碳陶復(fù)合材料的摩擦磨損性能

周 蕊，韓文靜，施偉偉，李國(guó)勝，劉 帥

(1．西安航空制動(dòng)科技有限公司，西安 713101；2．西安石油大學(xué)理學(xué)院，西安 710065)

0 引 言

碳陶(C/C-SiC)復(fù)合材料是在碳/碳復(fù)合材料基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型剎車片材料，該材料是以準(zhǔn)三維碳纖維整體針刺氈為骨架增強(qiáng)體，以沉積碳、SiC及殘余硅為基體的復(fù)合材料[1-3]。與碳/碳復(fù)合材料相比，碳陶復(fù)合材料基體中創(chuàng)新引入了SiC相，SiC的引入不僅延續(xù)了碳/碳復(fù)合材料密度小、剎車平穩(wěn)、熱容量大等特點(diǎn)，而且還較好地彌補(bǔ)了碳/碳復(fù)合材料濕態(tài)摩擦因數(shù)低、生產(chǎn)周期長(zhǎng)、制備成本高等缺點(diǎn)；該復(fù)合材料因具有摩擦因數(shù)大、磨損率低、濕態(tài)摩擦因數(shù)衰減小、抗氧化性能好、環(huán)境適用強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，而成為新一代高性能剎車片材料[4-6]。2008年，由該材料制成的制動(dòng)盤成功在國(guó)內(nèi)飛機(jī)上實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，并逐步在多個(gè)機(jī)型上取得應(yīng)用，現(xiàn)逐步向高鐵、磁懸浮列車、汽車、賽車等多個(gè)制動(dòng)領(lǐng)域擴(kuò)展[7-8]。

作為一種典型的摩擦材料，碳陶復(fù)合材料的摩擦磨損性能受到國(guó)內(nèi)外研究者的關(guān)注。KRENKEL等[9]研究發(fā)現(xiàn)，碳陶復(fù)合材料的損傷容限主要由碳纖維決定，而耐磨性則由SiC決定。WANG等[10]研究發(fā)現(xiàn)，在干態(tài)摩擦過(guò)程中，碳陶復(fù)合材料的硅富集區(qū)會(huì)形成穩(wěn)態(tài)摩擦轉(zhuǎn)移層，摩擦面的孔洞易被轉(zhuǎn)移材料所填充，從而改善其摩擦磨損性能。徐永東等[11]通過(guò)化學(xué)氣相滲透法制備了高致密度的碳陶復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)其干態(tài)和濕態(tài)摩擦因數(shù)變化呈典型的馬鞍狀規(guī)律，且摩擦因數(shù)的濕態(tài)衰減率僅為2.9%，磨損形式為典型的磨粒磨損。肖鵬等[12]研究了SiC含量對(duì)碳陶復(fù)合材料摩擦磨損性能的影響，發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料的干態(tài)摩擦因數(shù)隨著SiC含量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，最大值為0.62，當(dāng)SiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于33.56%時(shí)，磨損率的變化規(guī)律與摩擦因數(shù)的變化規(guī)律相反，當(dāng)SiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于33.56%時(shí)，磨損率的變化規(guī)律與摩擦因數(shù)的變化規(guī)律相同。目前，有關(guān)碳陶復(fù)合材料摩擦磨損性能的研究大多基于實(shí)驗(yàn)室小試樣，這與實(shí)際工況下的摩擦磨損行為存在差異。基于此，作者在碳碳坯體的基礎(chǔ)上，通過(guò)液相滲硅法制備了碳陶復(fù)合材料，通過(guò)模擬飛機(jī)的不同制動(dòng)條件，利用大樣試驗(yàn)臺(tái)架對(duì)碳陶復(fù)合材料摩擦副的干、濕態(tài)摩擦磨損性能進(jìn)行了研究，以期為碳陶復(fù)合材料的應(yīng)用提供了理論參考與支撐。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為自制的碳陶復(fù)合材料，其制備過(guò)程分為增強(qiáng)體制備及基體制備兩個(gè)過(guò)程。增強(qiáng)體制備：將長(zhǎng)束碳纖維平行鋪設(shè)形成的無(wú)緯布與短切碳纖維形成的網(wǎng)胎針刺形成結(jié)構(gòu)單元，利用棱邊上帶下倒鉤刺的針對(duì)0°，90°，0°，90°循環(huán)排列的結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行復(fù)合針刺，經(jīng)反復(fù)疊層、針刺至需要的厚度，最終獲得密度約為0.6 g·cm-3的準(zhǔn)三維碳纖維整體針刺氈增強(qiáng)體?；w制備：以天然氣為氣源，在900～1 100 ℃的化學(xué)氣相沉積爐中對(duì)準(zhǔn)三維碳纖維整體針刺氈增強(qiáng)體進(jìn)行致密化處理，獲得密度為1.5～1.7 g·cm-3的碳/碳坯體，然后在1 600 ℃下通過(guò)液相滲硅處理制備出密度為2.0～2.2 g·cm-3的碳陶復(fù)合材料。

采用 XRD-7000型X射線衍射儀(XRD)對(duì)碳陶復(fù)合材料的物相組成進(jìn)行表征，采用銅靶，Kα射線，波長(zhǎng)為0.154 059 8 nm，工作電流為40 mA，管電壓為40 kV，測(cè)量步長(zhǎng)為0.016 7°，掃描范圍2θ為10°～80°。采用FEI Verios 460型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察碳陶復(fù)合材料橫截面及摩擦面的微觀結(jié)構(gòu)，采用附帶的能譜儀(EDS)進(jìn)行元素面掃描。使用AG-I 100 KN型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)碳陶復(fù)合剎車材料的力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試，為保證試樣有效性，每組試驗(yàn)測(cè)試5個(gè)有效試樣，取平均值，拉伸和下壓速度設(shè)定為1 mm·min-1。按照GB 3354—1982進(jìn)行平行于氈層方向拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為室溫，拉伸試樣的尺寸如圖1所示，試樣上表面與氈層方向平行，拉伸時(shí)載荷方向與試樣長(zhǎng)度方向及氈層中長(zhǎng)纖維束方向平行；按照GB/T 34559—2017進(jìn)行垂直壓縮試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為室溫，壓縮試樣的尺寸為20 mm×10 mm×10 mm，氈層與橫截面平行；按照GB/T 232—2010進(jìn)行室溫三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，彎曲試樣尺寸為90 mm×10 mm×6 mm，取樣方向包括平行(氈層與橫截面垂直且與載荷方向平行)和垂直于氈層方向(氈層與橫截面垂直且與載荷方向垂直)2種，所得試樣分別記作平行彎曲試樣和垂直彎曲試樣；按照GB 3357—1982進(jìn)行室溫剪切試驗(yàn)，剪切試樣的尺寸為50 mm×10 mm×6 mm，取樣方向與垂直彎曲試樣相同，試驗(yàn)時(shí)載荷方向與橫截面垂直，與氈層方向平行。

圖1 拉伸試樣的尺寸

碳陶復(fù)合材料摩擦環(huán)的試樣尺寸為φ310 mm×φ160 mm×24 mm，以下簡(jiǎn)稱制動(dòng)盤，盤面平行于氈層直接參與摩擦。在QP584型航空輪胎機(jī)輪剎車裝置動(dòng)力試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行大樣摩擦磨損試驗(yàn)，該試驗(yàn)臺(tái)模擬飛機(jī)剎車工況，制動(dòng)時(shí)通過(guò)向靜制動(dòng)盤施加一定的壓力，使得以一定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)且具有一定能載的動(dòng)制動(dòng)盤、靜制動(dòng)盤接觸壓緊，從而將動(dòng)制動(dòng)盤剎停，由此獲得碳陶復(fù)合材料的動(dòng)摩擦性能；靜摩擦性能是指在靜態(tài)下，通過(guò)向靜制動(dòng)盤施加一定的壓力，使動(dòng)制動(dòng)盤與靜制動(dòng)盤接觸壓緊，通過(guò)向動(dòng)制動(dòng)盤提供連續(xù)變化的靜剎車力矩，記錄動(dòng)制動(dòng)盤與靜制動(dòng)盤間保持靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)的最大摩擦因數(shù)，從而獲得碳陶復(fù)合材料的靜態(tài)摩擦性能。在1.4 MJ能載下研究碳陶復(fù)合材料摩擦副在不同壓力(0.2，0.3，0.5 MPa)、不同制動(dòng)速度(5，10，15，20，25 m·s-1)條件下的干態(tài)動(dòng)摩擦性能，并在0.6 MPa 、25 m·s-1條件下進(jìn)行了20次制動(dòng)試驗(yàn)，驗(yàn)證碳陶復(fù)合材料摩擦副干態(tài)動(dòng)摩擦性能的穩(wěn)定性；在1.4 MJ能載、0.5 MPa制動(dòng)壓力下，用2 L清水將碳陶復(fù)合材料摩擦副打濕后，研究摩擦副在高速(25，26，27 m·s-1)制動(dòng)條件下的濕態(tài)動(dòng)摩擦性能，并與對(duì)應(yīng)條件下的干態(tài)動(dòng)摩擦性能進(jìn)行對(duì)比。為研究碳陶復(fù)合材料的靜摩擦性能，在1.4 MJ能載、2.0 MPa制動(dòng)壓力下，對(duì)碳陶復(fù)合材料摩擦副的干、濕態(tài)靜摩擦性能進(jìn)行了表征。為表征碳陶復(fù)合材料的磨損率及質(zhì)量一致性，在1.4 MJ能載、0.55 MPa制動(dòng)壓力及25 m·s-1制動(dòng)速度下分別對(duì)原始狀態(tài)制動(dòng)盤(厚度24 mm)、40%磨損狀態(tài)制動(dòng)盤(將制動(dòng)盤摩擦面加工掉1 mm厚度，剩余厚度23 mm)及80%磨損狀態(tài)制動(dòng)盤(在40%磨損狀態(tài)下，將制動(dòng)盤摩擦面加工掉1 mm厚度，剩余厚度22 mm)進(jìn)行47次干態(tài)動(dòng)制動(dòng)試驗(yàn)，測(cè)試試驗(yàn)前后動(dòng)、靜制動(dòng)盤的厚度，分別計(jì)算動(dòng)制動(dòng)盤及靜制動(dòng)盤的線磨損率，最后取二者的平均線磨損率作為最終磨損率，線磨損率I的計(jì)算公式為

(1)

式中：L1為摩擦試驗(yàn)前制動(dòng)盤的厚度；L2為摩擦試驗(yàn)后制動(dòng)盤的厚度；N為制動(dòng)次數(shù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 物相組成與微觀結(jié)構(gòu)

由圖2可以看出：碳陶復(fù)合材料由碳相、β-SiC相及硅相組成，碳陶復(fù)合材料的相結(jié)構(gòu)存在明顯的各向異性。另外，其硅相主要存在于材料內(nèi)部，而摩擦面無(wú)硅相存在，這是由于摩擦面上的殘余硅在1 600 ℃高溫下已揮發(fā)。

圖2 碳陶復(fù)合材料橫截面和摩擦面的XRD譜

在圖3中形貌中的亮白色區(qū)域與面掃描結(jié)果中的紅色(淺色)區(qū)域相對(duì)應(yīng)，是碳元素與硅元素共同富集區(qū)域，對(duì)應(yīng)物相中的β-SiC相及硅相；形貌中的暗色區(qū)域與面掃描結(jié)果中的藍(lán)色(深色)區(qū)域相對(duì)應(yīng)，是碳元素富集區(qū)域，對(duì)應(yīng)物相中的碳纖維與沉積碳；面掃描結(jié)果中灰色區(qū)域?qū)?yīng)的位置為試樣內(nèi)部孔洞。由圖3可知，在無(wú)緯布碳纖維密集排列區(qū)域無(wú)β-SiC相存在，分析認(rèn)為，在液相滲硅過(guò)程中，液體硅會(huì)沿著內(nèi)部的空隙滲入到材料內(nèi)部，與碳纖維周圍沉積的熱解碳接觸并發(fā)生反應(yīng)生成β-SiC相，當(dāng)碳纖維致密排列時(shí)，液體硅難以滲入材料內(nèi)部，因而SiC相難以在碳纖維密布區(qū)生成，而主要集中在無(wú)緯布層中的纖維束之間及由短切碳纖維雜亂排布的網(wǎng)胎層中[13]。碳陶復(fù)合材料摩擦面由纖維束、沉積碳及分散排列的SiC構(gòu)成，且存在微量孔洞。

圖3 碳陶復(fù)合材料橫截面與摩擦面的形貌及元素面掃描結(jié)果

2.2 力學(xué)性能

碳陶復(fù)合材料在制動(dòng)過(guò)程中，會(huì)承受平行于氈層方向的拉伸及層間剪切力、垂直于氈層方向的壓力及不同方向的彎曲力作用。經(jīng)測(cè)試，碳陶復(fù)合材料的平行拉伸強(qiáng)度為124.2 MPa，垂直壓縮強(qiáng)度為155.1 MPa，垂直彎曲強(qiáng)度為132.7 MPa，平行彎曲強(qiáng)度為135.5 MPa，層間剪切強(qiáng)度為12.2 MPa。對(duì)比可知，層間剪切強(qiáng)度明顯低于拉伸、壓縮及彎曲強(qiáng)度。分析認(rèn)為，碳陶復(fù)合材料在承受拉應(yīng)力的過(guò)程中，主要由碳纖維進(jìn)行承載，因此平行拉伸強(qiáng)度較高。在垂直壓縮試驗(yàn)中，壓縮應(yīng)力主要受針刺纖維束制約，因此壓縮強(qiáng)度與三維整體針刺氈針刺纖維的密度緊密相關(guān)。在三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)過(guò)程中，從試樣上表面至下表面，應(yīng)力由壓應(yīng)力逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力;當(dāng)載荷方向與氈平面垂直或平行時(shí)，強(qiáng)度均主要由試樣下表面氈層中的纖維承載，但承載纖維所在氈層的方位不同；對(duì)于平行于氈層方向試樣，下部承載纖維位于與試樣前后表面平行的氈層中，對(duì)于垂直于氈層方向試樣，下部承載纖維位于與試樣上下表面平行的氈層中，因此二者彎曲強(qiáng)度差異不大。不同于拉伸、壓縮、彎曲試驗(yàn)的失效，層間剪切性能是基體與纖維結(jié)合界面、基體以及針刺碳纖維綜合作用的結(jié)果，雖然也有部分針刺纖維參與承載，但因裂紋擴(kuò)展與外力方向一致，會(huì)加速裂紋擴(kuò)展，從而導(dǎo)致整體強(qiáng)度很低[14]。

2.3 摩擦磨損性能

由圖4可知：碳陶復(fù)合材料的干態(tài)動(dòng)摩擦因數(shù)受制動(dòng)條件的影響較大，在0.30～0.65范圍內(nèi)波動(dòng)；當(dāng)制動(dòng)壓力一定時(shí)，摩擦因數(shù)隨制動(dòng)速度的增加出現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)；相同制動(dòng)速度下，摩擦因數(shù)與制動(dòng)壓力成負(fù)相關(guān)。碳陶復(fù)合材料摩擦面由碳纖維、沉積碳及SiC多相構(gòu)成，摩擦面不平整，摩擦過(guò)程中產(chǎn)生的磨屑一部分在壓力作用下填入到摩擦面孔隙當(dāng)中，另外一部分在對(duì)偶摩擦面之間形成磨粒[15]。當(dāng)壓力一定時(shí)，隨制動(dòng)速度的增加，摩擦面上微凸起受到的剪切作用逐漸增強(qiáng)，摩擦面之間的硬質(zhì)磨屑數(shù)量增多，磨粒磨損面積增加，因此摩擦因數(shù)增大；由于制動(dòng)過(guò)程是將動(dòng)能通過(guò)摩擦轉(zhuǎn)化為熱能的過(guò)程，當(dāng)制動(dòng)速度進(jìn)一步增大時(shí)，摩擦界面溫度驟升，使得表面微凸起出現(xiàn)局部氧化松動(dòng)，因此摩擦因數(shù)逐漸降低。當(dāng)制動(dòng)速度一定時(shí)，隨著制動(dòng)壓力的增大，一方面，摩擦界面溫度升高，局部微凸起氧化程度增加，摩擦因數(shù)減??；另一方面，摩擦界面微凸起變形程度增加，微凸起結(jié)構(gòu)鈍化，致使機(jī)械咬合程度降低，摩擦過(guò)程中阻力降低，因此摩擦因數(shù)減小[15]。

圖4 不同制動(dòng)壓力下碳陶復(fù)合材料的干態(tài)動(dòng)摩擦因數(shù)隨制動(dòng)速度的變化曲線

由圖5可知，在制動(dòng)速度25 m·s-1、制動(dòng)壓力0.6 MPa條件下，碳陶復(fù)合材料單次制動(dòng)的平均摩擦因數(shù)在0.477～0.562范圍變化，且初始幾次制動(dòng)的摩擦因數(shù)波動(dòng)幅度較大，隨著制動(dòng)次數(shù)的增加，摩擦因數(shù)逐漸趨于穩(wěn)定，說(shuō)明碳陶復(fù)合材料各物相分布較為均勻。

圖5 不同制動(dòng)次數(shù)下碳陶復(fù)合材料的干態(tài)動(dòng)摩擦因數(shù)(制動(dòng)速度25 m·s-1、制動(dòng)壓力0.6 MPa)

由圖6可知，在0.5 MPa制動(dòng)壓力下，隨著制動(dòng)速度的增加，碳陶復(fù)合材料的干、濕態(tài)摩擦因數(shù)均減小，且濕態(tài)摩擦因數(shù)低于干態(tài)摩擦因數(shù)，即出現(xiàn)濕態(tài)衰減現(xiàn)象。當(dāng)制動(dòng)速度由25 m·s-1升高至27 m·s-1時(shí)，其干態(tài)摩擦因數(shù)由0.288降低至0.244，濕態(tài)摩擦因數(shù)由0.261降低至0.225，計(jì)算得到制動(dòng)速度為25，26，27 m·s-1條件下的濕態(tài)衰減率分別為9.4%，8.2%，7.8%。綜上分析，與碳碳復(fù)合材料的濕態(tài)衰減率(40%～50%)相比，碳陶復(fù)合材料的濕態(tài)衰減率(小于10%)明顯降低，且受制動(dòng)條件影響較小。由于碳陶復(fù)合材料是多微孔材料，因此在濕態(tài)條件下，水分會(huì)存在于微孔中，吸附在基體碳亂層石墨棱緣；在剎車過(guò)程中，制動(dòng)盤溫度升高，水分向摩擦面擴(kuò)散加快，并在摩擦面上形成氣膜[16]，從而降低摩擦因數(shù)。但因碳陶復(fù)合材料在制動(dòng)過(guò)程中主要表現(xiàn)為磨粒磨損，因此會(huì)在摩擦過(guò)程中不斷破壞氣膜結(jié)構(gòu)，使得氣膜只在摩擦面局部生成，因而濕態(tài)摩擦因數(shù)較干態(tài)摩擦因數(shù)的降低幅度較低

圖6 碳陶復(fù)合材料的干、濕態(tài)動(dòng)摩擦因數(shù)隨制動(dòng)速度的變化曲線(制動(dòng)壓力0.5 MPa)

在2.0 MPa制動(dòng)壓力下，碳陶復(fù)合材料的干、濕態(tài)靜摩擦因數(shù)相差不大，分別為0.223，0.230。分析認(rèn)為，碳陶復(fù)合材料的靜摩擦因數(shù)僅與材料表面狀態(tài)有關(guān)，表面微凸起數(shù)量越多，機(jī)械咬合程度越大，對(duì)應(yīng)靜摩擦因數(shù)越大，由于在靜態(tài)摩擦因數(shù)測(cè)試過(guò)程中，碳陶復(fù)合材料摩擦面不會(huì)形成氣膜，因此濕態(tài)摩擦系數(shù)與干態(tài)摩擦因數(shù)相差不大。

在制動(dòng)壓力為0.55 MPa及制動(dòng)速度為25 m·s-1條件下得到原始制動(dòng)盤、40%磨損狀態(tài)制動(dòng)盤及80%磨損狀態(tài)制動(dòng)盤進(jìn)行47次干態(tài)制動(dòng)試驗(yàn)后，每次每面平均線磨損率分別為0.001 2，0.001 3，0.001 2 mm，說(shuō)明碳陶復(fù)合材料制動(dòng)盤的線磨損率整體較小且較為穩(wěn)定。分析認(rèn)為，碳陶復(fù)合材料制動(dòng)盤摩擦面沉積碳含量較少且硬度低，碳纖維及SiC顆粒含量多且硬度大，因而在一定條件下，摩擦面形成的硬質(zhì)顆粒磨屑對(duì)摩擦面含量較少的沉積碳的犁削作用較小，致使該材料的磨損程度整體較低。

3 結(jié) 論

(1) 碳陶復(fù)合材料由碳相、β-SiC相及硅相組成，硅相主要存在于材料內(nèi)部，而摩擦面無(wú)硅相存在；碳陶復(fù)合材料摩擦面由纖維束、沉積碳及分散排列的SiC構(gòu)成，且存在微量孔洞，同時(shí)SiC主要分布在無(wú)緯布層中的纖維束之間及由短切碳纖維雜亂排布的網(wǎng)胎層中。

(2) 碳陶復(fù)合材料平行于氈層方向拉伸強(qiáng)度為124.2 MPa，垂直壓縮強(qiáng)度為155.1 MPa，垂直彎曲強(qiáng)度為132.7 MPa，平行彎曲強(qiáng)度為135.5 MPa，層間剪切強(qiáng)度為12.2 MPa。

(3) 當(dāng)能載為1.4 MJ，制動(dòng)壓力在0.2～0.5 MPa、制動(dòng)速度在5～25 m·s-1范圍時(shí)，碳陶復(fù)合材料的干態(tài)動(dòng)摩擦因數(shù)在0.30～0.65范圍內(nèi)波動(dòng)，且隨制動(dòng)速度的增加呈先升高后降低的趨勢(shì)，與制動(dòng)壓力成負(fù)相關(guān)；在1.4 MJ能載、0.5 MPa制動(dòng)壓力下，當(dāng)制動(dòng)速度由25 m·s-1升高至27 m·s-1時(shí)，碳陶復(fù)合材料的濕態(tài)動(dòng)摩擦因數(shù)衰減率均低于10%；在2.0 MPa制動(dòng)壓力下，碳陶復(fù)合材料的干、濕態(tài)靜摩擦因數(shù)相差不大，分別為0.223，0.230；在能載1.4 MJ、制動(dòng)壓力0.55 MPa，制動(dòng)速度25 m·s-1下，不同磨損狀態(tài)下的每次每面平均線磨損率為0.001 2～0.001 3 mm，磨損率整體較低且較穩(wěn)定。