离1100米的要求显然难以满足。
因此结合我国具体情况，配置GK型三通阀、103型分配阀和120型控制阀，考虑到目前我国通用货车制动系统中的具体问题，同时兼顾经济性问题和结构简单等问题，研制新型高摩擦系数的货车制动合成闸瓦材料，具有重要的理论意义和工程实际意义。
[16][18]
四我国货车采用高摩合成闸瓦的必要性
（1）我国铁路货车提速技术发展概况
我国铁路货车提速技术发展起步较晚。
自20世纪90年代中期开始，铁道部组织铁路货车设计、制造单位和有关科研院所着手提速货车及相关技术的研发工作，并积极引进、吸收国外先进的设计理念和技术，推出了转K2型、转K4型等满足120km／h运行速度要求的货车转向架。
①1995年，研制开发出转K1型货车转向架。
运行速度达到120km／h，在早期的P65型行包快运棚车上装车使用。
②1997年，借鉴欧洲Y25型转向架技术，研制开发了转K3型转向架。
最高线路试验速度达到140km／h，并在Xlk型集装箱平车上装车使用。
③1998年，引进了美国交叉支撑转向架技术，以齐车公司为主的设计组研制了转K2型转向架。
商业运行速度达到了120km／h，并首先在P65型行包快运棚车上装车使用。
④1999年，株洲车辆厂与美国ABC--NACO公司联合设计开发出转K4型转向架。
商业运行速度达到120km／h，2002年起在通用货车上装车使用。
⑤1999年，由齐车公司设计，在既有转8A型转向架基础上加装交叉支撑装置，定型为转8AG型转向架，其运行速度达到100km／h。
⑥2003年起，新造载重60t级货车全部装用满足提速要求的转K2型、转K4型转向架，并在车型后加标记“K”、“H”，商业运行速度达到120km／h。
（2）货车提速改造制动系统及使用高摩合成闸瓦的必要性
随道铁路运输的不断发展，货车重量，速度不断增加，制动能随之加大，而闸瓦尺寸一直未变，因而闸瓦压力成倍增加，从而导致闸瓦磨耗加快。
目前，每块闸瓦压力已接近40kN，对铸铁闸瓦而言，其承受的压力已经达到了极限。
如果使用铸铁闸瓦实现货车的提速，只能延长制动距离，此铸铁闸瓦本身固有的局限性（摩擦系数小，质量大，耐磨性差），难以满足快速货车的运用要求。
高摩合成闸瓦具有高摩擦系数合成闸瓦由于摩擦系数高，质量较轻，耐磨性较好，可降低闸瓦压力，从而使车辆基础制动装置轻量化，并能节省一定的压缩空气，且摩擦系数可随需要而进行相应的配置，成本较低，而粉末冶金闸瓦对车轮的磨损较为严重，复合闸瓦成本较高，所以对高摩擦系数合成闸瓦的研制及使用势在必行。
[17][19]
五需要解决的问题及技术要求
1.需要解决的问题
在研究试制高摩擦系数合成闸瓦的设计中，首先要研究如何是闸瓦具有良好的制动性能，最短的制动距离，对轮对无损害，无噪音等，因此必须解决以下的关键问题。
（1）稳定的摩擦系数，无严重的热衰退。
这样在车辆上不论在平道或在长大坡道地区使用皆具有一定的制动力，保证行车的安全。
（2）防止对轮对的热损害。
国内外在开始使用高摩擦系数合成闸瓦的过程中，都曾发生过轮对踏面产生热裂纹甚至因热裂纹扩展而造成车轮破裂的恶性事故。
防止车轮的热损害，关键在于控制车轮踏面在制动时摩擦热不超过600℃。
为次需摩擦材料有低的压缩弹性模量。
（3）防止高摩擦系数合成闸瓦产生金属镶嵌，时车轮踏面不发生异状磨损。
（4）高摩擦系数合成闸瓦应不含有污染环境的物质，现有的合成闸瓦大多含有石棉，制动过程中产生的磨屑分散成直径小到万分之0.2米的石棉纤维，漂浮在空气中，此种呼吸性粉尘一旦吸入肺中，结果时吸入者易患石棉肺。
但更严重的是石棉是一种致癌物质，它可使人们患上肺癌和间皮癌。
石棉对人类的危害性已越来越为人们所认识，世界卫生组织国际致癌研究中心确认石棉在致癌物质中排列为第二位。
国际劳工组织在1985年宣布的86种有致癌嫌疑的工业常用物质中石棉为第二位最危险的物质。
因此美国从1985年开始严禁汽车刹车片和合成闸瓦使用石棉，英、法、德、加拿大和瑞典等国已以法律的形式严禁使用含有石棉物质的摩擦材料和含石棉制品。
有人认为石棉在摩擦过程中石棉粉尘会受热而变成无害物质，我们知道石棉要在810℃才能发生相变转变成不活泼的镁橄榄石。
这样的高温不论汽车或火车都不允许发生的。
由北京地下铁道原使用石棉合成闸瓦时，洞内检测结果表明地下铁道洞内的空气中含有石棉纤维2.7~7.7万根/立方米，其中并无镁橄榄石的存在。
因此高摩擦系数合成闸瓦配方中不应含有污染环境的有害物质，首先是石棉，其次是含铅、锌物质。
[20][22]
2技术要求
（1）新型高摩擦系数合成闸瓦配方中粘合剂最佳含量为10%~16%、其中树脂与橡胶比例为1：
1~2：
1、纤维最佳含量为20%~30%;填料中石墨与钾长石的比例为45：
55~55：
45。
（2）制备新型高摩擦系数合成闸瓦最佳的工艺条件:
压制压力为（3+-2）MPa,压制温度为（160+-10）摄氏度。
（3）压制温度为155℃时，新高摩合成闸瓦材料的性能有较优良的配合。
其密度和冲击韧度均呈最大值，分别为2.49g/cm3和2.8kJ/m2，而吸水率、吸油率
均呈最小值，分别为0.53%和0.18%，弹性模量和压缩强度的变化规律相同，硬度随压制温度的升高而增大。
（4）压制温度为155℃、高摩合成闸瓦材料1：
3模拟试验低速制动条下，其摩擦系数最大。
[21]
六参看文献
[1]、李和平,武青海1先锋号电动车组制动分析研究[J]1铁道机车车辆,2003,35
（1）:
8-121
[2]、萨凯AD著.邵荷生译.金属磨损机理.煤炭工业出版社,1980：
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[3]、孙新海.通用货车上改造制动系统以适应高摩擦系数合成闸瓦的研究.铁道部科学研究院50周年论文集.中国铁道出版社,2000：
60~62
[4]、沈长庚,张振鹏.合成闸瓦.机车车辆的材料工艺,人民铁道出版社,1964：
31~45
[5]、CPrichaed.FrictionMaterialsFor
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