C/C-SiC摩擦材料的研究进展

综述了C/C-SiC摩擦材料的研究现状,以及C/C-SiC摩擦材料的发展历程。详细分析C/C-SiC摩擦材料的摩擦磨损性能影响因素及机理,介绍了C/C-SiC摩擦材料的改性及应用现状,并对未来的研究重点进行了展望。     

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。     

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.     

不同制动速度下C/C-SiC-Fe材料的摩擦磨损行为及机理

以针刺炭纤维整体毡为预制体,采用化学气相沉积法制备C/C多孔体,然后熔融浸渗Si和Fe制得C/C-SiC-Fe材料,研究制动速度对C/C-SiC-Fe材料摩擦磨损性能的影响.采用SEM观察了C/C-SiC-Fe的磨损表面及磨屑形貌,结果表明:C/C-SiC-Fe材料的高速制动平稳,随制动速度的提高其摩擦因数先升高后降低,制动速度为12 m/s时,摩擦因数达到最大值0.59;随着制动速度的提高,磨损率先增加后降低;当制动速度为24 m/s时,磨损率又急剧上升至3.3×10-8cm3/(N?m);摩擦磨损机制在低速制动条件下主要表现为磨粒磨损;中速时以粘着磨损为主;高速时以疲劳磨损和氧化磨损为主.     

摩擦压力和干湿条件对铜铝基材料摩擦性能的影响

采用粉末冶金摩擦技术制备了铜铝基摩擦材料;利用定速摩擦试验机测试了在不同摩擦压力下该材料摩擦性能的变化,同时比较了干湿两种摩擦方式下摩擦性能的异同.结果表明:摩擦速度低于1500 r/min时,摩擦系数随压力的升高变化不大,磨损率增大;摩擦速度高于1500 r/min时,摩擦系数随压力升高而增加;摩擦速度低于1000 r/min时,湿摩擦的摩擦系数高于干摩擦,摩擦速度高于该速度时,两者的摩擦系数相近,湿摩擦的磨损量要高于干摩擦.     

SiC颗粒强化铜基粉末冶金摩擦材料的表面形貌特征及磨损机理

采用粉末冶金方法制备铜基摩擦材料,研究SiC含量对材料摩擦磨损性能的影响,探讨材料摩擦表面和亚表面的演变规律,揭示材料的摩擦磨损机理。结果表明:不含SiC材料的摩擦表面出现大量凹坑,磨损严重,磨损机理以黏着磨损为主;当SiC含量低于6%(质量分数)时,材料表面出现较多凹坑及浅犁沟,继续提高SiC含量,凹坑数量减少直至消失,材料表面犁沟的深度及宽度增加,表面及亚表面出现裂纹,材料主要磨损机理由黏着磨损和轻微犁削磨损向剥层磨损和严重犁削磨损转变。     

温压-熔融渗硅法制备C/C-SiC摩擦材料及其摩擦磨损性能

以短切炭纤维、石墨粉、硅粉、树脂为原料,采用新开发的温压-熔融渗硅(WC-RMI)法制备C/C-SiC摩擦材料,对不同制动速度下材料的摩擦磨损性能进行研究,并对温压-熔融渗硅法的制备工艺过程进行理论分析。结果表明:C/C-SiC材料的密度可达1.78g/cm3,残留单质Si的含量为0.3%,摩擦因数为0.36～0.43,体积磨损量低至0.6×10-2cm3/MJ,且随着制动速度的增大,其磨损量迅速下降并趋于平稳;C/C-SiC材料在摩擦过程中能够形成光亮、平整、连续的摩擦膜,有效降低C/C-SiC材料的磨损量。     

不同制动速度下炭布叠层炭/炭复合材料的摩擦磨损行为及机理

用模拟刹车制动的方法探讨了一种炭纤维布叠层炭 /炭复合材料在不同制动速度下的摩擦磨损行为 ,并用扫描电子显微镜对摩擦表面进行了观察和分析。研究结果表明 :在 5m/s的制动速度下 ,该种材料表现出低的摩擦因数 ,但随制动速度升高至 2 0m/s时 ,摩擦因数迅速升高至最大值 0 .4 0 ;当制动速度增大到 2 8m/s或 30m/s时 ,摩擦因数仅略降低至 0 .35 ,该材料表现出优良的高速高能摩擦性能。另一方面 ,制动速度升高至 2 0m/s时 ,即摩擦因数最大时 ,磨损才变得明显 ,而且随制动速度的继续升高 ,磨损呈直线增大。表面显微组织观察表明 ,在较低制动速度下 ,在摩擦表面产生了薄膜 ,对应摩擦因数较低 ,磨损小 ;在 2 0～ 2 5m/s制动速度下 ,摩擦表面形成较厚的表面膜层 ,对应摩擦因数高 ,磨损大 ;在 2 8～ 30m/s制动速度下 ,剧烈的摩擦剪切和氧化作用使摩擦表面严重破坏 ,表面基质炭氧化严重 ,纤维则被拉断或拔出     

短炭纤维增强C/C-SiC制动材料的摩擦磨损性能

采用温压？原位反应法制备C/C-SiC复合材料,利用QDM150型摩擦试验机研究短炭纤维（SCF）长度和纤维体积分数对C/C-SiC制动材料摩擦磨损性能的影响。结果表明：C/C-SiC制动材料能够保持较高且稳定的摩擦因数;SCF的体积分数将影响C/C-SiC制动材料的摩擦磨损性能,纤维体积分数为10%时,材料具有适中的摩擦因数和较低的磨损率;SCF长度对C/C-SiC制动材料的摩擦磨损性能有显著影响,炭纤维长度为12 mm时,材料具有最佳的摩擦磨损性能。     

表面织构对金属-聚甲醛材料摩擦副磨损行为与机理的影响

目的研究表面织构对金属-聚甲醛(POM)摩擦副磨损行为和机理的影响。方法通过光刻-电解的方法加工出带有不同参数凹坑的不锈钢试样与聚甲醛(POM)材料配副,在万能摩擦磨损试验机上进行摩擦磨损实验,以评价其摩擦学性能。利用光学显微镜、三维形貌仪和SEM对磨损后的表面形貌以及磨屑形态进行观察分析。结果凹坑深度为5μm、面积率为10%时,减磨效果最明显,磨损率相比无织构试样下降了36.2%。凹坑深度为10μm时,表面织构的引入起到了增大磨损的效果。结论合适参数的表面织构能够有效减小大面积的材料粘着转移现象,对摩擦副具有良好的减磨效果。不恰当的表面织构参数会在凹坑边缘引发严重的应力集中现象,导致不锈钢试样对软材料微切削作用产生,这也是材料磨损率急剧增大的原因。     

C／C坯体对RMI C／C—SiC复合材料组织的影响

以PAN基炭纤维（Cf）针刺整体毡为预制体，用化学气相渗透（CVI）、浸渍炭化（IC）方法制备了不同炭纤维增强炭基体的多孔C／C坯体，采用反应熔渗（RMI）法制备C／C—SiC复合材料，研究了渗Si前后坯体的密度和组织结构。结果表明：不同C／C坯体反应溶渗硅后复合材料的物相组成为SiC相、C相及单质Si相；密度低的坯体熔融渗硅后密度增加较多；密度的增加与开口孔隙度并不是单调增加的关系，IC处理的坯体开口孔隙度低，但渗硅后复合材料的密度增加较多；IC坯体中分布分散的树脂C易与熔渗Si反应，CVI坯体中的热解C仅表层与熔渗Si反应，在Cf和SiC之间有热解C存在；坯体密度相同时，IC处理的坯体中SiC量较多，单质Si相含量少且分散较好，而CVI坯体中SiC量较少，单质Si相的量较多；制备方法相同时，高密度的C／C坯体，渗硅后C相较多。     

温压-原位反应法制备C/C-SiC材料的压缩性能及其破坏机理

以短炭纤维、炭粉、Si粉、树脂和粘结剂为原料,采用温压-原位反应法（WC-ISR）制备C/C-SiC制动材料,研究该材料的压缩性能及其破坏机理。结果表明：C/C-SiC制动材料的纵向压缩强度可达118.2 MPa,纵向压缩破坏表现为韧性断裂,以对角剪切破坏方式为主;横向压缩强度可达86.9 MPa,横向压缩破坏主要表现为脆性断裂,以多层复合剪切破坏方式为主。C/C-SiC制动材料的压缩性能分别随炭纤维和SiC含量的增加而增大,且炭纤维含量的影响更加显著;但随基体炭含量的增加而降低。     

RMI法制备穿刺C/C-SiC复合材料的微结构及烧蚀性能研究

以无纬布/网胎0°/90°叠层穿刺预制体为增强体,采用化学气相渗(Chemical vapor infiltration,CVI)、树脂浸渍碳化(Polymer infiltration carbonization,PIC)与反应熔渗(Reactive melt infiltration,RMI)复合工艺制备穿刺C/C-SiC复合材料,研究其微观组织及在C₂H₂-O₂焰中的烧蚀行为。结果表明：无纬布、穿刺纤维束由CVI+PIC制备的碳基体填充而形成致密C/C区域,RMI生成的SiC主要位于网胎层中,其含量37.3wt%。复合材料表面因过量硅化而形成了SiC富集层。烧蚀距离20mm、O₂:C₂H₂=2:1时,烧蚀600s后材料X-Y、Z向线烧蚀率分别为：0.8×10^_-4 mm/s、3.6×10^_-4 mm/s,比PIP工艺制备C/C-SiC材料烧蚀率小一个数量级。烧蚀面SiC富集层保护及被动氧化作用是材料具有优异抗氧化烧蚀性能的主要原因。随烧蚀距离由20mm向10mm减小,复合材料烧蚀率先缓慢变化后快速增大,烧蚀率快速增长阶段复合材料发生主动氧化烧蚀。     

Tribological characteristics of C/C-SiC braking composites under dry and wet conditions

C/C-SiC braking composites, based on reinforcement of carbon fibers and matrices of carbon and silicon carbide, were fabricated by warm compaction and in situ reaction process. The tribological characteristics of C/C-SiC braking composites under dry and wet conditions were investigated by means of MM-1000 type of friction testing machine. The influence of dry and wet conditions on the tribological characteristics of the C/C-SiC composites was ascertained. Under dry condition, C/C-SiC braking composites show superior tribological characteristics, including high coefficient of friction （0.38）, good abrasive resistance （thickness loss is 1.10 μm per cycle） and steady breaking. The main wear mechanism is plastic deformation and abrasion caused by plough. Under wet condition, frictional films form on the worn surface. The coefficient of friction （0.35） could maintain mostly, and the thickness loss （0.70 μm per cycle） reduces to a certain extent. Furthermore, braking curves are steady and adhesion and oxidation are the main wear mechanisms.     

热处理对C/C-SiC接头连接强度的影响

C纤维增强C和SiC双基复合材料(C/C-SiC)的连接是其能否得到广泛应用的关键技术之一。采用硼改性酚醛树脂以及B4C和SiO2填料通过反应成形连接工艺连接C/C-SiC,研究热处理温度(300～1000℃)对连接件强度保留率的影响。结果表明,随着热处理温度的升高,强度保留率先降低,在800℃时达到最低值80.6%,然后随着温度进一步升高,强度保留率又升高,在1000℃时达到88.1%,表明连接件具有较好的耐热性能。随着热处理温度的升高,连接层相组成发生变化。连接件经过1000℃处理30min后,连接层由B4C、SiO2和玻璃碳以及无定型B2O3组成,C、Si、O和B元素分布都较为均匀,并在界面处发生了扩散,连接件断裂方式为混合断裂。     

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。     

Tribological properties and thermal-stress analysis of C/C-SiC composites during braking

The tribological properties and thermal-stress behaviors of C/C-SiC composites during braking were investigated aiming to simulate braking tests of high-speed trains. The temperature and structural fields of C/C-SiC composites during braking were fully coupled and simulated with ANSYS software. The results of tribological tests indicated that the C/C-SiC composites showed excellent static friction coefficient (0.68) and dynamic friction coefficient (average value of 0.36). The highest temperature on friction surface was 445 °C. The simulated temperature field showed that the highest temperature which appeared on the friction surface during braking was about 463 °C. Analysis regarding thermal-stress field showed that the highest thermal-stress on friction surface was 11.5 MPa. The temperature and thermal-stress distributions on friction surface during braking showed the same tendency.     

Si-Mo-SiO2 oxidation protective coatings prepared by slurry painting for C/C-SiC composites

Three types of Si-Mo-SiO₂ coatings: two single-layered ones by different slurry paintings and a final sintering, and three-layered one by triple paintings followed by sintering each time, have been fabricated on the surface of C/C-SiC composites. The coatings were composed of SiC, MoSi₂, Si and SiO₂. The two single coatings had a microstructure with many pinholes and deep microcracks and had no obvious protection for C/C-SiC composites in air in the range of 1273-1673 K. While the triple Si-Mo-SiO₂ coating had a microstructure with much less defects and could provide more than 100 h protection at 1473-1673 K in air and kept intact in the course of 50 cycles of thermal shock test between 1673 K and 373 K. The excellent anti-oxidation ability and thermal shock resistance of the triple Si-Mo-SiO₂ coating can be attributed to its relatively integral microstructure and the self-sealing of microcracks during oxidation.