不同相對(duì)濕度下C/C復(fù)合材料的摩擦磨損性能

岳葆林，徐惠娟，易茂中

(中南大學(xué) 粉末冶金國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410083)

不同相對(duì)濕度下C/C復(fù)合材料的摩擦磨損性能

岳葆林，徐惠娟，易茂中

(中南大學(xué) 粉末冶金國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410083)

在MM?1000型摩擦試驗(yàn)機(jī)上，對(duì)C/C復(fù)合材料在不同相對(duì)濕度下進(jìn)行摩擦磨損性能實(shí)驗(yàn)，用掃描電子顯微鏡對(duì)其磨損表面形貌和磨屑進(jìn)行觀察分析。結(jié)果表明：隨著相對(duì)濕度的增加，C/C復(fù)合材料的摩擦因數(shù)降低，質(zhì)量磨損下降，且在高相對(duì)濕度下，由于水分的潤(rùn)滑，摩擦因數(shù)要比在低相對(duì)濕度下的更穩(wěn)定，兩者剎車時(shí)間相近，可見在飛機(jī)著落實(shí)際環(huán)境下，短時(shí)間內(nèi)相對(duì)濕度高低對(duì)剎車性能影響不大。但長(zhǎng)時(shí)間在高相對(duì)濕度下放置后，材料的摩擦磨損性能受到很大影響，表現(xiàn)為剎車時(shí)間比較長(zhǎng)，摩擦因數(shù)和質(zhì)量磨損偏低。通過分析摩擦后的材料表面及磨屑形貌，發(fā)現(xiàn)隨著相對(duì)濕度的增加，主要磨損機(jī)理發(fā)生轉(zhuǎn)變，從低相對(duì)濕度下的氧化磨損轉(zhuǎn)變?yōu)楦呦鄬?duì)濕度下的剝層磨損。

炭/炭復(fù)合材料；相對(duì)濕度；摩擦；磨損性能

炭/炭復(fù)合材料是以炭纖維增強(qiáng)炭基體的復(fù)合材料，可作增強(qiáng)相的炭纖維有聚丙烯腈炭纖維、瀝青基炭纖維以及中間相炭纖維，而基體炭可能是熱解炭、樹脂炭或?yàn)r青炭。炭/炭復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、高比熱容、耐高溫、低密度，導(dǎo)熱性能優(yōu)良、熱膨脹系數(shù)小[1]等優(yōu)點(diǎn)，這些特征決定了其在航空航天工業(yè)上的廣泛應(yīng)用。

炭/炭復(fù)合材料摩擦磨損性能是作為航空剎車材料的關(guān)鍵性能之一。影響其摩擦性能的因素除了炭基體結(jié)構(gòu)[2]和摩擦因素[3?4](如負(fù)載、滑行速度、所吸收的能量等)以外，還受環(huán)境因素(如溫度、相對(duì)濕度和氣氛)的影響。在濕態(tài)條件下，剎車試驗(yàn)不僅能測(cè)試剎車副對(duì)復(fù)雜外界環(huán)境的適應(yīng)性，而且由于水的潤(rùn)濕能降低剎車力矩，而飛機(jī)又要求在規(guī)定的距離內(nèi)剎停，因此對(duì)剎車副的性能是一個(gè)嚴(yán)峻的考驗(yàn)。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)炭/炭復(fù)合材料干態(tài)下的摩擦磨損性能研究得比較多，但對(duì)濕態(tài)下摩擦磨損性能的研究較少。CHEN等[5]、羅瑞盈等[6]和曲建偉等[7]以及于澍等[8]曾對(duì)這方面有所研究。但CHEN的研究主要是在低速滑跑條件下進(jìn)行的。羅瑞盈的研究中對(duì)樣件的熱解炭結(jié)構(gòu)沒有報(bào)道。在于澎的研究中，并未模擬濕態(tài)氣氛，只是在樣件上灑水，不能系統(tǒng)說明濕態(tài)摩擦性能。綜上所述，國內(nèi)外目前對(duì)C/C復(fù)合材料在實(shí)際使用情況下的氣氛條件模擬研究還比較欠缺，因此系統(tǒng)研究不同濕度環(huán)境下C/C復(fù)合材料的摩擦性能有著必要性，以及研究結(jié)果能對(duì)飛機(jī)剎車安全提供有效的數(shù)據(jù)。

本文作者通過在MM?1000摩擦試驗(yàn)機(jī)上安裝氣氛密封箱，研究不同相對(duì)濕度下C/C復(fù)合材料的摩擦磨損性能，通過掃描電子顯微鏡系統(tǒng)地分析不同相對(duì)濕度下C/C復(fù)合材料的摩擦磨損機(jī)制。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試樣的制備

C/C復(fù)合材料坯體為無緯布網(wǎng)胎疊層經(jīng)針刺而成。CVD預(yù)沉積采用 C3H6作炭源，N2為載氣。C/C復(fù)合材料毛坯的預(yù)沉積在均溫式感應(yīng)氣相沉積爐中進(jìn)行，石墨化處理在真空感應(yīng)爐中進(jìn)行。本研究采用一對(duì)摩擦試環(huán)，配副的動(dòng)環(huán)和靜環(huán)的材質(zhì)和尺寸相同，試環(huán)的內(nèi)徑和外徑的尺寸分別為d 75 mm、d 45 mm，厚度為16 mm。

1.2 試驗(yàn)裝置

在圖1所示的MM?1000摩擦試驗(yàn)機(jī)上模擬飛機(jī)剎車試驗(yàn)。該裝置為標(biāo)準(zhǔn)摩擦裝置，依據(jù)飛機(jī)剎車制動(dòng)條件采用摩擦熱沖擊技術(shù)，將動(dòng)環(huán)通過鍵槽與驅(qū)動(dòng)主軸相連并隨驅(qū)動(dòng)主軸和慣性飛輪一同加速到規(guī)定的制動(dòng)速度下，施加一定的壓力使靜環(huán)和旋轉(zhuǎn)的動(dòng)環(huán)發(fā)生摩擦而實(shí)現(xiàn)制動(dòng)剎車，通過測(cè)量制動(dòng)力矩可以計(jì)算制動(dòng)摩擦因數(shù)。摩擦因數(shù)的計(jì)算公式為

式中：M 為力矩，N·m；μ為摩擦因數(shù)；Fn為載荷；r1為內(nèi)徑；r2為外徑。

圖1 慣性摩擦實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of laboratory scale inertia type of dynamometer: 1—Inertia disk; 2—Bearing; 3—Clutch;4—Activity wheel head; 5—Static wheel head; 6—Activity ring; 7—Static ring; 8—Magnetic fluid; 9—Cylinder;10—Atmosphere box; 11—Transmission belt; 12—Engine;13—Base

摩擦試驗(yàn)機(jī)中的氣氛箱采用磁流體密封技術(shù)[9]，在真空轉(zhuǎn)軸動(dòng)密封技術(shù)中，磁性流體轉(zhuǎn)軸動(dòng)密封技術(shù)具有零泄漏、無固體摩擦、能耗小、無機(jī)械磨損、壽命長(zhǎng)、適于傳遞高轉(zhuǎn)速(最高可達(dá)120 000 r/min)等優(yōu)良性質(zhì)。氣氛箱有一個(gè)進(jìn)氣口和一個(gè)出氣口，通過加濕器對(duì)內(nèi)緩慢加濕。箱體內(nèi)裝有溫濕度傳感器，有外接顯示屏，可以及時(shí)顯示內(nèi)部濕度。

1.3 試驗(yàn)方法與參數(shù)

試驗(yàn)前，摩擦試環(huán)表面預(yù)磨合平穩(wěn)后，在圖1所示的摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行正常剎車模擬試驗(yàn)。把試樣環(huán)安裝在密封氣氛箱內(nèi)，通過溫濕度測(cè)試儀上的顯示，調(diào)節(jié)加濕器，在不同相對(duì)濕度(RH)下試驗(yàn) 10次以上。試驗(yàn)主要分為兩部分，一是在不同相對(duì)濕度下進(jìn)行摩擦實(shí)驗(yàn)，二是材料在 80%RH下放置時(shí)間不同進(jìn)行試驗(yàn)。表1所列為制動(dòng)試驗(yàn)參數(shù)，其中801)為試樣在80%RH下放置12 h后進(jìn)行制動(dòng)試驗(yàn)。

表1 制動(dòng)試驗(yàn)參數(shù)Table 1 Brake test parameters

試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)記錄制動(dòng)力矩與時(shí)間的關(guān)系，并根據(jù)式(1)計(jì)算摩擦因數(shù)。用精度為10 μm的螺旋測(cè)微器測(cè)量試環(huán)上6點(diǎn)處摩擦前后的尺寸變化，取平均值得到線性磨損量；用精度為0.1 mg的分析天平測(cè)量試環(huán)摩擦前后的質(zhì)量損失，得到質(zhì)量磨損量。采用FEI-Nova Nano sem 230型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)試樣制動(dòng)后的摩擦表面和磨屑的形貌進(jìn)行觀察。

2 結(jié)果與分析

2.1 相對(duì)濕度對(duì)C/C復(fù)合材料摩擦磨損性能的影響

圖2所示為不同相對(duì)濕度下C/C復(fù)合材料的摩擦曲線，其中圖2(a)和(b)所示為材料在高相對(duì)濕度下放置5 min后進(jìn)行摩擦試驗(yàn)的曲線，而圖2(c)所示為材料在高相對(duì)濕度下放置12 h后進(jìn)行摩擦試驗(yàn)的曲線。由圖2(a)、(b)和(c)可知，速度曲線開始階段斜率偏小，速度下降緩慢，經(jīng)過一段時(shí)間后，速度再持續(xù)快速下降，原因是在高相對(duì)濕度下，材料表面吸附了水分，對(duì)摩擦表面有潤(rùn)滑效果，降低了材料摩擦因數(shù)，隨著剎車時(shí)間的增長(zhǎng)，材料表面溫度逐漸上升，當(dāng)摩擦表面達(dá)到一定溫度時(shí)，發(fā)生水的解吸附轉(zhuǎn)變[10]，摩擦表面水分消失，摩擦因數(shù)變大；另一個(gè)原因，當(dāng)材料表面水分消失后，在有水分存在的情況下的摩擦膜會(huì)有個(gè)破碎到重新形成的過程，此時(shí)形成在沒有水分環(huán)境下的摩擦膜，兩個(gè)原因的綜合效果使得摩擦因數(shù)激增。比較圖2(a)和(b)所示為力矩曲線開始階段，圖2(a)的摩擦因數(shù)比圖2(b)的低且摩擦因數(shù)持續(xù)時(shí)間稍長(zhǎng)，原因是高相對(duì)濕度下，材料的摩擦表面吸附更多的水分，潤(rùn)滑效果更明顯，導(dǎo)致一開始摩擦因數(shù)更低，而材料表面吸附的更多水分需要更長(zhǎng)的時(shí)間蒸發(fā)解吸。圖2(c)所示為材料在80%RH條件下放置12 h再進(jìn)行摩擦試驗(yàn)的摩擦曲線。由圖2(c)可知，摩擦曲線很不穩(wěn)定，有剎不住車的現(xiàn)象，速度曲線開始下降緩慢，低摩擦因數(shù)階段過長(zhǎng)，出現(xiàn)此摩擦曲線的原因是材料不僅表面吸附了大量水分，材料內(nèi)部也已經(jīng)吸潮，所以摩擦過程中，當(dāng)材料表面水分消失后，內(nèi)部的水會(huì)向表面滲出，使得材料表面能夠長(zhǎng)時(shí)間維持潤(rùn)滑膜的存在。圖2(d)所示為低相對(duì)濕度(40%RH)下摩擦曲線。由圖2(d)可以看出，摩擦因數(shù)曲線并沒有出現(xiàn)如圖2(a)、(b)和(c)所示的前期低摩擦因數(shù)現(xiàn)象，速度持續(xù)快速下降，力矩曲線穩(wěn)定且呈標(biāo)準(zhǔn)馬蹄形，為正常剎車摩擦曲線，說明該相對(duì)濕度下，空氣中的水蒸氣已經(jīng)對(duì)剎車性能基本沒有影響。圖2(a)、(b)和(d)剎車時(shí)間在15～17 s，圖2(c)剎車的時(shí)間為19 s。可見在實(shí)際環(huán)境下，短時(shí)間內(nèi)相對(duì)濕度高低對(duì)剎車性能影響不大，只有長(zhǎng)時(shí)間在高相對(duì)濕度的環(huán)境下，剎車性能才會(huì)有大的影響。

圖2 不同相對(duì)濕度下C/C 復(fù)合材料的摩擦曲線Fig.2 Friction curves of C/C composite material under different relative humidities: (a) 90%RH; (b) 80%RH; (c) 80%RH; (d)40%RH

圖3(a)所示為材料在不同濕度下經(jīng)過10次摩擦實(shí)驗(yàn)?zāi)Σ烈驍?shù)的比較。由圖3(a)可見，在 80%RH和90%RH下，摩擦因數(shù)很接近，而在40%RH下，摩擦因數(shù)最高，且波動(dòng)最大。說明高相對(duì)濕度下水分的潤(rùn)滑效果不僅降低材料的摩擦因數(shù)，且能夠保持摩擦因數(shù)基本穩(wěn)定。在高相對(duì)濕度下剎車時(shí)，剎車力矩較低相對(duì)濕度下剎車時(shí)的剎車力矩要低，尤其以制動(dòng)開始時(shí)力矩最低。這是由于濕態(tài)下水分子與亂層石墨晶格中的不飽和π鍵結(jié)合后，使石墨表面及棱邊力飽和，降低晶體間的引力，從而使摩擦因數(shù)變小。隨著剎車盤表面溫度的進(jìn)一步升高，力矩很快有所上升，水分不斷蒸發(fā)，使得水分帶來的潤(rùn)滑作用降低。圖3(b)所示為材料在高相對(duì)濕度下放置不同時(shí)間后的摩擦因數(shù)。由圖3(b)可知，當(dāng)材料在高相對(duì)濕度下時(shí)間越長(zhǎng)，材料就會(huì)吸收更多的水分，摩擦因數(shù)越低。圖3(b)中材料長(zhǎng)時(shí)間放置在 80%RH氣氛中，摩擦因數(shù)低且不穩(wěn)定。此時(shí)，水分從材料表面擴(kuò)散到材料內(nèi)部，這時(shí)候材料剎車會(huì)有打滑現(xiàn)象，摩擦因數(shù)偏低，摩擦性能不穩(wěn)定。飛機(jī)的“晨病”就是因?yàn)閯x車盤長(zhǎng)時(shí)間吸收了大氣中的水分造成的，所以起飛前先要滑行剎車除掉過多的水分。

圖3 不同相對(duì)濕度下材料的摩擦因數(shù)Fig.3 Friction coefficient of materials under different relative humidities: (a) Different humidities; (b) Different storage times

由表2可知，相對(duì)濕度越低材料磨損越嚴(yán)重，高相對(duì)濕度下，材料放置時(shí)間越長(zhǎng)，磨損越小。

表2 不同相對(duì)濕度下材料的磨損性能Table 2 Wear performance of materials under different relative humidities

2.2 不同相同濕度下材料摩擦表面及磨屑形貌分析

圖4所示為材料在不同濕度下磨損形貌。C/C復(fù)合材料的磨損機(jī)理包括磨粒磨損、氧化磨損、粘著磨損和剝層磨損等[11?14]。由圖4(a)和(b)可見，低相對(duì)濕度下磨損嚴(yán)重，材料表面很粗糙，圖4(a)中摩擦表面大量出現(xiàn)表層剝落痕跡，摩擦表面顯示出波浪狀的磨屑堆積、碾磨的形貌，那是因?yàn)楫?dāng)摩擦膜形成到一定大小后，會(huì)被摩擦剪應(yīng)力破壞成磨屑，再由磨屑擠壓成摩擦膜，沿著摩擦方向滑移，如此循環(huán)形成波浪狀摩擦形貌。在黑色、較致密的摩擦膜之間有灰色的和碾磨的形貌。由圖4(b)中可以看到，兩種基體炭磨損形式有很大差別，熱解碳表面有大量波紋狀摩擦形貌，而樹脂炭表面很光滑，沒有波紋狀摩擦膜，出現(xiàn)界面裂紋。HUTTON 等[15]研究認(rèn)為，石墨化度高的 CVI炭的剪切強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于石墨化度低的 PAN基炭纖維的。所以，在圖4(b)中，熱解碳易變形，摩擦表面的磨屑在摩擦力的作用下易壓制成有自修復(fù)能力的摩擦潤(rùn)滑膜，而樹脂炭難變形，硬度高，產(chǎn)生磨屑易飛離，摩擦表面難以形成連續(xù)的潤(rùn)滑膜，在剪切應(yīng)力下更容易發(fā)生裂紋現(xiàn)象。圖4(c)的摩擦磨損表面比圖4(a)的平整，同樣大量存在波浪狀潤(rùn)滑膜，部分纖維端頭被磨損，表面有裂紋孔洞現(xiàn)象，纖維出現(xiàn)斷裂，表層剝落。由上分析可知，圖4(a)和(c)的氧化磨損嚴(yán)重，摩擦表面有大范圍表層剝落現(xiàn)象。圖4(e)中的表面最平滑，摩擦膜平整致密且呈大片狀，未發(fā)現(xiàn)顯著的纖維束磨損形貌。圖4(f)中的材料表面出現(xiàn)大量劃痕，但整體表面平滑，未出現(xiàn)圖4(b)和(d)中基體炭產(chǎn)生裂紋的現(xiàn)象，局部出現(xiàn)表層剝落和孔洞，所以，在該相對(duì)濕度下，由于水分的潤(rùn)滑，氧化磨損較小，主要是剝層磨損和磨粒磨損，且局部有表層剝落現(xiàn)象。

圖4 材料在不同相對(duì)濕度下的磨損表面形貌Fig.4 Worn surface morphologies of material under different relative humidities: (a), (b) 40%RH; (c), (d) 80%RH; (e), (f) 90%RH

圖5所示為不同濕度下摩擦實(shí)驗(yàn)后磨屑的 SEM像。圖5(a)中的磨屑最多，粒度較小，且層片狀摩擦膜的大小比圖5(c)中的小。可能是磨屑在未被碾壓就被甩出摩擦表面，且由于低濕度下沒有水分潤(rùn)滑，摩擦表面剝落的大片狀摩擦膜很容易被摩擦力破碎，所以磨屑細(xì)小且沒有大片狀摩擦膜。由于不斷有磨屑從摩擦表面拋出，材料表面更容易出現(xiàn)孔洞，為氧化創(chuàng)造了條件，這也是材料具有較大線性磨損的原因。圖5(c)中磨屑最少，除了較大塊的層片狀磨屑外，磨屑顆粒均勻細(xì)小，這符合圖4(e)中的摩擦表面形貌，即發(fā)生了表層剝落。圖5(b)中的磨屑比圖5(a)中的少些，但大塊層片狀磨屑開始出現(xiàn)，說明磨損的主要機(jī)理發(fā)生變化，從圖5(a)所示的氧化磨損轉(zhuǎn)變到圖5(c)所示的剝層磨損。

圖5 不同相對(duì)濕度下磨屑的形貌Fig.5 Morphologies of material dust under different relative humidities: (a) 40%RH; (b) 80%RH; (c) 90%RH

3 結(jié)論

1) 隨著相對(duì)濕度的增加，C/C復(fù)合材料的摩擦因數(shù)降低，質(zhì)量磨損下降，且在高相對(duì)濕度下，由于水分的潤(rùn)滑，摩擦因數(shù)要比低相對(duì)濕度下的穩(wěn)定。可見飛機(jī)著落的實(shí)際環(huán)境下，短時(shí)間內(nèi)相對(duì)濕度高低對(duì)剎車性能影響不大。

2) 在高相對(duì)濕度下，C/C復(fù)合材料放置時(shí)間越長(zhǎng)，對(duì)材料的摩擦磨損性能影響越嚴(yán)重，長(zhǎng)時(shí)間在高相對(duì)濕度下放置后，C/C復(fù)合材料剎車時(shí)間比較長(zhǎng)，且摩擦曲線很不穩(wěn)定。所以飛機(jī)長(zhǎng)時(shí)間在陰雨天的環(huán)境下，要在起飛前進(jìn)行滑行剎車去除剎車盤上的水分。

3) 通過SEM分析摩擦后的材料表面及磨屑形貌發(fā)現(xiàn)，隨著相對(duì)濕度的增加，材料的磨損機(jī)理發(fā)生轉(zhuǎn)變，低相對(duì)濕度下氧化磨損比較嚴(yán)重，而高相對(duì)濕度下氧化磨損較少，主要表現(xiàn)為剝層磨損。

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Friction and wear properties of C/C composite materials under different relative humidities

YUE Bao-lin, XU Hui-juan, YI Mao-zhong
(State Key Laboratory of Powder Metallurgy, Central South University, Changsha 410083, China)

The friction and wear properties of C/C composites were investigated under different relative humidities on the MM?1000 friction tester. The worn surface morphologies and the dust were observed with a scanning electron microscope. The results show that the friction coefficient and mass loss decrease with increasing relative humidity.Beside, under high relative humidity, because of the lubricating effect of water, the friction coefficient is stabler than that under low relative humidity, and the braking time is very close between them. So, in the actual environment, the level of relative humidity within a short time has little influence on the brakes. However, when the sample is placed in the high relative humidity environment for a long time, the friction and wear properties of materials are greatly affected, it shows long braking time, low friction coefficient and wear mass. By analyzing the worn surface morphologies of material and the debris, the main wear mechanism will be changed with increasing the relative humidity, transforming from oxidation wear under low relative humidity to delamination wear under high relative humidity.

C/C composites; relative humidity; friction; wear properties

TB 332

A

1004-0609(2011)08-1960-07

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(2006CB600906)

2010-07-19；

2010-11-25

易茂中，教授，博士；電話：0731-88830894；E-mail: yimaozhong@126.com

(編輯 李艷紅)