C/C復(fù)合材料表面SiC涂層摩擦磨損性能研究

王錦陽

（湖南工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，湖南 衡陽 421000）

1 研究背景

安全，穩(wěn)定和舒適的制動(dòng)系統(tǒng)是人們一直以來的追求，尤其是近年來發(fā)展迅速。銅基金屬復(fù)合材料，再加上鑄鋼盤，可被用作時(shí)速超過250 km/h的火車的剎車片。它顯示出許多優(yōu)異的性能，例如穩(wěn)定的摩擦系數(shù)(COF)，高韌性和良好的導(dǎo)熱性，這使其有希望成為摩擦材料。但是，其具有相對(duì)較低的耐磨性，高的密度，并且基體在高溫下會(huì)軟化，尤其是較短的壽命周期，限制了其長期用作為摩擦材料來使用。本文將主要針對(duì)C/C復(fù)合材料表面SiC涂層摩擦磨損性能進(jìn)行深入研究，為拓寬C/C復(fù)合材料的應(yīng)用范圍提供行之有效的方法。

2 C/C復(fù)合材料的研究進(jìn)展及應(yīng)用

C/C復(fù)合材料，是基于碳或石墨纖維和織物增強(qiáng)的材料，是以碳(或石墨)為基質(zhì)，通過加工和處理所有由碳化物以制成的碳復(fù)合材料。C/C復(fù)合材料具有質(zhì)量輕，良好的抗侵蝕和熱沖擊性能，高的耐損傷性以及高的強(qiáng)度和剛度，使其成為一種特殊的新興結(jié)構(gòu)材料，可用于航空，航天等應(yīng)用。其獨(dú)特的特點(diǎn)和先進(jìn)的制造技術(shù)，最終導(dǎo)致產(chǎn)生了更便宜的生產(chǎn)工藝，使得這種材料越來越多地用于工業(yè)應(yīng)用。其在機(jī)械、冶金化工和生物醫(yī)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域也具有巨大的應(yīng)用潛力。例如，C/C復(fù)合材料可用于制作渦輪機(jī)葉片、剎車片、內(nèi)燃機(jī)活塞、人造骨及人造關(guān)節(jié)等。

目前，由于C/C復(fù)合材料具有低密度、高的強(qiáng)度-重量比和優(yōu)異的力學(xué)性能。可用于減輕戰(zhàn)斗機(jī)的重量，從而實(shí)現(xiàn)了加速快、耗油量少、轉(zhuǎn)彎靈活、航程遠(yuǎn)、有效荷載增大的目標(biāo)。此外由于 C/C 復(fù)合材料的摩擦系數(shù)穩(wěn)定適中熱容大，也用作剎車裝置的材料，如美國一些軍用和民用飛機(jī)、波音、空中客車等都使用 C/C 復(fù)合材料作為剎車裝置。然而，目前限制C/C復(fù)合材料使用的最重要因素是它們?cè)?23K以上溫度下的氧化以及高溫下的氧化磨損。

3 C/C復(fù)合材料的抗摩擦磨損技術(shù)的研究進(jìn)展

材料的摩擦磨損涉及到了機(jī)械、物理、化學(xué)和力學(xué)等多種學(xué)科。其中，影響C/C復(fù)合材料摩擦學(xué)性能的因素主要包括施加在試樣上的載荷、滑動(dòng)速度、吸收能量和潤滑劑（水或油）等外部條件，以及材料本身的內(nèi)在特性，如其微觀結(jié)構(gòu)特性、硬度、粗糙度、界面剪切強(qiáng)度和彈性模量。2005年，叢紅梅等人指出C/C復(fù)合材料的摩擦磨損機(jī)理為機(jī)械磨損和氧化磨損，在高溫下C/C復(fù)合材料的磨損是機(jī)械磨損和氧化磨損共同作用的結(jié)果，其中氧化是高溫下C/C復(fù)合材料磨損的根本原因。2006年，葛毅成等人重點(diǎn)討論了時(shí)間、載荷、速度對(duì)C/C復(fù)合材料摩擦磨損行為的影響。2010年，耿黎明等人研究了低能載條件下C/C復(fù)合材料滑動(dòng)摩擦磨損性能，主要討論了載荷、轉(zhuǎn)速和預(yù)成型體纖維取向?qū)/C復(fù)合材料的摩擦系數(shù)和磨損率的影響?？傊珻/C復(fù)合材料的摩擦磨損是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過程。

目前，C/C復(fù)合材料的抗摩擦磨損技術(shù)主要包括C/C復(fù)合材料的改性技術(shù)以及C/C復(fù)合材料的涂層技術(shù)，接下來，我們將對(duì)這兩部分進(jìn)行分別簡述。

為了提高C/C復(fù)合材料的摩擦性能，在過去的幾十年里已經(jīng)做了許多關(guān)于基體改性的工作。例如，通過引入SiC、TiC和Si基合金來取代C/C復(fù)合材料的一些碳基體而使其COF得到增強(qiáng)。

在粉末冶金材料和C/C復(fù)合材料之后，碳纖維增強(qiáng)的碳和碳化硅復(fù)合材料(C/C-SiC)已成為新一代高性能的制動(dòng)材料，其具有優(yōu)異的性能，例如低密度，高比強(qiáng)度和高溫下良好的機(jī)械性能穩(wěn)定性，以及出色的摩擦學(xué)性能(低磨損率；高而穩(wěn)定的摩擦系數(shù))和低的環(huán)境敏感性。

此外，由于純銅和銅基合金具有良好的導(dǎo)熱性和摩擦性能，大量學(xué)者還對(duì)純銅和銅基合金的滲入進(jìn)行了研究，以改善C/C復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能。

盡管這些改性C/C復(fù)合材料在跑車、高速電梯、建筑機(jī)械的高性能制動(dòng)系統(tǒng)中顯示出巨大的潛力。然而，在C/C復(fù)合材料中引入高硬度的陶瓷通常會(huì)導(dǎo)致較高的陶瓷率，并且容易對(duì)金屬配件進(jìn)行磨損。因此很多學(xué)者開始探索其他保護(hù)C/C復(fù)合材料的有效方法。

4 C/C復(fù)合材料表面的SiC涂層的研究

C/C復(fù)合材料因其所需的特性（例如低密度，良好的加工性能和出色的高溫機(jī)械特性）而成為航空航天和航天應(yīng)用中熱結(jié)構(gòu)部件的誘人材料。但不幸的是，C/C復(fù)合材料在暴露于450℃以上的氧化氣氛中時(shí)顯示出明顯的氧化降解和較差的耐磨性。它極大地限制了它們?cè)诟呒?jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦學(xué)部件上的應(yīng)用，例如活塞，氣門，密封圈和軸承。這些組件要求結(jié)合出色的性能，例如，高溫(500-1000℃)抗氧化，高比強(qiáng)度和出色的耐磨性。

在C/C復(fù)合材料上制備耐磨、防氧化涂層被認(rèn)為是解決這類問題的有效方法。在這些涂層中，SiC涂層被認(rèn)為是理想的候選材料。

C/C復(fù)合材料在2273 K以上的溫度下具有出色的超高強(qiáng)度，使其成為具有高級(jí)熱保護(hù)功能的高溫結(jié)構(gòu)應(yīng)用的最有希望的候選材料。然而，它們?cè)?73 K以上的氧化限制了它們?cè)诟邷睾鯕夥罩械膽?yīng)用，這導(dǎo)致人們進(jìn)行了研究以嘗試改善其抗氧化性以改善其抗氧化磨損性能。目前，已經(jīng)提出了使用改進(jìn)的SiC涂層，或者以SiC涂層為粘結(jié)層和緩沖層來制備復(fù)合涂層。

早在1994年，Satoshi等人研究了SiC陶瓷的摩擦學(xué)特性，并指出SiC在室溫下的比磨損率非常小，并且與滑動(dòng)速度的關(guān)系不大。2007年，Jian-feng Huang等人探索了使用不同添加劑的新型兩步填充膠結(jié)工藝，以獲得致密的Si-SiC復(fù)合涂層。結(jié)果表明，高溫下涂層的效率降低，并且在長時(shí)間氧化后涂層樣品發(fā)生失重。在1773K下氧化200h后Si-SiC涂層的表面產(chǎn)生了一些孔。其主要原因是由于SiO2玻璃膜的汽化和排氣，以及不能提供足夠的玻璃相來密封孔。

并且SiC具有良好的生物相容性，SiC涂覆的C/C復(fù)合材料在生物應(yīng)用中具有一定的應(yīng)用價(jià)值。2009年，LEI-LEI ZHANG等人通過填充膠結(jié)在C/C復(fù)合材料表面制備了致密且均勻的SiC涂層。與未涂覆的C/C復(fù)合材料表面相比，人成骨細(xì)胞樣MG63細(xì)胞在涂層上的擴(kuò)散和增殖得到促進(jìn)。SiC涂層無害，且可以有效增強(qiáng)C/C復(fù)合材料的抗摩擦磨損性能，可用于涂覆C/C復(fù)合材料以應(yīng)用于整形外科植入物。

隨后，為了解決SiC和碳材料之間的熱膨脹系數(shù)不匹配而導(dǎo)致的性能失效問題，開始利用SiC涂層與C/C復(fù)合材料之間良好的相容性使其作為粘結(jié)層和緩沖層在碳材料表面引入復(fù)合涂層。

5 SiC涂層的的選擇及性能

磨損通常會(huì)在極端條件下(例如高溫等)對(duì)工作表面造成嚴(yán)重?fù)p壞，增加C/C復(fù)合材料在高溫下對(duì)空氣氧化的抵抗力以降低高溫磨損帶來的損失是十分重要的。目前，制備涂層則被認(rèn)為是在高溫下保護(hù)C/C復(fù)合材料的極其有效的方法。

涂層最基本的功能是要把C/C復(fù)合材料和氧化環(huán)境隔離開來，因此，一個(gè)涂層必須滿足下述要求：

（1）可以有效的阻止碳向外擴(kuò)散以及氧的侵入；

（2）涂層需要均勻平整且無裂紋，并具有自愈能力；

（3）涂層與基材之間具有較好的機(jī)械化學(xué)相容性和較高的結(jié)合強(qiáng)度；

（4）高溫下不發(fā)生揮發(fā)和流失；

（5）具有良好的機(jī)械性能和耐磨損，耐腐蝕性能。

SiC涂層具有優(yōu)異的抗氧化性和耐磨性，低的熱膨脹系數(shù)，高溫下氧化形成的SiO2玻璃質(zhì)保護(hù)膜能有效阻止氧的擴(kuò)散滲透，且與C/C復(fù)合材料基體化學(xué)相容性好。此外，由于碳化硅具有高硬度和良好的耐磨性，它被廣泛用于軸承，氣缸套和機(jī)械密封等應(yīng)用中。因此，在C/C復(fù)合材料表面形成SiC涂層受到人們廣泛的關(guān)注，且對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的了解及改進(jìn)是相當(dāng)有意義的。

6 結(jié)論

在過去的幾十年中，C/C復(fù)合材料的開發(fā)使許多航空和航天應(yīng)用受益。這種材料的優(yōu)異性能，例如低密度，高溫機(jī)械穩(wěn)定性，抗熱震性和高比強(qiáng)度，證明了它們?cè)诒姸囝I(lǐng)域的應(yīng)用中的合理性，包括車輛保護(hù)裝置或飛機(jī)制動(dòng)盤。但是，C/C復(fù)合材料的應(yīng)用受到氧化磨損的嚴(yán)重限制。并且氧化過程最終會(huì)導(dǎo)致纖維/基體脫粘，從而導(dǎo)致其優(yōu)異的材料性能喪失。目前，C/C復(fù)合材料的抗摩擦磨損技術(shù)主要包括C/C復(fù)合材料的改性技術(shù)以及C/C復(fù)合材料的涂層技術(shù)。然而，在C/C復(fù)合材料的改性技術(shù)中，引入高硬度的陶瓷通常會(huì)導(dǎo)致較高的陶瓷率，并且容易對(duì)金屬配件進(jìn)行磨損。并且由于基體改性法在C/C復(fù)合材料基體中需加入抑制劑，會(huì)導(dǎo)致材料力學(xué)和熱學(xué)性能的下降。因此，要實(shí)現(xiàn)高于1273 K的抗氧化保護(hù)，涂層技術(shù)是最佳的選擇。

目前，很多學(xué)者開發(fā)出了許多用于C/C復(fù)合材料的涂層體系。其中，由于SiC涂層具有出色的耐腐蝕性、與C/C基質(zhì)的良好化學(xué)相容性、高硬度和良好的耐磨性，被認(rèn)為是最理想的候選材料。并且由于SiC涂層對(duì)C/C復(fù)合材料具有良好的高溫物理和化學(xué)適應(yīng)性，還被廣泛用作多層涂層（例如SiC / Al2O3 /莫來石和SiC /氧化釔硅酸鹽涂層）中粘結(jié)層和緩沖層。而對(duì)C/C復(fù)合材料表面SiC涂層的摩擦磨損性能進(jìn)行進(jìn)一步的研究，有望開辟出一條提高C/C復(fù)合材料抗氧化磨損性能的新途徑，使得C/C復(fù)合材料有更加廣泛的應(yīng)用。