C/C復合材料預制體結構對摩擦性能的影響

雷玥，李瑞珍，2，解惠貞，2

（1.西安航天復合材料研究所，西安 710025；2.高性能碳纖維制造及應用國家地方聯合工程研究中心，西安 710089）

1 引言

作為碳纖維復合材料的一種， C/C復合材料是指以碳纖維為增強體，碳為基體的一類復合材料。作為增強體的碳纖維存在多種形式，如短切纖維、連續(xù)長纖維及編織物等。碳基體有通過化學氣相沉積制備的熱解碳和高分子材料熱解形成的固體碳兩種。

C/C復合材料因其具有密度低、高比熱容、高熔點、高溫下的優(yōu)異的力學性能以及適當的摩擦系數等特性滿足高性能剎車材料的要求，自1973年后成功應用于飛機剎車裝置。使用C/C復合材料制作的飛機剎車盤質輕、導熱好、比熱容高出鋼的2.5倍，使用壽命超過金屬盤4～6倍，并且剎車力矩穩(wěn)平，剎車時噪聲小[1-3]。英國Dunlop航空公司于70年代中期將C/C復合材料剎車盤用于協和式飛機并試飛成功后，C/C復合材料剎車盤快速發(fā)展，廣泛應用于超過22種高速軍用飛機和40種大型高音速民用客機，每年消耗世界C/C復合材料總產量90%以上[4]。隨著應用的成熟，在液體火箭發(fā)動機渦輪泵、列車以及高檔賽車、航空發(fā)動機主軸軸承等摩擦領域中也扮演著尤為重要的角色。

目前在實際生產中整體氈預制體、無緯布疊層預制體、針刺預制體和三維編織預制體等是應用最多的C/C復合材料預制體。C/C復合材料致密化工藝主要有兩種方法：化學氣相沉積法（CVD）、化學氣相滲透法（CVI）和液相浸漬—碳化法。前者是以有機低分子氣體（丙烯、天然氣等）為前驅體，后者是以熱塑性樹脂（石油瀝青、煤瀝青、中間相瀝青等）或熱固性樹脂（呋喃、糠醛、酚醛樹脂等）為基體前驅體，這些原料在高溫下發(fā)生一系列復雜的化學變化形成基體碳[5，6]。通常將化學氣相法和液相浸漬—碳化法結合進行致密化制備，獲得具有理想密度的碳/碳復合材料。張震等人探究了不同預制體結構對碳/碳復合材料致密化的影響發(fā)現預制體密度越低尺寸越小采用CVD結合PIP法越容易致密[7]。而影響C/C復合材料摩擦磨損性能的因素主要是預制體結構、基體碳的類型、環(huán)境(如溫度、氣氛、濕度等)及試驗條件(如慣量、轉速與壓力等)。

本文采用化學氣相沉積法結合液相浸漬法制備了3種預制體結構（針刺網胎/無緯布疊層預制體、整體氈預制體及穿刺預制體）的C/C復合材料，并研究了預制體結構與摩擦試驗條件（轉速、壓力）對C/C復合材料摩擦性能的影響。

2 實驗

2.1 不同預制體C/C復合材料的制備

選擇針刺網胎/無緯布疊層預制體、整體氈預制體及穿刺預制體為增強體，采用CVD結合PIC致密法制備C/C復合材料。在CVD爐中抽真空通氮氣，以丙烯為原料，升溫至940 ℃進行致密，隨后采用糠酮樹脂浸漬、固化、碳化工藝致密，分別制備出密度為1.93 g/cm3、1.90 g/cm3、1.92 g/cm3的C/C復合材料，依次記為試樣a、b、c，并經過機械加工成如圖1所示的摩擦試樣，使用JEOL JSM-64690LV(JEOL)型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察C/C復合材料的表觀形貌。

圖1 摩擦試樣Fig.1 Friction test specimen

2.2 摩擦性能測試

利用MM1000-II型摩擦磨損實驗機采用動盤與靜盤兩兩對磨的方式測試了不同預制體C/C復合材料的摩擦性能。實驗用動盤為針刺網胎/無緯布疊層預制體C/C復合材料，靜盤為三種預制體C/C復合材料各一個。測試前將動盤和靜盤裝在試驗機上，使用扳手緩慢加力使試驗機主軸旋轉促使動盤與靜盤相互接觸并產生相對滑動停止，然后在電腦程序上設定好實驗壓力和轉速，通過電腦啟動電機進行摩擦測試，動盤被主軸帶動轉動，與靜盤開始摩擦，直至達到規(guī)定轉速電機停止。同時電腦程序記錄摩擦盤由靜到動再到停止整個過程中力矩、轉速、摩擦系數的變化曲線，獲得動摩擦系數。實驗的條件參數見表1。

表1 摩擦實驗系數Table 1 Friction test coefficient

3 結果及討論

3.1 不同預制體C/C復合材料的表面形貌

觀察不同預制體制備得到的C/C復合材料表面形貌，了解其結構，有助于其性能的研究與分析，如圖2所示。

圖2 不同預制體C/C復合材料的表觀形貌Fig.2 Apparent morphology of different prefabricated C/C composites

針刺網胎/無緯布疊層預制體是一層網胎一層無緯布鋪疊后接力針刺形成，纖維按照一定角度鋪設，垂直方向上是針刺形成短束碳纖維，經過CVD結合樹脂浸漬固化碳化后得到的C/C復合材料表面較為平整，同時也可以看出碳纖維的排布特點，X-Y向碳纖維條大約0.5mm，排布有序規(guī)整，Z向是針刺形成的短纖維，呈“Y”狀，纖維之間填充了大量的碳基體。

整體氈預制體是將短切纖維鋪放在層層網胎之間經針刺壓實形成的，X-Y向碳纖維細密均勻，但看不到其有序排列，Z向上存在少量的短纖維。經過CVD結合樹脂浸漬碳化后得到的C/C復合材料表面均一性好，X-Y向是短切纖維，大量的沉積碳基體將碳纖維包裹在內部，幾乎看不到纖維排布，Z向有極少量形狀不一的纖維束，其數量和尺寸均小于試樣a。

穿刺預制體是纖維束穿刺疊層碳布形成的預制體，結構致密，纖維排列整齊，經過CVD結合瀝青浸漬碳化致密后得到的C/C復合材料X-Y面存在Z向碳纖維束形成直徑大約1mm的凹坑，其孔中心間距為2mm，主要是由于Z向纖維束沒有完全充滿穿刺針拔出后留下的孔洞，被基體填充，X-Y方向上碳纖維排列整齊，層間高度約為2mm，有明顯的結構單元重復性（表面上的斜紋可能是機械加工留下的）。

3.2 摩擦參數對C/C復合材料摩擦性能的影響

3.2.1 壓力的影響

圖3所示為不同預制體C/C復合材料在轉速為4000rad/min、不同壓力條件下的摩擦曲線。從圖3中可以看出相同轉速下C/C復合材料在0.5MPa壓力下，摩擦系數為0.1～0.3，摩擦曲線較為平穩(wěn)，隨著壓力的增大，摩擦曲線呈現明顯的馬鞍狀，摩擦系數明顯增大，主要是因為高密度的C/C復合材料基體致密，摩擦過程中材料表面的微凸體被迅速剪斷或磨平，微凸體的相互作用減弱，直至微凸體被磨平，形成的大量磨屑在摩擦面間被反復碾壓并形成摩擦膜，使得摩擦系數趨于平穩(wěn)；隨著壓力增大，兩個摩擦盤擠壓轉動使得摩擦面承受很大的力矩破壞了摩擦膜，微凸體的相互作用加強，摩擦系數會出現“翹尾”現象。同時產生了大量的熱分解了表面物理吸附物和化學吸附物及含氧絡合物，也加劇了摩擦系數的增加趨勢。

圖3 4000rad/min轉速下不同壓力不同預制體C/C復合材料的摩擦曲線Fig.3 Friction curves of C/C composites with different pressures and preforms at speed of 4000rad/min

3.2.2 轉速的影響

圖4所示為不同預制體C/C復合材料在不同轉速條件下的摩擦系數。在轉速為1500r/min時，試樣a低壓力（0.5MPa、0.7MPa）下摩擦系數變化不大，約為0.16，壓力升高至0.9MPa時摩擦系數幾乎增長了一倍。在轉速為4000r/min時隨著壓力升高摩擦系數有所提高。試樣b在轉速為1500r/min時隨著壓力的升高摩擦系數變化不大，穩(wěn)定在0.15。而在轉速為4000r/min時低壓力下摩擦系數變化不大，但壓力升高至0.9MPa時，摩擦系數增大顯著；試樣c的摩擦系數隨著壓力、轉速的增加變化明顯，且維持相對高的摩擦系數。主要是由于轉速不同，C/C復合材料表面的溫度也不同，在低轉速時，摩擦面的溫度較低；在高轉速時，摩擦面的溫度突升，摩擦系數也發(fā)生變化，另外轉速高則能量較大，作用在微凸體上的沖剪力較大，摩擦系數增大。

圖4 不同轉速下不同預制體C/C復合材料的摩擦系數Fig.4 Friction coefficients of C/C composites with different preform at different rotation rate

3.2.3 摩擦面的微觀形貌

結合摩擦后試樣表面的微觀形貌，如圖5所示，試樣a摩擦后表面形成明顯的犁溝狀，存在細碎的磨屑，試樣b摩擦面形成明顯的自潤滑膜，存在少量的犁溝和磨屑，試樣c摩擦表面形成大量的犁溝，存在大量的磨屑，一部分填充在凹坑里。

圖5 不同預制體試樣摩擦表面的微觀形貌Fig.5 Micro-morphology of friction surface in different preform samples

試樣b預制體為短切纖維，垂直方向上纖維含量少，相比于針刺網胎/無緯布預制體，摩擦表面的微凸體更少，摩擦盤相互摩擦時阻力小，在沖剪力作用下微凸體內部形成裂紋擴展成碎屑填充在凹凸處，壓力作用壓實，更易形成摩擦膜，摩擦系數小而穩(wěn)定，針刺網胎/無緯布預制體制成的試樣a沿著無緯布鋪層方向摩擦，針刺形成的Z向纖維較少，摩擦面較為平整，存在的微凸體少，相互對磨過程中容易形成連續(xù)摩擦膜從而降低摩擦系數，而穿刺預制體的試樣c因為垂直方向上纖維束排列均勻暴露在摩擦面上，大量纖維經過摩擦容易形成凹坑，微凸體在沖剪力作用下形成的碎屑不足以填補，抑制了連續(xù)摩擦膜形成導致摩擦系數大。

總體來看，試樣b的摩擦系數最小，試樣a次之，試樣c最大。并且相同轉速下，摩擦系數隨壓力增大而增大，相同壓力下，轉速越大摩擦系數越大。低轉速下，壓力在0.7MPa以下三種試樣摩擦系數均較穩(wěn)定，高轉速下，試樣a的摩擦系數比較穩(wěn)定，試樣b的摩擦系數雖然最小，但波動比較大，試樣c摩擦系數大且波動大，說明穿刺這種相對增強單元較大的預制體不適合制備應用于摩擦密封領域的C/C復合材料。

4 結論

（1）相同轉速下C/C復合材料的摩擦系數隨壓力的升高而增大。在0.5MPa的低壓力下，摩擦系數為0.1～0.3，摩擦曲線較為平穩(wěn)，隨著壓力的增大，摩擦曲線呈現明顯的馬鞍狀，摩擦系數明顯增大。

（2） 壓力相同的條件下C/C復合材料的摩擦系數隨著轉速提高而增大。轉速在1500r/min以下時摩擦系數較小，約為0.1～0.3，隨著轉速提高到4000r/min，摩擦系數明顯提高。

（3）低轉速下，壓力低于0.7MPa三種試樣摩擦系數均較穩(wěn)定，高轉速下，試樣a的摩擦系數比較穩(wěn)定，試樣b的摩擦系數雖然最小，但波動比較大，試樣c摩擦系數大且波動大，說明穿刺這種相對增強單元較大的預制體不適合制備應用于摩擦密封領域的C/C復合材料。