铜基粉末冶金闸片是保证高速度等级列车在紧急情况下制动安全的关键部件,但在高速重载条件下铜基制动闸片的摩擦系数会发生严重衰退并失稳,组元调控是解决这一问题的有效方法。然而,铜基制动闸片中繁多的组元在高速制动过程中的作用机理以及高速、高温下摩擦膜的演化以及失效过程尚没有被全面的揭示,这就限制了铜基制动闸片材料的开发以及性能的提高。本文以通过组元调控方法制备出满足高速重载条件下使用的铜基制动闸片为目标,首先模拟连续紧急制动实验,揭示了闸片中各组元的作用机理,得到了性能较好的基础闸片配方。组元作用机理及调控过程如下:研究了铜基体合金化的作用,发现预合金铜粉末(Cu-Fe,Cu-Cr,Cu-Fe-Ti)通过提高闸片材料强度促进低速低压下摩擦磨损性能的提升;铜镍合金化同时强化铜基体及摩擦膜,促进摩擦表面的稳定,从而提升高速高压下摩擦系数的稳定性;研究了铁粉种类及含量的作用,发现最佳Fe粉的种类及含量取决于其粒度和形貌。羰基Fe粉粒径小,等量的羰基Fe粉在闸片中产生的界面较多,强度低的片状粉末不能为基体提供足够的强度。雾化铁粉和铜包铁粉均具有合适的粒度和较高的强度,强化并稳定了摩擦表面,促进了连续高速紧急制动过程中摩擦系数的稳定。采用22 wt.%雾化铁粉最适宜;研究了金属硬质组元Cr和高碳CrFe粉的影响,发现二者均能提升闸片耐磨性以及高速高压下摩擦系数的大小。Cr粉对摩擦系数和耐磨性的提升效果强于高碳CrFe粉,而高碳CrFe粉有利于在不同制动条件下维持摩擦系数平稳性。因此进一步协同使用Cr粉和高碳CrFe提高闸片的制动性能。这是因为Cr在烧结过程中生成低强度多孔Cr,在高速制动过程中作为摩擦膜中细小氧化物的来源。高碳CrFe粉则更稳定,起承载载荷和强化摩擦亚表层的作用,二者协同作用提高摩擦表面稳定。采用Cr和高碳CrFe粉比例为1:1;研究了固体润滑组元石墨的影响,发现大粒度鳞片状石墨能提供良好的润滑,然而强度低易剥落,增加磨损量。而粒状石墨强度高,摩擦过程中钉扎在摩擦表面阻止裂纹拓展以及阻碍磨屑运动,提高摩擦系数大小和耐磨性,但是由于润滑性较差引起连续高速制动过程中摩擦系数的衰退。协同使用片状石墨和粒状石墨且比例为7:6;研究了固体润滑组元MoS2的影响,发现烧结过程中MoS2与基体中Cu和Fe反应,除了生成具有润滑作用的FeS和残余MoS2,生成的硬质相（Cu2Mo6S8,FeMo等)提高了摩擦表面塑性变形抗力,促进了摩擦表面的稳定性。而过度反应导致Fe颗粒粒度减小,基体不连续性增加,降低了摩擦表面变形阻力。在高能制动过程中,低变形阻力和加速的物质运动使得高MoS2含量的试样摩擦表面形成快速迁移的涡流结构摩擦膜,导致摩擦磨损性能失效。采用MoS2的含量为2 wt.%;研究了Al2O3纤维强化组元的影响,发现Al2O3纤维在低速低压下提高摩擦系数大小,在高速高压下有效地提高平均摩擦系数的稳定性,并最终使磨损量大幅度降低45%。这主要是由于Al2O3纤维突出于摩擦表面起第一平台的作用,阻碍了表面物质的快速转移并促进了高强度稳定的第二平台的形成。采用Al2O3纤维的含量为2 wt.%;其次,本文通过连续高速紧急制动实验以及高温摩擦实验,揭示了高速、高温下摩擦膜的演变以及摩擦磨损性能的失效机理,并进一步进行组元调控优化闸片材料基础配方。在连续紧急制动过程中,摩擦表面经历被氧化物覆盖,由富铜相和富铁相组成的局部近似层状摩擦膜,内部物质细化并混合均匀的摩擦膜以及最终摩擦膜掉落的过程。而盘磨损表面在温度达到600 ℃后开始生成双层结构并易转移的摩擦膜。铜在高温及高应力下的变形及软化对摩擦膜的演变起决定作用。摩擦界面间快速迁移、累积破坏的摩擦膜使得摩擦系数发生失稳、衰退并且磨损量异常升高。因此,除了已加入的Al2O3纤维能够阻止摩擦表面物质迁移,强化摩擦表面之外,增大闸片中主要硬质颗粒Cr和高碳CrFe的粒度,阻碍闸片表面摩擦膜的迁移并且加大磨粒磨损及时去除盘表面的富铜转移物,以降低高速高温下摩擦系数的严重衰退及失稳。综上,利用组元调控的方法,成功设计并优化出了一种闸片材料配方。1:1台架实验结果表明:在50-380km/h速度范围内,新研制闸片的摩擦系数均满足TJ/CL307-2019标准中B.3的要求,并且在380km/h时平均摩擦系数也维持在0.35-0.40,总磨耗(0.15 cm3/MJ)较标准规定值(0.35 cm3/MJ)下降了 5 7%。此外,与商用闸片相比,新研制闸片仍然具有更高且受压力变化影响更小的平均摩擦系数,并且盘表面出现的最高温度也更低,这表明新研制闸片不仅满足350km/h速度等级高铁列车制动要求,更有进一步应用在更高速度等级列车上的前景。