不同基体炭结构的C/C复合材料摩擦表面特性和摩擦磨损机理

与表面镀Cr的40Cr钢配副进行滑动摩擦实验后,在JSM 6360LV扫描电镜上观察6种具有不同基体炭结构的C/C复合材料的磨损表面形貌。结果表明:完全光滑层(SL)炭结构的C/C复合材料摩擦表面在任何载荷下均难以形成完整的磨屑膜;完全粗糙层(RL)炭结构、粗糙层/树脂炭(RL/RC)的材料摩擦表面在低载荷时能形成较厚的磨屑膜,在高载荷时表面摩擦膜均很薄;完全RC结构试样摩擦表面在低载荷时完整、致密,在高载荷时有显著的磨屑膜剥落;RL/SL/RC、SL/RC结构试样在低载荷时的表面摩擦膜薄,而高载荷时,RL/SL/RC材料的基体炭磨损比SL/RC的严重;RL/SL或SL炭在摩擦中的损伤呈现阶梯状磨损形貌,RL炭在摩擦后难以分辨出原始形貌,RC炭在部分摩擦表面则为条纹状磨损形貌;RL/SL/RC、SL/RC结构的C/C复合材料摩擦形貌的稳定性高,材料耐磨性好,在一定载荷范围内有利于降低材料的摩擦因数和体积磨损。     

不同频率下C/C复合材料的往复式滑动摩擦特性

制备了两种具有不同基体炭类型的C/C复合材料,测试其与GCr钢在40 N时配副时的往复式摩擦行为.结果表明:随滑动频率的增加,两种试样的摩擦因数先增加,均在400 r/min时达到最大,之后除在1 200 r/min时略有反弹外,基本表现出线性下降趋势.在相同频率下,具有光滑层结构热解炭基体材料(SL)的摩擦因数低于另一种具有粗糙层结构热解炭和树脂炭混合基体(RL/RC)材料的.其中,RL/RC基体材料的摩擦因数在0.183～0.063之间;而SL基体材料的摩擦因数在0.150～0.059之间.随时间的延长,所有试样的摩擦因数均逐渐趋于稳定.Raman检测结果表明,随滑动频率增大,材料摩擦表面的微区石墨化度增加.但SEM形貌表明,随滑动频率增大,材料摩擦表面形貌由光滑变得粗糙,磨粒磨损加剧.     

不同基体炭C/C复合材料的摩擦磨损性能

以炭纤维针刺毡为预制体,采用化学气相沉积法(CVI)和结合液相浸渍树脂或沥青法制备了热解炭为粗糙层与光滑层结构的准三维C/C复合材料,并研究了这些材料在0.6 MPa的模拟刹车压力下的摩擦磨损性能与磨损机理.研究表明:基体炭为粗糙层热解炭与树脂炭的C/C复合材料摩擦表面能形成较厚且连续的自润滑摩擦膜,摩擦稳定性最好,摩擦因数适中,氧化磨损小,磨损机理主要为膜的部分脱落、氧化磨损与相对较小的磨粒磨损;基体炭为光滑层热解炭与树脂炭或沥青炭的C/C复合材料摩擦表面形成的摩擦膜较薄且不连续,摩擦稳定性差,摩擦磨损较大,磨损机制主要为膜的部分脱落、磨粒磨损与更严重的氧化磨损;随着密度的升高,C/C复合材料摩擦稳定性增加,摩擦因数增加,磨损降低;基体炭为单一沥青炭的C/C复合材料,由于没有热解炭对纤维的保护,纤维断裂多,线性磨损尤其大,磨损机理主要为大量的磨粒磨损与氧化磨损.     

溶胶浸渍抗氧化涂层对C/C复合材料摩擦特性的影响

采用溶胶浸渍技术对4种C／C复合材料进行抗氧化处理。在M2000型摩擦实验机上测试了4种C／C材料的摩擦特性。结果表明：在相同载荷下，光滑层CVI（SL）的C／C材料浸渍后试样与未浸渍试样的摩擦因数值最接近：树脂炭（RC）的C／C材料中，浸渍后试样的摩擦因数均低于未浸渍的试样且相差最大；粗糙层CVI（RL）的C／C材料中，中高载荷下浸渍溶胶试样的摩擦因数低于未浸渍溶胶的试样：而具有粗糙层／光滑层／树脂炭（RL／SL／RC）的C／C材料中，中高载荷下浸渍溶胶后试样的摩擦因数变化比未浸渍试样的高。随载荷增加，SL炭材料未浸渍和己浸渍试样摩擦因数的变化幅度均最低，RC炭材料未浸渍试样和己浸渍试样的摩擦因数变化幅度最大，RL／SL／RC、RL结构的试样是否浸渍溶胶对其摩擦因数的影响无明显规律。石墨化度高的材料的摩擦行为受浸渍溶胶的影响高于石墨化度低的材料。     

三维机织C／C复合材料的摩擦磨损性能

采用碳纤维织造了三维角联锁和三向正交2种不同三维机织物,首先采用化学气相渗透(CVI)使其致密,再采用液相树脂浸渍/碳化的补充增密技术,制备出粗糙层结构热解碳和树脂碳双元基体C/C复合材料;对该C/C复合材料进行摩擦磨损实验,采用光学显微镜、扫描电镜对三维机织物增强的C/C复合材料的摩擦面以及磨屑形貌进行观察,对其磨损机理进行分析.结果表明:三维角联锁C/C复合材料比三向正交C/C复合材料的摩擦因数低(分别为0.40和0.48),二者的摩擦性能均稳定,后者比前者磨损量小,说明Z向纤维束有利于提高摩擦因数并降低磨损量.     

添加BN对光滑层热解炭结构的C/C复合材料摩擦性能的影响

通过粉末层铺法向全网胎炭纤维预制体中添加六方氮化硼粉末和化学气相沉积热解炭增密制备C/C-BN复合材料。在MM 1000摩擦试验机上对其摩擦磨损性能进行测试,并对摩擦表面进行光学形貌观察以及对材料的组织结构和磨屑进行SEM形貌观察。结果表明:与C/C复合材料相比,C/C-BN复合材料的线性磨损率降低了40%,质量磨损率降低了70%;摩擦表面中的六方BN在摩擦过程中始终保持稳定,BN的存在使光滑层热解炭结构的C/C复合材料的摩擦因数曲线变得平稳、波动小并且对刹车压力响应迅速,摩擦表面上形成了一层薄的摩擦膜。     

密封用炭/炭复合材料的摩擦磨损性能

针对液体火箭发动机涡轮泵密封件磨损量较大问题,在MVF-1A多功能立式摩擦磨损试验机上,以GCr15钢环为对偶件,研究低载荷高线速度(12N,2.25m/s)以及高载荷低线速度(50N,1.25m/s)工况条件下热处理温度不同时(2 250、2 400和2 500℃)对炭/炭(C/C)密封材料摩擦磨损性能的影响,采用扫描电镜观察摩擦表面形貌,利用能谱仪确定摩擦表面元素组成。结果表明:低温(2 250℃)热处理材料石墨化度程度低,弯曲强度高,摩擦因数小,线性磨损量大;随着热处理温度的升高,材料石墨化程度升高、界面结合强度弱化,弯曲强度降低;当热处理温度升高到2 500℃后,材料表面易形成完整致密的磨屑膜,磨损机制由磨粒磨损转变为粘着磨损,摩擦因数大,线性磨损量低。此外,在高载荷条件下,适当增大线速度(1.50、1.88m/s),有利于降低摩擦因数及线性磨损量。由此可知,采用高温(2 500℃)热处理的C/C复合材料具有良好抗磨性能,可较好地满足密封件使用要求。     

C/C-Cu复合材料的载流摩擦磨损行为

采用无压熔渗工艺制备一种新型的具有自润滑耐磨性能的炭纤维整体织物/炭-铜(C/C-Cu)复合材料,在改装的MM-2000型环-块摩擦磨损试验机上考察其载流摩擦磨损性能,利用扫描电子显微镜观察分析磨损的表面形貌,研究不同载荷和电流强度下复合材料磨损表面的变化规律.结果表明:C/C-Cu复合材料的体积磨损率随电流强度和载荷的增大而增大;摩擦因数变化呈单峰曲线,随电流强度的增大先升高后降低;载荷为30和70 N,摩擦因数的峰值出现在10 A;载荷为50 N,摩擦因数的峰值出现在5 A,这与摩擦面粗糙程度有关;电流引发的摩擦面高温是造成对偶表面熔融的重要原因.     

纤维种类对C/C复合材料摩擦磨损性能的影响

目的为了降低C/C复合材料制造成本,扩展C/C复合材料应用领域,选用低成本预氧丝纤维取代碳纤维,制备出C/C复合材料,并研究纤维种类对C/C复合材料摩擦磨损性能的影响。方法以两种纤维为原材料,采用CVI工艺制备出C/C复合材料,用MM-2000摩擦试验机进行摩擦磨损试验,采用扫描电镜对摩擦面进行形貌分析。结果随着载荷的增大,预氧丝基C/C复合材料在与金属摩擦时摩擦因数保持在0.22左右,平均磨损量为0.82 mg/min,而碳纤维基C/C复合材料与金属配副相对摩擦因数较小(0.15~0.20),平均磨损量为1.17 mg/min。三种碳与碳配副中,预氧丝基C/C复合材料同预氧丝基C/C复合材料配副之间的摩擦因数随载荷波动的范围为0.28~0.33,较稳定,平均磨损量为1.76mg/min。碳纤维基复合材料与碳纤维复合材料配副时,随着载荷的增大,摩擦因数变化范围较大(0.15~0.33),平均磨损量为2.35 mg/min。预氧丝基复合材料与碳纤维基复合材料之间相互配副,其磨损最大,平均磨损量为2.95 mg/min。结论 C/C复合材料的摩擦磨损性能与纤维种类有很大关系,采用预氧丝纤维制备出的C/C复合材料,无论与金属相互摩擦,还是与自身材料摩擦,均易形成较为稳定的润滑膜。随着载荷的增加,摩擦因数变化较小,磨损量和摩擦功也最低,表现出比碳纤维基C/C复合材料更优异的摩擦性能。     

CVI炭/炭复合材料微观结构和生长模型

采用自行设计的多元耦合物理场CVI炉增密炭/炭（C/C）复合材料,用炭毡作为纤维增强体,在坯体内部设计特殊的导电发热层,使坯体内部的温度场、气体反应的中间产物浓度场、电磁场等多元物理场实现耦合,实现坯体的快速增密。采用偏光显微镜研究沉积热解炭的组织结构;用X射线衍射仪研究C/C复合材料的石墨化度和微晶尺寸;用扫描电镜观察材料断口和热解炭沉积表面的形貌;并对CVI热解炭的生长方式进行研究。研究表明：获得SL、RL和带状等多种热解炭结构;不同的结构具有不同的形貌特征,其中SL的断口平整,RL的断口呈沟槽构造;并提出前者为小分子平滑生长模型、后者为大分子锥状生长模型。     

热梯度CVI C/C材料的结构与性能

以炭纤维整体毡为预制体，采用热梯度CVI工艺制备了两种不同结构基体炭的C／C材料，即RL结构和SL结构材料。采用光学金相仪，X射线衍射仪，硬度计，激光导热仪等设备研究了沉积态和热处理态C／C材料的显微结构及热物理性能。对比研究了两种结构材料的力学性能及摩擦摩损性能。结果表明：当密度超过一定值后，密度对C／C材料的力学性能和摩擦性能的影响远不如CVD炭结构的影响大；不管是沉积态还是热处理态，RL结构材料的刹车性能曲线明显优于SL结构材料的刹车性能曲线，这意味着CVD炭的微观结构不同是造成C／C材料摩擦性能差异的根本原因。     

热膨胀性能对炭/炭复合材料在制动摩擦过程中热应力场的影响

测量以纯树脂炭、粗糙层热解炭和光滑层热解炭为基体的3种炭/炭复合材料的热膨胀系数,并采用有限元分析软件,模拟这3种炭,炭复合材料在飞机正常着陆能量条件下的热应力场,研究热膨胀系数对炭,炭复合材料热应力场及其摩擦性能的影响.结果表明:3种炭/炭复合材料在z方向上的热膨胀系数大于在X和y方向的,且热膨胀系数均随着温度的升高而逐渐增大,其中,基体为粗糙层热解炭的炭/炭复合材料的热膨胀系数最小,纯树脂炭试样的次之,光滑层热解炭试样的最大;在制动过程中,炭/炭复合材料摩擦表面产生的热应力与材料的热膨胀系数相关,材料的热膨胀系数越大,产生的热应力越大;过大的热应力使纯树脂炭试样具有相对稳定的摩擦曲线,在较大热应力的作用下,光滑层热解炭试样的摩擦曲线不稳定,影响其摩擦性能.     

高密度预制体制备炭/炭复合材料的弯曲力学性能与断裂机制

以丙烯作为碳源,氮气作为载气,采用初始密度为0.94g/cm3三维正交PAN基12K炭纤维预制体,利用自制的快速CVI炉制备基体热解炭结构为带状结构的C/C复合材料。力学性能测试结果表明,材料的弯曲断裂特征与制备过程中受到的高温热处理次数有关。从载荷-位移曲线来看,当C/C复合材料经过两次热处理时,C/C复合材料呈明显假塑性断裂特征。当C/C复合材料经过三次热处理时,载荷-位移曲线趋于稳定平滑,抗弯强度降低。从C/C复合材料断面的SEM图可以观察到材料断裂可以分为层间断裂和层内断裂,而层内断裂又因热解炭填充密度变化呈明显的分区断裂。由于热解炭和纤维含量在C/C复合材料中分布的差异,材料在不同的区域表现出不同的断裂特征,从而使得材料具备良好的弯曲强度同时具有一定的韧性特征。     

Fracture mechanism of 2D-C/C composites with pure smooth laminar pyrocarbon matrix under flexural loading

Using natural gas as carbon source, 2D needle felt as preform, 2D-C/C composites were prepared by thermal gradient chemical vapor infiltration. Their microstructures were observed under polarized light microscope (PLM) and scanning electron microscope (SEM), and the flexural behaviors before and after heat-treatment were studied with a universal mechanical testing machine. The fracture mechanism of the composites was discussed in detail. The results show that, carbon matrix exhibits pure smooth laminar (SL) characteristic including numerous wrinkled layered structures and some inter-laminar micro-cracks. With the decreasing density, the strength of the composites decreases and the toughness increases slightly; after 2500 °C heat-treatment, the inter-laminar micro-cracks in matrix increase, the strength decreases, and the toughness obviously increases. The fracture mode of the composites changes from brittle to pseudo-plastic characteristic due to more crack deflections in SL matrix.     

Microstructure and mechanical properties of 3D fine-woven punctured C/C composites with PyC/SiC/TaC interphases

The 3D fine-woven punctured C/C-(P_yC/SiC/TaC) composites, composed of P_yC/SiC/TaC interphases and pyrocarbon (PyC) matrix, were synthesized by isothermal chemical vapor infiltration (ICVI) methods. The alternating layers and the structure of these composites were examined by polarized light microscopy (PLM), X-ray diffractometry (XRD) and scanning electron microscopy (SEM). It is found that the P_yC matrix has rough laminar (RL) structure, the TaC layer has NaCl-type cubic structure, and the SiC layer has few wurtzite type 10H-SiC besides β-SiC structure. The effects of fiber coating and the bulk density on the tensile and flexural properties of composites along X or Y and Z direction were investigated. It is shown that fiber coated 3D woven punctured C/C composites have good tensile and flexural strength, and the maximum of flexural strength is 375 MPa in X or Y direction at density of 1.89 g/cm³, which is about three times higher than that of samples without TaC/SiC fiber coating. The flexural strength and bending strength increase with increasing the density of the composites. The analysis of fracture surfaces reveals that fibers and fiber bundles are pulled out in composites, indicating that the composite exhibits a non-linear failure behavior through propagation and deflection of the cracks.     

Flexural destructive process of unidirectional carbon/carbon composites reinforced with in situ grown carbon nanofibers

Unidirectional carbon/carbon (C/C) composites modified with in situ grown carbon nanofibers (CNFs) were prepared by catalysis chemical vapor deposition. The effect of in situ grown CNFs on the flexural properties of the C/C composites was investigated by detailed analyses of destructive process. The results show that there is a sharp increase in the flexural load-displacement curve in the axial direction of the CNF-C/C composites, followed by a serrated yielding phenomenon similar to the plastic materials. The failure mode of the C/C composites modified with in situ grown CNFs is changed from the pull-out of single fiber to the breaking of fiber bundles. The existence of interfacial layer composed by middle-textured pyrocarbon, CNFs and high-textured pyrocarbon can block the crack propagation and change the propagation direction of the main crack, which leads to the higher flexural strength and modulus of C/C composites.