真空吸注法制备C/SiC摩擦材料及其性能

以针刺碳毡为预制体,将成品SiC粉末、酚醛树脂机械搅拌成混合浆液,采用真空吸注法制备C/SiC摩擦材料,测定了不同SiC含量摩擦材料的致密性,利用销盘式摩擦磨损试验机研究了不同接触载荷工况下C/SiC摩擦材料的摩擦磨损性能,并采用USB电子显微镜观察其表面磨损形貌。研究结果表明:C/SiC复合材料的磨损率随着SiC含量的增加呈先减小后增大的变化趋势,其摩擦系数呈增加趋势,但随着接触载荷的增加其磨损率、摩擦系数均呈现先减小后增大的变化趋势。综合比较,当SiC含量为25%时,其复合材料的致密性、摩擦性能最好,磨损率为2.3×10~(-7)g·N~(-1)m~(-1),摩擦系数为0.42,密度达到1.28g/cm~3。     

碳/碳复合飞机刹车材料低能摩擦性能研究

研究了碳/碳(简称C/C)复合飞机刹车材料在低能载条件下的摩擦磨损性能,分析了刹车力矩与刹车速度之间关系曲线,探讨了C/C复合材料因能载变化出现摩擦系数最大值的根本原因.结果表明:随着刹车比压增加,摩擦系数最大值下降;低能条件下C/C复合材料摩擦面较粗糙,磨损率约为正常能载下的两倍.     

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.     

AZ80A、ZK60A和ME20M镁合金干摩擦学性能研究

镁合金被广泛应用于航空航天、汽车及军事等领域,但其摩擦学性能对零部件的服役寿命和可靠性具有重大影响.本研究采用往复式球-盘摩擦方式,通过与GCr15钢球配副,研究干摩擦条件下AZ80A、ZK60A和ME20M镁合金在不同滑动速度和载荷条件下的摩擦磨损行为.采用扫描电子显微镜和能谱仪分析镁合金的显微结构及磨损机理.结果表明:当滑动速度超过0.10 m/s时,随着速度的增加,合金的摩擦系数逐渐降低,而磨损率则先减小后增大,其原因在于摩擦热的作用导致摩擦表面形成了氧化物,同时材料表面软化,剪切力降低,使摩擦系数和磨损率不断减小;当滑动速度增加到0.20 m/s时,摩擦表面温度升高,金属软化导致磨损表面金属氧化物剥落,增大了合金的磨损率.随着载荷的增加,合金的摩擦系数和磨损率持续降低.干摩擦条件下镁合金的磨损机理逐渐由磨粒磨损和塑性变形转变为磨粒磨损、氧化磨损、粘着磨损和塑性变形.与ZK60A和ME20M相比,AZ80A镁合金表现出较好的摩擦学性能,这归因于合金的高硬度、β-Mg17 Al12硬质相的支撑作用以及摩擦过程中形成的氧化物.     

SiCp/Al复合材料-半金属刹车材料干摩擦磨损性能研究

采用无压浸渗法制备15%(体积分数,下同),25%,35%,45%,55%的SiC颗粒(45,63μm)增强的铝基复合材料(SiCp/Al).在M-200型环块式磨损试验机上研究了SiCp/Al复合材料、灰铸铁(HT250)分别与半金属刹车材料配副的干摩擦磨损性能.结果表明,颗粒体积分数对复合材料摩擦系数的影响显著,而颗粒尺寸对复合材料摩擦系数影响不大.当颗粒体积分数从15%上升到55%时,SiCp(45μm)/Al复合材料的摩擦系数从0.319升高到0.385,提高20.7%,SiCp(63μm)/Al复合材料的摩擦系数从0.303升高到0.359,提高18.5%,且SiCp/Al复合材料摩擦系数的稳定性优于铸铁.HT250-刹车材料摩擦副的磨损率为7.09×10-6cm3m-1,是55%SiCp(45μm)/Al-刹车材料摩擦副的2.2倍,是55%SiCp(63μm)/Al-刹车材料摩擦副的2.7倍,SiCp/Al-刹车材料摩擦副的耐磨性明显优于铸铁-刹车材料摩擦副. SiCp/Al-刹车材料摩擦副的磨损率随着颗粒尺寸的增加而降低.     

高温处理对碳/碳复合材料摩擦学性能影响

研究了高温处理对化学气相沉积碳/碳(简称C/C)复合材料摩擦磨损性能的影响,分析了经过不同温度处理的试样的刹车力矩-刹车时间曲线.结果表明:随着处理温度的升高,C/C复合材料的干态平均动摩擦系数由大变小,湿态平均动摩擦系数及干态平均静摩擦系数由小变大.经过2500℃处理的C/C材料,不仅刹车过程平稳,湿态平均动摩擦系数衰减少,而且磨损率小.当刹车比压和能载增加时,经过不同温度处理的四种试样干态及湿态平均动摩擦系数均相应下降.     

(TiC-TiB2)-Ni复合陶瓷的高温摩擦磨损性能

为了进一步优化复合陶瓷的制备工艺,以采用高温自蔓延合成法(SHS)制备的(Ti C-Ti B2)-30%Ni复合陶瓷材料作为研究对象,研究其在不同温度、载荷和摩擦速度下的摩擦系数和磨损率。采用光电分析天平对磨损前后试样进行称重,采用扫描电子显微镜(SEM)对磨损形貌进行观察。结果表明:在磨损温度、摩擦载荷和速度较低时,摩擦系数较高,此时的磨损机制主要为磨粒磨损;随着温度、载荷和速度的升高,磨损表面生成氧化膜,此时磨损机制变化为氧化磨损,摩擦系数降低;磨损率随温度的升高呈现降低的趋势,但随着载荷和速度的增加,磨损率也随之增大。     

高性能C/SiC刹车材料及其优化设计

对比分析了 C/ C和 C/ SiC刹车材料的力学性能和摩擦磨损性能。结果表明 , C/ SiC刹车材料的力学性能比 C/ C的高 , 而且 C/ SiC刹车材料克服了 C/ C静态摩擦系数低和湿态摩擦性能严重衰减的不足 , 说明 C/ SiC刹车材料是一种新型高性能刹车材料。以 C/ C复合材料为基础 , 在深入分析机轮刹车盘服役环境特点的基础上探讨了 C/ SiC刹车材料的力学性能、 热物理性能、 摩擦磨损性能、 复合材料结构和制造工艺等方面的优化设计途径和方法 , 为实现材料微结构2力学性能2摩擦磨损性能的协同设计与制造奠定基础。      

镍基复合材料在水环境中的摩擦学性能及磨损机理研究

本文考察了Ni-SiC-石墨系复合材料在水环境中的摩擦学性能,并研究其磨损机理.结果表明:复合材料在水环境中的摩擦系数比干摩擦降低了一半左右,磨损率仅为干摩擦下的1/15,水环境中,负荷和速度的变化对摩擦系数的影响不大,摩擦系数基本保持在0.28～0.32之间,磨损率随负荷和滑动速度的增加而不断增加.磨损表现为机械微切削;摩擦副表面吸附水的边界润滑作用以及水的冷却作用使材料容易耗散摩擦热,塑性变形减小,严重粘着磨损明显减轻.水的存在使不锈钢偶件更容易发生氧化,同时暴露于磨损表面的SiC以及由于水的渗透而导致与基体脱粘的SiC,易被氧化生成SiO2,进而SiO2发生水合反应在磨擦对偶表面生成不均匀的SiO2·nH2O水合反应膜,起到了一定的减磨润滑作用,显著降低摩擦系数和磨损率.     

低能载条件下C/C复合材料滑动摩擦磨损性能

采用MM-200型环-块摩擦磨损试验机测试了针刺碳毡增强C/C复合材料试样在不同载荷和转速条件下的摩擦磨损性能,借助数码显微镜和扫描电镜观察分析了摩擦表面形貌。结果表明:当转速较低时,摩擦系数比较稳定,磨损率随载荷提高而增大;当转速较高时,低载荷试样摩擦系数不大,磨损率有所增加,而高载荷试样的摩擦系数在5分钟左右时出现峰值然后回落并保持稳定,磨损率急剧增加,说明磨损机制发生变化;摩擦面平行于X-Y向的C/C复合材料磨损率较小,具有较好的摩擦磨损性能。     

C/SiC摩擦材料的制备及摩擦磨损性能

通过化学气相渗透法(CVI)结合反应熔体浸渗法(RMI)制备了低成本、高性能的C/SiC飞机摩擦材料, 并模拟飞机正常着陆条件进行了摩擦磨损实验. 实验结果表明: C/SiC是比C/C更优的飞机摩擦材料, 具有动、静摩擦系数高(分别为0.34、0.41), 湿态几乎无衰减(约2.9%), 磨损小(约1.9μm/次), 摩擦性能稳定等特点. 并采用金相显微镜、扫描电镜等对C/SiC摩擦材料的摩擦面以及磨屑形貌进行了观察, 并对其磨损机理进行了探索. 结果表明, 磨损机理以磨粒磨损为主, 同时由于垂直于摩擦面的纤维束增强了其层间抗剪切能力, 从而提高了其抗磨损性能.     

反应熔体渗透C/SiC复合材料的摩擦性能

以不同结构类型及密度的C/C复合材料为预制体,采用反应熔体渗透法制备了C/SiC复合材料,研究了不同结构C/SiC复合材料的密度、组分含量、热扩散系数与摩擦性能相互之间的关系.结果表明随着碳含量的降低,复合材料的密度增加;短切纤维C/SiC、低密度针刺C/SiC与高密度针刺C/SiC复合材料的平均摩擦系数分别为:0.28,0.28与0.42;随着热扩散系数的增加,复合材料的摩擦稳定性系数升高;并且对于短切纤维C/SiC,摩擦实验后基本形成了连续光亮的摩擦面.     

三维针刺C/SiC刹车材料的热物理性能

通过化学气相渗透(CVI)法结合反应熔体浸渗(RMI)法制备了三维针刺C/SiC刹车材料, 系统研究了三维针刺C/SiC刹车材料的热物理性能。结果表明: C/SiC刹车材料的热膨胀系数随温度升高总体呈增大趋势, 但呈规律性波动; 在相同温度下, 垂直于摩擦面方向的热膨胀系数远大于平行方向的。从室温至1300 ℃, 平行和垂直于摩擦面方向的平均热膨胀系数分别为1.75×10-6K-1和4.41×10-6K-1; C/SiC刹车材料的比定压热容随温度的升高而增大, 但增大速率逐渐减小。温度从100 ℃升到1400 ℃, 其比定压热容从1.41 J/(g·K) 增大到1.92 J/(g·K); C/SiC刹车材料的热扩散率随温度的升高而降低, 并趋于常量。平行于摩擦面方向的热扩散率明显大于垂直于摩擦面方向的热扩散率。      

复合材料在传动过程中的摩擦磨损行为

采用化学气相渗透法(CVI)制备了二维碳纤维增强碳化硅(C/SiC)陶瓷基复合材料. 基于耦合应力等效模拟系统的开发, 采用摩擦扭矩的变化表征传动过程的摩擦磨损性能. 研究了以传动为背景的高载荷、低转速摩擦磨损行为及机理. C/SiC复合材料以其较低的摩擦扭矩、低的磨损率特别是在高载荷下的较小变形验证了良好的耐磨特性以及承载能力. 相同条件下其磨损率只有Ti合金的1/10～1/20. 低转速下磨损机理以磨粒磨损为主, 高载荷没有引起表面热裂纹.     

Preparation, Properties and Application of C/C-SiC Composites Fabricated by Warm Compacted-in situ Reaction

Carbon fibre reinforced carbon and SiC dual matrices composites (C/C-SiC) show superior tribological properties, high thermal shock resistance and good abrasive resistance, and they are promising candidates for advanced brake and clutch systems. The microstructure, mechanical properties, friction and wear properties, and application of the C/C-SiC composites fabricated by warm compacted-in situ reaction were introduced. The results indicated that the composites were composed of 50-60 wt pct carbon, 2-10 wt pct residual silicon and 30-40 wt pct silicon carbide. The C/C-SiC brake composites exhibited good mechanical properties. The value of flexural strength and compressive strength could reach 160 and 112 MPa, respectively. The impact strength was about 2.5 kJ·m^-2. The C/C-SiC brake composites showed excellent tribological performance, including high coefficient of friction (0.38), good abrasive resistance (1.10 μm/cycle) and brake steadily on dry condition. The tribological properties on wet condition could be mostly maintained. The silicon carbide matrix in C/C-SiC brake composites improved the wear resistance, and the graphite played the lubrication function, and right volume content of graphite was helpful to forming friction film to reduce the wear rate. These results showed that C/C-SiC composites fabricated by warm compacted-in situ reaction had excellent properties for use as brake materials.     

Microstructure and properties of 3D needle-punched carbon/silicon carbide brake materials

The carbon/silicon carbide brake materials were prepared by chemical vapor infiltration (CVI) combined with liquid melt infiltration (LMI). The carbon fiber preform was fabricated with the three dimension needling method. The microstructure, mechanical, thermophysical, and frictional properties of C/SiC composites were investigated. The results indicated that the composites were composed of 65 wt%C, 27 wt%SiC, and 8 wt%Si. The density and porosity were 2.1 g cm⁻³ and 4.4%, respectively. The C/SiC brake materials exhibited excellent toughness. The average dynamic friction coefficient and static friction coefficient of the materials were about 0.34 and 0.41, respectively. The friction coefficient was stable. The fade ratio of the friction coefficient under moist conditions was about 2.9%. The linear wear rate was less than 1.9 μm side⁻¹ cycle⁻¹. These results show that C/SiC composites have excellent properties for use as brake materials for aircraft.     

纳米SiC和微米SiC填充聚醚醚酮的磨损机理研究

利用热压法分别以纳米ＳｉＣ和微米ＳｉＣ作为填产制取了两类不同ＳｉＣ填充的聚醚醚酮复合材料，并对它们在干摩擦条件下的摩擦磨损性能进行了研究，同时还用扫描电子显微镜对摩擦表面形貌进行了观察，进而对材料的磨损机理作了分析与讨论。研究结果表明，１０％（ｗｔ）纳米ＳｉＣ作为填料能有效的改善其填充聚醚醚酮的摩擦磨损性能，而相同含量的微米ＳｉＣ作为填为只能使其填充聚醚醚酮的耐磨性能有所改善，但没有减摩效果。微米     

Internal friction and dynamic modulus of three-dimensional silicon carbide-matrix composites

The internal friction and dynamic modulus of 3D C/SiC and SiC/SiC composites were investigated by means of forced vibration at elevated temperatures from room temperature to 600 °C, and the relationship between the microstructural defects in the composites and the internal friction mechanism was also discussed. It was found that the microstructural defects, which are produced by the mismatch of the coefficient of thermal expansion (CTE) between the fiber and matrix, have an important effect on the internal friction behavior and dynamic modulus of 3D C/SiC and SiC/SiC composites. C/SiC composites have a higher internal friction and lower dynamic modulus than SiC/SiC composites in the same testing conditions because of the damage.     

界面相对3D-SiC/SiC复合材料静态力学性能及内耗特征的影响

采用先驱体浸渍裂解工艺制备无界面、SiC、PyC和PyC/SiC等界面相SiC/SiC复合材料,研究了SiC/SiC复合材料的微观结构及静态力学性能,并通过强迫振动法系统分析了界面相对复合材料内耗行为的影响。研究结果表明,引入界面相有效改善了复合材料的微观结构及力学性能,并降低了复合材料的内耗。其中, PyC/SiC复相界面中亚层SiC限制了PyC界面相与纤维的结合及塑性形变,提高了复合材料的力学性能;同时,界面相对SiC/SiC复合材料内耗行为有显著影响,材料内耗水平与界面剪切强度成反比。对比50和350℃时的材料内耗变化率发现,随界面剪切强度增大,材料内耗呈降低的趋势,且含有PyC的PyC/SiC界面复合材料具有较低的内耗变化率,说明PyC/SiC复相界面的SiC/SiC复合材料更适于高温振动环境。     

C/C‐SiC Composites for Advanced Friction Systems

Ceramic Matrix Composites (CMC), based on reinforcements of carbon fibres and matrices of silicon carbide, show superior tribological properties in comparison to grey cast iron or carbon/carbon. In combination with their low density, high thermal shock resistance and good abrasive resistance, these Si‐infiltrated carbon/carbon materials, called C/SiC or C/C‐SiC composites, are promising candidates for advanced friction systems. Generally, the carbon fibres lead to an improved damage tolerance in comparison to monolithic SiC, whereas the silicon carbide matrix improves the wear resistance compared to carbon/carbon. In combination with new design approaches cost‐efficient manufacturing processes have been developed and have lead to successfully tested prototypes of brake pads and disks, especially for passenger cars and emergency brake systems.