指尖密封用炭-炭復(fù)合材料摩擦磨損性能

路 菲， 陳國(guó)定， 蘇 華， 易茂中， 彭 可

(1.西北工業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院, 西安 710072； 2.中南大學(xué) 粉末冶金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 長(zhǎng)沙 410083)

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指尖密封用炭-炭復(fù)合材料摩擦磨損性能

路 菲1， 陳國(guó)定1， 蘇 華1， 易茂中2， 彭 可2

(1.西北工業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院, 西安 710072； 2.中南大學(xué) 粉末冶金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 長(zhǎng)沙 410083)

為確定指尖密封用炭-炭(炭纖維增強(qiáng)炭基體)復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能，針對(duì)指尖密封的輕載使用條件，應(yīng)用UMT-2摩擦磨損測(cè)試儀進(jìn)行炭-炭復(fù)合材料摩擦磨損性能試驗(yàn)，測(cè)量摩擦系數(shù)與磨損率，并采用掃描電子顯微鏡(SEM)分析材料的摩擦磨損機(jī)理.結(jié)果表明，無(wú)緯布層垂直于摩擦平面時(shí)，材料的摩擦系數(shù)和磨損率較低.載荷增加，較高密度材料的磨損率增加緩慢，摩擦系數(shù)減小.與載荷相比，材料磨損率受頻率的影響較小，且隨頻率升高摩擦磨損性能越好.磨損表面的SEM分析表明：低頻、低載條件下材料發(fā)生磨粒磨損；頻率的提高加快磨屑膜的成形，自潤(rùn)滑能力增強(qiáng)；載荷的增加雖使磨屑快速被擠壓形成磨屑膜，但磨屑膜被不斷擠出剝落，纖維裸露斷裂產(chǎn)生嚴(yán)重磨損，這一點(diǎn)在材料密度較低時(shí)表現(xiàn)更為顯著.選用較高密度的材料以及布置無(wú)緯布層垂直于摩擦平面可以有效緩解密封材料的磨損.

炭-炭(炭纖維增強(qiáng)炭基體)復(fù)合材料；摩擦；磨損；載荷；頻率；指尖密封

近年來(lái)將炭-炭復(fù)合材料用作密封材料得到學(xué)術(shù)界和工程界的關(guān)注[1-3].相比于篦齒密封和刷式密封，指尖密封是在密封性能和制造成本兩個(gè)方面都具有優(yōu)良特性的一種先進(jìn)密封技術(shù)，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承腔和二次流動(dòng)系統(tǒng)等密封部位有潛在的應(yīng)用前景[4-5].將炭-炭復(fù)合材料用于指尖密封，正確和系統(tǒng)認(rèn)識(shí)這種工作場(chǎng)合下炭-炭復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能十分重要，其中摩擦學(xué)試驗(yàn)是最直接和可靠的方法.國(guó)內(nèi)外已開展大量的炭-炭復(fù)合材料摩擦磨損試驗(yàn)研究工作，其中以應(yīng)用于剎車盤材料的研究居多.研究表明，炭-炭復(fù)合材料的預(yù)制體類型、基體炭類型、纖維取向以及工作環(huán)境條件(濕度、轉(zhuǎn)速、載荷)對(duì)材料的摩擦磨損性能影響很大[6-12].

由于現(xiàn)有研究多是集中于以剎車盤應(yīng)用為背景的重載條件，而對(duì)于指尖密封具有的輕載應(yīng)用條件的相關(guān)炭-炭復(fù)合材料的摩擦學(xué)試驗(yàn)研究較少.此外，由于指尖密封結(jié)構(gòu)在工作過程中通常需要承受一定的軸向氣體壓力差，對(duì)纖維取向的布置也有一定要求.因此，本文針對(duì)指尖密封工程應(yīng)用需要，開展輕載條件下炭-炭復(fù)合材料的摩擦磨損試驗(yàn)，分析材料纖維取向、工作載荷和運(yùn)動(dòng)頻率對(duì)炭-炭復(fù)合材料摩擦系數(shù)和磨損率的影響，采用掃描電子顯微鏡(SEM)探討炭-炭復(fù)合材料的摩擦磨損機(jī)理，為指尖密封用炭-炭復(fù)合材料的選擇與設(shè)計(jì)分析提供技術(shù)支持.

1 試 驗(yàn)

1.1 材料制備

采用12 K的T700聚丙烯腈炭纖維，將0°無(wú)緯布、炭纖維網(wǎng)胎層、90°無(wú)緯布依次循環(huán)疊加，采用接力針刺技術(shù)在厚度方向上將網(wǎng)胎層纖維垂直刺入無(wú)緯布間，形成三維針刺炭氈預(yù)制體.其中，平均每個(gè)炭氈單元(單層無(wú)緯炭布+網(wǎng)胎)厚度約0.5～0.8 mm, 坯體密度約0.45 g/cm3，總的纖維體積含量為(30±3)%.首先對(duì)預(yù)制體進(jìn)行CVD坯體增密至1.5～1.6 g/cm3，高溫石墨化后采用浸漬、炭化、石墨化增密至1.80～1.85 g/cm3.其基體炭為光滑層/粗糙層結(jié)構(gòu)的熱解炭和樹脂炭.將制備好的炭-炭復(fù)合材料切割加工成30 mm×20 mm×3 mm的塊狀試樣，摩擦面為30 mm×20 mm.對(duì)偶件為45淬火鋼，尺寸為Φ2 mm×8 mm，摩擦面為Φ2 mm.

1.2 試驗(yàn)方法

應(yīng)用UMT-2多功能摩擦磨損測(cè)試儀(美國(guó)CETR公司生產(chǎn)，如圖1所示)開展往復(fù)式鋼銷與炭-炭復(fù)合材料盤的摩擦磨損試驗(yàn)研究.試驗(yàn)過程中，上試樣固定，下試樣做線性往復(fù)運(yùn)動(dòng).試驗(yàn)前，使用800#水砂紙對(duì)炭-炭復(fù)合材料盤試樣摩擦表面進(jìn)行磨光，用300#水砂紙對(duì)鋼銷進(jìn)行預(yù)磨5 min，用丙酮對(duì)試樣進(jìn)行去污處理，以標(biāo)定每組試驗(yàn)試樣的初始狀態(tài).然后將炭-炭復(fù)合材料盤試樣粘貼在下試樣驅(qū)動(dòng)模塊的底座上開始試驗(yàn).基于文獻(xiàn)[13]的有限元方法獲得指尖密封的指尖靴與轉(zhuǎn)子之間的最大接觸壓力，從而確定銷-盤摩擦試驗(yàn)載荷范圍為10～70 N.

對(duì)于密度分別為1.80和1.85 g/cm3的試樣進(jìn)行O1、O2和O3等3個(gè)纖維取向(如圖2所示)的摩擦磨損試驗(yàn)，每組試驗(yàn)進(jìn)行1 h，測(cè)量炭-炭復(fù)合材料的摩擦系數(shù)和磨損率.其中，O1、O2和O3纖維取向的定義如下：O1和O2取向的無(wú)緯布層所在平面垂直于滑動(dòng)平面，不同的是O1取向的無(wú)緯布疊層方向垂直于滑動(dòng)方向，而O2取向的無(wú)緯布疊層方向平行于滑動(dòng)方向；O3取向的0°和90°無(wú)緯布層所在平面平行于滑動(dòng)平面.對(duì)于O1取向，由于炭氈單元厚度比銷的直徑小很多，宏觀上認(rèn)為兩種材料均勻接觸.

圖1 炭-炭復(fù)合材料摩擦磨損試驗(yàn)測(cè)試儀

圖2 纖維取向與滑動(dòng)方向的關(guān)系

由于炭-炭復(fù)合材料層間連接強(qiáng)度較弱，而指尖密封結(jié)構(gòu)在工作中通常需承受一定的軸向密封氣體壓力差，且指尖靴和轉(zhuǎn)子間相對(duì)滑動(dòng)方向垂直于密封軸向，因此針對(duì)O1取向的試樣，進(jìn)一步研究載荷與頻率對(duì)炭-炭復(fù)合材料摩擦磨損性能的影響是很有必要的.而炭-炭復(fù)合材料在指尖密封上的這一纖維取向布置特點(diǎn)與文獻(xiàn)[1]的描述是相同的.據(jù)此，在O1取向、10 ～70 N(20 N為一個(gè)間隔)和4～16 Hz(以4 Hz為一個(gè)間隔)條件下，分別測(cè)量?jī)煞N密度的炭-炭復(fù)合材料在不同載荷與頻率條件下的摩擦系數(shù)和磨損率.

摩擦系數(shù)為測(cè)試儀上力學(xué)傳感器測(cè)量的摩擦力和法向正壓力的比值，由試驗(yàn)穩(wěn)定階段摩擦系數(shù)的平均值表示.針對(duì)指尖密封用炭-炭復(fù)合材料，為測(cè)量磨損體積，采用輪廓法測(cè)量磨痕.磨痕的輪廓尺寸由三維表面輪廓測(cè)定儀(型號(hào)：Surf Nanofocus AG)在磨痕上3個(gè)位置取點(diǎn)測(cè)量截面輪廓，并對(duì)截面輪廓進(jìn)行積分求得3點(diǎn)的截面面積平均值，由此獲得磨損體積.磨損率用單位滑動(dòng)距離、單位載荷下的體積磨損量表示，單位為mm3·N-1·m-1.采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察磨痕，分析摩擦磨損機(jī)理.

2 結(jié)果與分析

2.1 纖維取向?qū)δΣ聊p性能的影響

如圖3所示，在30 N、8 Hz條件下不同纖維取向材料的摩擦系數(shù)和磨損率排序?yàn)镺2≤O1≤O3，且O1和O2纖維取向的摩擦系數(shù)和磨損率差別較小.在同一纖維取向條件下，1.85 g/cm3試樣的摩擦系數(shù)和磨損率較小.由于O3取向材料的無(wú)緯布層纖維縱橫交錯(cuò)易形成凹凸不平的粗糙表面和孔隙，摩擦過程中微凸體互相嵌入，導(dǎo)致摩擦力增大，摩擦系數(shù)也較O1和O2纖維取向的摩擦系數(shù)大.對(duì)于垂直于滑動(dòng)平面的纖維層起主要承載作用的情況(O1和O2取向)，纖維的韌性和縱向強(qiáng)度較高，發(fā)生剪切斷裂的難度增加，耐磨性提高.然而無(wú)緯布層纖維垂直于滑動(dòng)平面時(shí)，O2比O1取向的磨損率低，盡管O1取向的無(wú)緯布疊層方向垂直于滑動(dòng)方向，理論上具有比O2取向無(wú)緯布疊層方向平行于滑動(dòng)方向更有利于增加耐磨性.試驗(yàn)結(jié)果是由于以下原因造成的.在本研究工作載荷條件下，O2取向的材料先發(fā)生纖維斷裂產(chǎn)生較多磨屑，一定程度上鈍化磨粒，緩解了磨損，這一現(xiàn)象與文獻(xiàn)[14]的研究結(jié)果存在一定相似性.密度較高的炭-炭復(fù)合材料因?yàn)橹旅芑潭容^高，纖維和基體連接強(qiáng)度較大，以及材料孔隙數(shù)目較小，表面更為平整，更容易形成完整的磨屑膜，摩擦磨損性能良好.

( a )摩擦系數(shù)

( b )磨損率

Fig.3 Effect of fiber orientation on friction coefficient and wear rate

由于O1和O2的摩擦學(xué)性能相近，且多數(shù)情況下指尖密封用炭-炭復(fù)合材料采用O1取向布置，下面采用SEM分析比較O1和O3的材料摩擦磨損性能.在30 N、8 Hz條件下，當(dāng)無(wú)緯布層垂直于滑動(dòng)平面時(shí)(見圖4(a))，垂直于接觸面的纖維層起主要承載作用，在滑動(dòng)摩擦剪切應(yīng)力作用下發(fā)生剪切斷裂的難度較大，消耗的纖維較少，耐磨性較好.此外，垂直方向的纖維因具有較強(qiáng)的韌性而難以發(fā)生斷裂，在摩擦剪應(yīng)力作用下纖維與基體間產(chǎn)生裂紋，雖然先期摩擦系數(shù)因?yàn)槟Σ磷枇υ黾佣^高，但隨著基體炭碎屑摩擦膜的形成，大面積包裹纖維端頭，一定程度降低了材料的摩擦系數(shù).而當(dāng)無(wú)緯布層平行于滑動(dòng)平面時(shí)(見圖4(b))，磨屑膜破壞導(dǎo)致大量纖維暴露和消耗，磨損加劇.由于工作載荷相對(duì)較低，大量平行于摩擦面的纖維在摩擦力剪切作用下被剪斷形成粒度較大的磨屑，在表面平整性較差的表面發(fā)生磨粒磨損，出現(xiàn)較明顯的犁溝效應(yīng)，因而圖4(b)摩擦系數(shù)較大.

( a )O1 取向 ( b )O3 取向

2.2 工作載荷對(duì)摩擦磨損性能的影響

在O1取向、8 Hz條件下，載荷對(duì)不同密度試樣摩擦系數(shù)的影響趨勢(shì)不同，表現(xiàn)為低密度試樣的摩擦系數(shù)因載荷增加而提高，且出現(xiàn)一定幅度的波動(dòng)，而高密度試樣的摩擦系數(shù)逐步減小，如圖5所示.另外，兩種密度試樣的磨損率隨著載荷增加而增加，并且低密度試樣的這種變化趨勢(shì)更顯著.由于低密度材料表面孔隙率較大，平整性較差，隨載荷的增大，摩擦表面微凸體相互嵌入程度較大，實(shí)際接觸面積增大，摩擦力也隨之增大，摩擦剪切作用增強(qiáng)，因而摩擦系數(shù)升高，材料磨損越嚴(yán)重.然而，高密度材料摩擦表面相對(duì)平整、致密，微凸體嵌入程度與密度較低的材料相比較小.此外，在10 N載荷下高密度試樣摩擦系數(shù)高于低密度試樣摩擦系數(shù)，是由于兩種材料都未發(fā)生大面積磨損破壞，其中低密度試樣摩擦表面因?yàn)樯倭课⑼贵w較易剝離被壓實(shí)形成摩擦膜，起到自潤(rùn)滑作用而使得摩擦系數(shù)較高密度試樣的摩擦系數(shù)小.雖然隨載荷增加，微凸體嵌入程度增加，并逐漸發(fā)生剪切斷裂，摩擦力增大，但剪切斷裂的微凸體更易在摩擦表面快速擠壓成膜，起到自潤(rùn)滑和減小摩擦力的作用.因此，對(duì)高密度材料而言，隨著載荷增加，與微凸體的變形和斷裂影響相比，粘著作用對(duì)材料的摩擦性能影響更大，因此磨損率增加較為緩慢.

( a )摩擦系數(shù)

( b )磨損率

針對(duì)兩種密度材料的摩擦學(xué)性能隨載荷表現(xiàn)出的不同變化規(guī)律和趨勢(shì)，更直觀地從磨損表面SEM進(jìn)行分析解釋.對(duì)于1.80 g/cm3密度的試樣，載荷較低時(shí)，因基體炭的強(qiáng)度韌性較低而首先發(fā)生脆性破壞，形成細(xì)小顆粒狀磨屑，壓實(shí)形成磨屑膜，隨后磨屑膜開始出現(xiàn)裂紋(見圖6(a)).而載荷較高時(shí)(見圖6(b))，摩擦表面微凸體相互嵌入程度增加，在剪應(yīng)力與壓應(yīng)力作用下，微凸體斷裂剝落并在主摩擦表面快速形成磨屑擠壓膜A.在材料連接薄弱或存在缺陷的部位產(chǎn)生裂紋，隨著裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展大片磨屑膜被擠出摩擦表面發(fā)生剝落.裸露的纖維在往復(fù)摩擦作用下出現(xiàn)剪切斷裂，隨之產(chǎn)生的端頭應(yīng)力集中使纖維與基體出現(xiàn)脫粘，出現(xiàn)明顯翹曲，斷裂的纖維磨屑進(jìn)入摩擦表面，使得摩擦阻力升高，摩擦系數(shù)增大.纖維磨屑逐漸被擠壓碾碎，再次壓實(shí)涂覆于露出的破壞表面，形成亞摩擦層B，這種材料的自修復(fù)功能在一定程度上起到潤(rùn)滑作用，降低摩擦系數(shù).在這種綜合作用下，對(duì)于低密度試樣，隨著載荷增加，摩擦系數(shù)總體上呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，而磨損率急劇升高.對(duì)于1.85 g/cm3密度的試樣(見圖6(c)～(d))，因磨損表面相對(duì)平整，材料內(nèi)部纖維-基體連接強(qiáng)度較大，摩擦系數(shù)和磨損率較低.隨著載荷增加，粗糙微凸體接觸面積增加，犁溝作用減弱，光亮劃痕的顏色變淺顯示劃痕變淺，犁削作用產(chǎn)生的磨屑形成磨屑膜在摩擦剪切應(yīng)力作用下以層狀或鱗片狀磨屑再次被擠出摩擦表面，磨損程度變化不大.

(a) 1.80 g/cm3,30 N,8 Hz (b) 1.80 g/cm3,50 N,8 Hz

(c) 1.85 g/cm3,30 N,8 Hz (d) 1.85 g/cm3,50 N,8 Hz

2.3 頻率對(duì)摩擦磨損性能的影響

圖7為O1取向試樣在載荷為30 N條件下的摩擦系數(shù)和磨損率.頻率增加，材料摩擦系數(shù)減小，低密度試樣的磨損率大幅度減小，而高密度試樣磨損率先減小后增加，總體上變化不大.與載荷對(duì)磨損率的影響比較，頻率對(duì)磨損率的影響小的多.

(a)摩擦系數(shù)

(b)磨損率

Fig.7 Effect of frequency on friction coefficient and wear rate

隨著往復(fù)滑動(dòng)頻率的升高，單位時(shí)間內(nèi)摩擦表面更易形成完整連續(xù)的磨屑膜，起到自潤(rùn)滑作用，從而降低摩擦系數(shù).由于低密度材料存在較大孔隙，材料組織硬度較低，隨著頻率升高，材料磨損產(chǎn)生的磨屑更易形成轉(zhuǎn)移膜涂覆于銷的表面，緩解磨損，使得頻率繼續(xù)增加而磨損程度大幅度降低.然而，對(duì)于高密度材料，由于孔隙較小，材料因?yàn)槎啻卧雒芏沟媒M織硬度較高.在整個(gè)頻率范圍內(nèi)，材料磨損率變化不大，呈現(xiàn)小幅度的波動(dòng).在頻率從12 Hz至16 Hz，磨損率出現(xiàn)小幅攀升是因?yàn)橹爱a(chǎn)生的磨屑不斷在材料表面發(fā)生粘著，形成的潤(rùn)滑膜在剪切作用下發(fā)生斷裂剝離所導(dǎo)致.

在30 N、4 Hz條件下，兩種密度的材料磨損表面SEM形貌如圖8所示.對(duì)比圖8(a)與圖6(a)可以看出，1.80 g/cm3材料在4 Hz條件下，形成磨屑膜較慢，較薄的磨屑膜覆蓋包裹纖維，在磨屑粒子的犁削作用下出現(xiàn)細(xì)小的裂紋(圖8(a)橢圓區(qū)域)，表面犁溝較多，不完整和不連續(xù)的磨屑膜使得摩擦系數(shù)較大，磨損程度嚴(yán)重.而1.85 g/cm3材料在4 Hz條件下(見圖8(b))，形成的磨屑膜較薄和易于剝落，摩擦系數(shù)和磨損率較8 Hz條件下(見圖6(c))大.由于高密度材料(見圖8(b))磨損表面裸露的纖維排列較圖8(a)更為緊密，周圍磨屑膜較為平整，因此磨損率變化幅度較小.

( a ) 1.80 g/cm3,30 N,4 Hz ( b ) 1.85 g/cm3,30 N,4 Hz

3 結(jié) 論

1)與O3取向(無(wú)緯布纖維層平行于滑動(dòng)平面)相比，O1和O2取向(無(wú)緯布纖維層垂直于滑動(dòng)平面)的試樣摩擦系數(shù)較小，磨損率較低，耐磨性較好.

2)O1取向條件下，試樣密度較低時(shí)，隨著載荷的增加，炭-炭復(fù)合材料的摩擦系數(shù)和磨損率大幅度增加；而密度較高時(shí)，試樣的摩擦系數(shù)隨著載荷增加而減小，磨損率增大的幅度較小.

3)O1取向條件下，隨著頻率增加，試樣的摩擦系數(shù)逐漸減小，低密度試樣的磨損率減小，而高密度試樣的磨損率變化不大.此外，與載荷的影響相比，頻率對(duì)材料磨損性能的影響較小.

4)低頻和低載條件下，材料主要產(chǎn)生磨粒磨損，犁溝效應(yīng)顯著；頻率的提高使磨屑膜形成更快、更完整，摩擦磨損性能更好；載荷的增加雖然使成膜快，但隨著磨屑膜被不斷擠出剝落，纖維裸露及斷裂產(chǎn)生嚴(yán)重磨損，這一影響在材料密度較低表現(xiàn)更為顯著.而密度較高的材料在載荷和頻率較高條件下，摩擦磨損性能受粘著作用的影響比磨粒磨損作用的影響更大，表現(xiàn)出較好的摩擦磨損性能.

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(編輯 王小唯 苗秀芝)

Friction and wear behaviors of carbon-carbon composites used in finger seal

LU Fei1, CHEN Guoding1, SU Hua1, YI Maozhong2, PENG Ke2

(1.School of Mechanical Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China;2.State Key Laboratory of Powder Metallurgy, Central South University, Changsha 410083, China)

The carbon-carbon (carbon fiber reinforced carbon matrix) composites were applied in the finger seal and the tribological behaviors were investigated using UMT-2 tribology tester under the light loads condition.The friction coefficient and the wear rate were measured.Friction and wear mechanisms were analyzed using SEM (scanning electron microscope) method.Results show that the friction coefficient and wear rate are lower when the non-woven cloth is perpendicular to sliding surface.For the higher density material, with increasing load the wear rate increases with small amplitude and the friction coefficient decreases.The frequency has less effect on the wear rate compared to the load on wear rate, and the tribological behaviors are better with increasing frequency.SEM analysis indicates as follows.First, abrasive wear occurs under low frequency and low load.Second, increasing the frequency quickens formation of the wear debris into film, and self-lubricating effect is strengthened.Last, although wear debris are quickly squeezed into film with increasing load, severe wear occurs due to fibers exposure and fracture with the film further squeezed out and peeled off.The effect of load on wear is notable when the material density is lower.Selecting higher density material and the material with non-woven cloth perpendicular to sliding surface can effectively mitigate wear.

carbon-carbon (carbon fiber reinforced carbon matrix) composites；friction；wear；load；frequency；finger seal

10.11918/j.issn.0367-6234.2017.01.028

2015-04-29

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(51575445)； 陜西省自然科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2014JM7266)

路 菲(1986—)，女，博士研究生; 陳國(guó)定(1956—)，男，教授，博士生導(dǎo)師

陳國(guó)定，gdchen@nwpu.edu.cn

V25,TB743

A

0367-6234(2017)01-0184-05