不同基体炭结构的C/C复合材料摩擦表面特性和摩擦磨损机理

与表面镀Cr的40Cr钢配副进行滑动摩擦实验后,在JSM 6360LV扫描电镜上观察6种具有不同基体炭结构的C/C复合材料的磨损表面形貌。结果表明:完全光滑层(SL)炭结构的C/C复合材料摩擦表面在任何载荷下均难以形成完整的磨屑膜;完全粗糙层(RL)炭结构、粗糙层/树脂炭(RL/RC)的材料摩擦表面在低载荷时能形成较厚的磨屑膜,在高载荷时表面摩擦膜均很薄;完全RC结构试样摩擦表面在低载荷时完整、致密,在高载荷时有显著的磨屑膜剥落;RL/SL/RC、SL/RC结构试样在低载荷时的表面摩擦膜薄,而高载荷时,RL/SL/RC材料的基体炭磨损比SL/RC的严重;RL/SL或SL炭在摩擦中的损伤呈现阶梯状磨损形貌,RL炭在摩擦后难以分辨出原始形貌,RC炭在部分摩擦表面则为条纹状磨损形貌;RL/SL/RC、SL/RC结构的C/C复合材料摩擦形貌的稳定性高,材料耐磨性好,在一定载荷范围内有利于降低材料的摩擦因数和体积磨损。     

结构类似的炭材料和C/C复合材料的滑动摩擦磨损行为

制备粗糙层热解炭(RL)和光滑层热解炭(SL)基体的C/C复合材料,测试该C/C复合材料与40Cr钢配副时的摩擦磨损行为,并对磨损表面进行SEM观察.对比研究高强石墨和光滑层结构的块状热解炭在相同条件下的滑动摩擦磨损行为.结果表明:PAN炭纤维改善C/C复合材料的摩擦磨损行为;在实验载荷范围内,与高强度石墨材料相比,含RL炭C/C复合材料的摩擦因数降低0.08～0.12;体积磨损量增幅降低;与热解炭试样相比,具有SL炭C/C复合材料的摩擦因数降低0.02～0.05,体积磨损量低0.2 mm~3左右;随着时间的延长,大部分C/C复合材料的摩擦因数基本相对稳定或呈小幅下降,而石墨、热解炭块的摩擦因数均呈不同幅度的上升;具有RL炭的C/C复合材料摩擦表面膜厚度随载荷增加而降低,具有SL炭的C/C复合材料摩擦表面较粗糙;高强石墨能形成较完整致密的摩擦膜,但磨粒磨损严重,磨屑易在摩擦膜边缘形成层状堆积;热解炭块摩擦表面磨屑堆积松散,有较多的孔洞以及热解炭层整体剥落的形貌.     

溶胶浸渍抗氧化涂层对C/C复合材料摩擦特性的影响

采用溶胶浸渍技术对4种C／C复合材料进行抗氧化处理。在M2000型摩擦实验机上测试了4种C／C材料的摩擦特性。结果表明：在相同载荷下，光滑层CVI（SL）的C／C材料浸渍后试样与未浸渍试样的摩擦因数值最接近：树脂炭（RC）的C／C材料中，浸渍后试样的摩擦因数均低于未浸渍的试样且相差最大；粗糙层CVI（RL）的C／C材料中，中高载荷下浸渍溶胶试样的摩擦因数低于未浸渍溶胶的试样：而具有粗糙层／光滑层／树脂炭（RL／SL／RC）的C／C材料中，中高载荷下浸渍溶胶后试样的摩擦因数变化比未浸渍试样的高。随载荷增加，SL炭材料未浸渍和己浸渍试样摩擦因数的变化幅度均最低，RC炭材料未浸渍试样和己浸渍试样的摩擦因数变化幅度最大，RL／SL／RC、RL结构的试样是否浸渍溶胶对其摩擦因数的影响无明显规律。石墨化度高的材料的摩擦行为受浸渍溶胶的影响高于石墨化度低的材料。     

不同基体炭C/C复合材料的摩擦磨损性能

以炭纤维针刺毡为预制体,采用化学气相沉积法(CVI)和结合液相浸渍树脂或沥青法制备了热解炭为粗糙层与光滑层结构的准三维C/C复合材料,并研究了这些材料在0.6 MPa的模拟刹车压力下的摩擦磨损性能与磨损机理.研究表明:基体炭为粗糙层热解炭与树脂炭的C/C复合材料摩擦表面能形成较厚且连续的自润滑摩擦膜,摩擦稳定性最好,摩擦因数适中,氧化磨损小,磨损机理主要为膜的部分脱落、氧化磨损与相对较小的磨粒磨损;基体炭为光滑层热解炭与树脂炭或沥青炭的C/C复合材料摩擦表面形成的摩擦膜较薄且不连续,摩擦稳定性差,摩擦磨损较大,磨损机制主要为膜的部分脱落、磨粒磨损与更严重的氧化磨损;随着密度的升高,C/C复合材料摩擦稳定性增加,摩擦因数增加,磨损降低;基体炭为单一沥青炭的C/C复合材料,由于没有热解炭对纤维的保护,纤维断裂多,线性磨损尤其大,磨损机理主要为大量的磨粒磨损与氧化磨损.     

热膨胀性能对炭/炭复合材料在制动摩擦过程中热应力场的影响

测量以纯树脂炭、粗糙层热解炭和光滑层热解炭为基体的3种炭/炭复合材料的热膨胀系数,并采用有限元分析软件,模拟这3种炭,炭复合材料在飞机正常着陆能量条件下的热应力场,研究热膨胀系数对炭,炭复合材料热应力场及其摩擦性能的影响.结果表明:3种炭/炭复合材料在z方向上的热膨胀系数大于在X和y方向的,且热膨胀系数均随着温度的升高而逐渐增大,其中,基体为粗糙层热解炭的炭/炭复合材料的热膨胀系数最小,纯树脂炭试样的次之,光滑层热解炭试样的最大;在制动过程中,炭/炭复合材料摩擦表面产生的热应力与材料的热膨胀系数相关,材料的热膨胀系数越大,产生的热应力越大;过大的热应力使纯树脂炭试样具有相对稳定的摩擦曲线,在较大热应力的作用下,光滑层热解炭试样的摩擦曲线不稳定,影响其摩擦性能.     

制备工艺对C／C-SiC复合材料滑动摩擦特性的影响

分别采用熔渗硅(MSI)、前驱体裂解(PIP)技术制备4种C/C-SiC复合材料.在M2000型实验机上测试材料的摩擦磨损特性.结果表明:采用MSI制备的2种C/C-SiC摩擦因数高、不稳定,摩擦因数在0.404-0.906之间波动;随载荷增加,MSI-SiC质量分数为40.9%的材料B的摩擦因数变化幅度低于SiC质量分数18.9%的材料A的摩擦因数,但其随时间延长的波动幅度大;随时间延长和载荷增加,采用PIP制备的2种C/C-SiC材料的摩擦因数变化小,在0.08-0.14之间波动;其中,随载荷增加,PIP-SiC质量分数为18.0%的材料C的摩擦因数波动幅度稍大于SiC质量分数为6.0%的材料D的.EDAX分析表明:材料A的部分磨损表面未发现碳元素;而材料C磨损表面的碳硅摩尔比大于1,使其有足够的炭形成自润滑膜,从而降低材料的摩擦因数.SEM形貌表明:MSI技术制备的材料摩擦表而粗糙,未形成完整的摩擦膜,而采用PIP技术制备的材料摩擦表面较完整且致密.     

添加BN对光滑层热解炭结构的C/C复合材料摩擦性能的影响

通过粉末层铺法向全网胎炭纤维预制体中添加六方氮化硼粉末和化学气相沉积热解炭增密制备C/C-BN复合材料。在MM 1000摩擦试验机上对其摩擦磨损性能进行测试,并对摩擦表面进行光学形貌观察以及对材料的组织结构和磨屑进行SEM形貌观察。结果表明:与C/C复合材料相比,C/C-BN复合材料的线性磨损率降低了40%,质量磨损率降低了70%;摩擦表面中的六方BN在摩擦过程中始终保持稳定,BN的存在使光滑层热解炭结构的C/C复合材料的摩擦因数曲线变得平稳、波动小并且对刹车压力响应迅速,摩擦表面上形成了一层薄的摩擦膜。     

硅含量对喷射沉积SiC_p/Al-Si功能梯度复合材料摩擦磨损性能的影响

对喷射沉积技术制备的不同硅含量铝基功能梯度复合材料进行室温摩擦学性能研究。结果表明:当硅含量分别为7%、17%和20%时,SiCp/Al-Si功能梯度复合材料的摩擦因数随载荷或滑动速度(转速)的增加而减小;随着SiC颗粒含量的增加,摩擦因数呈增大趋势;随基体硅含量增加,摩擦因数越稳定。在转速300~500 r/min、700~900 r/min和载荷10~30 N、40~50 N时,磨损率随转速、载荷的增加而升高,随SiC颗粒含量的增加而降低,梯度变化明显;在转速500~700 r/min和载荷30~40 N时,随转速、载荷的增加,磨损率反而减小;随基体硅含量的增加,磨损率呈降低趋势,材料在摩擦过程中生成的机械混合层(MML)厚度呈减小趋势。     

重型车辆发动机电镀Cr活塞环的摩擦学性能

利用SRV试验机模拟重型车辆发动机电镀Cr活塞环/缸套摩擦副的工作状态,测试了不同条件下摩擦副的摩擦因数和磨损量.采用扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)分析了磨痕形貌和表面化学成分,研究了电镀Cr活塞环的磨损机制.结果表明,随载荷的增加,摩擦副的摩擦因数减小,总失重量增加.随滑动频率的增加,摩擦副的摩擦因数减小,总失重量先减小后增加,滑动频率为20 Hz时,总失重量达到最小值.随温度的升高,摩擦副的摩擦因数增大,总失重量增加.活塞环和缸套的磨损机理以磨粒磨损为主,在高载荷,高频率或高温条件下,活塞环的磨损机理转变为磨粒磨损和黏着磨损.     

三维机织C／C复合材料的摩擦磨损性能

采用碳纤维织造了三维角联锁和三向正交2种不同三维机织物,首先采用化学气相渗透(CVI)使其致密,再采用液相树脂浸渍/碳化的补充增密技术,制备出粗糙层结构热解碳和树脂碳双元基体C/C复合材料;对该C/C复合材料进行摩擦磨损实验,采用光学显微镜、扫描电镜对三维机织物增强的C/C复合材料的摩擦面以及磨屑形貌进行观察,对其磨损机理进行分析.结果表明:三维角联锁C/C复合材料比三向正交C/C复合材料的摩擦因数低(分别为0.40和0.48),二者的摩擦性能均稳定,后者比前者磨损量小,说明Z向纤维束有利于提高摩擦因数并降低磨损量.     

纤维种类对C/C复合材料摩擦磨损性能的影响

目的为了降低C/C复合材料制造成本,扩展C/C复合材料应用领域,选用低成本预氧丝纤维取代碳纤维,制备出C/C复合材料,并研究纤维种类对C/C复合材料摩擦磨损性能的影响。方法以两种纤维为原材料,采用CVI工艺制备出C/C复合材料,用MM-2000摩擦试验机进行摩擦磨损试验,采用扫描电镜对摩擦面进行形貌分析。结果随着载荷的增大,预氧丝基C/C复合材料在与金属摩擦时摩擦因数保持在0.22左右,平均磨损量为0.82 mg/min,而碳纤维基C/C复合材料与金属配副相对摩擦因数较小(0.15~0.20),平均磨损量为1.17 mg/min。三种碳与碳配副中,预氧丝基C/C复合材料同预氧丝基C/C复合材料配副之间的摩擦因数随载荷波动的范围为0.28~0.33,较稳定,平均磨损量为1.76mg/min。碳纤维基复合材料与碳纤维复合材料配副时,随着载荷的增大,摩擦因数变化范围较大(0.15~0.33),平均磨损量为2.35 mg/min。预氧丝基复合材料与碳纤维基复合材料之间相互配副,其磨损最大,平均磨损量为2.95 mg/min。结论 C/C复合材料的摩擦磨损性能与纤维种类有很大关系,采用预氧丝纤维制备出的C/C复合材料,无论与金属相互摩擦,还是与自身材料摩擦,均易形成较为稳定的润滑膜。随着载荷的增加,摩擦因数变化较小,磨损量和摩擦功也最低,表现出比碳纤维基C/C复合材料更优异的摩擦性能。     

熔融渗硅对二维编制炭/炭复合材料摩擦特性的影响

为了改善航空刹车副用炭／炭复合材料的摩擦磨损性能，对二维编制C／C复合材料的摩擦机理进行了深入的研究；对比了试样渗Si后及渗Si前的实验结果，着重研究了试样不同的渗Si量对摩擦磨损行为及特性的影内。结果发现渗Si的试样比没有渗Si试样摩擦曲线线型好，并且摩擦试验过程中的振动现象也得到了解决。但摩擦因数随着所生成SiC含量的增加，由0．35→0.32→0．28呈下降趋势；磨损量随着所生成SiC含量的增加而增大；当有大量的不均匀的SiC颗粒生成时，C／C复合材料的摩擦表面将会被剥落，并从材料的微观性能及摩擦机理方面给予了深入的分析。     

h-BN含量对模压技术制备C/C-BN复合材料摩擦性能的影响

以h-BN、石墨、短切炭纤维和树脂等为原料,采用模压技术+浸渍/炭化技术制备4种C/C-BN复合材料,并在M2000型试验相同测试其与40Cr钢配副时的滑动摩擦性能。结果表明:h-BN质量分数分别为3.4%和20.7%的材料的抗压强度较高,其摩擦因数随载荷增加均先增加后降低;h-BN为6.8%的材料的摩擦因数降幅最大,达0.049;而h-BN为10.1%的材料的抗压强度最低,其摩擦因数呈现波浪状起伏。随载荷增加,h-BN为3.4%和20.7%的材料的体积磨损增幅较低;而h-BN为6.8%的材料的体积磨损增幅最大,达2.41 mm3。随着时间的延长,4种材料的摩擦因数均逐渐稳定。SEM观察表明:h-BN为3.4%的材料的摩擦表面在中低载荷下较完整致密、但有长度与石墨微晶尺寸接近(10~50μm)的网络状裂纹,摩擦表面在高载荷下则较粗糙;而h-BN为10.1%的材料的摩擦表面均较粗糙、不完整。     

C/C-Cu复合材料的组织和摩擦磨损性能

以炭纤维针刺整体毡为预制体，用化学气相渗透（CVI）、浸渍／炭化（I／C）的方法制备密度和基体炭不同的C／C多孔坯体，采用真空熔渗将熔融Cu渗入到C／C坯体中制备C／C-Cu复合材料，利用X射线衍射、金相显微镜和扫描电镜分析复合材料的组织结构，研究复合材料的摩擦磨损性能。结果表明：Cu成功地渗入C／C坯体中，并填充了坯体的孔洞和炭纤维之间的孔隙，复合材料的主要相为Cu、C及少量的TiC相，当渗剂中Ti的质量分数达到15％时，出现微量的Cu和Ti的金属化合物相；复合材料的摩擦因数随着摩擦时间的增加而逐渐增加并趋于稳定。渗剂相同时，摩擦因数和体积磨损量随着材料密度增加而增加；坯体相同时，随着渗剂中Ti含量增加，摩擦因数增加，体积磨损减小。随着外加载荷的增加，摩擦因数和体积磨损先增后减，80N载荷时均达到最大值；与J204电刷对比，同样条件下，两者摩擦因数接近，但C／C-Cu复合材料的体积磨损量远远小于J204电刷的。     

Influence of load on sliding tribology of C/C composite with 40Cr steel couple coated by Cr

With the 40Cr steel couple coated by Cr, the sliding tribology behavior of two kinds of C/C composites with different matrix was tested using a M2000 wear tester. The results show that with the increasing of load, the friction coefficients of the composite with resin carbon matrix（RC） decrease quickly from 0.156 under 60 N to 0.123 under 150 N, while those of the composite with rough lamination/smooth lamination/resin carbon （RL/SL/RC） change only between 0.122 and 0.101. The wear volume loss of the two composites increases except for under 100 N. The SEM morphology shows that with the increasing of load, the worn surface of the composite with RC becomes more and more integrated while the size of the debris becomes less and less. The Raman spectrum shows that the graphitization on the worn surface of the fibers draws down after 100 N, the graphitization of the boundary between the fiber and the matrix carbon rises up to 150 N, but the graphitization of the matrix carbon draws down all the while. With the increasing of load, the graphitization on the worn surface of all the worn areas becomes closer and closer, which indicates the worn surface of the different component has the similar friction ability. The composites with RL/SL/RC have better tribological characteristic than the composite with RC.     

B、Si改性炭/炭复合材料及其摩擦磨损特性

以低密度的C/C复合坯体为预制体,分别采用反应熔渗(RMI)、化学气相沉积(CVD)、浸渍-原位反应技术对其进行陶瓷改性.结果表明:改性陶瓷分别以SiC和c-BN的形式渗入C/C复合坯体内.摩擦试验结果表明:采用RMI技术制备的C/C-SiC复合材料摩擦因数较高,高达0.3到0.9;采用CVD技术制备的C/C-SiC复合材料的摩擦因数在0.20～0.36之间;而采用浸渍-原位反应技术制备的c-BN改性C/C复合材料的摩擦因数较低,为0.10～0.20.SEM观察表明:采用RMI技术制备的C/C复合材料的摩擦表面粗糙、未形成完整的摩擦膜,而采用另两种技术制备的C/C复合材料均形成了较完整、致密的摩擦膜.     

石墨烯/高密度聚乙烯在水润滑条件下的摩擦学性能研究

目的 探究石墨烯/高密度聚乙烯高分子材料在水润滑条件下的摩擦学性能,提高高密度聚乙烯的自润滑和耐磨损性能.方法 采用石墨烯纳米片填充高密度聚乙烯材料,利用RTEC摩擦磨损试验机,开展新型复合材料在水润滑条件下的摩擦学性能研究.通过分析新型复合材料的典型机械性能、摩擦系数、磨损形貌以及摩擦副接触表面的元素成分及分布情况,揭示石墨烯/高密度聚乙烯在水润滑条件下的摩擦磨损机理.结果 新型复合材料的拉伸强度、撕裂强度和肖氏硬度均随着石墨烯纳米片含量的增加而先增高后降低,1.5％石墨烯纳米片改性高密度聚乙烯表现出最高的强度,分别为19.81 MPa、31.34 MPa和92.6HSA.新型复合材料的平均摩擦系数和体积行程磨损率总体随着石墨烯含量的增加而减小,1.5％石墨烯纳米片改性的高密度聚乙烯平均摩擦系数和体积行程磨损率比纯高密度聚乙烯分别降低了53.6％和73.9％.Si3N4陶瓷球与1.5％、0.6％石墨烯纳米片改性高密度聚乙烯进行3600 s对磨试验,其磨损区域的碳元素质量分数分别约为3.5％和0.3％,表明含量较高的石墨烯纳米片有利于在微观界面形成石墨烯润滑层,从而降低摩擦系数.结论 石墨烯纳米片显著影响高密度聚乙烯的自润滑性能和耐磨损性能,适量的石墨烯纳米片促进了高密度聚乙烯磨损界面石墨烯润滑层的形成,降低摩擦系数和磨损量.该研究可为设计低摩擦、耐磨损的水润滑轴承复合材料提供参考.     

不同成分对C/C-SiC材料摩擦磨损行为的影响与机理

采用温压-原位反应法制备C/C-SiC复合材料,研究了SiC、石墨和树脂炭成分对C/C-SiC材料摩擦磨损行为的影响及其机理.结果表明:SiC在摩擦表面摩擦膜的形成过程中起骨架作用,提高SiC的含量有利于提高摩擦系数,降低磨损率;树脂炭在材料中具有粘结各成分和提高摩擦系数的作用,但其成膜性较差,易增大磨损率;石墨粉在制动过程中起润滑作用,适量石墨粉有助于形成稳定的摩擦膜降低磨损率;摩擦表面摩擦膜的形成有利于减少C/C-SiC材料的磨损率.