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。     

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。     

C/C-SiC陶瓷基复合材料刹车副摩擦性能研究

以不同孔隙率的C/C复合材料为预制体,以甲基三氯硅烷(CH3SiCl3)为反应源气,以氩气为载气,高纯氢气为稀释气体,用化学气相渗透法(CVI)制备一系列C/C-SiC复合材料.通过在MM-2000摩擦磨损实验机上的摩擦试验,对该系列材料的摩擦磨损性能进行了研究,详细分析了不同压力和摩擦环境(湿态和干态)对材料摩擦性能的影响.结果表明,在外界条件相同的情况下,随着压力的增大,材料的摩擦系数先增大后降低;随着SiC含量增加,材料摩擦磨损性能先增强后下降,SiC含量在40%左右具有最好的摩擦磨损性能.在湿态环境下材料的平均动摩擦性能明显衰退,但是当压力增大时这种衰退的影响减小.     

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.     

C／C-SiC陶瓷基复合材料刹车副摩擦性能研究

以不同孔隙率的C／C复合材料为预制体，以甲基三氯硅烷（CH3SiCl3）为反应源气，以氩气为载气，高纯氢气为稀释气体，用化学气相渗透法（CVI）制备一系列C／C—SiC复合材料。通过在MM-2000摩擦磨损实验机上的摩擦试验，对该系列材料的摩擦磨损性能进行了研究，详细分析了不同压力和摩擦环境（湿态和干态）对材料摩擦性能的影响。结果表明，在外界条件相同的情况下，随着压力的增大，材料的摩擦系数先增大后降低；随着SiC含量增加，材料摩擦磨损性能先增强后下降，SiC含量在40％左右具有最好的摩擦磨损性能。在湿态环境下材料的平均动摩擦性能明显衰退，但是当压力增大时这种衰退的影响减小。     

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.     

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。     

不同载荷下碳纤维增强碳基体复合材料的摩擦磨损性能

在Falex摩擦磨损实验机上研究了碳纤维增强碳基体（C／C）复合材料在不同载荷下的摩擦磨损性能,且对摩擦表面进行了SEM观察和分析。研究结果表明：C／C复合材料的摩擦系数随着载荷的增大呈现出先增大后减小的趋势,而磨损量则随着载荷的增大,整体呈现出逐渐增大的趋势;在高载荷下表面形成的磨屑膜,是导致摩擦系数减小的原因之一;随着载荷的逐渐增大,C／C复合材料的磨损由磨粒磨损为主逐渐向粘着磨损为主转变。     

石墨粒度对C/Cu复合材料载流摩擦磨损性能的影响

分别采用45、150 μm两种粒度的镀铜石墨经粉末冶金法制得C/Cu复合材料,借助销-盘式载流摩擦磨损试验机研究了石墨粒度对C/Cu复合材料载流摩擦磨损性能的影响,利用电镜对磨擦表面进行微观分析.结果表明,45μm石墨颗粒较150 μm石墨颗粒能够减少电弧发生,并提高该复合材料的力学性能和增强摩擦面润滑膜的形成,能有效降低该复合材料的摩擦系数和磨损率.     

不同相对湿度下C/C复合材料的摩擦磨损性能

在MM-1000型摩擦试验机上,对C/C复合材料在不同相对湿度下进行摩擦磨损性能实验,用扫描电子显微镜对其磨损表面形貌和磨屑进行观察分析。结果表明:随着相对湿度的增加,C/C复合材料的摩擦因数降低,质量磨损下降,且在高相对湿度下,由于水分的润滑,摩擦因数要比在低相对湿度下的更稳定,两者刹车时间相近,可见在飞机着落实际环境下,短时间内相对湿度高低对刹车性能影响不大。但长时间在高相对湿度下放置后,材料的摩擦磨损性能受到很大影响,表现为刹车时间比较长,摩擦因数和质量磨损偏低。通过分析摩擦后的材料表面及磨屑形貌,发现随着相对湿度的增加,主要磨损机理发生转变,从低相对湿度下的氧化磨损转变为高相对湿度下的剥层磨损。     

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     

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.     

碳纤维含量对Al2O3+C/ZL109混杂复合材料摩擦磨损性能的影响

利用挤压铸造法制备了A1203 C／ZLl09短纤维混杂金属基复合材料，并探讨了A1203纤维体积分数为12％时，C纤维含量对该混杂复合材料摩擦磨损性能的影响。结果表明：随着C纤维体积分数的增加，复合材料的摩擦因数和磨损率逐渐降低。12％A1203和4％C短纤维的协同作用使复合材料从轻微磨损到急剧磨损的临界转变载荷比基体合金提高了1倍。当载荷低于临界载荷时，复合材料的主要磨损机制为犁沟磨损和层离，C纤维的加入有利于磨损表面裂纹尺寸的减小。但随着载荷的逐渐增加并发生严重磨损时，基体和复合材料的磨损机制均为严重的粘着磨损甚至局部熔化磨损。     

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.     

不同成分对C/C-SiC材料摩擦磨损行为的影响与机理

采用温压-原位反应法制备C/C-SiC复合材料,研究了SiC、石墨和树脂炭成分对C/C-SiC材料摩擦磨损行为的影响及其机理.结果表明:SiC在摩擦表面摩擦膜的形成过程中起骨架作用,提高SiC的含量有利于提高摩擦系数,降低磨损率;树脂炭在材料中具有粘结各成分和提高摩擦系数的作用,但其成膜性较差,易增大磨损率;石墨粉在制动过程中起润滑作用,适量石墨粉有助于形成稳定的摩擦膜降低磨损率;摩擦表面摩擦膜的形成有利于减少C/C-SiC材料的磨损率.     

Friction and wear properties of casting in-situ silicon particle reinforced ZA27 composites

The effects of silicon particle content and testing temperature on friction and wear properties of casting in-situ silicon particle reinforced ZA27 composites were investigated. The wear mechanisms were mainly discussed by observations of both worn surfaces and their side views. The results indicated that the variations of wear resistance with increasing of silicon particle content, at all of the testing temperatures applied, showed a similar tendency with a manner of non-monotonous change. It was surpdsed that the wear resistance decreased with the increase of silicon particle content from 2 vol.% to 5 vol.%, while it increased when the content was less than 2 vol.% or more than 5 vol.%. Similarly, the friction coefficient also did not change monotonously. The dominative wear mechanism changed from a relatively severe regime of plastic deformation accompanied by adhesion wear to a mild regime of smear, then to a very severe regime of severe plastic deformation induced wear, and finally again to a relatively mild regime of smear accompanied by abrasive wear as the silicon content increased. The wear resistance always decreased with elevating testing temperature, but the decrease ranges were different for the composites with different silicon contents. The friction coefficients changed irregularly for the different composites with the increase of testing temperature. Correspondingly, the wear mechanism alternated from a mild regime of smear accompanied by abrasive wear to a severe regime of plastic deformation accompanied by adhesion wear.