CCSiC陶瓷制动材料的研究现状与应用.pdf
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1、第1 5 卷第5 期中国有色金属学报V 0 1 15N o 5T h eC h i n e s eJ o u r n a lo fN o n f e r r o u sM e t a l s2 0 0 5 年5 月M a y2 0 0 5文章编号:1 0 0 4 0 6 0 9(2 0 0 5)0 5 0 6 6 7 0 8c c S i C 陶瓷制动材料的研究现状与应用肖鹏,熊翔,张红波,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:通过分析合成材料、粉末冶金材料、C C 和C C-S i C 复合材料等摩擦材料的特点及其性能,指出C C-S i C 复合材料是一
2、种能满足高速高能载制动的高性能陶瓷制动材料。综述了先驱体转化法、化学气相浸渗法和反应熔体浸渗法制备c c-s i c 复合材料的优点及其不足,指明了反应熔体浸渗工艺是一种具有市场竞争力的工业化生产技术。介绍了我国研制的c c-S i C 陶瓷制动材料的组织结构、力学性能、摩擦磨损性能及其应用,并对C C-S i C 陶瓷制动材料的性能特点进行了评述。关键词:C C-S i C;摩擦材料;摩擦磨损;制备方法中图分类号:T B3 3 1;T H l l 7 3文献标识码:AP r o g r e s sa n da p p l i c a t i o no fc c-S i Cc e r a m
3、i cb r a k i n gm a t e r i a l sX I A OP e n g,X I O N GX i a n g,Z H A N GH o n g-b o,H U A N GB a i y u n(N a t i o n a lK e yL a b o r a t o r yo fP o w d e rM e t a l l u r g y,C e n t r a lS o u t hU n i v e r s i t y,C h a n g s h a41 0 0 8 3,C h i n a)A b s t r a c t:B yc o m p a r i n ga n
4、da n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c sa n df r i c t i o np r o p e r t i e so ft h ec o m p o u n d sm a t e r i a l s,t h ep o w d e rm e t a l l u r g ym a t e r i a l s,c a r b o n c a r b o na n dC C-S i Cc o m p o s i t e s,i ti sc o n c l u d e dt h a tC C-S i Cc o m p o s i t e
5、 si sah i g hp r o p e r t yc e r a m i cf r i c t i o nm a t e r i a l sw h i c hc a nm e e tt h er e q u i r e m e n to fh i g hs p e e da n dh i g he n e r g yb r a k i n g T h em a i na d v a n t a g e sa n ds h o r t a g eo fl i q u i dp o l y m e ri n f i l t r a t i o nm e t h o d,c h e m i c
6、 a lv a p o ri n f i l t r a t i o nm e t h o d,a n dr e a c t i v em e l ti n f i l t r a t i o nm e t h o df o rf a b r i c a t i n gC C-S i Cb r a k i n gm a t e r i a l sa r es u m m a r i z e d,a n dr e a c t i v em e l ti n f i l t r a t i o nm e t h o di sap r o m i s i n gi n d u s t r i a l
7、 i z a t i o nt e c h n o l o g y T h em i c r o s t r u c t u r e,m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s,f r i c t i o na n dw e a rp r o p e r t i e s,a n da p p l i c a t i o no fc c-s i cc o m p o s i t e sm a d ei nC h i n aa r ei n t r o d u c e d T h ep r o p e r t yc h a r a c t e r i s t i
8、co fC C-S i Cc e r a m i cb r a k i n gm a t e r i a l sa r er e v i e w e d K e yw o r d s:C C-S i C;f r i c t i o nm a t e r i a l s;f r i c t i o na n dw e a r;f 8【b r i c a t i o nm e t h o d摩擦材料主要用于车辆和动力机械制动与传动,正从单一材料向复合材料发展,其质量的好坏直接影响机器的可靠性和操作人员的生命安全。随着科学技术的发展,人们对交通运输工具和动力机械的速度、负荷和安全性要求越来越高。高速
9、列车、重载货车、轿车、赛车、摩托车等重载、高速行驶、制动频繁的民用运载工具,以及使用环境恶劣的装甲车、坦克、直升机等,都对响应快、摩擦因数足够高而稳定、抗热衰减性能良好、质量轻、寿命长和环境适应性强的高性能摩擦材料提出了迫切的需求。2 0 世纪9 0 年代中期,C C-S i C 复合材料开始应用于摩擦领域,成为最新一代高性能制动材料而引起研究者的广泛关注和重视,美、德、日等工业发达国家正逐步展开理论和应用研究。C C-S i C 陶瓷制动材料具有密度低(约2 0g c m 3)、耐磨性好、摩擦因数高、制动平稳、抗腐蚀、抗氧化、耐高温、环境适应性强(如湿态下摩擦因数不衰退)和寿命长基金项目:国
10、家教育部科学技术研究重点资助项目(0 2 1 4 8)收稿日期:2 0 0 4 1 1 0 5;修订日期:2 0 0 5 一0 3 1 0作者简介:肖鹏(1 9 7 1 一),男,教授通讯作者:肖鹏,教授;电话:0 7 3 1 8 8 3 0 1 3 1;传真:0 7 3 1 8 8 3 6 0 8 1;E m a i l:x i a o p e n g m a i l C S U e d u C l l 万方数据中国有色金属学报2 0 0 5 年5 月等优点,以及成本略高于粉末冶金制动材料和远低于炭炭制动材料的优势,必将在高速高能载交通工具和工程机械的摩擦机构上得到广泛应用。1c c S i
11、 C 陶瓷制动材料的发展历史c c S i C 复合材料(即炭纤维增强炭和碳化硅基体)最早在2 0 世纪8 0 年代作为热结构材料出现,具有密度低、抗氧化性能好、耐腐蚀、优异的高温力学性能和热物理性能、好的自润滑性能等优点 1 叫,是一种能满足16 5 0 使用的新型高温结构材料和功能材料,目前c c S i C 复合材料已应用于返回式飞船的面板、小翼、升降副翼和机身舱门,航天飞机的热防护系统,太空反射镜等部件 4 娟。高速列车因高速高能载而成为摩擦制动材料发展的主要推动力,迄今为止,列车刹车闸片(闸瓦)材料从铸铁、合成材料、粉末冶金材料发展到了C C 和C C S i C 复合材料。合成材料
12、闸片一般用于小于2 0 0k m h 的准高速列车上。粉末冶金材料闸片应用广泛,但存在密度较高(4 5g c m 3)、易于氧化锈蚀、寿命短和高速制动产生强噪音和易熔焊粘结等缺点。C C 复合材料具有密度低(约1 8g a m 3)、比热容大、耐热性良好,并且在高负荷下仍能保持优良的摩擦性能,使制动装置减轻等优点,在飞机刹车副上得到广泛应用。但c c 复合材料的制备周期长、成本高、抗氧化性能差,湿态下摩擦因数不稳定、对环境(干净、干燥)的要求较高 7 ,很难在使用环境差的交通工具上大规模使用8|。为了满足高速列车、重载卡车、高级轿车等安全行驶的需求,西方工业发达国家在2 0 世纪9 0 年代中
13、期开始研制低密度、高耐磨性和高温稳定的炭纤维增韧陶瓷基刹车材料 8 ,德国斯图加特大学和德国航天研究所等单位的研究人员开始进行c c S i C 复合材料应用于摩擦领域的研究,并研制出c c S i C 刹车片应用于P o r s c h e(保时捷)轿车中,美国橡树岭国家实验室与H o n e y w e l lA d v a n c e dC o m p o s i t e s 公司、H o n e y w e l lA i r c r a f tL a n d i n gS y s t e m s 公司、H o n e y w e l lC o m m e r c i a lV e h
14、i c l eS y s t e m s 公司合作,正在研制低成本的C S i C 复合材料刹车片,替代用于重载汽车的铸铁和铸钢刹车片 9 。法国T G V N G 高速列车和日本新干线已试用C C-S i C 闸瓦。作为摩擦材料,c c S i C 复合材料的制备技术还处于深入研究和完备阶段。目前列车采用的不同制动材料的相对特性指标列于表1。由表可知,C C S i C 复合材料作为制动材料具有优异的性价比,代表了当前制动材料的最高水平。2C C-S i C 陶瓷制动材料的制备技术c c S i C 复合材料制备工艺技术的关键是口0|:1)纤维损伤尽量少;2)纤维基体(F M)界面形成适当的
15、结合强度;3)克服基体致密化的“瓶颈效应”;4)低的制备成本。目前制备c c-s i c 复合材料的工艺主要有热压烧结法(H e a tp r e s s s i n t e r,H P S)、先驱体转化法(L i q u i dp o l y m e ri n f i l t r a t i o n,L P I)、化学气相浸渗法(C h e m i c a lv a p o ri n f i l t r a t i o n,C V I)和反应熔体浸渗法(R e a c t i v em e l ti n f i l t r a t i o n,R M I),但真正能实现制备异型c c S i
16、 C 摩擦材料的只有L P I 法、C V I 法、R M I 法及其组合的方法。2 1 先驱体转化法先驱体转化法是在一定的温度和压力下,将适当理论比值的金属有机化合物(如聚炭硅烷)浸渗到表1 列车制动材料的相对特性指标T a b l e1R e l a t i v ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so ft r a i nb r a k i n gm a t e r i a l sM a t e r i a lF,r i c t i o nW e t,f r i c“”丫”D a i f i c a 唧协S p a r k l eM
17、 a s s1 a c t o rt a c t o rl O S SW h e e lC o m m o nc a s ti r o nS p e c i a lc a s ti r o nC o m p o u n dm a t e r i a l sP o w d e rm e t a l l u r g ym a t e r i a l sc cc o m p o s i t e sc c-s i cc o m p o s i t e s1 0 00 2 0 一0 5 00 1 00 1 0O 0 10 0 1 万方数据第1 5 卷第5 期肖鹏,等:C C-S i C 陶瓷制动材料的研
18、究现状与应用6 6 9 多孔纤维预制体中,然后经过干燥和热处理,使先驱体发生热解并得到所需的基体 1 卜1 5 。这种方法最先应用于C C 复合材料,近来在制备S i C,S i。N。,B N 和S i B C N 基复合材料中也得到广泛的应用。对先驱体的性能要求是:1)足够的流动性以使之能浸渗到预制体的孑L 隙中;2)对预制体表面的润湿性好;3)有合适的化学键和高的热解产率;4)在空气中是稳定的。该法的主要优点有:能获得成分均匀的单相或多相组元的陶瓷基体;并能制备出形状复杂、近尺寸的复合材料部件。其主要缺点是:先驱体在干燥和热解过程中,由于溶剂和低分子量组元的挥发,以及小结构基团的分解等因素
19、的综合作用,使得热解过程中基体产生很大的收缩并出现裂纹。另外,先驱体热解所得产物的产率很低,为了获得致密度较高的复合材料,必须经过多次浸渗和高温处理(典型的达6 1 0 次),制备周期长。2 2 化学气相浸渗法化学气相浸渗法是设法使气相物质(先驱体)在加热的纤维表面或附近产生化学反应,浸渗到纤维预制体中沉积得到陶瓷基复合材料(C M C S)1 6 吨1|。其主要优点是 1 0 22 2 3 :1)能在低压低温(10 0 0 左右)下进行基体的制备,材料内部残余应力小,纤维受损伤小;2)能制备硅化物、碳化物、氮化物、硼化物和氧化物等多种陶瓷材料,并可实现微观尺度上的成分设计;3)能制备形状复杂
20、和纤维体积分数高的近尺寸部件;4)在同一C V I 反应室中,可依次进行纤维基体界面、中间相、基体以及部件外表涂层的沉积。主要缺点是:1)S i C 基体的致密化速度低、生产周期长(3 0 0h 以上)、制造成本高;2)S i C 基体的晶粒尺寸极其微小(约1 0n m),复合材料的热稳定性低;3)复合材料不可避免地存在着1 0 1 5 的残留孔隙,影响了复合材料的力学性能和抗氧化性能。S i C 基体的沉积速度主要取决于沉积化学反应动力学与气体在预制体孔隙网络中的传输,研究者根据两种不同利用C V I 的基本原理研制出了等温等压C V I 法(I C V I)2 0-2 4 3、液相浸渗热梯
21、度C V I 法(L F C V I)2 2 s 、热梯度强制对流C V I 法(F C V I)C 2,2 引、脉冲C V I 法(P C V I)1 钆2 3 和连续同步C V I 法(C S C V I)2 7。29|。I C V I 是将纤维预制体放在等热反应室,反应物气体主要通过扩散渗入到纤维预制体中,发生化学反应并原位沉积,废气通过扩散向外散逸,沉积速度慢,周期长,但可大批量制备异型件。L F C V I 法将炭纤维预制体作为发热体直接浸入液相C H。S i C l。(M T S)的冷壁反应室中,通过预制体外表面的热辐射损失产生由里到外的热梯度。预制体可加热到10 0 0 13 0
22、 0,M T S 液相沸腾蒸发,以C V I 的方式在预制体的孔隙网络中从里向外快速沉积。整个工艺在常压下进行,致密化速度可比报道过的I C V I 工艺快2 个数量级。F C V I法采用热梯度与强制反应物气体流动的方法加速致密化,预制体一端被加热而另一端被冷却,反应物气体从冷端加压喷入,与I C V I 法相比较,预制体热区的温度得以提高(M T S-H。沉积S i C,约12 0 0),由于压力强制反应物气体流动,浸渗时间显著降低,生成率相对提高。P C V I 法通过交替充入反应物气体与抽出废气,可加快沉积速度,主要包括以下几步:1)反应室抽真空;2)通入反应物气体;3)浸渗反应沉积,
23、过程可以是几秒钟。从理论上分析,P C V I 能产生均匀的致密度和减短沉积时间,但这些优点在实验中还没有充分体现。C S C V I法充分利用了C V I 工艺的优点,在制备C S i C 复合材料的过程中,纤维预制体的制备与S i C 基体的热解沉积同步进行,从而实现增韧相与S i C 基体在宏观和微观尺度上同步复合,反应物气体渗入的深度仅为一层(或几层)碳布,因此能突破沉积过程中出现的“瓶颈”现象,制备密度均匀的高致密度厚壁部件。2 3 反应熔体浸渗法2 0 世纪5 0 年代,反应熔体浸渗法首先由U K A E A(U n i t e dK i n g d o mA t o m i cE
24、 n e r g yA u t h o r i t y)作为粘结S i C 颗粒而发展起来的,也称为自粘结S i C 或反应粘结S i C。2 0 世纪7 0 年代,通用电器公司(G e n e r a lE l e c t r i cC o m p a n y)利用R M I 工艺研究出了一种S i S i C 材料,即著名的S I L C O M P 工艺。S I L C O M P 工艺是液S i 渗入炭纤维的预制体中,液S i 与炭纤维反应生成具有纤维特性S i C,制得S i S i C 复合材料 3“3 川。H u c k e 3 幻在此基础上研究了有机物裂解制得具有均一微孑L 的
25、碳多孔体,然后液S i 渗入多孔体制得高强度的S i S i C 复合材料。2 0 世纪8 0 年代,德国材料科学家F i r z e r 首先用液硅浸渗c c 多孔体制备c c S i C 复合材料 3 引,称为反应熔渗(R M I)或熔融渗硅(m o l t e n l i q u i ds i l i c o ni n f i l t r a t i o n,M S I L S I)。德国航空中心(G e r m a nA e r o s p a c eC e n t e r,D L R)进一步发展了该工艺,并已制备出刹车盘等产品。R M I 工艺具有制备周期短、成本低、近净成形等优点,
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