不同基体炭CC复合材料的摩擦磨损性能.pdf
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1、第 1 5卷第 3期 V0 1 1 5 No 3 中国有色金属 学报 Th e Ch i n e s e J o u r n a l o f No n f e r r o u s Me t a l s 2 0 0 5年 3月 M a r 2 0 0 5 文章编号:1 0 0 40 6 0 9(2 0 0 5)0 3 0 4 4 6 0 6 不同基体炭 c c复合材料的摩擦磨 损性能 李江鸿,熊 翔,巩前明,黄伯云(中南大学 粉末 冶金国家重点实验室,长 沙 4 1 0 0 8 3)摘 要:以炭纤维针刺毡为预制体,采用化学气相沉积法(C VI)和结合液相浸渍树脂或沥青法制备了热解炭为 粗糙层 与
2、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 MP a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
3、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。关键词:c c复合材料;基体炭;摩擦磨损性能;磨损机制 中图分类号:T B 3 3 2 文献标识码:A F r i c t i o n a n d w e a r p r o p e r t i e s o f c a r b 0 n c a r b 0 n c o m p o s i t e s wi t h d i f f e r e n t ma
4、r t i x c a r b o n L I J i a n g h o n g,XI ONG Xi a n g,GONG Qi a n mi n g,HUANG Ba i y u n (S t a t e Ke y L a b o r a t o r y f o r P o wd e r Me t a l l u r g y,Ce n t r a l S o u t h Un i v e r s i t y,Ch a n g s h a 4 1 0 0 8 3,Ch i n a)Abs t r a c t:Th e q u a s i 一 3 D c c c o mp o s i t e
5、s wi t h r o u g h l a mi n a r(RL)a n d s mo o t h l a mi n a r(S L)p y t o l y t i c c a r b o n we r e f a b r i c a t e d b y n e e dl e d f e l t t h r o u g h CVI a n d i mp r e g n a t i o n wi t h l i q u i d p i t c h a n d r e s i n,a n d t h e i r f r i c t i o n a n d we a r p r o p e r
6、t i e s u n d e r b r a k i n g p r e s s u r e o f 0 6 MPa a n d wo r n me c h a n i s m we r e s t u d i e d Th e r e s u l t s s h o w t h a t c c c o m p o s i t e s b y r e s i n i mp r e g n a t i o n a f t e r CVD wi t h RL h a v e t h e mo s t s t a b l e f r i c t i o n p r o p e r t i e s
7、a n d a p p r o p r i a t e f r i c t i o n C O e f f i c i e n t a n d l O W o x i d a t i o n l O S S,b e c a u s e t h e f r i c t i o n s u r f a c e s h a v e r e l a t i v e l y t h i c k a n d u n i f o r m l u b r i c a n t f r i c t i o n f i l m a n d t h e we a r me c h a n i s ms a r e t
8、 h e f a l l i n g o f f o f p a r t f r i c t i o n f i l m a n d o x i d a t i o n we a r l O S S a n d r e l a t i v e l y s l i g ht a b r a s i o n we a r;c c c o mp o s i t e s b y r e s i n o r p i t c h i mp r e g n a t i o n a f t e r CVD wi t h S L h a v e u n s t a b l e f r i c t i o n a
9、 n d we a r p r o p e r t i e s a n d h i g h e r we a r l o s s o wi n g t o t h e t h i n a n d d i s c o n t i n u o u s f r i c t i o n f i l m,a n d t h e we a r me c h a n i s ms a r e a l s o t h e f a l l i n g o f f o f p a r t f r i c t i o n f i l m a n d a b r a s i o n we a r a n d l a
10、r g e r o x i d a t i o n we a r l o s s Th e h i g h e r t h e d e n s i t y,t h e mo r e s t a b l e t h e b r a k i n g c u r v e,a n d t h e h i g h e r t h e f r i c t i o n c o e f f i c i e n t a n d t h e l o we r t h e we a r r a t e s W i t h o u t t h e p r o t e c t i o n o f p y r o l y
11、 t i c c a r b o n,c c c o mp o s i t e s b y p i t c h i mp r e g n a t i o n o n l y h a v e t he h i g h e s t d i me n s i o n we a r r a t e s d u e t o t h e l a r g e l y f r a c t u r e o f f i b e r s a n d t h e we a r me c h a n i s m a r e ma i n l y a b r a s i o n we a r a n d o x i d
12、a t i o n we a r Ke y wo r d s:c c c o mp o s i t e s;ma t r i x c a r b o n;f r i c t i o n a n d we a r p r o p e r t i e s;wo r n me c h a n i s m 炭 炭(C C)复合材料是炭纤 维增强炭基体复 合材料 的简称,自从 1 9 5 8年偶 然在美 国的一个航 基金项 目:国家重点工业 性实验资助项 目(计 高技 F 1 9 9 8 3 1 8 1 7)收稿 日期:2 0 0 4一 O 3 1 5;修 订 日期:2 0 0 5 一O 1 1 2 作
13、者简 介:李江 鸿(1 9 7 5一),女,助理研究员,博士研究生 通讯作者:李 江鸿;电话:0 7 3 1 8 8 3 0 9 3 9;E-ma i l:lj h 1 3 8 ma i l C S U e d u c a 维普资讯 http:/ 第 1 5卷第 3期 李江鸿,等:不 同基 体炭 c c复 合材料 的摩擦磨 损性能 4 4 7 空实验室里首次出现 以来,由于其优异 的导热、导 电性能,较低 的密度(低于 2 0 g c m。),良好的高温 力学性能,使其在航 天、导弹、火箭等军事领域里 的应用得 到迅 速发展。炭 炭复合 材料 应用 广,最 主要 的领域是作为刹 车制 动材 料
14、,包括航 空飞机、赛 车、高速火车等。作为刹车制动材料,除其具 有 优 良的物理、力 学、化学、热等方面 的性 能外,优 良的摩擦磨损性能是其得到广泛应用 的重要依据和 保障。C C复合材料的摩擦磨损性能与许多 因素有 关。Ki mu r a等 1 发现热处理温度影响 c c复合材 料 的弹性模量与石墨化度,弹性模 量随热处理 温度 的增加而增加,碳基面较易形 成润滑层 而造成摩擦 因数的降低,其磨损也较小。Ki m等 2 对不同基体 碳的复合材料作 了实验,结果表 明光滑层结构的基 体的磨损率 比各 向同性结 构的磨损率 要高,Oh和 L e e 3 的研究也证 实了这一结 论。研 究还表
15、明 4-7 :3 D-C C复合材料具 有 比 Z D-C C复合 材料较 低 的 磨损率。C h e n等 8 9 3 发现低能恒速摩擦条件下,压 力的变化会 改变 c c复合材料 的表面状 态,进 而 影响其 摩擦磨 损 性 能。总 之,材 料本 身 如坯 体结 构、热解炭结构、基体炭类型、密度、硬度、可石墨 化度、石 墨化度,刹 车条 件如刹 车速度、刹车压力 及惯量,环境气氛、表面状态等都影 响着 c c复合 材料的摩擦 磨损性 能 1。n 。但 以往 的研究 大都局 限于定速实验 条件,而对 c c复合材料 实际模拟 刹车过程的摩擦磨损性能与机理 的研究较少,本文 作者系统研究 了以
16、不 同结 构的热解炭、树脂炭、沥 青炭为基体 的 c c复合材 料模 拟实际刹 车过程 的 摩擦磨损性能与磨损机理。1 实验 1 1 试样制备 采用上海某厂生产 的呋喃树脂作 浸渍剂,c c 复合材料坯体为无纬布网胎叠层经针刺而成。CVD 预沉积采用 c。H 作炭源,N 为载气。c c复合材 料毛坯 的预沉积在 Z Qc J 一2 5 01 2 A真空感应气相 沉积炉中进行,呋喃树脂与沥青浸渍补充增密在 自 制大型浸渍 固化炉 中进行,石墨化处理在 Z QS J一 1 0 02 8型真空感应炉中进行。1 2石墨化度及热导的测定 利用 X射线衍射法测量(0 0 2)面的层间距 d o o z 值
17、来表征石墨化度,所用 仪器 为 Ri g a k u D MAX一 3 C型 X射线衍射仪。以 C u K 单 色光辐射,硅作 内标。根据所测衍射角(2 0),利用布拉格公式计算。石墨化度 的计算公式为 g一(O 3 4 4 0 一d 0 0 2)(O 3 4 4 00 3 3 5 4)(1)式 中 g为石墨化度,;0 3 4 4 0为完全未石 墨化 炭的层 间距,n m;0 3 3 5 4为理想 晶体 的层 间距,n m;d 0 0 2 为(0 0 2)面的层间距,n m。利用 J R一 2型激光热导测定仪测定热导。1 3摩擦磨损的测定 在国产模拟刹 车 的 MM 一1 0 0 0型摩擦磨
18、损试 验机上进行刹 车试验 试 环尺寸:外 径 7 5 mm,内 径为 5 3 mm,厚度大于 1 0 mm。测试参数如下:转 速为 2 5 m s,惯性 当量为 0 0 3 k g r n S ,压力为 0 6 0 MP a。实验机直接记 录刹车力矩与 时间关系。摩擦因数 的计算公式为 M (r 1+r 2)F z (2)式中M 为力矩;为摩擦 因数;为 载荷;F 1 为 内圈半径;r 为外圈半径。用精确至 0 0 1 mm 的螺旋测微器测量试环上 6 点处摩擦 前后 的尺 寸变 化,取 平均 值得 到线 性磨 损;用分度值为 0 1 mg的光学 读数分析 天平测量 试环摩擦前后质量,得到质
19、量损失。2结果 与讨论 2 1 试样的微观结构与基本物理性能 1号、2号试样 的偏光显微结构如图 1所示。可 见,1号试样热解炭偏光显微结构主要为典 型的粗 糙层,3 5号试样热解炭偏光显微结构与 2号试样 类似,均为光滑层结构(见 图 1(b)。表 1所列为 1 5号试样基本性能特征。由表 1可知,1 号与 5号 试样 的石墨化度与热导率高。1号试样石 墨化 度高 是 因为其基体炭是 以粗糙层结构为主,粗糙层结构 的 C VI 炭易石墨化。而石墨微晶的大小和排列及孔 隙的形态 和分布等又极大地影响着热导率,炭作 为 一种非导体主要靠晶格振动导热,其热 导率 可表示 为。1 1 r 一 P c
20、 此 (3)式 中ID 为密度;c为 比热容;为 晶格波传递热 能 速率;L为晶格波 的平均 自由程。可见,),c o L,而 L与微晶尺寸成 比例,所 以石 墨化程度越高,微晶尺寸越大,也越大。5号试样 热导率较高是因为沥青炭也是一种易石墨化炭。而 维普资讯 http:/ 中国有色金属学报 圈 1 试样 的显微结构 Fi g 1 M i e r o s t r u e t u r e s D f s pe c i me ns (a)-S a mp l e 1(b)-S a mp l e 2 裹 t 试样 的基 本性 能 Ta b l e 1 Ba s i c p r o pe r t i e
21、 s o f s pe c i me n s He a t t r e a t me n t t e mp e r a t u r e s a mp l e 1,2 i 0 0 F t h e r s 2 3 0 0 平行方向的导热系数优于垂直方向是因为平行方 向炭纤维取 向 占优势,而炭 纤维是导热 的主要 因 素。由表 1 还可看出,沥青增密试样的热导率随材 料的最终密度 的升 高而升高,所 以表 1中同种 材 料、同种工艺、相同起始 C VI 密度的 3号与 4号试 样相 比+最终密度高的 4号试样 的热导率与石墨化 度均高。这是因为密度低的材料中孔隙较多,而 L 隙的存在能引起声子的散
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- 不同 基体 CC 复合材料 摩擦 磨损 性能
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