现代商贸工业
２０２０年第３６期
１５７
㊀基金项目：国家重点专项 高速磁浮交通系统关键技术研究 (２０１６Y F B １２００６０２
).作者简介：袁雨青(１９８７－)
，男，汉族，山东青岛人，博士，高级工程师，主要从事高速磁浮技术研究.测量光强㊁测量重量不同传感控制类实验.部分M C U 内置了A D 转换器,
为了加深学生对总线的理解，在实验中推荐使用通过总线连接的外部A D 转换芯片.采用S P I 接口连接的E E P R OM 芯片做存储器扩展也是良好的训练方式. ４㊀能力培养层次设计
结合目前单片机课程的学习，未来可以设计三段
式教学完成M C U 与外部接口的技能训练.
第一阶段，无论学生学习哪一种单片机.学生首
先掌握信号基本传输方法，即学习掌握信号通过I /O
口并行输入输出.这一阶段主要训练目标让输入输出格式与M C U 与外部电路连接的基本方式.
第二阶段，学生学习串口的应用方式，掌握利用串口连接计算机等外部设备.这一阶段的训练目标，让学生意识到输入输出的时序与接触接口的技术标准.此节阶段可根据学生掌握情况，只接触R S ２３２和R S ４８５标准串行总线型接口.
第三阶段，学生使用单片机通过I I C 接口连入外部模块，获取数据.掌握I I C 总线与S P I 总线，了解数据线与地址线的差异，掌握多个设备基于总线的连接，明白模块相互发送数据的逻辑.在高职或中职层次教学中，为了降低难度，可以将接口通信程序封装，让学生暂时不接触具体信号时序，将学习重点放在地址设置，器件状态设置与不同模块通信逻辑次序上.
最后，当学生在后续专业课上接触相关总线或
C A N 工业总线时,
将具备良好的知识基础，并能抽象理解总线网络拓扑结构.这样会以更快的速度接受总线相关知识，并能培养良好的实践技能.
５㊀展望
随着中国２０２５不断推进,
智能产业化不断发展，对从业人员的综合素质要求不断提升.在未来各行各业设备信息化不断提高，设备内子系统，模块采用总线连接的比例将进一步扩大.为了让培养人才更适合未来工作岗位的要求，在现场能迅速适应设备，掌握技术文档，需要在学校教育阶段为学生打造一个良好的知识基础.让培养对象熟悉单片机与模块的总线连接的操作方式与常见问题.单片机类实践课程是一个适合进行总线教学的平台，相关课程设计中应不断探索有效教学模式，让学生接触总线相关知识，帮助学生由易到难掌握该项技能. 参考文献
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与性能研究
袁雨青㊀刘㊀鹏㊀虞大联㊀郑㊀涌
(中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛２６６１１１
)摘㊀要：对现有高速磁浮列车滑橇用摩擦块材料进行了分析.研制了一种新型滑撬用碳陶复合材料.测试 了力学性能和摩擦性能.结果表明，研制的碳陶复合材料的力学性能优良，其剪切强度㊁抗弯强度和冲击韧性分
别达到２３M P a ㊁１５２M P a 和２８k J /m ２
，与现有材料相比，分别提高７６．９％㊁３．４％和８６．７％.材料的动摩擦系数小
于０．３,
且随速度升高而减小，复合材料磨损率低且小于钢的磨损率.采用碳/陶瓷复合材料在技术上是可行的，并取得了预期的效果.
关键词：高速磁浮；摩擦块；碳陶复合材料；力学性能；摩擦性能
中图分类号:T B ㊀㊀㊀㊀㊀文献标识码:A㊀㊀㊀㊀㊀㊀d o i :１０．１９３１１/j ．c n k i ．１６７２Ｇ３１９８．２０２０．３６．０７３０㊀引言
高速磁悬浮列车相对于传统轮轨高速列车具有乘
坐舒适性㊁安全性㊁高速㊁高效等优点，成为一种全新的高速交通系统，也是未来高速铁路发展的方向.
作为高速磁悬浮列车驻车㊁紧急刹车和被拖曳时的支撑部件，滑橇是承载磁悬浮列车的关键部件，要求有足够的强度和对轨道极低的磨损率.目前，高速磁
浮摩擦块普遍采用进口C /C 复合材料,
国内也进行过相关研究.其不足之处是炭布层间没有炭纤维增强，其层间剪切强度较低，易分层和掉边.我国发明专利C N １６４７８７５公开了一种采用化学气相沉积(C h e m i c a l
V a p
o r I n f i l t r a t i o n ,C V I )和浸渍炭化制备C /C 磁悬浮列车滑橇的方法，但其工艺周期需５００小时以上，生产成本高.
由于我国还没有制定专门针对高速磁浮列车用摩擦块的技术标准，本研究根据列车实际运行工况的要求，制定了研制开发摩擦块的具体方案：选定合适的原材料；仿真计算验证；优化工艺试验，小批量试制；确定
工程管理与技术
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检验的项目并对比检测.旨在研制出适合高速磁浮列车用滑橇摩擦块，解决既有摩擦块材料层间剪切强度低㊁冲击韧性差等问题.
１㊀既有摩擦材料分析
既有摩擦材料分为A 和B 两种.借助金相显微技术㊁扫描电镜(S E M )＋能谱分析(E D X )仪㊁X 射线衍射
分析(X R D )
㊁热重分析㊁力学性能和导热性能的检测分析，对这两种摩擦块材料进行研究.
材料A 扫描电镜照片如图１所示，可以看出，摩擦块的预制体结构为炭布叠层，炭布层厚度为１００~
２００μ
m ；结合能谱分析结果(图２)，摩擦块材料的基体为树脂炭和碳化硅，纤维束间的基体为碳化硅，纤维束内的基体为炭；炭化硅基本上填充于纤维束间和炭布层间的孔隙和裂纹中；在摩擦块的厚度方向，碳化硅的分布比较均匀.X R D 分析结果进一步表明摩擦块的主要成分为碳和碳化硅，成分见表１所示.此外根据热重分析计算:S i C 含量为~８％.
(a )表面㊀㊀㊀㊀㊀㊀(b
)断口图１㊀金相扫描照片
(a
)纤维束间的基体(b
)纤维束内图２㊀能谱分析(E D X )
结果图３㊀摩擦块材料的X R D 分析结果表表１㊀材料成分
元素
W t ％
A t ％
基体C
５７．１８７５．７４S i ４２．８２２４．２６纤维束
C １００１００㊀㊀用同样的方法对摩擦材料B 进行分析,
如图４－６所示.材料B 的预制体为三维结构，其中包含三种不同直径和类型的纤维，可能为金属丝㊁玻璃纤维(或高
硅氧纤维)(或高硅氧纤维)和木纤维(或预氧化纤维)
，其中金属丝的直径为(２００ʃ２０)μm .能谱分析表明，金属丝为铜锌合金，另外两种纤维为木纤维(或预氧化
纤维)和玻璃纤维(或高硅氧纤维)(或高硅氧纤维)(直
径为８~１０μ
m ).基体主要由碳元素组成，中间含有少量的N a ,S ,O ，可能为树脂中固有物.X R D (
见图７)分析结果表明主要成分为非结晶物(树脂㊁玻璃纤维(或
高硅氧纤维))和C u ０．６４Z n ０．３６相.
图４㊀
金相显微结构
图５㊀扫描电镜照片
(a
)合金纤维(b
)纤维I (c )纤维I I
(d
)基体图６㊀端部摩擦块材料的E D X 分析
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㊀
图７㊀端部摩擦块材料的X R D 分析结果
表２㊀材料成分
元素
W t ％
A t ％
合金纤维
C u ６３．９９６４．６４Z n ３６．０１３５．３６纤维I
C
１８．８９３０．２７O ３３．６１４０．２５M g ００．９０００．７１A l ０６．２５０４．６３S i ２４．５８１６．７７K
００．５１００．２５C a １４．９００７．１２纤维I I C
７０．４１７７．６８O ２５．９３２１．４８P t ０１．７６００．１２S ０１．１３００．４７C a ００．７７００．２５基体
C
８２．８４８７．１３O
１４．９９１１．８４N a ０１．１５００．６３S
０１．０２００．４０㊀㊀分析表明,
现有进口摩擦块材料为炭布增强炭/碳化硅复合材料，表观密度为１．６７g /c m ３
．
其织物结构为炭布叠层，炭布层厚度为１００~２００μm .基体为树脂炭和碳化硅，碳化硅的分布在板的厚度方向比较均匀,
S i C 重量百分含量为~８％.端部摩擦块为纤维㊁铜合金丝增强树脂复合材料，表观密度为１．６０g /c m ３
,
预制体为三维结构，由三种不同直径和类型的纤维组成，为金属丝㊁玻璃纤维(或高硅氧纤维)和木纤维(
或预氧化
纤维)，其中金属丝为C u ０．６４Z n ０．３６铜锌合金直径为(２００ʃ２０)μ
m .２㊀摩擦材料选择
高速磁浮列车摩擦块的使用工况，对摩擦材料提
出了极高的要求，材料需具有密度低(不高于２．０g
/c m ３
)㊁耐高温(ȡ１２００ħ)㊁高速下摩擦系数小(不大于０．３
)㊁能载水平高㊁寿命长等特点.碳陶摩擦材料是一种以碳纤维为增强增韧相，以碳和碳化硅为双基体的先进复合材料，已成为新一代制动材料的一个主要研究方向，在飞机㊁高速列车㊁赛车㊁地铁等制动系统上具有广泛的应用前景.２０世纪
９０年代初,
德国斯图加特大学和德国宇航院等率先开始碳陶摩擦材料的研究，并于２００２年研制出碳陶制动
盘应用于P o r s c h e (保时捷)轿车；法国T G V 高速列车
和日本新干线已试用碳陶制动盘.，综合分析技术要求
与各种材料的特点，确定选用碳陶材料作为制备摩擦块的原材料.
３㊀样件试制
碳陶摩擦块的制备工艺流程具体如下:(１
)针刺炭纤维预制体.采用接力式针刺的方法在垂直于铺层方向引入炭纤维束制成炭纤维预制体.
(２
)前高温热处理.将制得的炭纤维预制体在高温处理炉进行高温热处理.
(３
)化学气相渗透.采用快速化学气相渗透法对经过高温热处理后的炭纤维预制体进行热解炭增密,
制得低密度炭纤维增强基体炭(C /C )
复合材料.(４)后高温热处理.在保护气氛下，将制得的低密度C /C 复合材料在高温感应处理炉进行高温热处理.(５)熔融渗硅.将加工后的低密度C /C 复合材料坯体置于装有硅粉的石墨坩锅中在高温真空炉中进行熔融渗硅.
(６)精细机加工.将制得的C /C －S i C 摩擦材料在
C N C 中心对产品装配部位进行精细机加工,
男足装配尺寸精度要求，在数控研磨平台上对产品表面进行研磨达到厚度㊁平面度和粗糙度要求.
４㊀性能测试与分析
４．１㊀力学性能
按照G B ∕T３４５５９
(碳碳复合材料压缩性能试验方法)进行抗压强度试验.试样及载荷加载方式如图８
所示.抗压强度值σ(M P a )可由式(１
)计算所得:σ＝P /L W (１
)式中:P 为最大载荷(单位:N ),L 为长度(
单位:m m ),W 为试样宽度(单位:m m ),B 为试样厚度(单位:m m )
.图８㊀抗压强度试验加载方式
按照A S TM D ２３４４/D ２３４４M－１３进行层间剪切
强度试验.载荷加载方向如图９所示.层间剪切强度
值τ(M P a )由式(２
)计算所得:τ＝３P /４B (２
)式中:P 为最大载荷(单位:N ),W 为试样宽度(
单位:m m ),B 为试样厚度(单位:m m )
.图９㊀层间剪切强度试验加载方式
冲击韧性试验按照G B /T１４３８９进行.载荷加载
方式如图１０所示.冲击韧性α(单位:k J /m ２
)由式(３)
工程管理与技术
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计算所得:
α＝A /B W (３
)式中,A 为击断试样所消耗的冲击功(单位:k J
),W 为试样宽度(单位:m ),B 为试样厚度(单位:m )
.图１０㊀冲击韧性试验加载方式
测试所得碳陶复合材料力学性能如表３所示.
表３㊀材料力学性能
材料剪切强度M P a
抗弯强度M p
a 冲击韧性k J /m
２碳陶材料２３１５２２８既有材料
１３
１４７
１５
㊀㊀由表３可知,
滑橇碳陶复合材料的层剪强度达到２３M P a ，比现有材料提高７６．９％；抗弯强度达到
１５２M P a ，提升３．４％；冲击韧性达到２８k J /m ２
,
比现有材料提高８６．７％.由于铺层针刺预制体在厚度方向引入了连续炭纤维，形成了准三维网状结构，使结构整体性大为提高，有效阻止了裂纹扩展，并改变了裂纹扩展方向，延长了裂纹扩展路径，从而有效提高了复合材料的韧性，其冲击韧性和剪切强度显著提高.４．２㊀摩擦性能
根据支撑滑橇摩擦块与轨道的作用原理，用碳陶试环做动环，用S ３５５N 钢对偶做静环，摩擦试验试样及设备如图１１㊁１２所示.调整试验机转速与试验机压力来达到模拟运营情况下摩擦磨损性能测试.试验测试程序及条件如表４所示，结果图１３所示.
图１１㊀摩擦试样(碳陶配对S ３５５N 钢)
图１２㊀MM －３０００摩擦试验机
表４㊀测试程序及条件
速度(k m /h
)转速(r /m i n
)压力(M P a
)安全制动
１０７００
０．６２０１４０００．６３０２１０００．６５０
３５０００．６１００７１０００．６静摩擦
－－０．６
图１３㊀摩擦性能试验结果
结果表明，碳陶摩擦块与S ３５５N 对偶环具有摩擦
系数稳定，重复性能好㊁碳陶磨损率低，不伤对偶钢，瞬时摩擦系数曲线表现平稳，波动小.试验后的试样形貌可见试样表面平整㊁光滑㊁形成了均匀的摩擦膜，如图１４所示,
为粘着摩擦机制.图１４㊀摩擦试验后试样形貌
５㊀结论
(１
)
采用接力式针刺的方法制成炭纤维预制体，经高温处理，化学气相渗透，熔融渗硅等处理，成功制备了适用于滑橇的碳陶复合材料.
(２)材料的各项力学性能高出现有材料３．４％－
８６．７％，满足技术要求.(３)材料的动摩擦系数小于０．３,
且随速度升高而减小.复合材料磨损率低且小于钢的磨损率.复合材料的磨损率低于滑行轨.采用碳/陶瓷复合材料在技术上是可行的，并取得了预期的效果.
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