【畢業(yè)學(xué)位論文】溫壓－原位反應(yīng)法制備CC-SiC制動(dòng)材料的摩擦磨損性能-材料學(xué)

分類號(hào) 密級(jí) U D C 編號(hào) 士學(xué)位論文 論 文 題 目 溫壓原位反應(yīng)法制備 C/動(dòng)材料的摩擦磨損性能 學(xué) 科、專 業(yè) 材料學(xué) 研究生姓名 楊 陽(yáng) 導(dǎo)師 姓名 熊 翔 教授 副導(dǎo)師姓名 肖 鵬 教授 I 摘 要 20 世紀(jì)末， C/合材料作為最新一代的制動(dòng)材料應(yīng)用于摩擦領(lǐng)域，其具有密度低、耐腐蝕、 抗氧化性好、優(yōu)異的摩擦磨損性能等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。本論文結(jié)合課題組前期已有的研究成果，采用溫壓原位反應(yīng)法制備 C/合材料。系統(tǒng)研究了不同處理工藝，不同材料成分以及短炭纖維對(duì)材料摩擦磨損性能的影響。并對(duì)摩擦表面及磨屑進(jìn)行了掃描電鏡觀察和 X 射線衍射分析。研究結(jié)果表明： （ 1）短炭纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中，纖維的分布狀態(tài)是影響復(fù)合材料強(qiáng)度的一個(gè)重要因素。纖維分散能充分發(fā)揮纖維的增強(qiáng)作用，提高材料的整體強(qiáng)度，從而提高材料摩擦性能。樹脂浸漬有利于提高材料的致密度，提高摩擦因數(shù)，降低磨損量。有機(jī)樹脂在摩擦過(guò)程中有利于摩擦膜的形成，但熱氧化磨損嚴(yán)重，導(dǎo)致材料磨損加大。材料經(jīng)過(guò)后續(xù)炭化，樹脂轉(zhuǎn)變成較硬的樹脂炭 ，以磨粒的形式增大摩擦力，同時(shí)可有效降低材料的磨損率。 （ 2）在 C/合材料中， 量對(duì) C/動(dòng)材料的耐磨性有兩方面的影響， 一方面可以提高材料的硬度， 從而提高耐磨性；另一方面， 量過(guò)高，導(dǎo)致材料的脆性加大，塑性降低，從而使材料抵抗表面剝落磨損的能力下降，加劇了材料的磨損。所以 含量對(duì)復(fù)合材料的摩擦磨損有一個(gè)最佳值。 石墨種類影響 C/動(dòng)材料的摩擦磨損性能， 其中采用顆粒石墨制備的材料具有最佳的摩擦磨損性能，而鱗片石墨制備的材料磨損相對(duì)較大。適量單質(zhì) 存在，能有效降低 C/合材料的開孔隙率，提高材料的導(dǎo)熱能力，降低材料的磨損率。 （ 3）短炭纖維長(zhǎng)度及體積含量對(duì) C/動(dòng)材料的摩擦磨損性能有顯著的影響，隨炭纖維體積含量的增加，材料摩擦因數(shù)先升后降，磨損率先降后升。采用長(zhǎng)纖維制備的材料具有較好的摩擦磨損性能。 （ 4）根據(jù)對(duì) C/合材料摩擦表面形貌的觀察和分析，以表面溫度為基準(zhǔn)，將表面由表至里劃分為三層：高溫摩擦層，裂紋層和基體。 C/合材料的摩擦機(jī)理是犁溝和粘著的共同作用，磨損以磨粒磨損為主。提高材料的硬度以 及斷裂韌性可以有效降低 。 關(guān)鍵詞：C/合材料，溫壓，原位反應(yīng)，摩擦磨損 t 0 , of it In to , on EM （ 1） In is an of of of of to to of to of is as of at （ 2） In , of iC on , on iC of of of of of is So is a iC to of , is by by IV of of i , of （ 3） , is by （ 4） on to to , is as of of ：C/ V 目 錄 摘 要 . I . 錄 .一章 緒論 .（ X 射線能譜分析（ . 射分析 . 摩擦磨損測(cè)試 . 熱物理性能 . 擊韌性測(cè)試 .三章 不同處理工藝對(duì) C/動(dòng)材料摩擦磨損性能的影響 .述 .驗(yàn)方法 . 試樣的制備 . 性能測(cè)試 .驗(yàn)結(jié)果 . 試樣的基本物理性能 . 摩擦實(shí)驗(yàn)結(jié)果 .析與討論 . 纖維分散對(duì) C/動(dòng)材料摩擦性能的影響 . 樹脂浸漬對(duì) C/動(dòng)材料摩擦性能的影響 . 后續(xù)炭化對(duì) C/動(dòng)材料摩擦性能的影響 .章小結(jié) .四章 材料成分對(duì) C/動(dòng)材料摩擦磨損性能的影響 .述 .量對(duì)材料摩擦磨損性能的影響 .墨種類對(duì)材料摩擦磨損性能的影響 . 不同種類石墨粉的形貌 . 不同種類石墨粉的松裝密度 . 不同種類石墨的摩擦磨損性能 .留單質(zhì) 材料摩擦磨損性能的影響 .章小結(jié) .五章 短炭纖維對(duì) C/動(dòng)材料摩擦磨損性能的影響 .述 .驗(yàn)方法 . 試樣的制備 . 性能測(cè)試 .驗(yàn)結(jié)果 .析與討論 . 炭纖維含量的影響 . 實(shí)驗(yàn)溫度的影響 . 炭纖維長(zhǎng)度的影響 .章小結(jié) . 第六章 C/動(dòng)材料的摩擦磨損機(jī)理 .述 .擦表面特性 .擦機(jī)理 .損機(jī)理 .磨機(jī)理 .章小結(jié) .七章 全文結(jié)論及研究展望 .文結(jié)論 .望與建議 .考文獻(xiàn) . 謝 .讀碩士學(xué)位期間發(fā)表論文 .一章 緒論 1 第一章 緒論 現(xiàn)代摩擦材料是航空、 車輛、 機(jī)械等組成摩擦式制動(dòng)器與離合器的關(guān)鍵材料。制動(dòng)器及離合器摩擦材料 (片 )的作用是制動(dòng)及傳動(dòng)，它們均是借助于摩擦而促使兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的偶件，在極短的時(shí)間內(nèi)消除相對(duì)運(yùn)動(dòng)。在飛機(jī)、火車、汽車等交通工具上，摩擦制動(dòng)器是最關(guān)鍵的機(jī)構(gòu)部件。在起重設(shè)備中，無(wú)論是龍門吊、塔吊、一般起重吊以及升降機(jī)（包括電梯） 、高樓逃生裝置、礦山和建筑提升機(jī)等1也都是靠運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)輪與摩擦材料之間的摩擦作用產(chǎn)生的制動(dòng)力矩來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)整、終止運(yùn)動(dòng)的。 制動(dòng)摩擦材料的工作特性將直接影響到各類交通工具和機(jī)械設(shè)備的使用質(zhì)量和安全可靠性。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器的功率、速度和載荷日益提高，工況日益惡劣，故對(duì)摩擦材料的綜合性能，也提出了更高的要求，即除了要有適當(dāng)?shù)哪Σ烈驍?shù)，在高溫、高速和高壓下保持穩(wěn)定外，還要求耐磨性好、強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性好、耐腐蝕、噪聲小、較長(zhǎng)的使用壽命、不產(chǎn)生粘結(jié)或咬死等2 20 世紀(jì) 90 年代中期， C/合材料開始應(yīng)用于摩擦領(lǐng)域，成為最新一代高性能制動(dòng)材料引起科研工作者廣泛的關(guān)注和重視。美、德、日等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)開始對(duì)其摩擦磨損機(jī)理和應(yīng)用進(jìn)行研究，德國(guó)的 國(guó)航空航天中心）和 學(xué)在該領(lǐng)域的研究一直處于世界領(lǐng)先地位， 德國(guó)航天局率先研制出用于汽車剎車和電梯緊急制動(dòng)系統(tǒng)的 C/動(dòng)材料 （如圖 1圖 1。 美國(guó) 司合作，正在研究低成本的 C/合材料剎車片。國(guó)內(nèi)中南大學(xué)已將 C/動(dòng)材料應(yīng)用于磁懸浮列車滑橇以及直升機(jī)、坦克、高速列車、工程機(jī)械等制動(dòng)器6。另外，西北工業(yè)大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)、中科院金屬所、航天工業(yè)總公司 43 所等單位對(duì) C/合材料應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域進(jìn)行了大量的研究7在 C/合材料的制備技術(shù)和應(yīng)用方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，縮短了與世界先進(jìn)水平的差距。 第一章 緒論 2 圖 1國(guó)航天研究所研制的 C/車盤 圖 1梯緊急制動(dòng)系統(tǒng)用 C/動(dòng)器 ，即炭纖維增強(qiáng)炭和碳化硅基體復(fù)合材料，最早在 20 世紀(jì) 80 年代作為熱結(jié)構(gòu)材料出現(xiàn)，具有密度低（約 2.0 g、耐磨性好、制動(dòng)平穩(wěn)、抗腐蝕、耐高溫、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)和壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，是一種能滿足在 1650使用的新型高溫?zé)峤Y(jié)構(gòu)材料和功能材料，可應(yīng)用于航空航天、車輛工程（如圖1、機(jī)械工程、光學(xué)工程等領(lǐng)域11受到廣大國(guó)內(nèi)外科技工作者的青睞。目前 C/合材料已應(yīng)用于返回式飛船的面板、小翼、升降副翼和機(jī)身艙門，航天飛機(jī)的熱防護(hù)系統(tǒng)，太空反射鏡，保時(shí)捷汽車和高速列車的剎車片等部件和產(chǎn)品14 盤式制動(dòng)器 盤式制動(dòng)器襯片 圖 1車用制動(dòng)器 第一章 緒論 3 C/合材料用作摩擦材料時(shí)，通常將其分為四部分： （ 1）基體組元，主要是炭和碳化硅基體。 （ 2）潤(rùn)滑組元，主要是石墨，其作用是改善抗卡滯性能，平穩(wěn)制動(dòng)過(guò)程； （ 3）摩擦組元，材料中 度高、耐磨耐蝕、高導(dǎo)熱、高強(qiáng)度，X 射線表明試樣中 面心立方圖 1示）形式存在。 主要作用是保證與對(duì)偶材料工作表面的適當(dāng)嚙合，提高摩擦系數(shù)。 （ 4）增強(qiáng)組元，炭纖維具有高的比強(qiáng)度、比模量。作為增強(qiáng)體，對(duì)材料起增強(qiáng)增韌作用。此外，有文獻(xiàn)16建議將孔隙作為一個(gè)單獨(dú)的相看待， 因?yàn)榭紫兜捏w積、大小、結(jié)構(gòu)及分布對(duì)材料性能有著重要的影響， 因此也可以將它看作 “第五組元 ”。 6： 1）纖維損傷盡量少； 2）纖維 /基體（ F/M）界面形成適當(dāng)?shù)慕Y(jié)合強(qiáng)度； 3）克服基體致密化的 “瓶頸效應(yīng) ”； 4）低的制備成本。目前制備 C/合材料的工藝主要有泥漿浸漬 /熱壓法、化學(xué)氣相滲透法、液相硅浸滲法、聚合物浸漬裂解法。 漿浸漬/熱壓法 泥漿浸漬 /熱壓法是制備纖維增強(qiáng)玻璃和低 熔點(diǎn)陶瓷基復(fù)合材料的傳統(tǒng)方法，是最早用于制備纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料 (方法。制備工藝是將纖維浸漬在含有基體粉料的漿料中，通過(guò)纏繞將浸有漿料的纖維制成無(wú)緯布，經(jīng)切片、疊加、熱模壓成型和熱壓燒結(jié)后制得復(fù)合材料。 日本 人通過(guò)泥漿浸漬 /熱壓法制備 合材料17。在真空條件下， 其室溫彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性分別為 420 13 ； 在 14001600 時(shí)分別為 600 20 ， 由于斷裂轉(zhuǎn)移和界面結(jié)合減弱導(dǎo)致纖維拔出的增加，高溫下材料的力學(xué)性能得以提高。 10 20 30 40 50 60 70 80 900501001502002503003502()品 X 射線衍 射圖第一章 緒論 4 圖 1漿浸滲 /混合工藝流程圖 該方法由于以下不足而使其應(yīng)用范圍受到限制18： （ 1）對(duì)于三維纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，熱壓對(duì)纖維易造成損傷； （ 2）由于熱壓工藝的局限，難以制得形狀復(fù)雜的大型構(gòu)件，因此它只能制備一維或二維的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。 學(xué)氣相滲透法（ 化學(xué)氣相滲透法是 20 世紀(jì) 60 年代中期，在化學(xué)相沉積（ 礎(chǔ)上蓬勃發(fā)展起來(lái)的方法。 泛用于涂層工藝，是一種成熟的技術(shù)。二者的區(qū)別在于 要從外表面開始沉積，而 是通過(guò)孔隙滲入預(yù)制體內(nèi)部沉積。 常規(guī)的 藝是等溫 具有能在同一反應(yīng)爐中同時(shí)沉積多個(gè)或不同形狀的預(yù)制件的優(yōu)點(diǎn)，但主要缺陷是只能沉積簡(jiǎn)單的薄壁件，對(duì)于粗厚型件內(nèi)部往往出現(xiàn)孔洞，存在致密性差，材料沉積不均勻的問(wèn)題，同時(shí)其工藝周期特別長(zhǎng)，材料制備成本較高。為了降低成本，縮短工藝周期和優(yōu)化工藝，陸續(xù)出現(xiàn)了脈沖法、熱梯度法、壓差溫度梯度法等。北京航空材料研究院提出了一種位控化學(xué)氣相沉積法來(lái)制備 料，制備的復(fù)合材料致密性好，當(dāng)纖維的體積分?jǐn)?shù)約為 50%時(shí)，材料的密度達(dá)到 g理論密度的 96%。此外還有激光、強(qiáng)制流動(dòng)熱梯度 (微波 (，應(yīng)用這些工藝，可制備零維到三維的形狀稍微復(fù)雜的陶瓷材料構(gòu)件19, 20。 第一章 緒論 5 圖 1同 藝示意圖 究中心研制的渦輪泵即是通過(guò)化學(xué)氣相滲透法制得的二維碳纖維增強(qiáng)碳化硅材料，在模擬的渦輪泵使用環(huán)境下測(cè)試的 合材料的性能比較穩(wěn)定，當(dāng)加載到疲勞損傷時(shí)，材料斷裂是韌性的而非災(zāi)難性的斷裂21。 西北工業(yè)大學(xué)選用日本 司生產(chǎn)的 1K）碳纖維，利用三維編織的方法制備出預(yù)制體，采用等溫 法制備碳纖維增韌碳化硅復(fù)合材料，材料的彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性的最大值分別達(dá)到 520 Pa。此工藝的特點(diǎn)是在較低溫度 (1000 )下，能夠沉積出熔點(diǎn)高達(dá) 3000 的基體，可避免纖維與基體間的高溫化學(xué)反應(yīng)，沉積過(guò)程對(duì)骨架無(wú)損傷，從而可保證結(jié)構(gòu)的完整性，并可制造復(fù)雜形狀的制件22。 相硅浸滲法（液相硅浸漬工藝是指在真空條件下，固體硅在 1600 下熔融成液態(tài)硅，通過(guò)多孔碳 /碳坯體中的氣孔的毛細(xì)作用滲透到坯體內(nèi)部與碳基體反應(yīng)生成碳化硅基體。通過(guò)控制硅的用量可以得到 C/合材料或者 C/合材料。 采用液相硅浸漬工藝可以制備大尺寸、復(fù)雜的薄壁結(jié)構(gòu)組件，工藝時(shí)間短，材料來(lái)源廣泛，可以近凈成型，成本較低；然而 藝的不足之處在于制備合材料時(shí)，由于熔融 基體 C 發(fā)生反應(yīng)的過(guò)程中，不可避免地會(huì)與碳纖維發(fā)生反應(yīng)，纖維被浸蝕導(dǎo)致性能下降；同時(shí)，復(fù)合材料中還殘留有一定量的 致復(fù)合材料抗蠕變性能降低。 德國(guó) 司采用 藝制備短切碳纖維增強(qiáng)碳化硅材料，制備出的合材料力學(xué)性能和熱學(xué)性能結(jié)合較好，被用作輕質(zhì)反射鏡基座材料，它第一章 緒論 6 保留了 C/C 復(fù)合材料的力學(xué)性能，而且，與傳統(tǒng)的制備 合材料的工藝相比，制造成本低，生產(chǎn)周期短23。 合物浸漬裂解法(聚合物浸漬裂解法又稱先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法或先驅(qū)體裂解法， 是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料 的制備工藝。與溶膠 驅(qū)體轉(zhuǎn)化法也是利用有機(jī)先驅(qū)體在高溫下裂解而轉(zhuǎn)化為 無(wú)機(jī)陶瓷基體的一種方法。溶膠 先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法主要用于非氧化物陶瓷，目前主要以碳化物和氮化物為主， 采用合適的聚合物裂解和多次浸漬的方法還可以減小復(fù)合材料的氣孔率和提高復(fù)合材料的力學(xué)性能24。 先驅(qū)體裂解法的優(yōu)點(diǎn)是可制備形狀比較復(fù)雜的異型構(gòu)件，裂解時(shí)溫度較低，材料制備過(guò)程中對(duì)纖維造成的熱損傷和機(jī)械損傷比較小。 但是由于高溫裂解過(guò)程中小分子溢出，材料的孔隙率高，很難制備出完全致密的材料；且從有機(jī)先驅(qū)體轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)陶瓷過(guò)程中材料體積收縮大， 收縮產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力不利于提高材料的性能。另外，為了達(dá)到較高的致密度，必須經(jīng)過(guò)多次浸滲和高溫處理，制備周期長(zhǎng)25。 國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)采用先驅(qū)體液相浸漬工藝制備單向及三維編織連續(xù)纖維增強(qiáng)碳化硅陶瓷基復(fù)合材料。 制得的三維四向結(jié)構(gòu)的碳纖維增強(qiáng)碳化硅陶瓷基復(fù)合材料力學(xué)性能優(yōu)異。復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)達(dá) 570 裂韌性為 Pa，材料的密度為 1.9 g6。 料的各種工藝均有其固有的缺點(diǎn)。例如，采用 解生成的 般為無(wú)定型，所制備材料的力學(xué)性能低，而采用 藝，材料的制備周期特別長(zhǎng)，成本較高。因此目前有人將 藝聯(lián)用，這樣可在多方面改善單種工藝制備材料的不足。意大利有人采用 合方法制備瓷基復(fù)合材料，在較短的時(shí)間內(nèi)制備出性能較好的復(fù)合材料27。國(guó)內(nèi)除航天部等單位外，國(guó)防科技大學(xué)也在開展這方面的研究，且取得了一定的研究進(jìn)展28。另外，也有將 用制備 合材料的報(bào)道。 合工藝 在制備某一特定用途的復(fù)合材料時(shí)，單一的制備工藝有時(shí)不能滿足要求，可綜合利用各種方法的優(yōu)勢(shì)，采用兩種或兩種以上的混合工藝制備。有研究將熱壓法和先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法結(jié)合起來(lái)，在先驅(qū)體轉(zhuǎn)化熱壓的工藝中，先驅(qū)體在制備過(guò)程中一方面作為有機(jī)粘接劑，提高纏繞紡制無(wú)緯布的工藝性能，另一方面可在高溫下裂解成陶瓷基體，從而制備出強(qiáng)度較高的復(fù)合材料29, 30。 第一章 緒論 7 航天四院 43 所28, 31將 法與先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法（ 合，充分發(fā)揮它們各自的優(yōu)點(diǎn)和克服其缺點(diǎn)，具有材料均勻性好、力學(xué)性能優(yōu)良、制備周期適中等優(yōu)點(diǎn)，其主要工藝流程如圖 1示： 方法（一） 方法（二） 圖 1藝流程 前者在材料均勻性、力學(xué)性能及制備周期短方面具有一定的優(yōu)勢(shì)，適合批量化生產(chǎn)。后者具有抗氧化和抗燒蝕性能好等優(yōu)點(diǎn)。 徐永東等32將 藝與反應(yīng)熔滲（ 藝結(jié)合，發(fā)展了一種低成本、耐高溫和抗氧化 C/合材料的制備方法，其工藝過(guò)程如圖 1示： 圖 1藝流程 采用 制備 C/合材料具有成本低， 制備出的材料綜合力學(xué)性能優(yōu)良，熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。由 制備出的復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度炭氈 高溫處理 化學(xué)氣相滲透 真空 壓力浸漬樹脂 炭化 /固化 壓力浸漬聚碳硅烷真空交聯(lián) 涂層 高溫裂解 層復(fù)合材料解炭界面 擋層 浸漬瀝青 炭化 溶滲 金C/合材料 3D 纖維預(yù)制體 熱解炭涂層浸漬裂解 機(jī)加工 浸漬裂解復(fù)合材料 第一章 緒論 8 可達(dá) 484 1550 5 h 高溫處理后強(qiáng)度仍達(dá) 428 但真正能實(shí)現(xiàn)制備 C/動(dòng)材料的只有 、 、 及其組合的一些方法。但上述方法均存在一些不足， 和 制備周期較長(zhǎng)，主要用于高強(qiáng)度熱結(jié)構(gòu) C/合材料的制備； 國(guó)外普遍采用成形性好和周期較短的 制備 C/動(dòng)材料，德國(guó)宇航局（ 先開展這一領(lǐng)域的研究，并成功應(yīng)用于保時(shí)捷（ 車，但其價(jià)格相當(dāng)昂貴，一輛保時(shí)捷轎車的 C/車副價(jià)值 8000 多美元，成本因素嚴(yán)重制約了其在汽車等民用領(lǐng)域的應(yīng)用。本課題組對(duì)低成本制造 C/動(dòng)材料制備技術(shù)進(jìn)行了有益的探索，在國(guó)內(nèi)外首創(chuàng)采用溫壓原位反應(yīng)燒結(jié)工藝制備 C/動(dòng)材料。該工藝首先將短炭纖維、硅粉、石墨粉、粘結(jié)劑等原材料按一定配比均勻混合，通過(guò)溫壓