鍍鎳碳纖維增強(qiáng)銅基礦車制動材料制備及性能分析

李雪伍 段世龍 張傳偉 石甜

摘 要：針對礦用車輛在惡劣工況下長時間制動引起的摩擦片失效問題，通過放電等離子燒結(jié)技術(shù)制備新型鍍鎳碳纖維增強(qiáng)銅基（CF/Cu）礦車制動材料。借助掃描電子顯微鏡（SEM）觀察鍍鎳碳纖維及制動材料微觀形貌，通過X射線衍射儀（XRD）對CF/Cu材料物相展開分析，同時對材料硬度、摩擦系數(shù)、磨損率進(jìn)行系統(tǒng)研究，最后采用ANSYS仿真軟件探究纖維長度對復(fù)合材料力學(xué)性能和應(yīng)力場分布的影響。結(jié)果表明：改性后的CF/Cu制動材料界面結(jié)合性能良好，且當(dāng)碳纖維長度為2 mm時，復(fù)合材料硬度達(dá)到最大值80.22 HV，其耐磨性也最優(yōu)。進(jìn)一步增加碳纖維長度至3 mm，纖維出現(xiàn)明顯纏繞及團(tuán)聚特征，且制動材料力學(xué)性能呈下降趨勢。此外，2 mm CF/Cu制動材料應(yīng)力值最小，約為178.21 MPa，且碳纖維與基體界面結(jié)合性能良好。同時，外力作用下2 mm碳纖維能有效承受部分載荷阻止金屬變形，進(jìn)而增強(qiáng)制動材料抗拉性能。綜上所述，2 mm鍍鎳碳纖維增強(qiáng)銅基礦車制動材料力學(xué)及摩擦學(xué)性能最佳。

關(guān)鍵詞：摩擦磨損；礦車制動材料；放電等離子燒結(jié)；碳纖維；有限元仿真

中圖分類號：TB 331

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-9315（2023）04-0769-10

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2023.0414

Preparation and property analysis of nickel-plated carbon fiber-

reinforced copper-based materials for mine vehicle brake

LI Xuewu，DUAN Shilong，ZHANG Chuanwei，SHI Tian

（College of Mechanical and Engineering，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China）Abstract：In order to solve the problem of friction plate failure caused by long-time braking of mining vehicles under severe working conditions，a new type of nickel-plated carbon fiber-reinforced copper-based（CF/Cu）mining vehicles brake material was prepared by spark plasma sintering technology.The scanning electron microscope（SEM）was used to observe the micro morphology of nickel-plated CF and brake materials.The phase of CF/Cu materials were analyzed by X-ray diffraction（XRD）.And the hardness，friction coefficient and wear rate of CF/Cu materials were systematically examined.The effect of fiber length on the mechanical properties and stress field distribution of the composites were investigated by ANSYS simulation software.The results show that the interface bonding property of the modified CF/Cu brake materials are ideal.When the CF length is 2 mm，the hardness of the composite reaches the maximum value of 80.22 HV，and its wear resistance is also the optimal.As CF length is further increased to 3 mm，the fiber has obvious characteristics of winding and agglomeration，and the mechanical properties of brake materials show a downward trend.In addition，the stress value of 2 mm CF/Cu brake material is the minimum，about 178.21 MPa，and the interface bonding property between CF and matrix is ideal.Mean while，under the action of external force，2 mm CF can effectively withstand a part of the load to prevent metal deformation，thereby enhancing the tensile properties of brake materials.Thus the mechanical and tribological properties of 2 mm nickel-plated carbon fiber-reinforced copper-based mine vehicle brake material are the best.

Key words：tribology；mine vehicle brake material；spark plasma sintering；carbon fibre；finite element simulation

0 引 言

銅基復(fù)合材料具有較高強(qiáng)度、良好耐熱性和優(yōu)異耐磨性等特點(diǎn)，并且中低溫工況下仍能保持較穩(wěn)定的摩擦系數(shù)［1-2］，這些優(yōu)異性能使其在礦山重載車輛的傳動裝置及制動領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，銅基體硬度較低，且高溫工況下易發(fā)生軟化，導(dǎo)致材料力學(xué)性能下降，制約了其在礦山領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用［3］。因此，對銅基體進(jìn)行強(qiáng)韌化處理，是提高礦車制動材料力學(xué)性能的有效手段和方法。

碳纖維具有高比強(qiáng)度、高比剛度、高耐磨性、較低熱膨脹系數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，因此作為極具吸引力的增強(qiáng)材料被廣泛應(yīng)用于改善金屬基體強(qiáng)度、塑性及摩擦學(xué)性能［4-5］。碳纖維不但可以增強(qiáng)基體強(qiáng)度，提高材料抗沖擊韌性，并在摩擦過程中形成碳顆粒從而起到自潤滑效果［6-7］。

GRAKOVICH等研究碳纖維增強(qiáng)PTFE復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)碳纖維對復(fù)合材料物理機(jī)械性能影響不大，對復(fù)合材料摩擦學(xué)性能有著突出表現(xiàn)［8］。CAO等通過摩擦攪拌處理制備鋁合金材料，研究發(fā)現(xiàn)在基體鋁中加入碳纖維能有效抑制微裂紋成核，且復(fù)合材料硬度增加46.8%，磨損量至少降低70%［9］。然而，由于碳纖維表面能較低，與基體間潤濕性較差，導(dǎo)致碳纖維與金屬界面結(jié)合性能不佳，同時界面處的簡單機(jī)械結(jié)合強(qiáng)度較低，且在重載及外力作用下，碳纖維易從基體中拔出，其優(yōu)異性能無法充分發(fā)揮，導(dǎo)致礦車制動試驗(yàn)結(jié)果遠(yuǎn)低于預(yù)期目標(biāo)。

碳纖維表面金屬化是一種解決界面結(jié)合問題的有效方法［10］。研究人員通過在碳纖維表面生長納米顆粒來提高與金屬基體界面結(jié)合性能［11］。DONG等采用表面改性碳纖維增強(qiáng)鋁合金，研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)表面改性處理的碳纖維復(fù)合材料與Al6061基材相比，硬度提高23.3%，磨損率降低49.04%［12］。WANG等分別制備Cu-Ni-graphite復(fù)合材料和銀改性Cu-Ni-graphite復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)改性復(fù)合材料界面得到有效強(qiáng)化，且維氏硬度、抗彎強(qiáng)度均高于未改性材料，從而表現(xiàn)出更佳的耐磨性［13］。

大量研究表明增強(qiáng)體含量、尺寸、分布及制備方法與復(fù)合材料性能密切相關(guān)［14-15］。然而，基于不同尺度鍍層改性碳纖維對礦車制動銅基復(fù)合材料性能影響與作用關(guān)系的相關(guān)文獻(xiàn)鮮有報(bào)道［16］。文中采用放電等離子燒結(jié)技術(shù)制備CF/Cu復(fù)合材料，并通過試驗(yàn)系統(tǒng)討論鍍鎳碳纖維長度對復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的影響。同時，進(jìn)一步通過有限元數(shù)值模擬及分析，研究碳纖維長度對復(fù)合材料力學(xué)性能與應(yīng)力場分布的影響及作用規(guī)律，論文研究對于新型礦車制動耐磨復(fù)合材料的設(shè)計(jì)與研制奠定了理論和試驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 ?試驗(yàn)材料與表征

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所需球形制動銅粉（粒徑：500目；純度：99.9%）購自復(fù)梵五金有限公司，其微觀形貌如圖1（a）所示。從圖1可以看出，銅粉呈圓球狀，且粒徑分布均勻，其直徑約為10～ 50 μm，同時表面干凈無雜質(zhì)。試驗(yàn)用T700級碳纖維長絲基本參數(shù)見表1，其他材料和具有分析純等級的試劑均購于阿拉丁試劑公司。

1.2 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)采用經(jīng)鍍鎳處理后的碳纖維，鎳層采用傳統(tǒng)化學(xué)鍍方法，步驟為除膠、粗化、活化、敏化、化學(xué)鍍。試驗(yàn)用不同銅基復(fù)合材料成分見表2，配料過程中，首先將碳纖維在無水乙醇中超聲分散30 min；然后，將銅粉加入懸浮液，采用玻璃棒攪拌得到均勻混合漿液，進(jìn)一步將漿液置于80 ℃真空干燥箱中5 min；最后，將制備粉末樣品裝入圓柱形石墨模具（內(nèi)徑為25 mm），在SPS-3.20MKⅡ型放電等離子燒結(jié)設(shè)備中進(jìn)行燒結(jié)，制備過程中設(shè)置溫度為850 ℃，升溫速率為85 ℃/min，燒結(jié)壓力為50 MPa，保溫時間為10 min，即可得到CF/Cu復(fù)合材料。上述復(fù)合材料制備過程如圖1（b）所示。

1.3 試驗(yàn)表征

采用掃描電子顯微鏡（SEM，ZEISS Gemini 300）觀察碳纖維及復(fù)合試樣表面微觀形貌，借助X射線能譜儀（EDS）對碳纖維及復(fù)合材料微區(qū)成分進(jìn)行表征，通過X射線衍射儀（XRD，Rigaku Ultimate Ⅳ）對燒結(jié)材料物相展開分析，以準(zhǔn)確獲得銅基制動材料組成，其試驗(yàn)條件：Cu靶、40 kV電壓、40 mA電流、10°～80°掃描角度、掃描速度為5°/min。采用HVS-1000Z型數(shù)顯顯微硬度計(jì)表征試樣硬度，其施壓載荷為9.8 N，施壓時間為15 s，分別在每個樣品表面施加5個壓痕，然后取平均值為最終硬度值。采用UMT-3多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對復(fù)合材料摩擦系數(shù)、磨損率展開分析，其試驗(yàn)條件：常溫環(huán)境，對摩材料為10 mm直徑Si3N4陶瓷球，載荷為3 N，滑動速度為10 cm/s，摩擦往復(fù)行程為5 mm。最后，借助ANSYS仿真軟件分析不同長度CF/Cu復(fù)合材料應(yīng)力場分布。

2 結(jié)果與討論

2.1 微觀形貌

圖2表示碳纖維表面微觀形貌及斷面元素線掃描。從圖2（a），（b）可以看出，未鍍鎳碳纖維表面較為光滑平整。圖2（c）表示鍍鎳碳纖維表面微觀形貌，可以看出，碳纖維表面被鎳鍍層包覆，且鍍層較為均勻致密，但鍍鎳后碳纖維表面變得粗糙，表明鍍層后碳纖維能有效改善纖維與基體界面結(jié)合性能，即在摩擦磨損過程中能有效將載荷通過界面?zhèn)鬟f至碳纖維，使碳纖維成為受力承載體［17-18］。但是，碳纖維表面部分區(qū)域出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，表現(xiàn)為大小各異的“結(jié)狀瘤”，這可能是由于Ni與C相互擴(kuò)散結(jié)合的結(jié)果。“結(jié)狀瘤”的出現(xiàn)一方面有利于增加碳纖維質(zhì)量，在混料過程中促進(jìn)碳纖維彌散分布。另一方面有利于增加碳纖維表面粗糙度，從而有效提升比表面積，并促使碳纖維與基體通過機(jī)械互鎖增強(qiáng)界面結(jié)合能力［19］。進(jìn)一步從圖2（d）所示的鍍鎳碳纖維截面形貌圖可以看出，鍍鎳后碳纖維表面變得粗糙，且直徑有所增大，其表面鎳鍍層厚度約為439 nm，同時鎳鍍層與碳纖維之間結(jié)合較為緊密，無明顯空隙，表明鎳與碳纖維并非簡單機(jī)械結(jié)合［20］，這可能是由于碳纖維表面金屬化過程中Ni與C相互擴(kuò)散，從而改變其界面結(jié)合方式。

為進(jìn)一步觀察鍍鎳碳纖維的界面微觀結(jié)構(gòu)，對其斷面進(jìn)行元素線掃描，結(jié)果如圖2（e），（f）所示，可以看出，碳纖維斷面主要包含C，Ni，O 3種元素，且沿線掃描方向界面處元素含量發(fā)生變化，在1～2 μm處碳含量呈線性增加，鎳含量則逐漸降低。對于6～7 μm位置，碳含量呈線性降低，鎳含量則逐漸增加，上述元素含量變化位置對應(yīng)鎳鍍層與碳纖維界面結(jié)合區(qū)。進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，碳纖維和鍍層之間元素含量變化過程連續(xù)，未出現(xiàn)元素變化斷層現(xiàn)象，表明碳纖維與基體結(jié)合緊密，無分層缺陷。

同時從圖2（f）可以看出，碳纖維被鎳鍍層包圍，燒結(jié)過程中可有效抑制碳纖維與基體發(fā)生反應(yīng)。此外，O元素的出現(xiàn)主要是由于鍍鎳后，表面涂層在大氣中發(fā)生氧化形成氧化膜所致［21］，這在后續(xù)碳纖維斷面元素面掃描測試中進(jìn)一步得到驗(yàn)證。

圖3表示碳纖維斷面微觀形貌、EDS及元素面掃描測試結(jié)果。如圖3（a）所示，鍍層Ni與碳纖維結(jié)合緊密，碳纖維被鍍層完整包覆，鍍層Ni緊實(shí)沉積在碳纖維表面，且無明顯分層特征。鍍鎳碳纖維截面中C，Ni元素分布如圖3（c），（d）所示，觀察發(fā)現(xiàn)碳纖維表面Ni元素分布均勻致密，并呈圓環(huán)狀圍繞在C元素周圍，且與C元素分布相匹配。圖3（e）表示鍍鎳碳纖維表面O元素分布，可以看出，O元素與Ni元素分布較為一致，并呈圓環(huán)狀，且分布相對不均勻，同時O元素含量遠(yuǎn)低于Ni元素。

圖4表示不同長度碳纖維增強(qiáng)銅基復(fù)合材料SEM圖。從圖4（a）可以看出，基體表面較為光滑，但部分區(qū)域出現(xiàn)孔洞現(xiàn)象。從圖4（b）可以看出，條紋狀碳纖維彌散分布于基體中，且纖維分布方向與壓制方向無明顯聯(lián)系，同時碳纖維呈孤立狀態(tài)存在于基體中，且未出現(xiàn)明顯團(tuán)聚及纏繞缺陷。這可能是由于碳纖維長度較短，并且鍍鎳后碳纖維質(zhì)量有所增加，表面共價(jià)鍵轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘冁I，減弱了碳纖維之間的吸引力，使其能夠與基體更好地結(jié)合［22-23］。從圖4（c）可以看出，當(dāng)碳纖維長度增加至2 mm時，銅基制動材料表面碳纖維取向隨機(jī)，并“釘扎”于基體中，且表面無明顯孔洞及縫隙，僅部分區(qū)域出現(xiàn)輕微碳纖維聚集區(qū)。這是由于鍍鎳碳纖維與基體具有較好界面結(jié)合能力，碳纖維在加壓燒結(jié)過程中有助于氣體排出，從而減小孔洞和縫隙的產(chǎn)生［24-25］。上述研究表明分散良好的鍍鎳碳纖維可有效促進(jìn)基體致密化［26］，同時驗(yàn)證了SPS燒結(jié)技術(shù)用于礦車制動金屬復(fù)合材料制備的可行性［27］。此外，隨著碳纖維長度的進(jìn)一步增加，材料表面出現(xiàn)明顯團(tuán)聚和纏繞特征，同時出現(xiàn)孔洞、縫隙等缺陷，如圖4（d）所示。這是由于碳纖維和銅比重相差較大，隨著碳纖維長度增加，混粉時不易攪拌均勻，出現(xiàn)纖維堆積，從而導(dǎo)致靜置烘干時碳纖維與銅粉出現(xiàn)分層缺陷。此外，在燒結(jié)壓制過程中，復(fù)合材料以銅顆粒為作用點(diǎn)和支撐點(diǎn)形成3點(diǎn)彎曲彈性變形，且隨碳纖維長度增加，單根碳纖維上參與的銅顆粒數(shù)越多，彈性變形程度越嚴(yán)重，內(nèi)應(yīng)力也越大，燒結(jié)過程和脫模后發(fā)生的彈性后效越大，最后導(dǎo)致CF/Cu復(fù)合材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松，出現(xiàn)孔洞、縫隙以及纖維斷裂等現(xiàn)象［28-29］。

2 mm碳纖維增強(qiáng)銅基復(fù)合材料表面元素分布如圖4（e）～（h）所示?？梢钥闯觯瑥?fù)合材料主要由Cu，C，Ni元素組成，C元素主要來自于碳纖維，并呈圓狀和線條狀均勻分布于基體中，且未出現(xiàn)明顯團(tuán)聚及纏繞缺陷，這表明碳纖維混粉時不易發(fā)生團(tuán)聚。同時，Ni元素分布與C元素較為一致，呈點(diǎn)狀和條紋狀圍繞于C元素周圍，這表明鍍鎳碳纖維在與銅粉混合燒結(jié)過程中對碳纖維Ni鍍層損傷較?。?0］。此外，基體中可見零散分布的Ni元素，這可能是由于混粉與超聲震動過程中鍍在碳纖維表面細(xì)小的鎳顆粒脫落至銅基體中造成的。

為進(jìn)一步確定銅基復(fù)合材料物質(zhì)組成，分別對不同長度碳纖維增強(qiáng)銅基復(fù)合材料進(jìn)行X射線衍射分析，結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出：①添加碳纖維前后銅基復(fù)合材料衍射峰相似，均表現(xiàn)出明顯銅的強(qiáng)衍射峰，表明鍍鎳CF/Cu復(fù)合材料具有較高的結(jié)晶度；②XRD衍射圖譜中未檢測到CuO衍射峰，這可能是由于材料氧化現(xiàn)象不明顯，同時受限于CuO含量較低，儀器未能有效檢出所致［31］；③XRD衍射圖譜中未檢測到C和Ni特征峰，這可歸因于較少的碳纖維添加量和較薄的鍍層厚度；④圖中未檢測到碳化物，一方面證明了制備和燒結(jié)過程中碳纖維未與基體發(fā)生反應(yīng)生成新物相，另一方面進(jìn)一步證實(shí)了Ni鍍層的完整性，即碳纖維被鍍層緊密包覆［32］。

2.2 力學(xué)性能測試

不同長度碳纖維增強(qiáng)銅基復(fù)合材料硬度測量結(jié)果如圖6（a）所示，可以看出，未添加碳纖維時，材料硬度為70.42 HV，添加1 mm碳纖維后，材料硬度有所增加，其值為75.68 HV。同時，隨著碳纖維長度的增加，復(fù)合材料硬度呈現(xiàn)先增高再降低的趨勢，這是由于：①碳纖維是一種高比剛度、高比模量的增強(qiáng)體，燒結(jié)過程中碳纖維能夠有效與銅基體相結(jié)合，并彼此錯位搭成骨架“釘扎”于基體中，且分布均勻，無明顯團(tuán)聚發(fā)生，對基體起到彌散強(qiáng)化作用［33］；②燒結(jié)過程中由于鎳鍍層的存在，阻止界面有害物質(zhì)相形成，從而增強(qiáng)復(fù)合材料硬度。當(dāng)碳纖維長度為2 mm時，復(fù)合材料硬度最大，達(dá)到80.22 HV，這是由于隨碳纖維長度的增加，碳纖維骨架作用明顯，使得銅基體有效連接一起，增強(qiáng)了復(fù)合材料的連續(xù)性和塑性變形阻力，故當(dāng)受外力作用時，碳纖維在基體內(nèi)部表現(xiàn)出較好的協(xié)調(diào)性。因此，一定范圍內(nèi)，隨著碳纖維長度的增加，復(fù)合材料硬度呈現(xiàn)增大趨勢。然而，當(dāng)碳纖維長度增至3 mm時，復(fù)合材料硬度下降至76.88 HV，這歸因于：①燒結(jié)過程中，由于碳纖維較長，且在基體中亂序交錯，造成碳纖維偏聚成團(tuán)，故在復(fù)合材料中的流動性變差，阻礙銅原子與其他生成化合物分子的流動性，使得復(fù)合材料在燒結(jié)過程中出現(xiàn)孔洞、縫隙等缺陷，從而復(fù)合材料致密性降低，孔隙率增加，最終導(dǎo)致復(fù)合材料硬度呈現(xiàn)下降趨勢；②由于碳纖維分布取向的不確定性，在纏繞狀態(tài)燒結(jié)成型時，容易造成碳纖維斷裂，無法起到分散與傳遞載荷的作用，進(jìn)而影響復(fù)合材料強(qiáng)度。

不同長度碳纖維增強(qiáng)銅基復(fù)合材料摩擦系數(shù)如圖6（b）所示，可以看出，試驗(yàn)初期銅基體摩擦系數(shù)波動較大，且摩擦系數(shù)高達(dá)0.47，這是由于經(jīng)燒結(jié)的純銅材料硬度較低，故耐磨性較差。碳纖維的加入可有效降低復(fù)合材料摩擦系數(shù)，且摩擦系數(shù)波動較為平穩(wěn)，表明碳纖維的加入可有效改善制動材料摩擦磨損性能。此外，隨著碳纖維長度增加，CF/Cu復(fù)合材料摩擦系數(shù)呈先降低后增高的趨勢。當(dāng)碳纖維長度較短時，復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度較低，碳纖維對復(fù)合材料增強(qiáng)效果不佳，且摩擦磨損過程中裸露于基體表面的碳纖維較少，導(dǎo)致摩擦過程中潤滑不足，使得材料表面溫度升高，基體出現(xiàn)軟化，表面發(fā)生塑性變形，剝落情況較為嚴(yán)重［34］。當(dāng)碳纖維長度增至2 mm時，復(fù)合材料摩擦系數(shù)降至最低值0.36，這是由于碳纖維與石墨性能相似，具備自潤滑特性，故摩擦磨損過程中裸露基體表面的碳纖維在摩擦力作用下被擠壓碾碎鋪展于磨損表面形成碳顆粒［35］，并進(jìn)一步演化形成碳膜，從而起到潤滑作用，使得復(fù)合材料減摩效果較明顯，故該條件下復(fù)合材料摩擦系數(shù)呈下降趨勢。當(dāng)碳纖維長度增至3 mm，復(fù)合材料摩擦系數(shù)逐漸增大，這是由于隨著碳纖維長度的增加，其在基體中團(tuán)聚現(xiàn)象愈加明顯，且基體表面部分區(qū)域出現(xiàn)孔隙，導(dǎo)致復(fù)合材料強(qiáng)度降低，弱界面增多，摩擦磨損過程中碳纖維脫落數(shù)量較多，造成局部不均勻磨損，進(jìn)而摩擦系數(shù)增大。

圖6（c）表示不同長度碳纖維增強(qiáng)銅基復(fù)合材料磨損量，可以看出，基體材料磨損量最大，約為4.08×10-5 mm3/N·m，這是由于燒結(jié)純銅材料硬度較低，摩擦磨損過程中基體軟化，摩擦系數(shù)波動幅度較大，導(dǎo)致基體磨損加劇。碳纖維能有效降低復(fù)合材料磨損率，這歸因于碳纖維自身優(yōu)異性能，碳纖維的加入對基體起“釘扎”作用，束縛了銅基體變形，減少與摩擦副發(fā)生黏著磨損傾向，從而降低復(fù)合材料磨損量［36］。隨著碳纖維長度進(jìn)一步增加，復(fù)合材料磨損量呈現(xiàn)先降低后增大的趨勢，且當(dāng)碳纖維長度增加至2 mm時，復(fù)合材料磨損量最低，約為1.53×10-5 mm3/N·m。這是由于2 mm碳纖維能均勻彌散于基體中，且無明顯團(tuán)聚現(xiàn)象，并與基體有較好的界面結(jié)合能力，從而有效增強(qiáng)復(fù)合材料摩擦磨損性能。另一方面，碳纖維硬度高于純銅，摩擦過程中碳纖維有效承載部分載荷，對基體起到保護(hù)作用，從而提高復(fù)合材料耐磨性。當(dāng)碳纖維長度增至3 mm時，由于碳纖維長度較長，基體中碳纖維出現(xiàn)明顯團(tuán)聚，且部分區(qū)域出現(xiàn)孔隙缺陷，導(dǎo)致復(fù)合材料強(qiáng)度降低，并在摩擦過程中出現(xiàn)碳纖維脫落現(xiàn)象，造成復(fù)合材料磨損量增加。

2.3 力學(xué)性能數(shù)值模擬

2.3.1 CF/Cu復(fù)合材料模型構(gòu)建

現(xiàn)有金屬復(fù)合材料有限元模型多采用二維軸對稱模型以及單一增強(qiáng)體三維模型，然而上述2種模型簡化過于理想，沒有考慮纖維與纖維之間的相互影響以及不規(guī)則排布，從而忽略很多關(guān)鍵影響因素。文中研究的CF/Cu復(fù)合材料中短切碳纖維隨機(jī)分布于基體中，因此宜采用隨機(jī)序列吸附方法（Random Sequential Adsorption，RSA）生成隨機(jī)碳纖維，如圖7（a）所示為建立的碳纖維隨機(jī)分布三維模型。為使復(fù)合材料具有較大變形，將模型一端固定，另一端加載反向載荷或反向位移。因此，實(shí)際模擬過程中，模型加載情況為：在銅基體模型平行于Y=0的左平面上固定，在Y軸右平面上施加位移載荷。應(yīng)用ANSYS軟件對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，碳纖維增強(qiáng)銅基復(fù)合材料制備過程中表面經(jīng)鍍鎳處理，其在變形時基本不會出現(xiàn)相對滑動，因此設(shè)置碳纖維與銅基材的接觸類型為Bonding類型（無相對滑動），軟件劃分結(jié)果為56 900網(wǎng)格數(shù)，148 900節(jié)點(diǎn)數(shù)。

2.3.2 單向拉伸下模擬結(jié)果應(yīng)力場分析

圖7（b）表示Y軸方向單向拉伸載荷對應(yīng)未加入CF/Cu復(fù)合材料內(nèi)部的Von Mises等效應(yīng)力云圖，可以看出，模型大部分被淺藍(lán)色覆蓋，其等效應(yīng)力值約為136.85 MPa，同時在遠(yuǎn)離受力面的4個角落產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。從圖7（c）可以看出，加入2 mm碳纖維后復(fù)合材料在施加相同位移量情況下，基體中應(yīng)力分布均勻性被打破，且模型表面大部分為淺藍(lán)色，該條件下等效應(yīng)力值為119.5 MPa。這是由于短切碳纖維與銅基體彈性模量不同，破壞銅基體的各向同性與均勻性特點(diǎn)，從而打破了應(yīng)力分布均勻性。此外，碳纖維及周邊基體承受的應(yīng)力分布比銅基體高出一個數(shù)量級，故表現(xiàn)出的力學(xué)性能提升較為明顯。

不同長度碳纖維增強(qiáng)銅基復(fù)合材料Von Mises等效應(yīng)力應(yīng)變切片云圖如圖8所示，圖中所選切面為Z軸方向50 mm處，可以看出，Y軸方向上施加相同拉伸位移條件下，隨碳纖維增強(qiáng)體尺寸的變化，復(fù)合材料應(yīng)力應(yīng)變均產(chǎn)生明顯變化。同時，在碳纖維與基體結(jié)合處都存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。進(jìn)一步通過對比發(fā)現(xiàn)，1 mm CF/Cu復(fù)合材料應(yīng)力集中最大，其最大應(yīng)力值約為194.07 MPa，碳纖維長度為2 mm時最大應(yīng)力值最小，約為178.21 MPa，3 mm CF/Cu復(fù)合材料最大應(yīng)力值約為182.93 MPa。研究還發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料在同一外加應(yīng)變載荷下，增強(qiáng)體拉伸方向（水平向右）應(yīng)力遠(yuǎn)高于基體，表明材料在變形過程中有較明顯應(yīng)力分配現(xiàn)象，且碳纖維表面應(yīng)力高于兩側(cè)基體。這是由于碳纖維彌散分布改變了銅基體的各向同性，當(dāng)受到拉伸載荷時，碳纖維承受了一部分載荷，并阻礙了金屬材料變形，從而導(dǎo)致復(fù)合材料具有更高的強(qiáng)度。此外，隨著碳纖維長度的增大，材料內(nèi)碳纖維上應(yīng)變載荷逐漸減小，低應(yīng)變區(qū)域分布于基體/纖維界面附近，這是因?yàn)樵谫|(zhì)量分?jǐn)?shù)相同的情況下，纖維越長，與拉伸力方向一致的纖維數(shù)量越少，其與基體接觸面積增大，界面附近的基體合金需要承受更高的應(yīng)力集中。通過以上觀察分析可知，碳纖維長度為2 mm時，界面結(jié)合相對較好，該條件下碳纖維對復(fù)合材料拉伸性能改善最有利。

3 結(jié) 論

1）鍍鎳碳纖維與銅基制動材料具有較好的界面結(jié)合強(qiáng)度，且鍍層與碳纖維之間結(jié)合較為緊密，無明顯分離缺陷。同時由于碳纖維與銅基體之間的物理與結(jié)構(gòu)性能差異，碳纖維增強(qiáng)銅基復(fù)合材料變形具有不協(xié)調(diào)性，但碳纖維對銅基體具有明顯的增強(qiáng)效果。

2）當(dāng)鍍鎳碳纖維長度為1 mm時，制動材料硬度為75.68 HV，且隨碳纖維長度的增加，復(fù)合材料硬度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。當(dāng)碳纖維長度增至2 mm時，碳纖維與基體混合較為均勻，無明顯團(tuán)聚現(xiàn)象，其復(fù)合材料硬度達(dá)到最大值80.22 HV。但當(dāng)碳纖維長度達(dá)到3 mm后，碳纖維出現(xiàn)纏繞與團(tuán)聚現(xiàn)象，導(dǎo)致復(fù)合材料硬度下降。

3）碳纖維長度的增加對復(fù)合材料強(qiáng)化具有明顯促進(jìn)作用，但纖維長度超過2 mm后，復(fù)合材料產(chǎn)生較大應(yīng)力集中，且應(yīng)力集中分布區(qū)域增多。綜合考慮不同長度鍍鎳碳纖維增強(qiáng)材料的微觀形貌、顯微硬度、摩擦系數(shù)、磨損率、拉伸數(shù)值模擬及相關(guān)影響規(guī)律與機(jī)理可知，當(dāng)碳纖維長度為2 mm時，制動材料綜合性能最優(yōu)。

參考文獻(xiàn)（References）：

［1］ LIANG Y，WANG X H，LI H Y，et al.Fabrication and research progress of graphene reinforced Cu matrix composites［J］.Rare Metal Materials and Engineering，2021，50（7）：2607-2619.

［2］冉旭，鄒豪豪，李乾，等.鍍層碳纖維增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的制備及其性能研究［J］.長春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2022，43（Z1）：332-340.

RAN Xu，ZOU Haohao，LI Qian，et al.Study on the preparation and performance of copper matrix composites reinforced coated carbon fiber［J］.Journal of Changchun University of Technology，2022，43（Z1）：332-340.

［3］ZHANG F X，CHU Y Q，LI C S.Fabrication and tribological properties of copper matrix solid self-lubricant composites reinforced with Ni/NbSe2composites［J］.Materials，2019，12（11）：1854.

［4］SONG Y，F(xiàn)AN J L，WU S，et al.Effect of carbon fibre powder on friction and wear properties of copper-matrix composites［J］.Materials Science and Technology，2020，36（1）：92-99.

［5］YANG X Y，CHEN C Y，DU J H，et al.Research progress of graphene-reinforced metal matrix composites［J］.Rare Metal Materials and Engineering，2021，50（9）：3408-3416.

［6］MA Z W，ZHENG C S，XIONG C B，et al.Friction-wear characteristics of carbon fiber reinforced paper-based friction materials under different working conditions［J］.Materials，2022，15（10）：3682.

［7］ZHONG B，HU S B，YU Z Y，et al.Research on preparation and properties of carbon fiber reinforced zinc-based aluminum rich alloy composite［J］.Materials，2022，15（3）：1087.

［8］GRAKOVICH P N，SHELESTOVA V A，SHUMSKAJA V J，et al.Influence of the type of carbon fiber filler on the physical-mechanical and tribological properties of PTFE composites［J］.Journal of Friction and Wear，2019，40（1）：11-16.

［9］CAO X，SHI Q Y，LIU D M，et al.Fabrication of in situ carbon fiber/aluminum composites via friction stir processing：evaluation of microstructural，mechanical and tribological behaviors［J］.Composites Part B：Engineering，2018，139：97-105.

［10］HUANG M M，LI W W，LIU X J，et al.Study on structure and performance of surface-metallized carbon fibers reinforced rigid polyurethane composites［J］.Polymers for Advanced Technologies，2020，31（8）：1805-1813.

［11］CUI C H，CHEN X X，MA L，et al.Polythiourethane covalent adaptable networks for strong and reworkable adhesives and fully recyclable carbon fiber reinforced composites［J］.Acs Applied Materials & Interfaces，2020，12（42）：47975-47983.

［12］DONG S H，YUAN H Y，CHENG X C，et al.Improved friction and wear properties of Al6061-matrix composites reinforced by Cu-Ni double-layer-coated carbon fibers［J］.Metals，2020，10（11）：1542.

［13］WANG Y R，GAO Y M，LI Y F，et al.Research on sy-nergistic lubrication effect of silver modified Cu-Ni-graphite composite［J］.Wear，2020，444：203140.

［14］HE X C，ZOU G P，XU Y X，et al.Nano-mechanical and tribological properties of copper matrix composites reinforced by graphene nanosheets［J］.Progress in Natural Science：Materials International，2018，28（4）：416-421.

［15］JIANG X F，SONG J J，SU Y F，et al.Novel design of copper-graphite self-lubricating composites for reliability improvement based on 3D network structures of copper matrix［J］.Tribology Letters，2018，66（4）：143.

［16］KARSLI N G，AYTAC A，DENIZ V.Effects of initial fiber length and fiber length distribution on the properties of carbon fiber reinforced polypropylene composites［J］.Journal of Reinforced Plastics and Composites，2012，31（15）：1053-1060.

［17］CHENG D X，LI Y H，ZHANG J L，et al.Recent advances in electrospun carbon fiber electrode for vanadium redox flow battery：Properties，structures，and perspectives［J］.Carbon，2020，170：527-542.

［18］ZHAO X N，GUI Z Z，CHEN X Y，et al.Finite element analysis and experiment study on the elastic properties of randomly and controllably distributed carbon fiber-reinforced hydroxyapatite composites［J］.Ceramics International，2021，47（9）：12613-12622.

［19］NJUHOVIC E，WITT A，KEMPF M，et al.Influence of the composite surface structure on the peel strength of metallized carbon fibre-reinforced epoxy［J］.Surface and Coatings Technology，2013，232：319-325.

［20］GE Y X，ZHANG H M，CHENG X W，et al.Interface evolution and mechanical properties of nickel coated graphene nanoflakes/pure titanium matrix composites［J］.Journal of Alloys and Compounds，2021，853：15717.

［21］KARIMZADEH A，ROUHAGHDAM A S.Effect of nickel pre-plated on microstructure and oxidation behavior of aluminized AISI 316 stainless steel［J］.Materials and Manufacturing Processes，2016，31（1）：87-94.

［22］KUMAR N，KIRAN M D，SHARMA S S，et al.Sliding wear behaviour of nickel-coated short fibre-reinforced Al7075 composites［J］.Journal of Failure Analysis and Prevention，2020，20（5）：1609-1614.

［23］SHA J J，LU Z Z，SHA R Y，et al.Improved wettability and mechanical properties of metal coated carbon fiber-reinforced aluminum matrix composites by squeeze melt infiltration technique［J］.Transactions of Nonferrous Metals Society of China，2021，31（2）：317-330.

［24］周璇，高義民，路向前，等.雙相多尺度鍍鎳碳纖維和碳化鋯顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料制備及力學(xué)性能研究［J］.鑄造技術(shù)，2022，43（6）：417-422.

ZHOU Xuan，GAO Yimin，LU Xiangqian，et al.Preparation and mechanical properties of two-phase multi-scale nickel-coated carbon fiber and zirconium carbide particle reinforced aluminum matrix composites［J］.Foundry Technology，2022，43（6）：417-422.

［25］賈建剛，高昌琦，劉第強(qiáng)，等.表面鍍Ni碳纖維增強(qiáng)Cu基復(fù)合材料的制備和表征［J］.材料導(dǎo)報(bào)，2018，32（14）：2462-2466.

JIA Jiangang，GAO Changqi，LIU Diqiang，et al.Preparation and characterization of Ni-coated carbon fiber reinforced Cu-based composites［J］.Materials Reports，2018，32（14）：2462-2466.

［26］ZHANG J J，JIE J C，LU Y P，et al.Fabrication of carbon fibers reinforced Al-matrix composites in pulsed magnetic field［J］.Journal of Materials Research and Technology，2021，11：197-210.

［27］楊素媛，郭丹，沈娟，等.SPS制備TiNi增強(qiáng)鎂合金復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能［J］.復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2018，35（2）：371-376.

YANG Suyuan，GUO Dan，SHEN Juan，et al.Microstructure and mechanical properties of TiNi reinforced Mg alloy composites prepared by spark plasma sintering process［J］.Acta Materiae Compositae Sinica，2018，35（2）：371-376.

［28］ZHAO L J，LI J H，YANG Q，et al.Study on friction and wear properties of new self-lubricating bearing materials［J］.Crystals，2022，12（6）：834.

［29］MIGUEL J，F(xiàn)ELIX O，F(xiàn)RANK K，et al.Manufacturing of continuous carbon fiber reinforced aluminum by spark plasma sintering［J］.Ceramics，2020，3（3）：265-275.

［30］陳伸干，易茂中，冉麗萍，等.鍍銅碳纖維對Cu/C復(fù)合材料摩擦磨損性能的影響［J］.金屬熱處理，2019，44（4）：195-200.

CHEN Shengan，YI Maozhong，RAN Liping，et al.Effect of copper-coated carbon fiber on tribological properties of Cu/C composites［J］.Heat Treatment of Metals，2019，44（4）：195-200.

［31］SHA J J，LV Z Z，LIN G Z，et al.Synergistic strengthening of aluminum matrix composites reinforced by SiC nanoparticles and carbon fibers［J］.Materials Letters，2020，262：127024.

［32］王睿，萬怡灶，何芳，等.碳纖維連續(xù)鍍鎳生產(chǎn)工藝及其屏蔽復(fù)合材料［J］.復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2010，27（5）：19-23.

WANG Rui，WAN Yizao，HE Fang，et al.Nickel-plated carbon fiber continuous production process and its shielding composites［J］.Acta Materiae Compositae Sinica，2010，27（5）：19-23.

［33］TSUKAMOTO H.Enhanced mechanical properties of carbon nanotube-reinforced magnesium composites with zirconia fabricated by spark plasma sintering［J］.Journal of Composite Materials，2021，55（18）：2503-2512.

［34］DUAN J J，ZHANG M H，CHEN P J，et al.Tribological behavior and applications of carbon fiber reinforced ceramic composites as high-performance frictional materials［J］.Ceramics International，2021，47（14）：19271-19281.

［35］金啟豪，陳娟，彭立明，等.碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料與鋁/鎂合金連接研究進(jìn)展［J］.材料工程，2022，50（1）：15-24.

JIN Qihao，CHEN Juan，PENG Liming，et al.Research progress in joining of carbon fiber-reinforced polymer composites and aluminum/magnesium alloys［J］.Journal of Materials Engineering，2022，50（1）：15-24.

［36］張國亮，王士華，李志強(qiáng)，等.改性碳纖維增強(qiáng)紙基摩擦材料摩擦磨損性能［J］.潤滑與密封，2020，45（1）：59-66.

ZHANG Guoliang，WANG Shihua，LI Zhiqiang，et al.Friction and wear properties of modified carbon fiber reinforced paper-based friction materials［J］.Lubrication Engineering，2020，45（1）：59-66.

（責(zé)任編輯：高佳）