国外C/C复合材料飞机刹车盘的摩擦表面特性和摩擦磨损机理

在MM-1000型摩擦试验机上,对英、法、美三国四大炭盘制造商的五种炭盘小样进行了摩擦磨损性能测试,对摩擦表面进行了宏观和扫描电子显微镜(SEM)微观形貌分析,对各试样的摩擦磨损过程和机理进行了一定的探讨.结果表明:石墨化度决定了膜的完整程度,且成正比关系,坯体结构对摩擦膜有一定的影响;纯树脂炭基体的试样表面膜厚度较小,完整致密性与热解炭基体的试样差别较大,磨损较大;C/C复合材料的机械磨损以粘着、犁沟、磨粒磨损为主,膜越完整的材料呈现出以粘着磨损为主,对于低石墨化度的和纯树脂炭基体的C/C复合材料表现出犁沟、磨粒磨损为主,粘着磨损为辅.     

石墨化处理对双层热解炭基2DC/C复合材料微观结构的影响

综合采用偏光显微镜(PLM),X射线衍射仪(XRD),扫描电子显微镜(SEM),高分辨透射电子显微镜(HRTEM)等分析方法,逐层研究了2500℃高温石墨化(HTT)处理前后双层热解炭基2D C/C复合材料的不同织构以及纤维-基体界面的变化.结果表明:HTT处理后,d002值减小,石墨化度显著提高;内层低织构热解炭的断口微观形貌与晶格条纹几乎没有变化,而外层高织构热解炭晶格条纹更加平直,尤其是发现层间裂纹密度明显增大,使得处理后的高织构热解炭在受力时,裂纹易于在层间扩展和偏转,因此可有效提高材料的韧性;同时,纤维-基体界面发生弱化也是提高材料韧性的另一机制.HTT处理前后试样的三点弯曲力学性能试验结果证实了以上机制.     

石墨化度对2.5D碳/碳复合材料在低能条件下的摩擦学性能影响

在MM-200型摩擦磨损实验机上,对2.5D编织结构的不同石墨化度的碳/碳(C/C)复合材料进行低能条件下的摩擦磨损实验,用扫描电子显微镜对其磨损表面形貌进行了观察分析.结果表明:石墨化温度升高到一定值之后,可使摩擦系数下降,而试样的摩擦系数不稳定,相应磨损量也会增大.在摩擦初始时,摩擦系数呈现交错变化,随时间的推移,摩擦系数出现分化,石墨化度高的试样摩擦系数较低,当石墨化度增加50%时,磨损率增加0.05%,磨损量变化不是很大.石墨化程度以及石墨化的均匀程度都对材料的摩擦磨损性能有很大影响.     

C/C复合材料结构显微激光喇曼光谱研究

采用显微激光喇曼光谱,以增强体为薄毡叠层、基体分别为粗糙层及光滑层结构热解炭的两种C/C复合材料为研究对象,分析、表征了两种材料炭结构的微观分布特征及其在石墨化过程中的变化状况。结果表明,不仅复合材料中不同组元,而且同一组元不同部位石墨微晶的完整度不同。在石墨化过程中,各自的石墨化进程及可石墨化能力存在差异:炭纤维体积含量较高的炭布层中的热解炭,与网胎层中的热解炭相比,石墨微晶的完整度较好,石墨化进程较快;在炭纤维体积含量较低的网胎层中,炭纤维及热解炭在其界面部位的石墨化进程较快;粗糙层结构热解炭比光滑层结构热解炭容易石墨化。借助激光喇曼光谱微区分析手段,有可能实现对复合材料中石墨化程度微观分布状态的调整和控制。     

C/C复合材料与石墨材料干态摩擦磨损行为

在M-2000型摩擦磨损实验机上,以GCr15钢为配副,对石墨材料和C/C复合材料在干态条件下的滑动摩擦进行研究。结果表明:C/C复合材料的摩擦系数和体积磨损均比石墨材料的低。具有光滑层炭结构 (SL) 的C/C复合材料的摩擦系数和体积磨损量比具有粗糙层结构 (RL) 的C/C复合材料低;低密度石墨的摩擦系数和体积磨损量比高密度石墨材料高。随时间延长,RL结构的C/C复合材料摩擦系数在60、80、200 N时有小幅度的增长,另三种则下降; SL结构的C/C复合材料摩擦系数除60 N外基本保持平稳;石墨材料的摩擦系数随时间延长表现出增长趋势。SEM观察表明: RL结构的C/C复合材料摩擦表面随载荷增加而趋向完整,SL结构的C/C复合材料的摩擦表面随载荷增加变化不大。而高密度石墨摩擦表面比密度低的石墨完整。C/C复合材料比石墨更适宜用作航空发动机轴间密封材料。      

C布预制体C/C复合材料磁电阻特性研究

C布预制体C/C复合材料试样经不同温度石墨化处理后,通过X射线衍射法标定其石墨化度,研究其磁电阻特性。结果表明:随着石墨化度的提高,C/C复合材料的磁电阻增大;石墨化度对C/C复合材料磁电阻-位向关系无影响,磁电阻-位向关系是材料本身的特性,不随石墨化度、磁场强度、测量温度等因素的变化而变化,实验用材料最大磁电阻出现在90°位向处;固定磁场强度,不同石墨化度试样的最大磁电阻随测量温度(5～300K)的增加线性降低;测量温度高于5K,外加磁场小于1.2T时,磁电阻随磁场强度的增大线性增大,场强高于1.2T后,磁电阻不再随磁场强度的增加而变化;测量温度在4.2K时,磁电阻随外加磁场的变化会出现量子化平台。     

Mo_2C改性C/C-Cu复合材料的组织及载流摩擦磨损性能

采用熔盐法在低密度炭/炭(C/C)坯体内孔表面制备了Mo_2C涂层,然后通过无压熔渗制备了C/C-Cu复合材料,研究了C/C-Cu复合材料的组织结构及载流摩擦磨损性能。结果表明:熔融Cu可自发渗入制备了Mo_2C内涂层的C/C坯体,复合材料中Cu相与C/C坯体形成相互贯穿的连通网络结构,Mo_2C涂层与Cu和热解炭(PyC)间均有良好的界面结合,反应生成Mo_2C过程中的催化石墨化及应力石墨化共同作用使C/C-Cu复合材料中Mo_2C涂层附近PyC的有序度提高。随载荷增大,C/C-Cu复合材料的摩擦系数逐渐降低,体积磨损率增大,而对偶的质量损失逐渐降低;载荷较大时材料磨损表面被摩擦膜覆盖的面积增大,但因粘着磨损摩擦膜的粗糙程度提高。材料磨损过程中还发生了氧化磨损,且载荷增大磨损表面O含量提高。     

不同纤维体积分数CVI 炭/ 炭复合材料的石墨化度

为确定不同纤维体积分数的化学气相浸渗(CVI) C/ C 复合材料的最佳热处理工艺, 以40 %、30 %、25 %三种不同纤维体积分数的针刺整体毡为坯体, 经三次CVI 后制得C/ C 复合材料, 采用X射线衍射和拉曼光谱微区分析测试了三种不同纤维体积分数的CVI C/ C 复合材料试样未经热处理及经2200 ℃、2400 ℃热处理下宏观和微区石墨化度。结果表明: 三次CVI 热解炭均为光滑层结构, 且纤维体积分数越高, C/ C 复合材料的石墨化度也越高;纤维与光滑层热解炭界面及两种不同热解炭界面在高温热处理时会发生应力石墨化, 应力石墨化程度前者大于后者, 这是纤维体积分数高的C/ C 复合材料石墨化度高的原因; 热处理温度越高, 应力石墨化程度越大。      

烧蚀过程中C/C复合材料的结构演变

利用SEM和TEM考察了3D C／C复合材料在电弧加热器上烧蚀后的材料表层显微组织结构变化。发现炭纤维和基体炭中的石墨微晶经过烧蚀后都得到了明显的发展。在距烧蚀表面几个纳米的深度范围内形成了高度取向的带状石墨织构，同时，在带状织构中间也形成了许多孔洞和缝隙。在距烧蚀表面几个微米的深度形成了卷曲柱状结构，在这些柱状结构周围有许多缺陷。在纤维和基体炭的界面区域，靠近纤维一侧形成了带状织构，且织构间的缝隙变大。     

石墨化处理对不同高织构含量C/C复合材料微结构的影响

采用化学气相沉积工艺制备出炭毡增强炭/炭(C/C)复合材料和3K炭布叠层增强C/C复合材料,并对材料进行2500℃高温石墨化处理。利用X射线衍射仪;偏光显微镜及拉曼光谱仪对所制材料进行表征。结果表明,炭毡C/C复合材料基体是单一的高织构(HT)热解炭,3K炭布叠层C/C复合材料的基体是带状组织,从纤维表面向外依次为各向同性热解炭、HT和中织构(MT)热解炭,其中HT含量低于50%;沉积态和热处理后,两种C/C复合材料都具有相似的石墨化度,且热处理后的石墨化度超过80%,但Lc值差异明显,炭纤维、MT和HT热解炭的La值均升高,其中HT热解炭升幅明显大于炭纤维和MT热解炭。HT热解炭的含量是导致这两种C/C复合材料具有相似石墨化度而Lc值却显著差异的原因。     

不同制动速度下C/C复合材料摩擦面研究

采用MM-1000型摩擦磨损试验机测试了粗糙层基体炭C/C复合材料试样在不同制动速度下的摩擦磨损性能, 借助微区拉曼光谱和扫描电镜研究了试样摩擦面的结构与形貌。结果表明粗糙层基体炭C/C复合材料具有优异的摩擦速度特性。试样的摩擦系数和试验后摩擦面上碳原子的有序度无直接对应关系, 制动速度对摩擦系数的影响应归因于制动速度对摩擦面温升和摩擦膜厚度及完整性的影响。5m/s的低制动速度下, 试样因吸附水气摩擦系数持续低值(0.15), 摩擦面上无连续摩擦膜产生; 10m/s的制动速度下水气被解吸附, 摩擦面出现多层厚膜, 摩擦系数达到峰值(0.5), 此后, 随制动速度增加, 摩擦膜减薄, 材料磨损量呈下降趋势; 当制动速度增加到25m/s及以上, 摩擦面的温升导致氧化质量损失和线磨损增加, 摩擦系数也稍有衰减(0.3)。      

少层石墨烯负载纳米SiO2复合材料对水润滑性能的影响

采用液相超声直接剥离法制备了少层石墨烯负载纳米SiO₂复合材料,采用TEM对其形貌进行了表征,利用多功能往复摩擦磨损试验仪考察了少层石墨烯负载纳米SiO₂复合材料对水润滑性能的影响。通过SEM、XPS分别分析了磨损表面的形貌、元素组成及典型元素的化学状态,初步探讨了石墨烯负载纳米SiO₂复合材料在水中的润滑机理。结果表明:纳米SiO₂均匀分布于少层石墨烯片层表面和层间;其作为水润滑添加剂具有良好的减摩抗磨性能,这主要是由于石墨烯负载纳米SiO₂复合材料在磨损表面形成的摩擦化学反应膜与纳米SiO₂的自修复效应发生协同作用,抑制了Fe的氧化,并填补和修复了磨损表面,使磨痕表面的摩擦磨损减轻。     

石墨的添加对NiCr-W-Ti自润滑复合材料高温摩擦学性能的影响

本文以Ni20Cr合金为基体添加稀有金属Ti、W粉末及石墨后,充分混合,采用机械合金化及热压烧结工艺制备了NiCr金属基复合材料,研究了石墨含量对NiCr金属基复合材料的组织结构和摩擦学性能的影响。在UMT-3高温摩擦试验机上进行了该复合材料同Al_2O_3陶瓷球的滑动摩擦磨损实验,利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)对复合材料及其摩擦测试后的形貌与结构进行观察分析,结果表明:当所添加石墨的质量分数为3wt.%时,复合材料具有相对较好的力学性能和摩擦学性能;当测试温度低于300℃时,摩擦表面未形成有效的摩擦膜,故磨损率较高;当温度高于500℃时,摩擦层中含有摩擦氧化物,摩擦表面被光滑氧化物所组成的润滑膜覆盖,对磨面具有很好的保护作用,因而磨损率降低。     

铝合金Ti(C,N)/TiN多元多层膜与阳极氧化膜性能比较

分别采用多弧离子镀技术及阳极氧化技术在LF6防锈铝基体表面制备了Ti(C,N)/TiN/Ti(C,N)/TiN/ Ti(C,N)/TiN六层多元多层膜及阳极氧化膜,并对比考察研究了该两种膜的力学性能和摩擦学性能,结果表明:多元多层膜与阳极氧化膜划痕临界荷载分别为76N,60N;显微硬度分别为HV0.251404,HV0.25520;二者摩擦系数都较高,分别为0.66,0.76;都使对偶件磨损;但与传统的阳极氧化膜相比,多元多层膜硬度与耐磨性都提高了近2倍,且其摩擦曲线平滑,呈稳定磨损状态,而阳极氧化膜摩擦曲线呈跳跃状,呈非稳定磨损状态.     

低温化学气相沉积两种DLC膜的摩擦性能研究

低温条件下在单晶硅表面沉积DLC膜和Si-DLC膜层,采用UMT-2微摩擦磨损实验机研究了两种膜层的摩擦磨损特性,借助拉曼光谱、X射线衍射仪及立体三维形貌仪分析了两种膜层的表面形貌和组成。使用扫描电子显微镜检测了两种膜层磨损后的表面形貌。结果表明两种膜层表面都非常平滑,属于纳米硬膜;两种膜层都具有良好的减摩托磨作用,其...     

磁控反应溅射MoS2/Ti/C复合薄膜的组织结构及摩擦磨损性能

为了提高MoS2薄膜在室温潮湿大气条件下的摩擦磨损性能,通过磁控反应溅射制备了MoS2/Ti/C复合薄膜.采用能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)对薄膜的成分、相组成和形貌进行表征,采用纳米压痕仪测试薄膜的结合力、纳米压痕硬度,采用多功能微摩擦磨损试验机测试薄膜的摩擦系数,并采用...     

纳米Cu添加剂润滑摩擦表面分析

利用T-11摩擦磨损实验机进行了用纳米铜添加剂润滑的摩擦磨损实验,利用光学显微镜和扫描电镜对摩擦表面进行了形貌分析,利用能谱仪进行了磨痕表面元素分析.结果表明,磨痕表面形成了富含Cu元素的表面膜,静止上试样的磨痕表面比运动的下试样表面形成的薄膜厚,在摩擦表面有原始微损伤(磨削沟槽)的部位边缘有明显的Cu元素沉积,而在沟槽的底部没有Cu元素.分析认为摩擦使得表面金属活化,不断产生新鲜金属表面,有利于润滑剂中的纳米Cu与金属结合形成表面膜.     

Microstructure developed in the surface layer of Ti-6Al-4V alloy after sliding wear in vacuum

Microstructural changes in the surface layer of Ti-6Al-4V alloy after sliding wear in vacuum have been studied by means of scanning and transmission electron microscopy (SEM and TEM). The wear rates of Ti-6Al-4V alloy in vacuum were measured under different sliding velocities and loads. The experimental results showed that a severely deformed layer with a grain size of 50–100 nm and thickness about 70 μm was formed underneath the worn surface. Under the slower sliding velocities, the substructure of the layer had a high dislocation density, while under higher sliding velocities, twins were found to exist in the substructure. A process by which the deformed layer formed has been proposed and the deformation of materials at the contacting spots of the Ti-6Al-4V sample is discussed.