C_C_SiC陶瓷基复合材料刹车副摩擦性能研究_图文

1、第36卷 增刊1 稀有金属材料与工程 V ol.36, Suppl.1 2007年 8月 RARE METAL MATERIALS AND ENGINEERING August 2007收稿日期:2007-02-28基金项目:国家自然科学基金项目(90305016 作者简介: 谢 乔,男,1975年生,硕士,西北工业大学材料学院,陕西 西安 710072,电话: 029-*,E-mail: xieqiaogaoboC/C-SiC 陶瓷基复合材料刹车副摩擦性能研究谢 乔,朱冬梅,王晓艳,罗 发,周万城(西北工业大学凝固技术国家重点实验室,陕西 西安 710072摘 要:以不同孔隙率的C/C 复合

2、材料为预制体,以甲基三氯硅烷(CH 3SiCl 3为反应源气,以氩气为载气,高纯氢气为稀释气体,用化学气相渗透法(CVI 制备一系列C/C-SiC 复合材料。通过在MM -2000摩擦磨损实验机上的摩擦试验,对该系列材料的摩擦磨损性能进行了研究,详细分析了不同压力和摩擦环境(湿态和干态对材料摩擦性能的影响。结果表明,在外界条件相同的情况下,随着压力的增大,材料的摩擦系数先增大后降低;随着SiC 含量增加,材料摩擦磨损性能先增强后下降,SiC 含量在40%左右具有最好的摩擦磨损性能。在湿态环境下材料的平均动摩擦性能明显衰退,但是当压力增大时这种衰退的影响减小。 关键词:C/C-SiC 复合材料;

3、摩擦磨损;干态;湿态中图法分类号:TB323; TH117 文献标识码:A 文章编号:1002-185X(2007S1-0655-041 前 言新型陶瓷材料以其高硬度、高强度、抗腐蚀和低密度,以及优异的化学稳定性和高温下优良的力学性能等优点,正在逐渐被人们认识。碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料(C/C-SiC是一种新型的摩阻材料1,采用C/C-SiC 复合材料的刹车片可以克服传统摩擦材料的高温失效和摩擦学缺陷。因此具有广阔的应用前景2,3。德国斯图加特大学和德国航天研究所研制出的C/C-SiC 刹车片应用于保时捷轿车中,美国Aircraft Braking Systems, Goodrich,

4、Honeywell, and Parker -Hannifin 四大公司联立研究应用于刹车领域的陶瓷摩阻材料。C/C-SiC 复合材料的制备技术还处于深入研究和完备阶段,C/C-SiC 复合材料作为制动材料具有优异的性价比,代表当前制动材料最高水平4,5。本实验以不同孔隙率的C/C 复合材料为预制体,甲基三氯硅烷(CH 3SiCl 3为反应源气,采用CVI 法制备出一系列C/C-SiC 复合材料,探索了C/C-SiC 复合材料在干态和湿态下的摩擦磨损性能,分析了不同原始密度及组分含量等因素对材料摩擦性能的影响。2 实验方法2.1 原料准备选用的碳纤维为吉林炭素厂生产的炭纤维,炭纤维编织体为无维

5、布与胎网层叠针刺而成的整体毡,密度为0.6 g/cm 3。炭纤维坯体中纤维的体积分数为35%左右。采用化学气相沉积工艺对炭纤维编制体进行沉积,制备出具有不同密度的碳/碳复合材料,作为本试验的预制体。采用甲基三氯硅烷(CH 3SiCl 3作为反应气体,它具有较高的蒸气压,能在较低温度下进行沉积,并且分子中Si 与C 的原子比为1:1,容易制备出化学计量的SiC ,是目前普遍选用的CVI 反应源气。 2.2 试样制备选用不同致密度的多孔C/C 复合材料作为预制体,用CVI 法制备出具有较高密度的C/C-SiC 复合材料。以CH 3SiCl 3为气源,在预制体试样上沉积SiC 。在CVI 反应过程中

6、,反应气体CH 3SiCl 3以鼓泡的方式由载气(高纯的氩气带入反应室,同时选用高纯的氢气为稀释气体。高纯氢气流量为100 mL/min ,高纯氩气流量为100 mL/min 。每次渗透完毕将试样表面磨去1 mm 左右以除去被堵塞的孔洞方进行下一次渗透,经过多次渗透。得到的试样数据如表1所示。磨擦试样尺寸为20 mm ×11 mm ×6 mm, 摩擦面为20 mm ×11 mm 。2.3 摩擦磨损性能测试在MM-2000摩擦磨损实验机上进行环-块摩擦试验,下试样是GCr15钢表面渡Cr 的环形对偶件,半径为20 mm ,在摩擦过程中每隔20 min 测定一个摩擦&

7、#183;656· 稀有金属材料与工程 第36卷力矩,至摩擦系数比较稳定时停止试验。试验条件为:下试样转速为200 r/min,即0.42 m/s,试验载荷分别为60 kg,90 kg,120 kg,140 kg。摩擦环境分别为干态和湿态。湿态时实验条件不变,只是实验前先将试样在水中浸泡 5 min,试样上方放置一滴水装置在实验过程中不停滴水保证试样始终保持润滑状态。摩擦力矩可以从实验机刻度上直接读出,摩擦系数的换算公式为:摩擦系数=摩擦力矩/下试样半径×载荷。表1 试验用刹车片数据Table 1 The data of C/C-SiC brake blockNumberI

8、nitialdensity/g·cm-3Finaldensity/g·cm-3The content of SiC,/%A-1 0.7909 1.514 52.74 A-2 0.7909 1.437 48.37 A-3 0.7909 1.589 49.66 A-4 0.7909 1.471 47.02 B-1 1.070 1.818 42.39 B-2 1.070 1.852 43.20 B-3 1.070 1.832 42.44 B-4 1.070 1.829 40.99 C-1 1.197 1.890 37.34 C-2 1.197 1.948 42.13 C-3 1.

9、197 1.946 41.57 C-4 1.197 2.014 50.23 D-1 1.470 1.952 33.39 D-2 1.470 1.885 29.23 D-3 1.470 1.837 24.39 D-4 1.470 1.763 14.193 结果与分析3.1 SiC含量对材料摩擦磨损性能的影响SiC作为硬质相是制动压力的主要承载支点,在法向载荷的作用下SiC相易于压入钢环,造成对偶件的微切削,故摩擦表面分布的SiC相越多,产生的微切削就越多,相应摩擦因数也越高,同时高摩擦因数能在瞬间产生大量的摩擦热, 即高的制动功率,如果热量不能及时散失而引起摩擦表面温度升高,温升使钢环表面软化,

10、易于产生塑性变形,由于钢环的最大剪切力出现在次表层6,7,在摩擦力的反复剪切作用下,次表层产生疲劳裂纹,裂纹扩展到表层形成磨屑,磨屑受挤压被重新涂抹在摩擦面上而发生物质转移,此时摩擦过程更接近于金属与金属之间的摩擦。图1是干态下的摩擦力矩和时间关系图,从中可以看出,原始密度最小的A系列材料摩擦系数波动比较大,或者摩擦系数偏低,这可能是SiC在渗透时只在材料的表面沉积下来,没有进入材料内部,开始摩擦时表面大量高硬度的SiC颗粒与下试样环在载荷压力下相互摩擦,导致最初的摩擦系数比较高。随着摩擦的进行,当表面的SiC被磨去,下试样环直接与摩擦材料的基体产生摩擦,由于A系列试样的基体密度小,孔隙度比较

11、大,所以材料摩擦系数急剧下降。随着载荷的增大,材料的摩擦系数也随着增大,原始基体密度最大而SiC含量最小的D系列材料摩擦系数却不尽人意,原因估计是随着压力的增大,作为硬质点的SiC颗粒磨损量增加,因此SiC颗粒必须保证一定的数量才能维持较高的摩擦力矩,而D系列材料中SiC含量太低,不能维持长时间不间断的摩擦,故而摩擦系数较低。图1 摩擦力矩与时间关系图Fig.1 Relationship between friction moment and time: (a 60 kg,(b 90 kg, (c 120 kg, and (d 140 kg3.2 压力对摩擦磨损性能的影响图2是D组材料干态摩擦

12、后的扫描电镜照片, D-1的载荷为60 kg,D-2载荷为90 kg,D-3载荷为120 kg,D-4载荷为140 kg。在施加制动压力后,摩擦面微突体压嵌入对方而相互咬合,刹车片与对偶钢环相对转动必须克服较大的剪切力,在冲击剪切力的作用下,强度不高的微突体被剪断,强度高的则容易划伤对偶件。断裂的微突体以第三相磨粒的形式造成新的磨损。在4组图中D-4表面磨削膜比较完整致密。这估计是随着压力的增大,在材料的表面逐渐形成较厚的磨削膜,使得材料摩擦系数减小,在试环与试样接触的摩擦面有明显的划痕,而且载荷越大划痕越明显。20 60 80 1206462585450FrictionMoment/cm&#

13、183;kgaA-1B-1C-1D-120 60 80 12012010080bA-2B-2C-2D-220 60 80 120t/mirictionMoment/cm·kgcA-3B-3C-3D-320 60 80 120t/min1501301109070dA-4B-4C-4D-4增刊1 谢 乔等:C/C-SiC 陶瓷基复合材料刹车副摩擦性能研究 ·657·图2 D 系列材料摩擦后扫描电镜照片Fig.2 Wear surface images of D series: (a D-1, (bD-2, (c D-3,and (dD-4摩擦

14、磨损是一个复杂的过程, 它是材料本身、对偶件、制动条件、实验环境等因素综合作用的结果。摩擦因数与磨损机理密切相关, 根据Evans 公式可知, 材料的体积磨损与其断裂韧性、硬度呈递减趋势, 因此材料韧性越好, 硬度越高, 磨损率就相应降低。 3.3 环境对材料摩擦磨损性能的影响在潮湿环境中,摩擦表面在吸附水分后形成新的边界膜,对偶件材料可能与水发生化学反应形成Fe(OH3等产物8,SiC 与吸附的水分子生成无定型SiO 2以及SiO 2·x H 2O 或者偏硅酸(H 2SiO 3膜,这种膜剪切强度低, 但脆性较大,容易发生局部断裂而不易形成超滑表面,因此对降低摩擦因数有贡献但不会很显

15、著,材料仍然能基本保持其干态摩擦因数9,10。边界膜的存在也改变了摩擦磨损机理,干态下脱落的磨屑彼此不能相互吸附团聚,而是以单独磨粒的形式存在,磨粒在摩擦面滚动而呈球状,并且造成了对偶件的犁沟切削,加剧了对偶磨损,而湿态下的磨屑由于水的吸附作用更容易团聚或重新填充到摩擦面的凹坑里,团聚的磨屑受挤压被重新涂抹在摩擦表面,有利于形成光滑的摩擦膜,降低了材料的摩擦磨损,由团聚磨屑挤压形成的摩擦膜与基体结合较弱,易于疲劳脱落,再涂抹再脱落,如此循环,间接地降低了磨损。同时由于水的吸热蒸发使摩擦表面温度降低,缓解了对偶件材料的软化,进一步又降低了粘着磨损。图3是干态和湿态摩擦性能比较。在几组图中,图左是

16、干态时摩擦系数,图右是湿态时的摩擦系数。从图中可以看出,干态时的摩擦系数要高于湿态下的摩擦系数,但是随着载荷的增大干态和湿态摩擦系数差距减小,这是因为随着载荷增加,压力破坏了试样和对偶件之间形成的水膜,导致润滑因素下降,材料摩擦系数增大。图3 干态和湿态摩擦性能比较Fig.3 Friction properties comparing dry to damp: (a A-1, 60 kg,(b c-1, 60 kg, (c B-3, 120 kg, and (d D-3, 120 kg湿态和干态环境对材料摩擦性能的影响主要是通过摩擦表面的温度和水汽的状态来实现的,在湿态下C/C-SiC 复合材

17、料的摩擦系数降低。在湿态环境中,水受热蒸发带走一部分能量,摩擦表面的温度比干态下低,减少了摩擦面上局部点温度过高的现象,并且减少了升温和降温过程中热应力对材料造成的疲劳磨损,微突体断裂减少,因此材料磨损比干态时略有减少。在图4a 和图4b 中可以看到材料表面有一层薄膜,这就是在湿态环境下形成的,减小摩擦系数的润滑膜,它们有效地减小了材料的摩擦系数。在图4c 中可以较明显看到材料中的炭纤维,这是因为在湿态实验条件下,材料温升不高,炭纤维没有完全被氧化。图4 湿态摩擦后扫描电镜照片Fig.4 Wear surface images under water-lubrication condition

18、4 结 论a bc dabc1 2 3 40.60.40.2a The most friction coefficien tThe least friction coefficien t1 2 3 40.60.40.20The most friction coefficien t The least friction coefficien tb1 2 30.60.40.20the most friction coefficien t The least friction coefficien tc1 2 30.50.30.1The most friction coefficien tThe l

19、east friction coefficien tdF r i c t i o n C o e f f i c i e n t F r i c t i o n C o e f f i c i e n t·658· 稀有金属材料与工程 第36卷1SiC作为硬质相是制动压力的主要承载支点,适当提高SiC含量能有效分散制动压力,避免微区压力集中造成SiC颗粒脱落和划伤对偶件,产生的微切削越多,相应摩擦系数也越高。2SiC含量在40%左右对材料的摩擦磨损有利。3在湿态环境下,C/C-SiC复合材料的摩擦系数比干态下低,但随着压力的增大,这种差异减小。参考文献References1

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23、30 (1: 41Friction and Wear Properties of Brake Pairs of C/C-SiC Ceramic CompositesXie Qiao, Zhu Dongmei, Wang Xiaoyan, Luo Fa, Zhou Wancheng(State Key Laboratory of Solidification Processing, Northwestern Polytechnical University, Xian 710072, ChinaAbstract: A series of C/C-SiC composites have been produced by chemical vapor infiltration method (CVI using CH3SiCl3 as reaction gas, argon as carrier gas and hydrogen as dilution gas. The friction and wear properties of materials have been studied by friction test at the MM-2000 friction and wear equipment.