Mo_2C改性C/C-Cu复合材料的组织及载流摩擦磨损性能

采用熔盐法在低密度炭/炭(C/C)坯体内孔表面制备了Mo_2C涂层,然后通过无压熔渗制备了C/C-Cu复合材料,研究了C/C-Cu复合材料的组织结构及载流摩擦磨损性能。结果表明:熔融Cu可自发渗入制备了Mo_2C内涂层的C/C坯体,复合材料中Cu相与C/C坯体形成相互贯穿的连通网络结构,Mo_2C涂层与Cu和热解炭(PyC)间均有良好的界面结合,反应生成Mo_2C过程中的催化石墨化及应力石墨化共同作用使C/C-Cu复合材料中Mo_2C涂层附近PyC的有序度提高。随载荷增大,C/C-Cu复合材料的摩擦系数逐渐降低,体积磨损率增大,而对偶的质量损失逐渐降低;载荷较大时材料磨损表面被摩擦膜覆盖的面积增大,但因粘着磨损摩擦膜的粗糙程度提高。材料磨损过程中还发生了氧化磨损,且载荷增大磨损表面O含量提高。     

C/C/Cu及C/Cu复合材料摩擦磨损行为比较

采用无压熔渗工艺制备一种新型的具有优异耐磨性能的碳纤维整体织物/炭/铜(C/C/Cu)复合材料,在UMT23多功能摩擦磨损测试仪上考察复合材料的摩擦磨损行为,并与粉末冶金方法制备的滑板用炭/铜(C/Cu)复合材料进行了对比分析。结果表明：C/C/Cu复合材料形成了连通状的网络结构,其导电性能及力学性能明显优于传统C/Cu复合材料;2种复合材料摩擦系数相近;2种复合材料及其对偶的磨损率随载荷增大而增大;与C/Cu相比,C/C/Cu的耐磨性较优,且对对偶损伤较小,在70N载荷下更为明显。连通状的网络结构及磨损表面形成的磨屑保护层是C/C/Cu复合材料具有良好摩擦磨损特性的主要原因。     

C/C及C/C-Cu复合材料的摩擦磨损性能

通过化学气相渗透(CVI)、树脂浸渍/碳化(I/C)的工艺制成多孔的C/C预制件,采用气体压力浸渗方法向预制体中渗入铜,制备出C/C-Cu复合材料。以高密度C/C复合材料(1.9g/cm~3)作为对比样,在MM-200型磨损试验机上对其摩擦磨损性能进行测试,并对其微观结构和摩擦磨损机理进行分析。研究结果表明:C/C-Cu的摩擦系数比C/C复合材料的低,这主要与摩擦表面的摩擦膜有关,铜在摩擦力带动下填充摩擦表面的凹坑,并与碳材料共同形成摩擦膜,摩擦膜的碳含量越高,润滑效果越好。当C/C预制件密度为1.59g/cm~3时,C/C-Cu的摩擦系数和磨损量均小于C/C复合材料,摩擦磨损性能良好。     

C/C复合材料与石墨材料干态摩擦磨损行为

在M-2000型摩擦磨损实验机上,以GCr15钢为配副,对石墨材料和C/C复合材料在干态条件下的滑动摩擦进行研究。结果表明:C/C复合材料的摩擦系数和体积磨损均比石墨材料的低。具有光滑层炭结构 (SL) 的C/C复合材料的摩擦系数和体积磨损量比具有粗糙层结构 (RL) 的C/C复合材料低;低密度石墨的摩擦系数和体积磨损量比高密度石墨材料高。随时间延长,RL结构的C/C复合材料摩擦系数在60、80、200 N时有小幅度的增长,另三种则下降; SL结构的C/C复合材料摩擦系数除60 N外基本保持平稳;石墨材料的摩擦系数随时间延长表现出增长趋势。SEM观察表明: RL结构的C/C复合材料摩擦表面随载荷增加而趋向完整,SL结构的C/C复合材料的摩擦表面随载荷增加变化不大。而高密度石墨摩擦表面比密度低的石墨完整。C/C复合材料比石墨更适宜用作航空发动机轴间密封材料。      

不同制动速度下C/C复合材料摩擦面研究

采用MM-1000型摩擦磨损试验机测试了粗糙层基体炭C/C复合材料试样在不同制动速度下的摩擦磨损性能, 借助微区拉曼光谱和扫描电镜研究了试样摩擦面的结构与形貌。结果表明粗糙层基体炭C/C复合材料具有优异的摩擦速度特性。试样的摩擦系数和试验后摩擦面上碳原子的有序度无直接对应关系, 制动速度对摩擦系数的影响应归因于制动速度对摩擦面温升和摩擦膜厚度及完整性的影响。5m/s的低制动速度下, 试样因吸附水气摩擦系数持续低值(0.15), 摩擦面上无连续摩擦膜产生; 10m/s的制动速度下水气被解吸附, 摩擦面出现多层厚膜, 摩擦系数达到峰值(0.5), 此后, 随制动速度增加, 摩擦膜减薄, 材料磨损量呈下降趋势; 当制动速度增加到25m/s及以上, 摩擦面的温升导致氧化质量损失和线磨损增加, 摩擦系数也稍有衰减(0.3)。      

低能载条件下C/C复合材料滑动摩擦磨损性能

采用MM-200型环-块摩擦磨损试验机测试了针刺碳毡增强C/C复合材料试样在不同载荷和转速条件下的摩擦磨损性能,借助数码显微镜和扫描电镜观察分析了摩擦表面形貌。结果表明:当转速较低时,摩擦系数比较稳定,磨损率随载荷提高而增大;当转速较高时,低载荷试样摩擦系数不大,磨损率有所增加,而高载荷试样的摩擦系数在5分钟左右时出现峰值然后回落并保持稳定,磨损率急剧增加,说明磨损机制发生变化;摩擦面平行于X-Y向的C/C复合材料磨损率较小,具有较好的摩擦磨损性能。     

C/C复合材料特性对其摩擦磨损性能的影响

在MM-2000环-块摩擦试验机上研究了制备工艺、石墨化度、密度、纤维取向等材料特性对其摩擦磨损性能的影响。研究结果表明，采用化学气相渗透(CVI) 浸渍工艺制备并经过多次浸渍增密且石墨化后的材料具有优良的摩擦磨损特性。石墨化后试样的密度越大，其摩擦磨损性能也越好。一般情况下在载荷适中时，垂直试样的摩擦系数要大于平行试样，而体积磨损量却小于平行试样。C／C复合材料比高强石墨材料更适宜用作航空发动机轴间密封材料。     

石墨化度对2.5D碳/碳复合材料在低能条件下的摩擦学性能影响

在MM-200型摩擦磨损实验机上,对2.5D编织结构的不同石墨化度的碳/碳(C/C)复合材料进行低能条件下的摩擦磨损实验,用扫描电子显微镜对其磨损表面形貌进行了观察分析.结果表明:石墨化温度升高到一定值之后,可使摩擦系数下降,而试样的摩擦系数不稳定,相应磨损量也会增大.在摩擦初始时,摩擦系数呈现交错变化,随时间的推移,摩擦系数出现分化,石墨化度高的试样摩擦系数较低,当石墨化度增加50%时,磨损率增加0.05%,磨损量变化不是很大.石墨化程度以及石墨化的均匀程度都对材料的摩擦磨损性能有很大影响.     

国外C/C复合材料飞机刹车盘的摩擦表面特性和摩擦磨损机理

在MM-1000型摩擦试验机上,对英、法、美三国四大炭盘制造商的五种炭盘小样进行了摩擦磨损性能测试,对摩擦表面进行了宏观和扫描电子显微镜(SEM)微观形貌分析,对各试样的摩擦磨损过程和机理进行了一定的探讨.结果表明:石墨化度决定了膜的完整程度,且成正比关系,坯体结构对摩擦膜有一定的影响;纯树脂炭基体的试样表面膜厚度较小,完整致密性与热解炭基体的试样差别较大,磨损较大;C/C复合材料的机械磨损以粘着、犁沟、磨粒磨损为主,膜越完整的材料呈现出以粘着磨损为主,对于低石墨化度的和纯树脂炭基体的C/C复合材料表现出犁沟、磨粒磨损为主,粘着磨损为辅.     

不同转速及载荷下炭/炭复合材料的摩擦磨损性能

在MM-200型摩擦磨损试验机上,对3K炭布叠层结构的炭/炭(C/C)复合材料进行低能条件下的摩擦磨损实验,用扫描电子显微镜对其磨损表面形貌进行观察分析.结果表明:在于摩擦条件下,随转速增加,复合材料的摩擦系数降低,磨损量增大.随载荷增加,复合材料的摩擦系数降低,磨损量增大.摩擦初始时主要磨损机理为磨粒磨损和粘着磨损,润滑膜产生后主要磨损机理为疲劳磨损.炭/炭复合材料在低能条件下的磨损是正常磨损,其摩擦系数在0.1～0.2,温度在0～100℃之间.     

添加Al对MSI制备C/C-SiC复合材料组织和力学性能的影响

以聚丙烯腈( PAN) 基炭纤维(Cf ) 针刺整体毡为预制体, 用化学气相渗透(CVI) 法制备炭纤维增强炭基体(C/ C) 的多孔坯体, 采用熔融渗硅(MSI) 法制备C/ C-SiC 复合材料, 研究了渗剂中添加Al 对复合材料组织结构和力学性能的影响。结果表明: C/ C 坯体反应溶渗硅后复合材料的物相组成为SiC 相、C 相及残留Si 相。随着渗剂中Al 量的增加, 材料组成相中的Al 相也增加而其它相减少; SiC 主要分布在炭纤维周围, 残留Si 相分布在远离炭纤维处, 而此处几乎不含Al ; 当渗剂中Al 量由0 增加到10 %时, 复合材料的抗弯强度由116. 7 MPa 增加到175. 4 MPa , 提高了50. 3 % , 断裂韧性由5. 8 MPa·m1/2增加到8. 6 MPa·m1/2 , 提高了48. 2 %。Al 相的存在使复合材料基体出现韧性断裂的特征。      

CVI-iC/TaC改性C/C复合材料的力学性能及其断裂行为

以针刺碳纤维整体毡为预制体,采用化学气相渗透工艺对预制体纤维进行PyC/SiC/TaC的多层复合模式的涂层改性, 然后采用化学气相渗透和热固性树脂浸渍-化进行增密,制备出新型C/C复合材料。对复合材料的微观结构和力学性能进行了研究。结果表明:包覆在碳纤维表面的PyC/SiC/TaC多层结构均匀致密、无裂纹,在C/C复合材料中形成空间管状网络结构;改性后C/C复合材料的抗弯强度和韧性均大大提高, 平均抗弯强度达到522 MPa,断裂位移达到1.19mm;复合材料弯曲断裂形式表现为脆性断裂,经过2000℃高温热处理以后,复合材料的抗弯强度下降,但最大断裂位移增大,弯曲断裂形式由脆性断裂转变为良好的假塑性断裂。      

高性能 C/ SiC刹车材料及其优化设计

对比分析了 C/ C和 C/ SiC刹车材料的力学性能和摩擦磨损性能。结果表明 , C/ SiC刹车材料的力学性能比 C/ C的高 , 而且 C/ SiC刹车材料克服了 C/ C静态摩擦系数低和湿态摩擦性能严重衰减的不足 , 说明 C/ SiC刹车材料是一种新型高性能刹车材料。以 C/ C复合材料为基础 , 在深入分析机轮刹车盘服役环境特点的基础上探讨了 C/ SiC刹车材料的力学性能、 热物理性能、 摩擦磨损性能、 复合材料结构和制造工艺等方面的优化设计途径和方法 , 为实现材料微结构2力学性能2摩擦磨损性能的协同设计与制造奠定基础。      

耦合物理场CVI 快速增密C/ C复合材料及动力学探讨

采用多元耦合物理场CVI 工艺, 用炭毡作为增强体, 在增强体中设计导电层, 产生温度场和电磁场梯度, 在自行设计的CVI 炉中增密C/ C 复合材料, 对温度、系统压力和气体流量等工艺进行了优化; 采用偏光显微镜研究了热解炭的显微结构; 用X射线衍射研究了材料的石墨化度; 探讨了本工艺中的有内热源和无内热源的二元传热机制, 多元耦合物理场的有机耦合对“消耗传质”的抑制作用, 以及电磁场对沉积的影响和3 种典型的生长模型。研究表明, 多元耦合物理场CVI 增密速度快, 初始密度为0.2 g/ cm3 , 尺寸为260 mm ×60 mm ×20 mm 的增强体, 在920 ℃、4 kPa 条件下沉积20 h , 试样可增密到1.71 g/ cm3 ; 可获得粗糙层结构(RL) 、光滑层结构(SL) 、带状结构(Banded st ructure) 等热解炭的结构, 在960 ℃、0.1 kPa 条件下可获得较高织构的粗糙层结构。      

增强毡C/C复合材料的结构和性能

设计了两种不同结构的预制体,即碳布 碳毡(1#预制体)、无纬布 碳毡(2#预制体),经化学气相沉积(CVD)与浸渍树脂相结合的致密化工艺制备出了高密度的增强毡C/C复合材料.结果表明:1#、2#预制体制备的C/C材料表现出了良好的力学性能,其拉伸强度分别达61.25MPa和53.12MPa,其中2#材料的拉伸破坏表现出了假塑性.结合材料的微观形貌研究了预制体结构、界面对C/C复合材料拉伸性能的影响.     

含PyC-TaC-PyC复合界面C/C材料的氧乙炔焰烧蚀行为

用化学气相渗透方法,在准三维针刺炭毡中预沉积热解炭(PyC)和TaC涂层,再利用热解炭和树脂炭对该预制体进行后续致密化,制得含PyC-TaC-PyC复合界面的C/C复合材料(TaC-C/C),并对其进行氧乙炔焰烧蚀。与C/C相比,3 vol%TaC-C/C材料耐烧蚀性能无明显提高,且无法承受长时间的氧炔焰烧蚀;而14 vol%TaC-C/C材料表现出较好的长时间耐烧蚀性能。氧炔焰烧蚀后,复合材料表面由C、TaC、(Ta,O)及Ta₂O₅相组成。3 vol%TaC-C/C材料表面主要形成细小弥散的烧蚀斑点(5～20s)和烧蚀凹坑(120s);而14 vol%TaC-C/C材料表面则主要形成烧蚀斑点(5s)、较完整的氧化钽层(20s)以及烧蚀凹坑(120s)。14 vol%TaC-C/C材料在烧蚀20s后,复合材料可分为表面氧化物区、过渡区和基体区;复合材料表面完整连续的氧化钽层能有效保护复合材料。     

考虑孔隙和微裂纹缺陷的 C/ C2SiC编织复合材料等效模量计算

通过观察 C/ C2SiC复合材料组元分布的扫描电子显微镜(SEM)照片 , 获得了 C/ C2SiC复合材料化学气相渗透(CVI)制备过程中产生孔隙和微裂纹的几何信息。在此基础上 , 建立了包含孔隙和微裂纹的 C/ C2SiC微结构有限元模型 , 并利用均匀化等效计算方法预测了平纹编织 C/ C2 SiC复合材料的模量。针对 CVI沉积方式制备的 2组不同的 C/ C2SiC复合材料 , 实验测试与等效计算结果表明 : 基于 SEM照片建立的 C/ C2SiC纤维束和复合材料微结构有限元模型 , 能够反映 CVI工艺制备 C/ C2SiC中孔隙和微裂纹的分布状况; 计算结果与实验数据有良好的一致性 , 数值计算可有效预测 C/ C2SiC编织复合材料的模量。     

炭/炭复合材料微观结构对热电性能的影响

采用微波化学气相渗透工艺, 以炭毡为预制体, 甲烷为前驱气体, 氮气为载气, 制备了具有不同微观组织结构的炭/炭复合材料。通过偏光显微镜、场发射扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线衍射仪和拉曼光谱仪表征了复合材料的结构, 通过热电性能测试仪和激光热导仪测试了其热电性能。结果表明, 炭/炭复合材料具有正的热电效应, 且复合材料的热电性能与热解炭的取向性有很大的关系: 从各向同性、低织构、中织构到高织构, 其Seebeck系数、电导率和热导率逐渐增加, 同时织构化的增强对载流子的影响大于对声子的影响, 进而使热电优值ZT随着织构化的增强逐渐增大。