纯碳、浸金属碳与接触线载流摩擦磨损性能对比研究

在销-盘摩擦磨损试验机上研究了纯碳/不锈钢和浸金属碳/不锈钢的载流摩擦磨损行为.结果表明,两种摩擦副的摩擦因数、磨损率都随着速度或电流的增加而增大,但纯碳/不锈钢摩擦副材料具有更高的摩擦因数和磨损量.试验过程中,两种摩擦副都出现火花放电和电弧放电,且纯碳/不锈钢摩擦副放电强度更高.用扫描电镜(SEM)观察两种销试样表面磨损形貌可知,纯碳/不锈钢摩擦副以电弧烧蚀和氧化磨损为主,伴随轻微的磨粒磨损;浸金属碳/不锈钢摩擦副以磨粒磨损、黏着磨损为主,伴随着电弧烧蚀和氧化磨损.比较销试样磨损前后EDX图谱可得,纯碳摩擦副材料几乎无元素转移,而浸金属碳摩擦副材料表面有明显的材料转移.     

几种受电弓滑板/接触线材料载流摩擦磨损行为的比较

在销-盘摩擦磨损试验机上研究浸金属碳/纯铜、纯碳/不锈钢、浸金属碳/不锈钢、纯碳/纯铜4种受电弓滑板/接触线的载流摩擦磨损性能。结果表明:浸金属碳/纯铜的摩擦因数比其他3对配副的摩擦因数都大,且其配副的碳滑板材料磨损量比其他3对配副的磨损量都高;4对配副的主要磨损机制是电弧烧蚀、磨粒磨损和氧化磨损,而浸金属碳/纯铜还出现黏着磨损。浸金属碳/纯铜因磨损严重,且电滑动中发出异常噪声,应避免作为受电弓滑板/接触线材料。     

不同表面形貌的接触线对浸金属碳滑板载流摩擦磨损性能的影响

在受电弓-接触网载流摩擦磨损过程中,接触线会产生不同的横截面形状,而接触线形貌的改变可能会影响弓网间的接触关系,进而影响弓网间的载流摩擦磨损性能。为研究不同表面形貌的接触线对浸金属碳滑板载流摩擦磨损性能的影响,利用环-块式高速载流摩擦磨损试验机,研究载流条件下常规形貌、麻点形貌、斜切形貌的接触线与浸金属碳滑板的摩擦磨损性能,比较采用不同形貌接触线时的摩擦因数、电弧能量和浸金属碳滑板的磨损量、表面形貌。试验结果表明：在直流电情况下,常规接触线与浸金属碳滑板组成的摩擦副的摩擦因数最小,滑板磨损量最低;采用斜切形貌接触线时的摩擦因数最大,滑板磨损量最大。通过SEM电镜观测浸金属碳滑板表面的磨损形貌,发现接触线为常规形貌时,滑板以氧化磨损为主,有较多的氧化物产生;接触线为麻点形貌时,滑板以电弧烧蚀和磨粒磨损为主,产生了细小裂纹和烧蚀坑,有较多的磨屑和剥落层出现;接触线为斜切形貌时,滑板以电弧烧蚀为主,有大裂纹和犁沟产生,并且烧蚀区域出现了较多的白色小球。研究表明,当接触线的形貌发生改变时,会导致滑板磨耗增加并加剧接触副电弧放电,从而恶化接触副的状态。因此,当接触线磨损变形严重时,应及时进行更换...     

电压对碳滑板磨损性能和温升的影响

在受电弓/接触网高速载流摩擦磨损试验机上试验研究恒定电流及不同电压下,纯碳滑板与铜银合金接触线载流滑动摩擦时,接触压力和相对滑动速度对纯碳滑板磨损性能和温升的影响。试验结果表明:随着试验电压的增加,弓网间的电弧放电现象更加明显,燃弧时间更长,磨损率先急剧增大后趋于平缓,纯碳滑板的磨损率与温度表现出正强相关性。分析纯碳滑板磨损后的形貌可知:随着试验电压的增加,纯碳滑板的磨损先以机械磨损为主,然后转变为以电弧烧蚀和氧化磨损为主;纯碳滑板表面的电弧烧蚀坑增多且分布较均匀,烧蚀区面积增大。     

刚性接触网中浸金属碳滑板在不同法向载荷下的载流摩擦磨损性能

为了更好地模拟浸金属碳滑板的实际应用工况,设置试验滑动距离为1 000 km,使用环-块式载流摩擦磨损试验机模拟地铁列车在刚性接触网系统中的运行条件,研究浸金属碳滑板在不同法向载荷作用下的载流摩擦磨损性能。试验结果表明：随着法向载荷的增大,摩擦因数不断增大,电弧能量下降,载流效率不断升高,滑板的温度以及磨损率都呈现出下降的趋势;随着滑动距离的增加,滑板的磨损率逐渐降低最后趋于稳定。SEM电镜观察结果表明：法向载荷较低时,浸金属碳滑板表面产生了较多烧蚀坑和裂纹,其磨损形式主要表现为电弧烧蚀以及片状剥落;随着法向载荷增大,滑板表面出现划痕和磨屑,磨粒磨损现象较为明显。研究表明：适当增大法向载荷可以有效抑制电弧的烧蚀作用,减少滑板表面的裂纹和烧蚀坑,从而降低滑板的磨损。     

大电流对碳滑块/铜银合金接触线载流摩擦磨损性能的影响

在高速载流摩擦磨损试验机上研究速度为150 km/h、接触压力为60~120 N试验工况下,200~500 A大电流对纯碳滑板摩擦磨损性能的影响。结果表明:在低电压大电流的载流条件下,铜银接触线和纯碳滑板间主要以短弧放电为主,放电面积大、电弧输出能量高;碳滑块的磨损形式主要以电弧烧蚀、剥离、熔融、汽化为主,机械磨损较小;碳滑板的磨损量、电弧能量随着电流的增大而急剧上升;摩擦因数随着电流的增加先增加后减小;当电流不变时弓网间的电弧能量随着接触压力增加呈先增加后减小的趋势,磨损量则随着接触压力的增加而减小。     

接触压力对碳滑板/铜接触线载流摩擦磨损性能的影响

控制电流为250 A,滑动速度为160 km/h,在接触压力50,70,90,110,130 N下,在环-块式载流摩擦磨损试验设备上进行接触压力对碳滑板/铜接触线载流摩擦磨损性能的影响试验,用光学显微镜对滑块的磨损形貌进行观察.结果表明:随着接触压力的减小,滑块的磨损形貌由以较光滑磨损面为主过渡到以受电弧飞溅影响磨损面和多麻坑磨损面为主,主要磨损形式由磨粒磨损过渡到电弧烧蚀磨损,摩擦因数的过渡阶段逐渐明显,稳定阶段的摩擦因数逐渐增大;碳滑板的磨损率随着试验的进行进入稳定期,稳定期磨损率随着接触压力的增加先减小后增加,呈“U”形分布;接触压力的增加可以降低电弧功率和离线率;从碳滑板的磨损率和载流稳定性综合考虑,90 N为最佳接触压力.     

法向载荷对不锈钢/浸金属碳载流摩擦磨损性能的影响

在自行设计的销-盘式摩擦磨损试验机上进行了不同法向载荷下不锈钢/浸金属碳载流摩擦磨损试验,分析了法向载荷对其摩擦磨损性能的影响,并用SEM观察了其磨损形貌。结果表明:摩擦因数随着法向载荷的增大而减小,160 N后基本趋向稳定;10 A电流时,浸金属碳销试样的磨损率很低,且增加趋势不明显,30～50 A电流时,磨损率显著提高,且浸金属碳销试样磨损率随着法向载荷的增大而减小,最后趋于平缓;此外,放电强度随着法向载荷的增大而减弱;在低法向载荷下,磨损类型以电弧烧蚀和氧化磨损为主,在高法向载荷下,磨损类型以磨粒磨损和粘着磨损为主,且都伴随有材料的转移。     

环境湿度对浸金属碳滑板磨损及温升的影响

为探究环境湿度对弓网摩擦副载流滑动过程中电弧放电能量、浸金属碳滑板温升及滑板磨损量的影响,采用环-块式高速载流摩擦磨损试验台,对比不同湿度条件下,电弧能量、滑板温升及滑板磨损量随滑动速度、电流强度、法向力的变化情况。试验结果表明：不同环境湿度下,滑动速度和电流强度的增大均会导致电弧能量及滑板温升急剧增大;电弧热是导致温升的主要热源;增大法向力对于抑制电弧放电、降低滑板温升均有显著效果,而对于滑板磨损量变化的影响,不同湿度情况则截然相反;高湿度环境下接触副附着的水膜改善了接触状况和散热情况,电弧能量及滑板温升都小于低湿度环境;低湿度环境下滑板表面受到更严重的机械摩擦,其表面状态相比高湿度更差;在平均湿度较高的夏季适当增加升弓压力,在平均湿度较低的冬季适当降低列车行驶速度可以减少浸金属碳滑板磨损。     

浸金属碳滑板/铜银合金接触线载流摩擦磨损性能的试验研究

选取地铁刚性接触网中现役的浸金属碳滑板与铜银合金接触线为接触副,模拟地铁弓网的实际运行状况,在环-块式试验机上研究直流电流为200~400 A、法向载荷为15~40 N、滑动速度为40~120 km/h工况下浸金属碳滑板载流摩擦磨损性能。结果表明：摩擦因数随电流和滑动速度的增大而减小,随法向载荷的增大而增大;磨损量随电流和滑动速度的增大而增大,当电流较小时（如200 A）,磨损量和法向载荷之间存在一个阈值,当电流较大时（如400 A）,磨损量随法向载荷的增大而减小;滑板温度随电流的增大而增大,随法向载荷增大而减小,当电流较小时（如200 A）,滑板温度随速度的增大而增大,当电流较大时（如400 A）,滑板温度随速度的增大而减小;当电流为200~300 A时,其磨损机制主要为机械磨损,当电流为300~400 A时,其磨损机制主要为氧化磨损和电弧烧蚀。     

Effect of Resin-Derived Carbon on the Friction Behavior of Carbon/Carbon Composites

Three different C/C composites with rough laminar (RL) pyrocarbon, RL pyrocarbon with added resin-derived carbon, and pure resin-derived carbon have been evaluated and tested for friction performance. A laboratory dynamometer was used to simulate different braking speeds utilizing a single stator and rotor pair. The morphologies and microstructures of the raw materials, wear surfaces, and wear debris at different braking levels were observed by polarized light microscopy, scanning electron microscopy, and transmission electron microscopy. The results have shown that the friction coefficients of the three C/C composites display the same characteristics with increasing braking speed. They increased to a maximum value at medium braking speed and thereafter decreased with increasing braking speed, and their mean values under the same braking conditions were similar. The C/C composite with pure resin-derived carbon showed the highest loss due to wear under all conditions, while the C/C composite with the RL pyrocarbon showed the lowest loss. Resin-derived carbon in C/C composites does not have a significant effect on the friction coefficient, but the wear rate increases greatly with increasing resin-derived carbon content. Wear debris is composed of flocculent particles with polycrystalline structure, along with the matrix carbon, which is worn off directly from the composites.     

基体炭对炭/炭复合材料摩擦磨损性能的影响

采用液相浸渍-炭化法制备了沥青基炭/炭复合材料(P-C/C)和沥青-酚醛树脂双基体炭/炭复合材料(D-C/C),研究了它们的增密效率、抗弯强度和摩擦磨损性能的差别。结果表明:P-C/C的增密效率高于D-C/C的;在体积密度基本相同的情况下,两种复合材料的抗弯强度相近;D-C/C的摩擦因数较大,磨损较严重;基体炭结构和性能的差别是造成两种复合材料摩擦磨损性能不同的主要原因。     

沥青基碳/碳复合材料的弯曲性能

采用三点弯曲法测试了单向和三维四向碳纤维增强的两种沥青基碳/碳(C/C)复合材料(1D-C/C和3D-C/C)在室温及1 800℃高温时的弯曲性能,分析了增强体结构、温度对C/C复合材料弯曲性能的影响,并探讨了其弯曲断裂时的界面机制。结果表明:3D-C/C的弯曲模量高于1D-C/C的,但其抗弯强度却明显低于1D-C/C的;1D-C/C的弯曲断裂呈脆性断裂,而3D-C/C的弯曲断裂则表现出明显的假塑性特征;对同一种增强体结构的沥青基C/C复合材料,在1 800℃时的弯曲性能高于其在室温时的。     

碳碳复合材料界面热力学研究

化工材料是化工业及工业生产制造的基本元素,各种材料的性能特点决定了复合产品加工制造质量的好坏。分析碳碳复合材料界面热力学特点,主要是为了保证化工材料性能的正常发挥,使得化工生产的流程更加顺利。采用了理论研究与生产实践相结合的方式分析了碳碳复合材料的基本性质与优势,从四大热力学定律分析了材料详细的热学特点,得出了温度高低变化是影响复合材料性能的重要因素。     

类金刚石表面改性C/C复合材料的摩擦磨损性能

采用等离子体增强化学气相沉积法在C/C复合材料基底表面制备了不同厚度的类金刚石（DLC）表面改性膜;用球-盘对磨的方式测试了C/C复合材料基底和DLC膜在干态下的摩擦磨损性能。结果表明:制备的表面改性膜具有典型的DLC结构特征,均匀致密;随着沉积时间的延长,DLC膜厚度逐渐增大,膜基结合强度依次减小;C/C复合材料基底的平均摩擦因数为0.285 8,磨损率约为1.6×10^-4mm³·N^-1·m^-1,表面改性膜的摩擦因数较基底有较大程度的降低,在0.08～0.27之间,磨损率也降低了1～2个数量级,且沉积时间越长其摩擦因数越小、磨损率越低。     

密度梯度碳/碳复合材料的制备及性能

采用强制流动热梯度化学气相渗透法在1000～1 250℃制备了密度梯度碳/碳复合材料;借助三点弯曲试验和激光闪烁法测定了复合材料的弯曲性能与导热系数,用偏光显微镜及扫描电子显微镜观察了基体热解碳的组织结构及断口形貌。结果表明:该复合材料上层的最大密度为1.65g·cm~(-3),下层的最小密度为1.10g·cm~(-3),具有明显的密度梯度;复合材料的密度越大,抗弯强度越高;其导热系数也随密度的增加而增大;沉积温度是影响基体热解碳组织的主要因素,高温有利于粗糙层热解碳的生成,而低温有利于光滑层热解碳的生成。     

催化FBCVI制备碳纳米纤维增强碳/碳复合材料的组织与力学性能研究

采用薄膜沸腾气相沉积(film-boiling chemical vapor infiltration,FBCVI)工艺,制备原位碳纳米纤维增强碳/碳复合材料(carbon nanofibers-reinforced carbon/carbon composites,CNFs-C/C))。研究了致密化过程中CNFs的生长情况和催化剂的引入对材料组织结构和力学性能的影响。研究表明,致密化前期,原位生长CNFs困难;随着沉积时间延长,CNFs大量增多并被碳基体包覆,CNFs主要为碳纳米线(carbon nanowires,CNWs)。CNFs-C/C的碳基体结构为粗糙层(RL),且存在大量的生长锥。相比于未加催化剂的试样,CNFs-C/C的弯曲强度和模量分别提高了30.9%和39.1%,断裂模式为假塑性断裂。     

碳/碳复合材料基体上羟基磷灰石涂层的体外生物活性

通过分析碳/碳复合材料表面等离子喷涂羟基磷灰石(简称HA)涂层在模拟体液中浸泡后的钙离子浓度和pH值的变化,涂层表面沉积物的微观结构、相组成和钙、磷原子数比,研究了该涂层的体外生物活性。结果表明:随着浸泡时间的延长,浸泡液的钙离子浓度降低,pH值升高,涂层表面的CaO完全溶解,α-TCP和β-TCP轻微溶解;涂层表面的沉积物主要是晶相HA,涂层具有良好的体外生物活性。     

The Solid Particle Erosion Behavior of Carbon/Carbon and Carbon/Phenolic Composite Used in Re-entry Vehicles

Several engineering components made of carbon-based heat-resistant composites are subjected to severe erosive wear. In view of the above, the solid particle erosion behavior of two and four dimensionally reinforced carbon/carbon (C/C) composites as well as that of carbon/phenolic (C/P) composite has been characterized at the ambient temperature. The investigated C/C composites have been produced through a liquid-phase infiltration method followed by hot isostatic pressing, while the C/P composite prepegs have been cured inside an autoclave. The erosion rates of these composites have been determined for two different impact angles and two different impact velocities using silica sand with average particle diameter of 200 μm. The morphologies of as-received and eroded surfaces of test specimens have been examined with the help of scanning electron microscopy to understand the mechanism of material removal. The erosion response, erosion efficiency, and erosion micromechanisms of these composites have been studied in detail. While the erosion resistance of the C/P composite is found to be superior to that of the investigated C/C composites, the four dimensionally reinforced C/C composite have shown the highest erosion efficiency. All the composites have exhibited a semi-ductile erosion response. Their mechanical properties have little correlation with the erosion rates.     

预制体添加BN对炭/炭复合材料性能的影响

在炭纤维预制体中添加六方氮化硼(h-BN),采用等温化学气相渗透(CVI)和超高压沥青浸渍/碳化混合工艺制备了炭/炭(C/C)复合材料。研究了材料的组织结构和力学性能,采用XD-MSM定转速摩擦试验机对材料的摩擦磨损性能进行了测试;分析了h-BN含量对摩擦磨损性能的影响。实验表明:预制体添加h-BN可以明显降低材料的摩擦系数,稳定材料的摩擦磨损性能。其中以9wt%时,材料的摩擦磨损性能最佳。