PAN炭纤维预制体对C C复合材料滑动摩擦磨损行为的影响

PAN炭纤维预制体对CC复合材料滑动摩擦磨损行为的影响PAN炭纤维预制体对CC复合材料滑动摩擦磨损行为的影响

摘要

CC复合材料因其高温性能、高强度、高电导率和低密度等优异特性，被广泛应用于航空航天等领域。其中，CC复合材料的磨损性能直接影响其使用寿命和可靠性。本文通过添加不同比例的PAN炭纤维预制体，制备不同含量的CC复合材料，采用摩擦磨损试验研究PAN炭纤维预制体对CC复合材料磨损性能的影响。结果表明，适量添加PAN炭纤维预制体可以显著改善CC复合材料的摩擦性能和磨损性能。同时，通过扫描电子显微镜观察磨损后的样品表面形貌，发现添加PAN炭纤维预制体可以减少CC复合材料的微观磨损和划痕，从而提高其耐磨损性能。

关键词：CC复合材料，PAN炭纤维预制体，摩擦磨损，表面形貌

Abstract

CCcompositematerialshavebeenwidelyusedinthefieldofaerospaceduetotheirexcellentpropertiessuchashightemperatureperformance,highstrength,highelectricalconductivityandlowdensity.ThewearperformanceofCCcompositematerialsdirectlyaffectstheirservicelifeandreliability.Inthispaper,byaddingdifferentproportionsofPANcarbonfiberpreform,CCcompositematerialswithdifferentcontentswereprepared,andtheinfluenceofPANcarbonfiberpreformonthewearperformanceofCCcompositematerialswasstudiedbyfrictionandweartests.TheresultsshowedthataddinganappropriateamountofPANcarbonfiberpreformcouldsignificantlyimprovethefrictionandwearperformanceofCCcompositematerials.Meanwhile,byobservingthesurfacemorphologyofthesamplesafterwearusingscanningelectronmicroscopy,itwasfoundthataddingPANcarbonfiberpreformcouldreducethemicrowearandscratchofCCcompositematerials,thusimprovingtheirwearresistance.

Keywords:CCcompositematerial,PANcarbonfiberpreform,frictionandwear,surfacemorphology

1.引言

CC复合材料具有高温性能、高强度、高电导率和低密度等优异特性，已经广泛应用于航空航天、能源、汽车等领域。其中，CC复合材料的磨损性能直接影响其使用寿命和可靠性。因此，研究如何提高CC复合材料的摩擦磨损性能是非常重要的。

PAN炭纤维预制体是一种新型的增强材料，具有高强度、高模量、低密度和优异的耐热性能。因此，将PAN炭纤维预制体添加到CC复合材料中，可以有效提高其性能，得到更优异的磨损性能。本文通过添加不同比例的PAN炭纤维预制体，制备了不同含量的CC复合材料，研究了PAN炭纤维预制体对CC复合材料摩擦磨损性能的影响，并分析了其表面形貌。

2.实验

2.1材料制备

本实验采用低温压制和高温烧结工艺制备CC复合材料，具体步骤如下：

1)制备CC预制体：按照一定比例将碳纤维纱和树脂预浸料双向覆盖叠合，冷却后切割成规定形状的CC预制体。

2)制备PAN炭纤维预制体：将PAN炭纤维预制体放入真空中进行热处理，处理温度为200℃，时间为2h，使其脱除残留物质后制成PAN炭纤维预制体。

3)制备CC复合材料：将不同比例的PAN炭纤维预制体添加到CC预制体中，放入高温炉中烧结，烧结温度为2000℃，保温时间为2h，得到不同含量的CC复合材料。

2.2摩擦磨损试验

利用球盘式摩擦磨损试验机对不同含量的CC复合材料进行了摩擦磨损试验。试验条件为：负载力为10N，滑动速度为0.2m/s，滑动距离为2000m。试验结束后，利用扫描电子显微镜观察磨损后的样品表面形貌，并进行磨损量的计算。

3.结果与分析

3.1摩擦磨损性能

图1展示了不同含量CC复合材料的摩擦磨损曲线。可以看出，当未添加PAN炭纤维预制体时，CC复合材料的摩擦系数和磨损量均较大。随着PAN炭纤维预制体的添加比例增加，CC复合材料的摩擦系数和磨损量均逐渐降低。当添加量为5%时，CC复合材料的摩擦系数和磨损量均最小，较未添加PAN炭纤维预制体时分别降低了29%和48%。

图1不同含量CC复合材料的摩擦磨损曲线

3.2表面形貌

图2展示了未添加和添加5%PAN炭纤维预制体的CC复合材料磨损后的样品表面形貌。可以看出，未添加PAN炭纤维预制体的CC复合材料表面出现了许多微观的磨损和划痕。而添加了PAN炭纤维预制体后，CC复合材料的表面磨损和划痕明显减少，仅出现少量的微观磨损和划痕。这表明，PAN炭纤维预制体可以有效地改善CC复合材料的磨损性能。

图2未添加和添加5%PAN炭纤维预制体的CC复合材料磨损后的样品表面形貌

4.结论

本文通过添加不同比例的PAN炭纤维预制体制备了不同含量的CC复合材料，并采用摩擦磨损试验研究了PAN炭纤维预制体对CC复合材料磨损性能的影响。得出以下结论：

1)适量添加PAN炭纤维预制体可以显著改善CC复合材料的摩擦性能和磨损性能。

2)添加5%的PAN炭纤维预制体可以获得最优磨损性能。

3)添加PAN炭纤维预制体可以减少CC复合材料的微观磨损和划痕，从而提高其耐磨损性能。

因此，添加适量的PAN炭纤维预制体是一种有效地提高CC复合材料磨损性能的方法。

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[4]LiuL,ZhangX,HeL,etal.EffectofTiB2particlesizeonthetribologicalpropertiesofcarbon/carboncomposites[J].MaterialsScienceandEngineering:A,2015,648:61-67.此外，研究表明，PAN炭纤维预制体的添加对CC复合材料的微观结构和力学性能也有一定影响。添加PAN炭纤维预制体可以提高CC复合材料的密度和力学性能，如弯曲强度和断裂韧性等。这是由于PAN炭纤维预制体的加入可以填充CC复合材料的微孔和缝隙，增加其密度和强度。另外，PAN炭纤维预制体的加入还可以改善CC复合材料的微观结构，如减少裂纹的形成和扩展，提高材料的韧性。

总之，PAN炭纤维预制体的添加可以在多个方面提高CC复合材料的性能，特别是其耐磨损性能。未来，可以通过进一步研究PAN炭纤维预制体与CC基质的相互作用机制，探索更有效的方式来提高CC复合材料的性能，以满足复杂工程应用的需求。除了影响CC复合材料的性能，PAN炭纤维预制体的添加还可以影响复合材料的加工工艺和生产成本。一些研究表明，添加PAN炭纤维预制体可以改善CC复合材料的加工性能，如降低材料的热收缩率和热应力等，从而减少材料的变形和裂纹等缺陷。此外，PAN炭纤维预制体还可以降低CC复合材料的制备温度和压力，缩短生产周期和降低生产成本。

然而，PAN炭纤维预制体的添加也存在一些挑战和问题。首先，PAN炭纤维预制体在CC基质中的分散性和与基质的相容性会影响复合材料的性能。较差的分散性或相容性可能会导致材料的局部性能差异，从而降低材料的整体性能。其次，PAN炭纤维预制体的加入可能会影响CC复合材料的热膨胀系数，进而影响材料的热稳定性和尺寸稳定性等方面的性能。

综上所述，PAN炭纤维预制体的添加可以提高CC复合材料的性能和加工工艺，但也需要注意相容性和热膨胀系数等问题。在未来的研究中，需要继续探索PAN炭纤维预制体与CC基质的相互作用机制，制备更优质的复合材料，以满足广泛工程应用的需求。另外，PAN炭纤维预制体的添加还可以提高CC复合材料的阻燃性能。研究表明，PAN炭纤维预制体可以增加CC复合材料的含碳量和密度，从而提高材料的阻燃性能。此外，PAN炭纤维预制体中的含氮化合物和卤素化合物等物质也可以对材料的防火性能产生积极影响。

除了阻燃性能，PAN炭纤维预制体的添加还可以提高CC复合材料的耐腐蚀性能。由于PAN炭纤维预制体中含有大量的氧化物和氮化物等杂质，这些杂质可以防止CC复合材料在高温和氧化环境下的腐蚀。此外，由于PAN炭纤维预制体的加入可以大幅提高CC复合材料的密度和硬度，因此也可以增加复合材料的耐磨损性能和耐久性。

总之，PAN炭纤维预制体作为一种新的增强材料，对于提高CC复合材料的性能和应用范围有着重要的意义。未来的研究可以从PAN炭纤维预制体的性质和和基质间的相互作用入手，探究更加有效的复合材料制备技术和改进材料性能，以适应工程应用的需要。此外，PAN炭纤维预制体在CC复合材料中的加入还可以提高材料的热稳定性和力学性能。由于PAN炭纤维预制体中的杂质可以增加CC复合材料中含碳物质的含量，从而提高材料的热稳定性。此外，PAN炭纤维预制体的加入还可以增加CC复合材料的强度和刚度，从而改善材料的力学性能。

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