不同制动速度下炭布叠层炭／炭复合材料的磨擦磨损行为及机理

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20m/s时，摩擦因数迅速升高至最大值0.40；当制动速度增大到28m/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20m/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20－25m/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28－30m/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。     

不同热处理温度下炭/炭复合材料的制动摩擦性能

在MM - 10 0 0摩擦试验机上 ,对一种针刺毡结构的炭 /炭 (C/C)复合材料在不同热处理温度下的摩擦磨损性能进行了测试 ,并对摩擦表面进行了光学形貌观察 ;采用X射线衍射技术测试了其在不同热处理温度下的石墨化度 ,并对石墨化度与材料的摩擦性能之间的关系进行了探讨。结果表明 :随着热处理温度升高 ,针刺毡结构的炭 /炭复合材料的石墨化度提高 ,摩擦磨损性能也相应发生变化 ,即摩擦因数开始随热处理温度升高而增大 ,到 2 30 0℃时出现峰值 ,线性磨损和质量磨损则在 2 2 0 0℃时出现峰值 ,氧化磨损则随热处理温度升高而下降。石墨化度对材料的摩擦磨损性能有一定影响 ,合理控制石墨化度可以得到理想性能的材料 ,对本研究所用的C/C复合材料其最佳的热处理温度为 2 30 0℃。     

不同基体炭结构的C/C复合材料摩擦表面特性和摩擦磨损机理

与表面镀Cr的40Cr钢配副进行滑动摩擦实验后,在JSM 6360LV扫描电镜上观察6种具有不同基体炭结构的C/C复合材料的磨损表面形貌。结果表明:完全光滑层(SL)炭结构的C/C复合材料摩擦表面在任何载荷下均难以形成完整的磨屑膜;完全粗糙层(RL)炭结构、粗糙层/树脂炭(RL/RC)的材料摩擦表面在低载荷时能形成较厚的磨屑膜,在高载荷时表面摩擦膜均很薄;完全RC结构试样摩擦表面在低载荷时完整、致密,在高载荷时有显著的磨屑膜剥落;RL/SL/RC、SL/RC结构试样在低载荷时的表面摩擦膜薄,而高载荷时,RL/SL/RC材料的基体炭磨损比SL/RC的严重;RL/SL或SL炭在摩擦中的损伤呈现阶梯状磨损形貌,RL炭在摩擦后难以分辨出原始形貌,RC炭在部分摩擦表面则为条纹状磨损形貌;RL/SL/RC、SL/RC结构的C/C复合材料摩擦形貌的稳定性高,材料耐磨性好,在一定载荷范围内有利于降低材料的摩擦因数和体积磨损。     

不同制动速度下C/C-SiC-Fe材料的摩擦磨损行为及机理

以针刺炭纤维整体毡为预制体,采用化学气相沉积法制备C/C多孔体,然后熔融浸渗Si和Fe制得C/C-SiC-Fe材料,研究制动速度对C/C-SiC-Fe材料摩擦磨损性能的影响.采用SEM观察了C/C-SiC-Fe的磨损表面及磨屑形貌,结果表明:C/C-SiC-Fe材料的高速制动平稳,随制动速度的提高其摩擦因数先升高后降低,制动速度为12 m/s时,摩擦因数达到最大值0.59;随着制动速度的提高,磨损率先增加后降低;当制动速度为24 m/s时,磨损率又急剧上升至3.3×10-8cm3/(N?m);摩擦磨损机制在低速制动条件下主要表现为磨粒磨损;中速时以粘着磨损为主;高速时以疲劳磨损和氧化磨损为主.     

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.     

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。     

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.     

热膨胀性能对炭/炭复合材料在制动摩擦过程中热应力场的影响

测量以纯树脂炭、粗糙层热解炭和光滑层热解炭为基体的3种炭/炭复合材料的热膨胀系数,并采用有限元分析软件,模拟这3种炭,炭复合材料在飞机正常着陆能量条件下的热应力场,研究热膨胀系数对炭,炭复合材料热应力场及其摩擦性能的影响.结果表明:3种炭/炭复合材料在z方向上的热膨胀系数大于在X和y方向的,且热膨胀系数均随着温度的升高而逐渐增大,其中,基体为粗糙层热解炭的炭/炭复合材料的热膨胀系数最小,纯树脂炭试样的次之,光滑层热解炭试样的最大;在制动过程中,炭/炭复合材料摩擦表面产生的热应力与材料的热膨胀系数相关,材料的热膨胀系数越大,产生的热应力越大;过大的热应力使纯树脂炭试样具有相对稳定的摩擦曲线,在较大热应力的作用下,光滑层热解炭试样的摩擦曲线不稳定,影响其摩擦性能.     

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.     

炭/炭复合材料航空刹车副的湿态摩擦性能

对两种不同的炭/炭复合材料湿态下的摩擦磨损性能进行对比分析。结果表明:具有粗糙层热解炭的炭/炭刹车副由于其晶格结构较为完善,生长组织择优取向度和各向异性度均高于含有光滑层结构热解炭的炭/炭刹车副。前者的石墨化度及可石墨化能力均大于后者,由于前者的表面缺陷较少,所吸附的水分子较少,因而在湿态下刹车时,其刹车力矩将很快恢复到正常干态刹车时的力矩水平,对环境的适应能力大于光滑层结构的炭/炭刹车副。     

短炭纤维增强C/C-SiC制动材料的摩擦磨损性能

采用温压？原位反应法制备C/C-SiC复合材料,利用QDM150型摩擦试验机研究短炭纤维（SCF）长度和纤维体积分数对C/C-SiC制动材料摩擦磨损性能的影响。结果表明：C/C-SiC制动材料能够保持较高且稳定的摩擦因数;SCF的体积分数将影响C/C-SiC制动材料的摩擦磨损性能,纤维体积分数为10%时,材料具有适中的摩擦因数和较低的磨损率;SCF长度对C/C-SiC制动材料的摩擦磨损性能有显著影响,炭纤维长度为12 mm时,材料具有最佳的摩擦磨损性能。     

石墨对C/Cu复合材料微观组织及摩擦磨损性能的影响

利用机械合金化和放电等离子烧结技术制备C/Cu复合材料,用扫描电镜、透射电镜、X射线衍射仪、显微硬度计和销-盘摩擦磨损试验机对复合粉末和烧结体的组织结构、硬度、摩擦学行为进行了分析.结果表明:C/Cu复合粉末中Cu相粉末由纳米/亚微米复合颗粒组成,石墨主要以纳米层片状结构和非晶态存在,放电等离子体烧结体组织致密、细小且均匀,随着碳含量增加,烧结体的硬度与密度减小;C/Cu复合材料烧结样品在摩擦过程中形成润滑膜,表现出较低的摩擦系数和良好耐磨性,其磨损机制主要为氧化磨损、粘着磨损和剥层磨损.     

B、Si改性炭/炭复合材料及其摩擦磨损特性

以低密度的C/C复合坯体为预制体,分别采用反应熔渗(RMI)、化学气相沉积(CVD)、浸渍-原位反应技术对其进行陶瓷改性.结果表明:改性陶瓷分别以SiC和c-BN的形式渗入C/C复合坯体内.摩擦试验结果表明:采用RMI技术制备的C/C-SiC复合材料摩擦因数较高,高达0.3到0.9;采用CVD技术制备的C/C-SiC复合材料的摩擦因数在0.20～0.36之间;而采用浸渍-原位反应技术制备的c-BN改性C/C复合材料的摩擦因数较低,为0.10～0.20.SEM观察表明:采用RMI技术制备的C/C复合材料的摩擦表面粗糙、未形成完整的摩擦膜,而采用另两种技术制备的C/C复合材料均形成了较完整、致密的摩擦膜.     

添加BN对光滑层热解炭结构的C/C复合材料摩擦性能的影响

通过粉末层铺法向全网胎炭纤维预制体中添加六方氮化硼粉末和化学气相沉积热解炭增密制备C/C-BN复合材料。在MM 1000摩擦试验机上对其摩擦磨损性能进行测试,并对摩擦表面进行光学形貌观察以及对材料的组织结构和磨屑进行SEM形貌观察。结果表明:与C/C复合材料相比,C/C-BN复合材料的线性磨损率降低了40%,质量磨损率降低了70%;摩擦表面中的六方BN在摩擦过程中始终保持稳定,BN的存在使光滑层热解炭结构的C/C复合材料的摩擦因数曲线变得平稳、波动小并且对刹车压力响应迅速,摩擦表面上形成了一层薄的摩擦膜。     

C/C-Cu复合材料的组织和摩擦磨损性能

以炭纤维针刺整体毡为预制体，用化学气相渗透（CVI）、浸渍／炭化（I／C）的方法制备密度和基体炭不同的C／C多孔坯体，采用真空熔渗将熔融Cu渗入到C／C坯体中制备C／C-Cu复合材料，利用X射线衍射、金相显微镜和扫描电镜分析复合材料的组织结构，研究复合材料的摩擦磨损性能。结果表明：Cu成功地渗入C／C坯体中，并填充了坯体的孔洞和炭纤维之间的孔隙，复合材料的主要相为Cu、C及少量的TiC相，当渗剂中Ti的质量分数达到15％时，出现微量的Cu和Ti的金属化合物相；复合材料的摩擦因数随着摩擦时间的增加而逐渐增加并趋于稳定。渗剂相同时，摩擦因数和体积磨损量随着材料密度增加而增加；坯体相同时，随着渗剂中Ti含量增加，摩擦因数增加，体积磨损减小。随着外加载荷的增加，摩擦因数和体积磨损先增后减，80N载荷时均达到最大值；与J204电刷对比，同样条件下，两者摩擦因数接近，但C／C-Cu复合材料的体积磨损量远远小于J204电刷的。