炭/炭复合航空刹车材料的结构完整性对摩擦系数的影响

炭/炭复合材料(C／C)为类石墨结构，其石墨化程度部分表征了材料的结构完整程度。通过验证C／C材料的石墨化程度对刹车副的刹车力矩特性及刹车过程中摩擦系数的影响，探讨了C／C摩擦材料的摩擦磨损机理。C／C材料晶体的棱、缘、角部的活化点影响材料的物理吸附和化学吸附性能，降低了飞机刹车前几秒钟内的摩擦系数；材料内部的碳氧络合物的多少则影响到刹车副体积温度为400℃-500℃时摩擦系数的大小。这二者的共同作用劣化了刹车副的制动性能。     

炭/炭复合材料摩擦性能与摩擦表面状态的关系

金相显微分析炭/炭复合材料试样的热解炭结构,测试不同试样的硬度和石墨化度值,在国产MM-1000型摩擦试验机上,进行模拟飞机正常刹车试验,通过扫描电镜(SEM)对摩擦后的表面及磨屑进行形貌观察,傅立叶变换红外光谱仪(FTIR)定性地分析表面的摩擦膜,研究摩擦性能与摩擦表面状态的联系.结果表明:经过1600℃热处理后,炭/炭复合材料无法获得良好的摩擦磨损性能,碳微晶结构的缺陷和表面膜的不完整性,导致了明显的氧化及吸附的产生.2650℃热处理后,粗糙层(RL)结构热解炭具有更好的延展性,易于形成连续致密的具有自润滑效应的摩擦膜,但是更大程度上,增大了摩擦过程中的有效接触面积,碳结构的完整性及表面膜的实体完整性提高,与A试环相比具有较好的摩擦磨损性能;采用树脂炭补增密技术的双元炭基体试环,摩擦膜实体完整连续性得到进一步提高,对应了更少的氧化及吸附,表现出最佳的摩擦磨损性能.     

热处理温度对热解炭及炭/炭复合材料力学性能的影响

以丙烷为气源,采用等温等压化学气相渗透技术制备了炭/炭复合材料,利用X射线衍射、偏光显微镜、扫描电镜、纳米压痕仪、三点弯曲法研究了热处理温度对热解炭以及炭/炭复合材料微观结构和力学性能的影响.微观结构观察显示随着热处理温度的升高,热解炭层间距减小,同时石墨化度提高;由于发生了局部应力石墨化,热解炭出现同心微裂纹,并且随热处理温度的升高裂纹的数量和宽度增加.纳米压痕测试表明,热解炭的纳米压痕行为是完全的弹性形变,完全卸载后热解炭表面没有残余压痕,但加载和卸载曲线没有重合而是存在一定的能量耗散,随着热处理温度的升高,热解炭的弹性模量增大.热处理后纤维强度降低,并且纤维与基体炭界面脱离,导致炭/炭复合材料的弯曲强度和模量下降.     

温度对炭／炭材料摩擦性能影响

本文研究了炭／炭（Ｃ／Ｃ）复合材料湿态摩擦性能。考察了在湿态下刹本能量、刹车比压对化学气相沉积Ｃ／Ｃ复合材料摩擦性能的影响规律，试验结果表明：环境湿度强烈地影响着Ｃ／Ｃ复合材料的摩擦学性能，在湿态下其摩擦系数减小；随着刹车能量、刹车比压的增加，摩擦系统进一步衰减。     

湿度对炭／炭材料摩擦性能影响

本文研究了炭／炭（Ｃ／Ｃ）复合材料湿态摩擦性能，考察了在湿态下刹本能量、刹车比压对化学气相沉积Ｃ／Ｃ复合材料摩擦性能的影响规律，试验结果表明：环境湿度强烈地影响着Ｃ／Ｃ复合材料的摩擦学性能，在湿态下其摩擦系数减小；随着刹车能量，刹车比压的增加，摩擦系数进一步衰减。     

刹车速度对C/C复合材料摩擦磨损性能的影响

以炭纤维针刺毡为预制体,采用CVI法并结合液相法制备了热解炭与树脂炭为基质炭的准三维C/C复合材料,并研究了这种材料在不同刹车速度下的摩擦磨损性能.研究表明:C/C复合材料热解碳结构为粗糙层,材料的摩擦磨损性能随刹车速度变化而变化,摩擦系数在刹车速度为10 m/s时达最大值,磨损量随刹车速度的增加而增加,而氧化磨损在25 m/s时开始大量产生,28 m/s的最大刹车速度时达最大值;X射线检测发现刹车后摩擦面碳结构有序度比次摩擦面低,且随着刹车速度的增大,这种降低程度依次增大.     

影响炭/炭复合材料摩擦学性能的因素分析:材料的性质

影响炭/炭复合材料摩擦性能的因素很多,综述了国内外的研究现状,评价了材料的性质对炭/炭复合材料摩擦磨损性能的影响,阐述了模量、石墨化度、密度、预制体的类型、基体类型、热解炭结构等因素.     

湿度对炭／炭材料摩擦性能影响

本文研究了炭／炭（Ｃ／Ｃ）复合材料湿态摩擦性能。考察了在湿态下刹本能量、刹车比压对化学气相沉积Ｃ／Ｃ复合材料摩擦性能的影响规律。试验结果表明：环境湿度强烈地影响着Ｃ／Ｃ复合材料的摩擦学性能，在湿态下其摩擦系数减小；随着刹车能量、刹车比压的增加，摩擦系数进一步衰减。     

纤维含量和热处理对炭/炭复合材料性能的影响

研究了炭纤维体积分数和预制体热处理温度对炭/炭复合材料力学性能的影响.结果表明,随着预制体中炭纤维体积分数的增加炭/炭复合材料的硬度逐渐增加,但当炭纤维的体积分数大于30%时,炭/炭复合材料硬度增加的幅度减小.炭纤维体积分数的增加对炭/炭复合材料硬度的影响有两个相反的作用,纤维的增强作用将使硬度增大,而孔隙率的增加将导致硬度的减小.炭/炭复合材料的抗弯强度随着纤维体积分数的增加而增加,但因纤维体积分数的增加会导致孔隙减小.致使热解炭不能充分地渗透填充到纤维间的孔隙内,抗弯强度下降,所以随着纤维体积分数的增加,材料的弯曲强度会出现拐点.随着预制体热处理温度的不同,炭/炭复合材料有脆性断裂、整束纤维拔出的假塑性断裂和部分炭纤维拔出的假塑性断裂三种断裂机制.     

炭/炭刹车副表面硬度对摩擦磨损性能的影响

对等温CVD沉积所得两种不同结构的炭/炭复合材料,不同表面硬度下的摩擦磨损性能进行了研究.其中A材料是光滑层结构,B材料是粗糙层和光滑层的混合结构.摩擦试验在实验室规模的MM-1000摩擦试验机上进行.试验表明:随着热处理温度的提高,不同材料的表面硬度均在下降;但在经历相同热处理温度后,B材料的表面硬度比A材料的低;表面硬度较低的B材料塑性较强,摩擦面上的磨屑易于形成致密、连续的摩擦膜,有利于保持稳定而较高的摩擦系数.     

CLVI制备C/C复合材料的微观结构及力学性能研究

采用快速化学液相气化渗透法制备了碳／碳复合材料，沉积温度为850－1400℃，系统压力约0.1MPa。利用偏光显微镜及扫描电子显微镜观察了基体热解碳的微观组织结构及断口形貌特征；针对该技术特殊的致密化环境，研究了三种类型热解碳的形成条件及沉积过程；观察结果表明：粗糙层热解碳以层状方式生长，生长层面为曲面形状，热解碳微观结构呈现出锥形生长特征；同时测定了材料的力学性能，发现材料破坏形式属于剪切一拉伸的复式破坏，但拉伸破坏为主导形式，材料的纤维／基体粘结强度较高，薄弱环节是层间结合部位。     

微观组织结构对C/C复合材料力学行为的影响

采用快速化学液相气化渗透法制备了2D—C／C复合材料，沉积温度为1200-1250℃，系统压力约0．1MPa．利用偏光显微镜及扫描电子显微镜观察了不同沉积温度制备的基体热解碳的微观组织结构及断口形貌．实验结果表明，1200℃沉积的基体热解碳中粗糙层组织占大多数，其弯曲强度较高、韧性较低；1250℃的基体热解碳呈现为光学各向异性程度不同的光滑层／粗糙层交替层状组织，其弯曲强度较低、韧性较高，具有非脆性断裂行为．不同微观结构的材料具有不同的强度及断裂模式，除了纤维／基体间界面结合强度不同外，不同温度沉积得到的热解碳微观结构的不同引起裂纹在不同微观结构碳层内的扩展阻力也会不同．此外，裂纹在光滑层／粗糙层界面处的偏转会导致断裂面的高低不平，从而使后者韧性增强．     

不同基体炭结构的炭/炭复合材料在制动过程中的温度场研究

利用有限元热分析软件仿真了三种不同基体炭结构的炭/炭复合材料在制动过程中瞬态温度场,并通过模拟制动试验进行了验证,对比仿真计算结果与实验测试结果表明:三种样品的温度场仿真结果与实验结果基本吻合,在轴向方向存在明显的温度梯度,具有树脂炭基体的样品的温度场变化与具有粗糙层热解炭基体的样品类似,但树脂炭基体的样品的最高温度及温度梯度大于粗糙层热解炭基体的样品,而光滑层热解炭基体的样品在刹车过程中的最高温度均低于粗糙层热解炭和树脂炭基体的样品,达到最高温度的速度远远落后于前两种样品,且其温度梯度最小.炭/炭复合材料在制动过程中的瞬态温度场分布与材料的摩擦磨损性能及热传导性能密切相关,制动功率大会导致材料的摩擦表面温升高,达到最高温度的时间缩短;材料的导热性能好会导致热量的传递速度加快,使温度梯度减小.     

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.     

不同预制体结构炭/炭复合材料烧蚀性能

采用电弧驻点烧蚀实验方法, 测试了分别以细编穿刺毡和针刺无纬布整体毡为增强体的2种C/C复合材料的烧蚀率, 并用电子扫描显微镜观察了烧蚀表面形貌。结果表明: C/C复合材料的烧蚀由化学烧蚀和机械剥蚀共同控制, 以机械剥蚀为主; 细编穿刺毡结构C/C复合材料由于Z向纤维束的存在, 加速了材料烧蚀表面粗糙度的变化, 烧蚀率略高于针刺无纬布整体毡结构C/C复合材料; 针刺无纬布整体毡结构C/C复合材料中无纬布层与烧蚀气流垂直, 具有良好的烧蚀性能。     

国内外C/C复合材料疲劳性能的研究进展

主要介绍了近年来国内外C/C复合材料疲劳性能的研究进展,并根据疲劳载荷类型系统地总结了C/C复合材料疲劳性能的主要研究方法,归纳出C/C复合材料疲劳损伤的主要特点,即多种损伤形式、高的疲劳极限、剩余强度增加以及实验测试数据分散性大。在此基础上,提出了进一步研究C/C复合材料的疲劳性能值得关注的课题。     

化学气相反应法制备SiC涂层对C/C复合材料力学性能影响

采用化学气相反应法在C/C复合材料表面制备了SiC涂层,利用X射线衍射仪、扫描电镜及能谱等分析手段研究了涂层的形貌和结构,并采用三点弯曲试验研究了材料的力学性能,讨论了SiC涂层及制备工艺对复合材料断裂行为的影响.结果表明:涂层后材料的弯曲强度和最大断裂位移明显增大.未涂层C/C复合材料的平均弯曲强度为172.4MPa,而涂层后C/C复合材料的平均弯曲强度为239.8MPa,弯曲强度提高了39.1%.涂层试样强度的提高主要与制备过程中部分蒸气扩散渗透反应引起的界面强化及SiC颗粒的增强作用有关.此外,涂层后材料的断裂模式未发生明显转变,断裂过程中试样表现出一定的假塑性和韧性断裂特征.     

苯并噁嗪及其在制备C/C复合材料领域的研究进展

综述了国内外新型热固性树脂苯并噁嗪聚合物的固化机理、固化体积变化、热分解机理及其复合材料的研究进展,并通过分析树脂体系的黏度、浸润性及其固化物的残炭率和炭的形貌,初步判断了苯并噁嗪树脂在制备C/C复合材料领域的应用前景。     

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。     

三维C/C复合材料的压缩性能及破坏机制

采用扫描电镜、激光共聚焦显微镜观察和力学性能测定的方法，研究了三维C/C复合材料微观结构形貌，以及材料x向、y向和z 向的压缩性能。结果表明，材料内部缺陷明显，纤维束/基体界面结合较弱，材料z向压缩强度和破坏应变均大于x向和y向，压缩应力-应变曲线开始阶段近似线性，随着载荷的增加，曲线表现出明显的非线性特征。从宏观上考察了材料的压缩破坏机制，材料x向、y向和z向破坏模式均为剪切型破坏，纤维/基体界面结合强度对破坏模式影响明显。