等离子处理碳纤维织物复合材料的摩擦学性能

将碳纤维织物浸渍-涂层酚醛-缩醛粘结剂树脂,加压固化后制备出碳纤维织物复合材料.分析了摩擦磨损表面和经等离子体处理后碳纤维织物化学组成的变化,研究了摩擦磨损性能、拉伸性能和粘结性能.结果表明,碳纤维织物的磨损分为严重磨损和稳定磨损两个阶段,其中严重磨损阶段的磨损量占了总磨损量的87%.经过等离子体处理后,在碳纤维织物的表面产生了许多活性基团如羰基、羧基、酯基,表面活性元素的含量明显增多;碳纤维织物的浸润性增大,提高了其与粘结剂的结合强度和结合量,增强了织物纤维束间的结合力;固化后与粘结剂构成很好的整体材料,增强了纤维束抗变形和抗断裂能力,使载荷和摩擦力可以平均的分配在纤维上,避免应力集中,从而提高了碳纤维织物复合材料的摩擦学性能和力学性能.     

基于不同支撑结构的薄壁管冲击微动磨损行为研究EI北大核心CSCD

在新型冲击微动磨损试验机上对304不锈钢薄壁管进行冲击微动磨损试验,研究了支撑结构(角度)和管长对薄壁管冲击微动损伤行为的影响,并对其界面响应和磨损机制进行分析。研究结果表明:当管长相同时,随着支撑结构角度的增大,薄壁管的变形量和冲击接触时间增大,而冲击接触峰值力、能量吸收率和磨损程度降低。当支撑结构角度相同时,管长的增加会导致变形量和冲击接触时间的减小,接触峰值力、能量吸收率和磨损程度的增大。通过对磨痕分析,304不锈钢薄壁管的冲击微动磨损的损伤机制主要是材料表面的疲劳剥落。     

2D-C/ SiC 复合材料的宏观拉压特性和失效模式

通过拉伸、压缩实验, 从宏观上研究了平纹编织C/ SiC 复合材料在简单载荷作用下模量、残余应变及泊松比的变化。通过断口观察, 分析了材料在面内拉、压载荷作用下的损伤与失效模式。实验结果表明, 拉伸载荷作用下, 材料在低应力就开始损伤。0°纤维束表面基体开裂和层间裂纹是主要损伤形式。损伤后, 随着应力增加, 拉伸卸载模量、泊松比线性减小, 残余应变增加; 压缩应力-应变基本呈直线关系, 模量、泊松比基本不变。拉伸破坏表现为韧性断裂, 断裂机理为分层后0°纤维束的断裂、携带90°纤维束拔出; 压缩破坏形成一个与加载方向成13°的断裂平面, 破坏机理为层间裂纹、0°/ 90°纤维束之间裂纹和90°纤维束内裂纹的产生和迅速扩展、最后0°纤维束剪切断裂。      

2D-C/SiC复合材料偏轴拉伸力学行为研究

通过对2D-C/SiC复合材料试件进行不同偏轴角度的拉伸实验,研究了偏轴角度对材料拉伸力学特性的影响。通过应变片分别测得了材料加载方向和纤维束方向上的应力-应变行为,对比分析了偏轴角度对上述应力-应变行为的影响;并结合试件断口扫描电镜照片,阐释了纤维束方向上拉伸和剪切损伤间的相互耦合效应。实验结果表明,材料的拉伸模量和强度随偏轴角度的增大出现明显下降;材料纤维束方向上的拉伸损伤和剪切损伤具有显著的相互促进作用。最后,以材料0°拉伸和45°拉伸实验数据为基础,建立了材料的偏轴拉伸应力-应变行为预测模型,模型预测结果与实验结果吻合较好。     

纤维增强聚酰亚胺复合材料的摩擦学行为

本文研究了碳纤维、玻璃纤维及石英纤维增强的PI复合材料在于摩擦和水环境下的摩擦磨损行为。研究表明,碳纤维增强PI复合材料在两种摩擦条件下的摩擦系数和磨损率都随碳纤维含量的增加而不断降低。而玻璃纤维和石英纤维增强PI复合材料的摩擦系数和磨损率则随纤维含量的增加而增大。材料的磨损均以塑性变形、微观破裂及破碎为主导,相同纤维种类和含量增强PI复合材料在水环境下的磨损率均较干摩擦下的低,这主要归因于摩擦副表面吸附或存留的水分的边界润滑作用。     

基于不同支撑结构的薄壁管冲击微动磨损行为研究

在新型冲击微动磨损试验机上对304不锈钢薄壁管进行冲击微动磨损试验,研究了支撑结构(角度)和管长对薄壁管冲击微动损伤行为的影响,并对其界面响应和磨损机制进行分析。研究结果表明:当管长相同时,随着支撑结构角度的增大,薄壁管的变形量和冲击接触时间增大,而冲击接触峰值力、能量吸收率和磨损程度降低。当支撑结构角度相同时,管长的增加会导致变形量和冲击接触时间的减小,接触峰值力、能量吸收率和磨损程度的增大。通过对磨痕分析,304不锈钢薄壁管的冲击微动磨损的损伤机制主要是材料表面的疲劳剥落。     

莫来石纤维含量对陶瓷基摩擦材料摩擦磨损性能的影响

利用氮气保护热压烧结法制备含0%～24%(质量分数)莫来石纤维增强陶瓷基摩擦材料,采用XD-MSM型定速摩擦试验机研究莫来石纤维含量对摩擦材料摩擦磨损性能的影响,借助于扫描电子显微镜观察实验后试样的磨损表面形貌,并探讨其磨损机理。结果表明:莫来石纤维的加入能够显著提高陶瓷基摩擦材料的摩擦因数,且随莫来石纤维含量增加而增大。在高温下,陶瓷基摩擦材料的磨损率随莫来石纤维含量增加而增大。未添加莫来石纤维的陶瓷基摩擦材料磨损形式主要是脆性脱落和疲劳磨损,伴有磨粒磨损;而添加莫来石纤维的陶瓷基摩擦材料磨损形式转化为黏着磨损和磨粒磨损。     

碳纤维复合材料假脚工艺参数对其冲击后疲劳性能的影响

基于三维逐渐损伤理论和有限元法,对碳纤维复合材料假脚的冲击及冲击后疲劳破坏过程进行分析,研究了不同的复合材料体系、几何尺寸、纤维铺设方式等工艺参数对碳纤维假脚的冲击损伤及疲劳性能的影响规律。结果表明,在冲击载荷作用下,碳纤维复合材料假脚的损伤模式主要为基体开裂、纤维压缩和分层;复合材料体系的横向和法向拉伸强度以及剪切强度等参数越小,假脚的冲击损伤面积越大,所能承受的疲劳循环次数越低;随着后龙骨厚度的增加,基体开裂损伤面积越来越大,分层损伤面积略有减小,而纤维压缩损伤几乎没有变化。尽管随着后龙骨厚度的增加,假脚的疲劳循环次数逐渐增大,但是相对于厚度的增加量,疲劳循环次数的增加量相对较小;不同铺层参数对碳纤维复合材料假脚的冲击损伤模式几乎没有影响。适度增加0°铺层的含量,可有效提高碳纤维复合材料假脚的疲劳性能。     

氧化铝纤维含量对陶瓷基摩擦材料性能的影响

以工业废渣粉煤灰作为主要陶瓷组分,氧化铝纤维为增强相,采用冷压成型-热压固化两步法制备了氧化铝纤维增强陶瓷基摩擦材料,通过定速式摩擦磨损试验机研究了氧化铝纤维含量对陶瓷基摩擦材料性能的影响规律,并借助SEM观察磨损后样品的表面形貌,揭示了其摩擦磨损机理。结果表明:随着氧化铝纤维含量的增加,陶瓷基摩擦材料的孔隙率与密度不断增加,而硬度则先降低后上升然后再略降低;摩擦系数随氧化铝纤维含量的增加呈现出先降低后上升的趋势,当氧化铝纤维含量为25%时,样品的摩擦系数稳定在0.60左右;添加氧化铝纤维促进了陶瓷基摩擦材料的磨损,且随其含量增加,磨损率总体上呈增大趋势;未添加氧化铝纤维的陶瓷基摩擦材料磨损形式主要为磨粒磨损和接触疲劳磨损,而添加25%氧化铝纤维的陶瓷基摩擦材料磨损形式以磨粒磨损、粘着磨损和纤维的脆性断裂为主。     

紫铜纤维对汽车摩擦材料性能的影响

以一种成熟的树脂基摩擦材料配方为基础,研究紫铜纤维质量分数对摩擦材料物理性能、力学性能、摩擦磨损性能及制动噪声的影响.结果表明:随紫铜纤维质量分数增加,摩擦材料的密度、硬度、内剪切强度逐渐增大,气孔率、压缩量逐渐降低,pH值则随紫铜纤维质量分数的变化没有明显的区别;通过执行SAE J2521和SAE J2522程序进行台架实验,发现紫铜纤维的添加对摩擦材料名义摩擦因数的影响较小;添加适量紫铜纤维有利于改善摩擦材料与对偶件表面的接触状态,稳定摩擦因数,提高摩擦材料的抗衰退性能;随紫铜纤维含量增加,摩擦材料的磨损率先降低后略微上升,紫铜纤维质量分数为9％时,磨损率最低;当紫铜纤维质量分数在7％时,摩擦材料具有最佳的噪声性能.     

改性炭纤维增强聚四氟乙烯复合材料的制备

研究了不同处理条件对复合材料拉伸、摩擦性能的影响,并对拉伸断口及磨损表面形貌进行了分析。结果表明,Ar等离子体处理、聚四氟乙烯乳液包覆的炭纤维能有效增大复合材料界面结合力并提高拉伸强度;当处理时间为9 min时,复合材料的拉伸强度为24.3 MPa,断裂伸长率为340%,磨损率为2.4×10-6mm3/N.m;与纯PTFE相比,拉伸强度和断裂伸长率分别提高了48%和100%,磨损率下降55.6%。     

纺丝液合成因素对木材液化物炭纤维原丝性能的影响

利用木材苯酚液化物合成纺丝液, 熔融纺丝制成新的炭纤维原丝, 研究了纺丝液合成因素对原丝性能的影响。试验结果表明: 增加合成纺丝液时液化原料中的苯酚/木材比(液固比), 则原丝的力学性能提高明显, 其中液固比由3增加至4时, 原丝拉伸强度增加了近9倍; 合成剂用量的增加却导致原丝力学性能的降低, 当合成剂用量为6%时, 原丝的拉伸强度和拉伸模量降幅较明显, 而断裂伸长率的最大降幅却出现在合成剂用量为4%时; 原丝的拉伸强度和拉伸模量随合成温度的升高而增加, 但增幅较小, 断裂伸长率随合成温度的升高却呈下降趋势, 且从110℃升高到115℃时断裂伸长率降幅较大; 原丝的力学性能随合成纺丝液升温时间的增加而先升高后降低, 升温时间为40min时制备的炭纤维原丝的力学性能最优。      

碳纤维增强尼龙1010的力学性能及其对摩擦磨损的影响

用碳纤维填充尼龙1010制备了碳纤维增强尼龙复合材料,并对碳纤维增强尼龙复合材料的力学性能和摩擦学性能进行了实验研究。力学实验结果表明:碳纤维增强使尼龙复合材料的拉伸强度、表面硬度增大,碳纤维增强尼龙材料的拉伸强度在20%碳纤维含量时达到最大值;碳纤维表面处理对尼龙复合材料的拉伸强度有很大影响,碳纤维表面氧化处理提高了碳纤维增强尼龙复合材料的拉伸强度。摩擦磨损实验表明:碳纤维增强尼龙复合材料的摩擦系数和磨损率与其拉伸强度和硬度有密切关系。随着拉伸强度和硬度的提高,尼龙复合材料摩擦系数和磨损率降低;摩擦系数和磨损率与拉伸强度具有反比关系,与材料硬度具有二次方程关系,与碳纤维填充量之间存在负指数变化规律。      

Friction and wear behavior of carbon fiber reinforced brake materials

A new composite brake material was fabricated with metallic powders, barium sulphate and modified phenolic resin as the matrix and carbon fiber as the reinforced material. The friction, wear and fade characteristics of this composite were determined using a D-MS friction material testing machine. The surface structure of carbon fiber reinforced friction materials was analyzed by scanning electronic microscopy (SEM). Glass fiberreinforced and asbestos fiber-reinforced composites with the same matrix were also fabricated for comparison. The carbon fiber-reinforced friction materials (CFRFM) shows lower wear rate than those of glass fiber- and asbestos fiber-reinforced composites in the temperature range of 100°C-300°C. It is interesting that the frictional coefficient of the carbon fiber-reinforced friction materials increases as frictional temperature increases from 100°C to 300°C, while the frictional coefficients of the other two composites decrease during the increasing temperatures. Based on the SEM observation, the wear mechanism of CFRFM at low temperatures included fiber thinning and pull-out. At high temperature, the phenolic matrix was degraded and more pull-out enhanced fiber was demonstrated. The properties of carbon fiber may be the main reason that the CFRFM possess excellent tribological performances.     

Meso-Scale Progressive Damage Behavior Characterization of Triaxial Braided Composites under Quasi-Static Tensile Load

Based on continuum damage mechanics (CDM), a sophisticated 3D meso-scale finite element (FE) model is proposed to characterize the progressive damage behavior of 2D Triaxial Braided Composites (2DTBC) with 60° braiding angle under quasi-static tensile load. The modified Von Mises strength criterion and 3D Hashin failure criterion are used to predict the damage initiation of the pure matrix and fiber tows. A combining interface damage and friction constitutive model is applied to predict the interface damage behavior. Murakami-Ohno stiffness degradation scheme is employed to predict the damage evolution process of each constituent. Coupling with the ordinary and translational symmetry boundary conditions, the tensile elastic response including tensile strength and failure strain of 2DTBC are in good agreement with the available experiment data. The numerical results show that the main failure modes of the composites under axial tensile load are pure matrix cracking, fiber and matrix tension failure in bias fiber tows, matrix tension failure in axial fiber tows and interface debonding; the main failure modes of the composites subjected to transverse tensile load are free-edge effect, matrix tension failure in bias fiber tows and interface debonding.     

Surface damage on the mating interior and exterior pistons used in a marine exhaust valve

The wear damage occurred on the two mating pistons, interior piston and exterior piston used for a marine exhaust valve. Visual and SEM observations indicate that the heavy wear marks and wear strips with flaky spalling occurred on the contact surfaces of both pistons. The primary failure mode is the adhesive wear accompanied by little fatigue wear. Metallurgical observations reveal that a white etching layer (WEL) is presented beneath the seriously worn surfaces. XRD analysis indicates that the amount of austenite on the unworn or the lightly worn surfaces of both pistons is in a high level. During operation, the metastable austenite would transform to the martensite under the friction stress, which results in a volume expansion. The clearance between mating pistons would become small to make the friction force on the contact surfaces increase. And the increased friction force induced the concentrated frictional heating. Inadequate lubrication oil cannot bring frictional energy away in time so that the located surface temperature would exceed critical temperature (Ac₃). This temperature rise is high enough for austenitization and under such high temperature, the instantaneous hardness of located contact surfaces is low to lead to the occurrence of adhesion wear. Subsequent γ → α′ transformation would occur as the bulk of the piston rapidly conducts heat away from the piston surfaces to form a WEL on the seriously worn surface. The micro-crack formation inside the WEL and subsequent propagating would lead to the occurrence of spalling.     

纤维及晶须增强PTFE复合材料的摩擦磨损性能研究

利用MHK－500型环－块磨损试验机,对炭纤维,玻璃纤维及钛酸钾（K2Ti6O13)晶须增强聚四氟乙烯（PTFE）复合材料在干摩擦条件下与GCr15轴承钢对磨时的摩擦学性能进行了较为系统的研究,并利用扫描电子显微镜（SEM）和光学显微镜对其磨屑和摩擦表面进行了观察。结果表明,炭纤维,玻璃纤维及K2Ti6O13晶须虽增大了PTFE的摩擦系数,但均可将PTFE的磨损量降低2个数量级,其中玻璃纤维的减磨效果最好,K2TiO13晶须的减磨效果最差,由于K2TiO13晶须的承载能力较差,致使K2Ti6O13晶须增强PTFE复合材料的磨损表面发生了明显的挤压变形,因而该复合材料具有较高的摩擦和磨损。     

埃洛石-玻纤/聚四氟乙烯复合材料的摩擦磨损热膨胀及力学性能

采用冷压成型烧结工艺制备出玻璃纤维（GF）和埃洛石（HNTs）填充的聚四氟乙烯（PTFE）复合材料。研究了填料类型及不同配比的填料对PTFE复合材料的界面、摩擦学性能、线膨胀系数及力学性能的影响。结果表明:适量填充HNTs可以提升GF/PTFE复合材料的摩擦磨损、热膨胀及力学性能。填充2.0%HNTs时的HNTs-GF/PTFE复合材料比GF/PTFE复合材料的磨损率降低32.7%,高温时HNTs-GF/PTFE复合材料的线膨胀系数（CTE）比纯PTFE降低近2个数量级,断裂伸长率、拉伸强度和弯曲强度分别提高40.0%、2.3%和7.1%。      

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。