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。     

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.     

结构类似的炭材料和C/C复合材料的滑动摩擦磨损行为

制备粗糙层热解炭(RL)和光滑层热解炭(SL)基体的C/C复合材料,测试该C/C复合材料与40Cr钢配副时的摩擦磨损行为,并对磨损表面进行SEM观察.对比研究高强石墨和光滑层结构的块状热解炭在相同条件下的滑动摩擦磨损行为.结果表明:PAN炭纤维改善C/C复合材料的摩擦磨损行为;在实验载荷范围内,与高强度石墨材料相比,含RL炭C/C复合材料的摩擦因数降低0.08～0.12;体积磨损量增幅降低;与热解炭试样相比,具有SL炭C/C复合材料的摩擦因数降低0.02～0.05,体积磨损量低0.2 mm~3左右;随着时间的延长,大部分C/C复合材料的摩擦因数基本相对稳定或呈小幅下降,而石墨、热解炭块的摩擦因数均呈不同幅度的上升;具有RL炭的C/C复合材料摩擦表面膜厚度随载荷增加而降低,具有SL炭的C/C复合材料摩擦表面较粗糙;高强石墨能形成较完整致密的摩擦膜,但磨粒磨损严重,磨屑易在摩擦膜边缘形成层状堆积;热解炭块摩擦表面磨屑堆积松散,有较多的孔洞以及热解炭层整体剥落的形貌.     

炭／炭复合材料导热系数影响因素的研究

研究了影响炭／炭复合材料导热系数的主要因素：炭纤维取向，热处理温度和CVD热解炭的结构，结果表明，在炭／炭复合材料中，影响炭／炭复合材料导热系数的主要因素是CVD热解炭结构；以RL结构为主的CVD热解炭，导热系数高，热处理温度对材料导热系数的影响不及CVD热解炭的微观结构对其的影响。     

载气对CVI C/C材料密度和热解炭结构分布的影响

采用定向流动热梯度CVI工艺,以丙烯作炭源气,以针刺炭纤维整体毡作预制体分别研究了加氢气和氮气作载气对C/C复合材料密度和热解炭结构分布的影响。结果表明,载气对热梯度CVI C/C材料密度和热解炭结构沿径向分布的均匀性有重要影响。当其它工艺条件相同时,经过400 h的沉积,采用N2作载气时所得炭盘的平均体密度为1.54 g/cm3,炭盘密度沿径向分布的偏差Δρ为0.24 g/cm3,在炭盘的外侧易形成SL结构热解炭;而采用H2作载气时,可以得到平均体密度为1.67 g/cm3、热解炭结构分布高度均匀的全RL结构PyC基C/C复合材料,且炭盘密度沿径向分布的偏差Δρ仅为0.11 g/cm3,密度分布均匀性提高一倍以上。不管是采用N2还是H2作载气,炭盘的密度沿周向分布都十分均匀(Δρ≤0.02 g/cm3),且炭盘的较低密度部位均位于中间偏内侧。     

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.     

多孔体制备工艺对C/C-SiC复合材料弯曲性能的影响

以针刺整体炭毡为坯体,采用CVD和树脂浸渍／炭化混合法增密制备了4种C／C多孔体,然后熔硅浸渗C／C多孔体制备了C／C-SiC复合材料;研究了不同炭涂层、高温热处理对C／C-SiC复合材料弯曲强度和断裂方式的影响。结果表明：热解炭涂层可减少制备过程中炭纤维的损伤,具有适中的界面结合强度,使复合材料的弯曲强度达到161．5MPa,表现出良好的“假塑性”;适当选择高温热处理工艺可制备弯曲性能较高,具有一定“假塑性”的C／C-SiC复合材料。     

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。     

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。     

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.     

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.     

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.     

Joining of C/C Composites and GH3128 Ni-based Superalloy with Ni-Ti Mixed Powder as an Interlayer

通过包埋工艺在C/C复合材料表面制备了改性SiC涂层.采用Ni-Ti粉末作中间层连结材料,利用真空热压扩散工艺成功制备了SiC涂层改性C/C复合材料与GH3128镍基高温合金的连接样件.借助X射线衍射仪、扫描电子显微镜、能谱分析仪和材料万能试验机,研究了SiC涂层改性C/C复合材料与GH3128镍基高温合金连接接头及其界面的元素分布、微观结构及力学性能.结果表明,在C/C复合材料表面制备SiC涂层,不仅充分改善了C/C复合材料对Ni-Ti中间层连结材料的润湿性,而且还有效缓解C/C复合材料与GH3128连接界面因热膨胀不匹配而造成的热应力.经过SiC涂层改性处理的连接接头,其室温剪切强度可达22.49 MPa;而没有经过SiC涂层改性处理的连接接头,其室温剪切强度几乎为零.     

C/C-SiC陶瓷制动材料的研究现状与应用

通过分析合成材料、粉末冶金材料、C/C和C/C-SiC复合材料等摩擦材料的特点及其性能,指出C/C-SiC复合材料是一种能满足高速高能载制动的高性能陶瓷制动材料.综述了先驱体转化法、化学气相浸渗法和反应熔体浸渗法制备C/C-SiC复合材料的优点及其不足,指明了反应熔体浸渗工艺是一种具有市场竞争力的工业化生产技术.介绍了我国研制的C/C-SiC陶瓷制动材料的组织结构、力学性能、摩擦磨损性能及其应用,并对C/C-SiC陶瓷制动材料的性能特点进行了评述.     

PIP工艺制备2D C/SiC复合材料Z-向穿刺工艺

针对2D C/SiC复合材料存在碳布层间缺乏纤维增强,层间结合较差的问题,提出通过Z-向穿刺工艺提高碳布层间结合,克服材料使用时可靠性不高的问题,并比较了穿刺工艺对复合材料微观结构和力学性能的影响.结果表明,通过Z-向穿刺工艺制得试样2D C/SiC-Z_(pin)的弯曲强度、弯曲模量和剪切强度分别为247.8 MPa、37.8 GPa和32.1 MPa,而未穿刺试样2D C/SiC的弯曲强度、弯曲模量和剪切强度分别只有219.3 MPa、34.4 GPa和23.3 MPa,由此可见,采用Z-向穿刺工艺能明显提高复合材料的力学性能.微观结构分析认为,试样力学性能提高的根本原因在于采用Z-向穿刺纤维加强了碳布层间结合,使材料具有较好的整体性,克服了复合材料层间结合较弱对力学性能带来的不利影响.