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序号： 编码： 大学生课外科研立项申 请 书 项 目 名 称： 高速铁路刹车闸片减摩材料的研究 所 属 学 科： 无机非金属材料 申 请 者 姓 名： 苏鸿良 申请者所在单位： 燕山大学材料学院08超硬 固 定 电 话： 03358598050 移 动 电 话：电 子 邮 箱： 指导教师姓名： 王明智 指导教师所在单位： 燕山大学材料学院 共青团燕山大学委员会二一年三月制申请人承诺我保证如实填写本表格各项内容。如果获得立项，承诺以本表为有约束力的协议，遵守燕山大学大学生课外科研立项管理细则，认真开展研究工作，取得预期成果。坚决杜绝抄袭等弄虚作假行为。如果成果发表或发布，我将注明是燕山大学大学生科研立项项目。申请人（签字）： 年 月 日指导教师承诺我保证如实填写本表格各项内容。如果获得立项，承诺以本表为有约束力的协议，遵守燕山大学大学生课外科研立项管理细则，认真指导学生按时保质完成科研立项工作，并检查学生独立完成写作工作情况。指导教师（签字）： 年 月 日一、项目基本资料项目名称高速铁路刹车闸片减磨材料的研究类 别自然科学论文 科技发明制作A类预期水平国际领先国际先进 哲学社会科学论文科技发明制作B类国内领先国内先进学 科领 域A机械与控制 B信息技术 C数理 D生命科学 E能源化工 F哲学 G社会 H经济 I法律 J管理 K教育摘要（研究内容创新点和意义，150-200字）中国已成为世界上高速铁路系统技术最全、集成能力最强、运营里程最长、运行速度最高、在建规模最大的国家。而中国高铁所用的刹车片目前全部依赖进口，高铁零部件国产化进程已经进入刻不容缓的阶段。Ti-Al-N系材料具有较好的硬度，高温下较好的力学性能，良好化学稳定性，抗热振性，高导热性，自润滑性等优点，是制造高铁刹车片的理想的减摩材料。本项目通过对高铁车闸片关键材料的研究，试图解决中国高铁车闸片国产化的难题，实现社会效益的同时也实现经济效益。预期成果ABCDA. 发表论文 B.研究报告 C.科技制作实物 D. 专利 E.其他项目起止时间2011.04.15-2011.1215二、申请组基本资料申请者及项目组主要成员姓名性别年 级联系电话学位学院专业项目分工苏鸿良男08 科材料学院超硬负 责 人贾 秀女08 科材料学院超硬烧结（HP）（SPS）宋思佳男08 科材料学院超硬性能检测梁亚青女08 科材料学院超硬X射线衍射(XRD)李 昕女08 科材料学院超硬扫描电镜(SEM)高亚琪女08 科材料学院硅酸盐查找文献及资料第一申请人详细资料姓名苏鸿良性别男电子邮箱学院材料学院专业超硬电 关经 历（100字以内）1、08-09担任无机非金属材料二班班长；2、09-10担任团委办公室主任及团委组织部长；3、参与08校级暑期社会实践；4、09校级暑期社会实践负责人，并被评为校级优秀小分队；5、09-10科研立项负责人，十五届“世纪杯”特等奖6、现为材料学院08超硬本科生三、指导教师基本资料指导教师基本资料姓名单位职称电话研究方向指导教师签字王明智材料学院教硬材料及陶瓷申报理由（指导教师填写本项。请说明该项目是否有项目支撑，是否有较高的科技价值等。）正如申请者所言，高铁刹车片的研究，是影响到我国高铁今后能否良好运营的重要条件之一。Ti2AlN和Ti4AlN3是三元多层化合物，具有很好的减摩和自润滑性能，同时又比C类材料耐高温，是组成刹车片的理想材料。但由于该材料是近几年刚刚进行研究的品种，很多问题有待于解决。鉴于此，这个项目是很有意义的。本项目也是课题组的近期研究项目之一，可以进行指导，同时有企业合作，有资金保障。四、项目具体内容(与课题论证活页内容同)1、选题：本课题国内外研究现状述评及选题的研究意义。500字左右高铁技术起源于日本。日本，德国，法国，美国等发达国家有着比较成熟的技术，对高铁刹车片及相关材料的研究比较先进。从组分上看，日本的新干线列车，德国的ICE及法国的TGV等高速列车的制动大多采用粉末冶金烧结的金属基复合材料摩擦片。烧结摩擦材料由金属基体组分，摩擦组分和润滑组分组成。高铁刹车片闸瓦材料是高铁刹车片的技术核心也是制约我高铁国刹车片研制的瓶颈。国内除中南大学肖鹏教授承担的2006年湖南省自然科学基金杰出青年项目“高速列车C/C-SiC制动材料低成本制备技术的研究”取得一定进展外，尚没有其他研究机构对高铁刹车片材料研究的消息。本项目借助于燕山大学与石家庄博深公司合作对刹车片的研究基础，在完成基体研究的基础上，对摩擦组分及润滑组分进行研究，试图以Ti-Al-N系三元层状化合物材料作为摩擦及润滑组分的减摩和导热材料，制作出性能优良，成本低的高铁刹车片及刹车片材料。同时探索一种节能方便的制作Ti-Al-N化合物的方法，该项目的成功将满足我国铁路交通建设的需求，摆脱我国高速铁路制动技术对国外全部进口的依赖，为我国铁路装备现代化的持续发展奠定坚实基础。高铁零部件中重要的高铁刹车片属于耗材，毛利率奇高，据定量测算，动车刹车片在2012年和2020年的市场容量分别为39.9亿和72.5亿，按照铁道部十二五期间国产化率达到80以上的目标，以及考虑铁道部2003年与世界三大巨头签订的8年合作协议将在2012年到期，高铁设备及零部件国产化已势在必行。2、内容：研究的主要内容、主要观点、基本思路、重点及难点。500字左右一、主要内容：制备合适的Ti-Al-N系三元层状化合物并研究其各种性能，同时探索其他节能方便的Ti-Al-N系三元层状化合物合成方法。在性能满足的情况下，以其为减磨材料制成高铁刹车片并检验其性能。二、主要观点：Ti-Al-N系三元层状化合物具有较好的硬度，高温下较好的力学性能，良好化学稳定性，抗热振性，高导热性，自润滑性等优点，是适合高铁刹车片的良好的减磨材料。若通过一定手段制备这种化合物并应用于车闸材料，制成合格的高铁车闸。将解决我国高铁车闸完全依赖进口的问题，同时创造巨大的经济效益。三、基本思路：1、用机械合金化方法制备Ti2AlN和Ti4AlN3粉末；2、用热压烧结及SPS烧结法制备Ti2AlN和Ti4AlN3的块体；3、用X射线衍射(XRD)研究所制备材料相组成；4、用扫描电镜（SEM）结合能谱仪研究材料显微结构和微区成分；5、用电子探针(EPMA)来表征元素的分布;6、用高分辨透射电镜(TEM)观察试样的晶界和缺陷等。7、测定密度8、测定材料的性能，包括力学性能、电学性能、高温行为、氧化性能、腐蚀性能等。9、在测定样品合格的情况下采用粉末冶金法将样品作为减磨材料制成高铁刹车片；10、对刹车片的物质组成、物理性能及化学性能进行检测。四、重点及难点：本课题的重点是制备标准的样品及对各种检测结果进行认真的分析，在研究过程中，及时并合理改进实验步骤，实验方法和实验周期；难点是较高纯度的Ti2AlN粉末的制备，机械合金化及热压烧结及SPS烧结过程中温度的控制。3、预期价值：本课题创新之处和实际应用价值。一、创新之处在国内高铁刹车片完全依赖进口，及发达国家对中国此项技术封锁的背景下，我们小组独辟蹊径，对高铁刹车片材料进行研究，特别是对Ti2AlN粉末的合成研究，不仅能使高铁刹车片摩擦组分及润滑组分加入合适减磨材料，提高刹车片性能，同时在高温结构材料、替代可加工性陶瓷、窑具、抗腐蚀保护层、热交换器等方面具有重要应用。二、应用价值高铁零部件中重要的高铁刹车片属于耗材，一列动车组一年需更换刹车片3-4次，现有刹车片价格按300公里以下5000元/片、300公里以上13000元/片计算，毛利率奇高，据定量测算，动车刹车片在2012年和2020年的市场容量分别为39.9亿和72.5亿，目前国内高铁刹车片全部引进国外产品，按照铁道部十二五期间国产化率达到80以上的目标，以及考虑铁道部2003年与世界三大巨头签订的8年合作协议将在2012年到期，高铁设备及零部件国产化已势在必行，我们认为高铁刹车片若在2012年前后开始国产化，预计2015年市场容量将达到约60亿元，高铁刹车片国产化替代空间非常广阔，谁研制出国产高铁的刹车片谁将首先占领过国内市场，同时可在海外市场开奖拓土。4、拟采取的研究方法和技术路线包括理论分析、实验方法和步骤；研究工作的总体安排和进度。理论分析：1、目前为止，Ti-Al-N系统中现公认的三元相有Ti2AlN，Ti3AlN2和Ti4AlN3。Jeitschko基于Ti-Al-N三元体系的等温截面相图分别于1963年和1964年发现Ti2AlN和Ti3AlN,并指出Ti3AlN属过渡相而难以稳定存在。1984年,Schuster等发现了Ti3Al2N2,但Lee等通过化学及XRD分析后认为该化合物应为Ti3Al1-xN2 (0x0.3),且与Ti3SiC2结构相同,而Barsoum等通过高分辨率透射电镜分析,认为是Ti4AlN3相,并于2000年报道了其标定的X射线衍射数据。2、Ti4AlN3硬度较低,仅2.5 GPa(而Ti2AlN的显微硬度为4 GPa),易于加工,但其导电性能较差,电导率仅0.5106S/m,而Ti2AlN的电导率为4.0106S/m。因此,目前研究的重点为Ti2AlN。根据Ti-Al-N三元体系相图,Ti2AlN稳定区很窄,制备时只要成分配比稍有偏差便易形成TiNx或TiAlx等杂质;当温度升高到1 400时,即分解成Ti4AlN3。实验方法和步骤：1、以氮化钛粉、铝粉、钛粉为原料，用机械合金化方法制备Ti2AlN粉末；2、用热压烧结及SPS烧结法制备样品的块体；3、用X射线衍射(XRD)研究所制备材料相组成；4、用扫描电镜（SEM）结合能谱仪研究材料显微结构和微区成分；5、用电子探针(EPMA)来表征元素的分布;6、用高分辨透射电镜(TEM)观察试样的晶界和缺陷等。7、测定密度8、测定材料的性能，包括力学性能、电学性能、高温行为、氧化性能、腐蚀性能等。9、在测定样品合格的情况下采用粉末冶金法将样品作为减磨材料制成高铁刹车片；10、对刹车片的物质组成、物理性能及化学性能进行检测。研究工作的总体安排及进度：2011.04-2011.05 制备Ti2AlN粉末及块体，同时探索高效、低能、方便的Ti2AlN粉末制作方法。2011.05-2011.06 对所制备的样品进行各种仪器的检测及分析，通过对X射线衍射，扫描电镜，投射电镜等仪器的观察，研究样品的组织形态及结构形态。2011.06-2011.08测定样品的性能，包括力学性能、电学性能、高温行为、氧化性能、腐蚀性能等。同时拟定制备高铁沙滩片闸瓦，或合理修改实验内容及实验步骤。2011.08-2011.09 用所得材料制造高铁刹车闸片，并进行各项测试2011.09-2011.12 对实验进行修正并撰写实验报告。5、申请经费预算预算支出科目金 额计算根据及理由材料打印费100论文5元/篇 *20篇X衍射200按仪器使用标准费用计算扫描电镜（SEM）500按仪器使用标准费用计算透射电镜(TEM)500按仪器使用标准费用