C/C坯體結(jié)構(gòu)對RMI制備C/SiC復(fù)合材料的影響

龐 菲， 李輝，吳小軍， 王 毅， 孟國彪

（1 西安航天復(fù)合材料研究所，西安 710025；）2 火箭軍駐第四研究院軍事代表室，西安 710025）

0 引言

C/SiC復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、高比模量、耐高溫、耐磨損、使用壽命長、對環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等一系列優(yōu)點(diǎn)，在航空航天領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。如航天飛行器的頭錐、機(jī)翼前緣，液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室、噴管，航空發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管調(diào)節(jié)片、密封片等。作為摩擦材料，C/ SiC摩擦性能高而穩(wěn)定，代表著當(dāng)前制動(dòng)材料的最高水平，已經(jīng)在一些跑車如Por-sche、Ferrari和Daimler Chrysle上得到應(yīng)用[1]。

C/SiC制備方法有化學(xué)氣相滲透（CVI）、先驅(qū)體浸漬-裂解法（PIP）、熔融滲硅（RMI/LSI）等。其中，熔融滲硅法在20世紀(jì)80年代德國的Firzer首創(chuàng)以來，因其生產(chǎn)周期短，成本低，成為非常具有市場競爭力的工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)[2-4]。RMI工藝制備的C/SiC復(fù)合材料受多種因素的影響[2,5]，本研究主要通過對不同結(jié)構(gòu)狀態(tài)的C/C坯體進(jìn)行熔融滲硅，研究不同的基體炭類型、不同的炭纖維涂層狀態(tài)，對制備的C/SiC復(fù)合材料的彎曲性能的影響，并對多涂層C/C坯體制備的C/SiC復(fù)合材料進(jìn)行摩擦磨損性能進(jìn)行考核。

1 試驗(yàn)

1.1 C/SiC復(fù)合材料的制備

試驗(yàn)所用纖維預(yù)制體為3K斜紋炭布/網(wǎng)胎結(jié)構(gòu)，初始密度為0.33～0.39 g/cm3。在炭纖維上沉積SiC涂層、C和SiC復(fù)合涂層，經(jīng)化學(xué)氣相沉積、糠酮樹脂浸漬/碳化工藝致密，形成具有不同結(jié)構(gòu)狀態(tài)的C/C坯體，隨后在真空滲硅爐中熔融滲硅獲得C/SiC復(fù)合材料。C/C坯體的狀態(tài)及熔融滲硅后的密度見表1。

表1 C/C坯體結(jié)構(gòu)及滲硅后的材料密度Table 1 Preparation and density of C/C preforms before/after infiltrating Si

1.2 性能測試

C/SiC復(fù)合材料的三點(diǎn)彎曲試樣尺寸為55 mm×10 mm×4 mm，在INSTRON 4505型電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行彎曲性能測試。采用JSM-6460LV型掃描電子顯微鏡對材料斷口形貌進(jìn)行觀察。

摩擦磨損試驗(yàn)采用MM-1000型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，進(jìn)行模擬剎車試驗(yàn)。本試驗(yàn)靜盤和動(dòng)盤均為RMI-C/SiC復(fù)合材料，靜盤的外徑為87 mm，內(nèi)徑為53 mm，厚度為10 mm，動(dòng)盤的外徑為75 mm，內(nèi)徑為53 mm，厚度為10 mm。將動(dòng)盤和靜盤通過工裝裝卡后固定在試驗(yàn)機(jī)上，調(diào)整試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行動(dòng)盤和靜盤試樣對磨面的初步磨合，使動(dòng)盤和靜盤的摩擦面較平整，隨后對試樣進(jìn)行尺寸測量，按照試驗(yàn)設(shè)定參數(shù)（表2）進(jìn)行摩擦磨損性能測試。試驗(yàn)過程中，每一試驗(yàn)條件進(jìn)行多次剎車試驗(yàn)，測試完畢后，測量試樣盤圓周均布的4點(diǎn)處摩擦前后的尺寸變化，取平均值得到線性磨損。試驗(yàn)機(jī)直接記錄摩擦系數(shù)和制動(dòng)力矩、制動(dòng)壓力等隨時(shí)間的變化。

表2 摩擦磨損試驗(yàn)條件Table 2 Conditions for friction and wear test

2 結(jié)果與討論

2.1 C/SiC復(fù)合材料的彎曲性能

表3為熔融滲硅后的C/SiC復(fù)合材料的彎曲性能情況。不同的C/SiC材料的性能差別較大，純熱解炭坯體制備的C/SiC材料與熱解炭+樹脂炭的混合基體制備的C/SiC材料相比，后者的彎曲強(qiáng)度比前者高，為110 MPa，且其彎曲撓度也高于前者。與試樣2相比，試樣3和試樣4對炭纖維進(jìn)行涂層處理，材料的彎曲強(qiáng)度、模量均高于未經(jīng)涂層處理的試樣2。試樣3與試樣4相比，單一SiC涂層結(jié)構(gòu)的試樣3彎曲強(qiáng)度（143 MPa）略高于C+SiC復(fù)合涂層的試樣4（132 MPa），但其彎曲撓度低于試樣4。

表3 C/SiC復(fù)合材料的彎曲性能Table 3 Flexural properties of C/SiC composites

上述C/C坯體對復(fù)合材料彎曲性能的影響主要在于纖維涂層、基體炭等的界面結(jié)合，以及不同涂層在界面層制備、熔融滲硅過程對材料的作用[6]。界面是復(fù)合材料重要的組成部分，上述四種試樣的C/C坯體具有不同的界面結(jié)構(gòu)，因而其制備的C/SiC復(fù)合材料的界面性能也不同。復(fù)合材料主要依賴于纖維/基體間的界面結(jié)合來傳遞載荷，界面結(jié)合強(qiáng)度太高會使復(fù)合材料表現(xiàn)出脆性斷裂的行為；太弱則不能傳遞載荷，纖維起不到增強(qiáng)作用；只有界面結(jié)合強(qiáng)度適中時(shí)，裂紋在界面偏轉(zhuǎn)，材料表現(xiàn)出非線性。炭纖維上沉積的C、SiC涂層在RMI過程中可減少熔融硅對纖維的侵蝕，提高材料的性能[7-8]。

圖1為四種C/SiC材料的彎曲載荷-位移曲線，試樣1～試樣4的載荷-位移曲線的表現(xiàn)形式不同。圖中試樣1和試樣3在達(dá)到最高載荷后快速降低，特別是試樣1，在載荷達(dá)到最大值時(shí)突然下降，表現(xiàn)出較明顯的脆性破壞。試樣2和試樣4的彎曲載荷-位移曲線包括線性和非線性兩個(gè)階段，非線性階段出現(xiàn)特有的臺階變化形式，材料表現(xiàn)出良好的“假塑性”。在載荷作用下，裂紋從試樣基體層開始擴(kuò)展，遇到質(zhì)軟的熱解炭涂層發(fā)生偏轉(zhuǎn)，熱解炭與纖維脫粘，消耗大量了大量的能量，載荷-位移曲線出現(xiàn)明顯的“臺階狀”；隨著裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展，纖維脫粘拔出，載荷-位移曲線出現(xiàn)平臺，隨著纖維束的斷裂，載荷急劇下降，直至彎曲過程完成。綜合彎曲性能數(shù)據(jù)分析，試樣2和試樣4兩種C/SiC材料斷裂均表現(xiàn)了一定的“韌性”，且試樣4在具有一定“韌性”的基礎(chǔ)上，彎曲強(qiáng)度和彎曲模量較高。

圖1 C/SiC復(fù)合材料的彎曲載荷-位移曲線Fig.1 Flexural load-displacement curves of C/SiC composites

上述4種C/SiC復(fù)合材料的彎曲斷口形貌見圖2，試樣1～試樣4呈現(xiàn)出不同的斷口形貌。圖2（a）為試樣1的斷口形貌，試樣斷口較為平整，纖維拔出較短，說明C/C坯體的炭纖維與基體之間結(jié)合較強(qiáng)，相應(yīng)C/SiC復(fù)合材料的基體與纖維之間仍保持較強(qiáng)的界面結(jié)合強(qiáng)度，彎曲斷裂時(shí)纖維難以脫粘拔出，因而試樣斷口平整；圖2（c）試樣3的斷口形貌中纖維拔出與試樣1類似，纖維拔出也較短，且試樣斷口較平整。圖2（b）和（d）中試樣2、試樣4的彎曲斷口有大量的纖維拔出和脫粘，圍繞炭纖維的部分涂層（熱解炭）剝落, 但仍有一部分留在炭纖維上,這樣使得其纖維或纖維束在拔出過程中具有較大阻力, 且多層界面層增加了裂紋的擴(kuò)展路徑[9]，從而在彎曲斷裂時(shí)既有較高的彎曲強(qiáng)度, 又有較大的位移,材料表現(xiàn)出較好的“假塑性”，與其彎曲載荷-位移曲線的表現(xiàn)較一致。

圖2 C/SiC復(fù)合材料的彎曲斷口形貌Fig.2 Flexural fracture morphologies of C/SiC composites

2.2 C/SiC復(fù)合材料的摩擦磨損性能

對彎曲強(qiáng)度、模量較高且具有較好“韌性”的試樣4進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表4。表4中，摩擦系數(shù)的穩(wěn)定性系數(shù)S由公式（1）計(jì)算[10]：

式中，μcp為平均摩擦系數(shù)，μmax為最大摩擦系數(shù)。S越大，表明在剎車過程中的摩擦系數(shù)μ越穩(wěn)定。

表4 不同試驗(yàn)條件下的材料摩擦性能Table 4 Tribological behaviour of C/SiC composites under different conditions

表4中，在轉(zhuǎn)速和慣量不變的情況下，制動(dòng)壓力由0.6 MPa提高到0.8 MPa，平均摩擦系數(shù)由0.454降低為0.382，同時(shí)制動(dòng)時(shí)間減少。這是因?yàn)橹苿?dòng)壓力增加，導(dǎo)致試樣表面的微凸體變形增大，使對偶件的接觸面積增加、摩擦力增大，表現(xiàn)為制動(dòng)時(shí)間縮短；且在此制動(dòng)壓力范圍，摩擦力增加的幅度小于制動(dòng)壓力增加的幅度[11]，故摩擦系數(shù)降低。保持轉(zhuǎn)速6000 r/min、制動(dòng)壓力0.6 MPa不變，慣量由0.3 kg·m2增加到0.4 kg·m2，制動(dòng)能量增加，平均摩擦系數(shù)降低，制動(dòng)時(shí)間由9.329 s增加為14.303 s。隨剎車能量的增加，摩擦材料的能量吸收量增大，摩擦面的溫度升高，摩擦件表面起犁溝阻力的硬質(zhì)相顆粒變軟，因此摩擦系數(shù)變小[11]。在制動(dòng)壓力為0.6 MPa，慣量為0.3 kg·m2的情況下，C/SiC試樣轉(zhuǎn)速由6000 r/min增加到7500 r/min，剎車能量（單位面積能載）由2574 J/cm2增加為3999 J/cm2，平均摩擦系數(shù)降低，導(dǎo)致制動(dòng)時(shí)間延長，由9.329 s增加為15.173 s。

在C/SiC對偶摩擦試驗(yàn)中，不同試驗(yàn)條件下，動(dòng)盤和靜盤的線磨損量差別較大，動(dòng)盤的線性磨損均高于靜盤，且隨著剎車條件的改變，動(dòng)盤的線性磨損變化較小，但靜盤的線性磨損量隨著剎車能量的增大，呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢。在摩擦過程，材料的磨損通常與摩擦系數(shù)存在密切關(guān)系[12]，摩擦系數(shù)增大，摩擦件之間相互剪切作用增大，摩擦表層材料被剪斷、脫落，表現(xiàn)為磨損增加。表4中，隨著摩擦系數(shù)的增大，C/SiC摩擦動(dòng)盤的線磨損量逐漸增大，但靜盤的線磨損未表現(xiàn)出此規(guī)律。這是因?yàn)镃/SiC材料的摩擦磨損是一個(gè)復(fù)雜的過程，受材料組成、制動(dòng)條件等的影響，使得其磨損較為復(fù)雜[13-16]。

圖3～圖6為試樣不同制動(dòng)條件下摩擦扭矩的變化曲線。在C/SiC試樣的制動(dòng)過程中，制動(dòng)壓力不變，轉(zhuǎn)速不斷降低，摩擦系數(shù)隨制動(dòng)時(shí)間的變化趨勢與制動(dòng)扭矩相同。由圖3～圖6可以看出，四種制動(dòng)條件下的材料剎車曲線變化趨勢相同，兩端較高，中間平緩，整個(gè)剎車過程，制動(dòng)曲線較平穩(wěn)；隨著轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的增加、轉(zhuǎn)速增大，圖5、圖6與圖3相比，剎車后期曲線“波動(dòng)”明顯。

圖3 壓力0.6MPa、慣量0.3 kg·m2、轉(zhuǎn)速6000r/min的C/SiC制動(dòng)曲線Fig.3 Braking curves of C/SiC composites at 6000r/min under 0.6MPa, 0.3kg·m2

圖4 壓力0.8MPa、慣量0.3 kg·m2、轉(zhuǎn)速6000r/min的C/SiC制動(dòng)曲線Fig.4 Braking curves of C/SiC composites at 6000r/min under 0.8MPa, 0.3kg·m2

圖5 壓力0.6MPa、慣量0.4 kg·m2、轉(zhuǎn)速6000r/min的C/SiC制動(dòng)曲線Fig.5 Braking curves of C/SiC composites at 6000r/min under 0.6MPa, 0.4kg·m2

圖6 壓力0.6MPa、慣量0.3 kg·m2、轉(zhuǎn)速7500r/min的C/SiC制動(dòng)曲線Fig.6 Braking curves of C/SiC composites at 7500r/min under 0.6MPa, 0.3kg·m2

C/SiC材料在剎車初期，剎車盤表面微凸體出現(xiàn)互相作用，使滑動(dòng)方向上的阻力增加，從而引起剎車初期出現(xiàn)剎車扭矩增大的現(xiàn)象；同時(shí)由于微凸體的斷裂會產(chǎn)生大量的磨粒，磨粒會在兩摩擦表面產(chǎn)生犁溝作用，使摩擦扭矩增大，從而導(dǎo)致“前峰”現(xiàn)象[12]。隨著材料表面的微凸體的磨損，其作用減弱，磨損的微凸體形成的磨屑、基體及纖維磨損形成的磨屑在兩摩擦面之間形成摩擦膜，使摩擦趨于穩(wěn)定，材料制動(dòng)過程的扭矩變化也趨于穩(wěn)定[17]。在剎車后期，速度降低，摩擦面之間的摩擦膜穩(wěn)定狀態(tài)被打破，摩擦主要受靜摩擦系數(shù)影響，C/SiC材料靜摩擦系數(shù)高于動(dòng)摩擦系數(shù)，因而，材料之間的摩擦作用增強(qiáng)，出現(xiàn)“翹尾”現(xiàn)象[17-18]。

3 結(jié)論

（1）采用熱解炭、樹脂炭混合致密的C/C坯體，與純熱解炭的坯體相比，制備的RMI-C/SiC材料彎曲強(qiáng)度和撓度提高，材料斷裂過程表現(xiàn)出臺階狀的非線性特征。

（2）炭纖維經(jīng)過SiC涂層、C+SiC涂層，再進(jìn)行混合基體炭致密，制備的RMI-C/SiC材料彎曲強(qiáng)度提高，為132～143 MPa；且C+SiC復(fù)合涂層狀態(tài)的材料斷裂呈現(xiàn)逐層破壞機(jī)制，具有良好的“假塑性”。

（3）在制動(dòng)壓力為0.6～0.8 MPa、慣量0.3～0.4 kg·m2、轉(zhuǎn)速6000～7500 r/min的條件下，

經(jīng)C+SiC涂層的C/SiC材料制動(dòng)曲線較平穩(wěn)，具有較高的摩擦系數(shù)：0.348～0.454，且材料磨損量較低，最大為2.188 μm/(面·次)。