影響炭炭復(fù)合材料摩擦學(xué)性能的因素分析

1、影響炭/炭復(fù)合材料摩擦學(xué)性能的因素分析摘 要：影響炭/炭復(fù)合材料摩擦性能的因素很多，綜述了國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，評(píng)價(jià)了材料的性質(zhì)對(duì)炭/炭復(fù)合材料摩擦磨損性能的影響，闡述了模量、石墨化度、密度、預(yù)制體的類型、基體類型、熱解炭結(jié)構(gòu)等因素。關(guān)鍵詞：炭/炭復(fù)合材料；摩擦磨損性能；材料的性質(zhì)炭/炭復(fù)合材料應(yīng)用非常廣泛。最初作為航天用高溫結(jié)構(gòu)材料和耐燒蝕材料。用于固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管和喉襯、火箭重返大氣層系統(tǒng)的保護(hù)罩。自1973年第1次用于飛機(jī)剎車以來(lái) ，全世界已有40種以上的民用機(jī)和22種以上的軍用機(jī)采用了炭剎車盤。其年產(chǎn)量占世界炭/ 炭復(fù)合材料總產(chǎn)量的90%以上。與金屬材料相比，炭/炭具有低密度、長(zhǎng)使用壽命

2、、低噪音、高平穩(wěn)性和大熱容等突出優(yōu)點(diǎn)。影響炭/炭復(fù)合材料摩擦性能的因素很多。如材料的性質(zhì)、摩擦參數(shù)(載荷、剎車速度、能量)、環(huán)境(溫度、濕度、氣氛)和材料的表面狀況等。在此，本文總結(jié)了國(guó)內(nèi)外大量的研究，就材料性質(zhì)對(duì)炭/炭復(fù)合材料摩擦性能的影響進(jìn)行了闡述。一，模量和石墨化度Trfier認(rèn)為對(duì)炭/炭復(fù)合材料摩擦磨損性能影響最大的是纖維的彈性模量。Soydan對(duì)不同碳纖維和不同基體的炭/炭復(fù)合材料進(jìn)行了研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，高各向異性熱解炭中出現(xiàn)密集的裂紋，而在中織構(gòu)中很少有裂紋的出現(xiàn)，碳纖維的彈性模量對(duì)裂紋形成和磨損的微觀機(jī)理沒有太大的影響。復(fù)合材料彈性模量的變化導(dǎo)致熱擴(kuò)散性能的改變。從而改變摩擦接觸處

3、的溫度與受力狀況。影響摩擦磨損性能。Kimura等研究發(fā)現(xiàn),熱處理溫度影響炭/炭復(fù)合材料的彈性模量。一般認(rèn)為，彈性模量隨熱處理溫度的升高而增加，碳基面較易形成潤(rùn)滑層而降低摩擦系數(shù)，磨損也較小。石墨化程度越高，炭/炭復(fù)合材料的力學(xué)性能越低，韌性增加，抗熱震性能增加。有研究認(rèn)為石墨化度與炭/炭復(fù)合材料摩擦磨損性能有很大關(guān)系。另有研究表明，石墨化度的提高能使摩擦曲線變得平穩(wěn)，其穩(wěn)定系數(shù)增大。提高石墨化度的有效途徑是石墨化處理, 石墨化處理工藝中對(duì)材料性能起決定作用的是熱處理溫度。黃荔海等研究了不同熱處理溫度下2.5D炭/炭復(fù)合材料的制動(dòng)摩擦性能，發(fā)現(xiàn)石墨化的程度以及石墨化的均勻程度都對(duì)材料的摩擦磨損

4、性能有很大影響。馮志榮等對(duì)不同溫度熱處理的短纖維成型剎車盤進(jìn)行剎車試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)處理溫度高(石墨化度高)，其摩擦系數(shù)增加，表面吸收功率增加，穩(wěn)定系數(shù)提高，并且隨著石墨化溫度的升高，各組元的石墨化度都有提高。對(duì)于合適的熱處理溫度，看法略有不同。徐惠娟研究了針刺氈結(jié)構(gòu)炭/炭復(fù)合材料，結(jié)果表明，熱處理溫度升高，材料的石墨化度增高，2000僅為24.4%，2500時(shí)石墨化度達(dá)到46.4%，2300處理的摩擦系數(shù)出現(xiàn)一峰值，高達(dá)0.37，見圖1。Luo認(rèn)為采用RDD(快速定向流沉積)法制得的炭/炭復(fù)合材料，熱處理路徑對(duì)摩擦性能無(wú)明顯影響，并認(rèn)為最合適的熱處理溫度為2000，此時(shí)，材料有高的摩擦系數(shù)和低的磨損

5、率。圖1 不同熱處理溫度下摩擦因數(shù)與石墨化度的關(guān)系曲線摩擦因素的這種隨石墨化變化的趨勢(shì)同材質(zhì)有關(guān)，不同材質(zhì)的炭/炭復(fù)合材料在相同的處理溫度下，摩擦特性有異，處理溫度低時(shí)，具有較低石墨化度的復(fù)合材料，其炭結(jié)構(gòu)大部分為亂層結(jié)構(gòu)，硬度較高，摩擦系數(shù)低，到達(dá)一定溫度后，CVD炭和CF的石墨化度的差異，使材料中軟硬炭差別較大，摩擦系數(shù)上升，磨屑層較厚，使材料的磨損有所下降。溫度進(jìn)一步升高時(shí)，材料中的大部分CVD炭發(fā)生了石墨化轉(zhuǎn)變，且CF也發(fā)生一定程度的石墨化轉(zhuǎn)變，即炭基面層間劈裂更加容易，炭剎車盤材料剪切強(qiáng)度降低，減少了剝蝕，摩擦表面形成了一層較薄的磨屑層，使摩擦系數(shù)下降，磨損率變小，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，只要摩擦

6、系數(shù)足夠高，氧化就一直存在，氧化過(guò)程經(jīng)常伴隨著高的摩擦系數(shù)和磨損率，炭基面隨材料石墨化度的增加其排列更加完整，而含有少量數(shù)目的活性位，可降低氧化程度，即氧化磨損隨著熱處理溫度升高而降低。除熱處理溫度外，剎車壓力也改變表面的石墨化度，這要?dú)w因于摩擦膜的特殊結(jié)構(gòu)及其中碳原子高的活性， 容易出現(xiàn)應(yīng)力石墨化現(xiàn)象。Aladekom J B等認(rèn)為局部熱應(yīng)力促進(jìn)石墨化。Tanabe Y也發(fā)現(xiàn)對(duì)呋喃樹脂基炭/ 炭復(fù)合材料的這一現(xiàn)象，認(rèn)為這是由自由表面效應(yīng)引起的。日本進(jìn)藤等證實(shí)了應(yīng)力石墨化的存在，認(rèn)為界面處不同材料的熱膨脹系數(shù)差異導(dǎo)致剪切應(yīng)力是動(dòng)力 。Toby認(rèn)為高密度的摩擦屑和表面溫度形成摩擦膜，剎車過(guò)程導(dǎo)致

7、剪切應(yīng)力石墨化。二，密度/孔隙率炭/炭復(fù)合材料密度增大，摩擦穩(wěn)定性增加。高密度的炭/炭復(fù)合材料孔隙率低及高度的整體性，具有較佳的摩擦磨損行為。密度大，體積磨損小，并能提高材料的熱導(dǎo)率與石墨化度，進(jìn)而影響摩擦性能，因?yàn)槊芏刃〉牟牧现锌紫遁^多，而孔隙的存在能引起聲子的散射，故孔隙內(nèi)的氣體導(dǎo)熱系數(shù)很低，但是密度太大或太小都不利于生成穩(wěn)定的磨損表面。ChenL H通過(guò)研究得出，PAN-CF/Pitch-基體炭/炭復(fù)合材料中合適的密度和孔隙率的存在易使材料形成具有潤(rùn)滑效果的摩擦膜。Kuo H H對(duì)PAN-CF/酚醛基炭/炭復(fù)合材料進(jìn)行了大量研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同炭化升溫速度且未石墨化處理的復(fù)合材料的摩擦系

8、數(shù)與升溫速度無(wú)關(guān)，但是升溫速度會(huì)影響材料的磨損率，升溫越快，磨損越大。這一現(xiàn)象與密度/孔隙率的比值有關(guān)，炭化速度越快，材料密度小，孔隙率大，密度/孔隙率的比值越小，磨損率就越大。觀察摩擦表面發(fā)現(xiàn)，碳纖維或熱解炭摩擦掉后，在材料表面形成孔隙，磨屑存在于材料的孔隙處，摩擦過(guò)程中不斷有新的孔隙產(chǎn)生，第三相被壓入的磨屑填充在這些孔隙中。三，預(yù)制體的類型碳纖維在預(yù)制體中的取向有兩種方式：第一種N取向，即纖維垂直于摩擦面；第二種P取向，即纖維平行于摩擦面，如圖2所示。研究發(fā)現(xiàn)，纖維的取向?qū)δΣ聊p性能有較大影響，N取向的摩擦系數(shù)大于P取向的摩擦系數(shù)，但體積磨損量卻小于P取向，這是由于N取向中摩擦力垂直于纖

9、維的排列方向，纖維末端被切削或剪斷，而纖維被剪斷需要的能量大，所以N取向的摩擦系數(shù)大。而P取向摩擦面上有成束的碳纖維暴露在外，纖維的相對(duì)柔性及纖維/CVD炭的不良結(jié)合使摩擦中形成的磨粒很容易將纖維從周圍基體中脫出，所以其體積磨損量較大。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)碳纖維與摩擦面成45b夾角時(shí)，摩擦系數(shù)和磨損量最大。此外，以N取向碳纖維為核心，包裹著熱解炭基體，打通了炭剎車盤垂直方向的導(dǎo)熱通路，提高了材料的導(dǎo)熱系數(shù)，使摩擦面產(chǎn)生的熱能迅速傳導(dǎo)離開界面，從而降低了界面溫度，緩解了溫度對(duì)界面剪切強(qiáng)度的劇烈影響，可保持較高的摩擦系數(shù)和提高剎車裝置的可靠性。圖2碳纖維取向?qū)δΣ吝^(guò)程的影響炭/炭剎車材料中P取向纖維的排布

10、情況較復(fù)雜，如英國(guó)Dunlo p公司B757預(yù)制體結(jié)構(gòu)，是一層纖維薄氈，一層纖維布，再一層纖維薄氈針刺而成，每層纖維布之間的夾角為90；而法國(guó)炭工業(yè)公司A320預(yù)制體結(jié)構(gòu)是針刺無(wú)緯布，其夾角為60；韓國(guó)DACC公司汽車剎車盤預(yù)制體結(jié)構(gòu)也是針刺無(wú)緯布，其夾角為60；國(guó)產(chǎn)B757炭剎車盤的預(yù)制體結(jié)構(gòu)是一層薄纖維網(wǎng)胎一層無(wú)緯布針刺而成，無(wú)緯布之間的夾角為90。對(duì)于P取向纖維，纖維斷裂發(fā)生在摩擦面的接觸區(qū)及表面區(qū)，磨粒不斷地犁、刮裸露出來(lái)的碳纖維及熱解炭基體，其犁、刮作用增大了相對(duì)滑動(dòng)的阻抑作用，從而增大了炭剎車盤材料的摩擦系數(shù)。至于P取向纖維排布的角度與摩擦性能的內(nèi)在聯(lián)系還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。摩擦面的碳

11、纖維取向不改變材料的磨損機(jī)理，纖維的取向平行于磨損面時(shí)，通過(guò)石墨化CVD基體的剪切變形形成摩擦膜。連續(xù)纖維的體積分?jǐn)?shù)高時(shí)，平行磨擦面的材料更容易形成摩擦膜，摩擦面纖維末端暴露在外的纖維抑制了摩擦膜的形成，導(dǎo)致了高的磨損率。剎車速度高時(shí)，摩擦面的剪切力足夠克服不利的纖維取向，有利于膜的形成。目前炭/炭剎車盤預(yù)制體成型有3種典型的方式：炭布疊層；短纖維模壓；纖維針刺薄氈疊層。碳纖維針刺網(wǎng)胎、無(wú)緯布交替疊層的準(zhǔn)三向整體氈結(jié)構(gòu)也得到大量的應(yīng)用?？紤]結(jié)構(gòu)力學(xué)、熱導(dǎo)性和溫度對(duì)摩擦磨損的影響，三向連續(xù)纖維編織結(jié)構(gòu)是最理想的，但其成本太高。在2D炭/炭復(fù)合材料中，裂紋尖端在纖維/基體界面處發(fā)生偏轉(zhuǎn)，而在3D炭

12、/炭復(fù)合材料中，裂紋偏轉(zhuǎn)主要發(fā)生在CVD炭中，3D的韌性明顯好于2D。通常認(rèn)為磨損的大小與硬度的大小相反。研究發(fā)現(xiàn)，瀝青碳纖維制得的2D炭/炭的硬度為3D炭/炭的2倍，低能時(shí)，硬度大的2D磨損較低，但高能時(shí)，高韌性的3D材料有更低的磨損率。因此，同種制備工藝，3D炭/炭復(fù)合材料具有比2D炭/炭復(fù)合材料更低的磨損率、更高的摩擦系數(shù)和穩(wěn)定性。在惡劣的工作條件下，如重載荷、高速度飛行的緊急制動(dòng)(中止起飛)，摩擦面的最高溫度取決于產(chǎn)生熱量的速度和熱擴(kuò)散速率，因?yàn)樘?炭復(fù)合材料的摩擦效率受溫度影響明顯，增大材料的熱導(dǎo)率是最為有效的方法。熱導(dǎo)率的提高能降低復(fù)合材料表面的溫度，進(jìn)而降低摩擦系數(shù)，可行的途徑是

13、控制纖維的方向使其垂直于摩擦表面。3D炭/炭復(fù)合材料有比2D炭/炭復(fù)合材料更低的磨損量也要?dú)w結(jié)于Z向纖維的加入。Byrne對(duì)Z向纖維與摩擦性能的影響進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，Z向纖維能提高剎車盤的熱擴(kuò)散，降低噪音，Z向纖維含量高的炭/炭復(fù)合材料，其導(dǎo)熱性好，減少了氧化的幾率，其磨損系數(shù)更小。炭布高溫預(yù)處理可改善炭/炭復(fù)合材料的剎車穩(wěn)定性，明顯降低炭/炭復(fù)合材料的磨損量而對(duì)平均摩擦系數(shù)無(wú)明顯影響，經(jīng)高溫預(yù)處理的炭/炭復(fù)合材料綜合性能優(yōu)于未處理的。在炭/炭剎車盤制備中越來(lái)越多地使用預(yù)氧化PAN纖維，使用形式有連續(xù)纖維、氈、2D布。有研究表明，預(yù)氧絲的處理比碳纖維更容易，可降低成本。四，基體類型基體炭可

14、分為熱解炭(CVD炭)、樹脂炭、瀝青炭或這幾種炭的混合，基體炭是決定炭/炭復(fù)合材料摩擦性能的重要因數(shù)。Kim等對(duì)不同基體炭的復(fù)合材料進(jìn)行了試驗(yàn)，研究了纖維-基體粘結(jié)強(qiáng)度對(duì)摩擦磨損性能的影響，認(rèn)為光滑層結(jié)構(gòu)基體的磨損率比各向同性結(jié)構(gòu)的磨損率要高，原因是基體更高程度的優(yōu)化導(dǎo)致基體與纖維的聯(lián)結(jié)更弱。Oh等也證實(shí)了這一結(jié)論。樹脂炭基體炭/炭復(fù)合材料，纖維與基體之間的結(jié)合力較弱，脆性的各向同性炭形成典型的顆粒狀磨屑，隨后被壓入摩擦表面，易形成光滑表面，使剎車效率降低，也使材料的磨損降低。純浸漬瀝青炭/炭復(fù)合材料的摩擦磨損極大，摩擦穩(wěn)定性差，磨損機(jī)制主要為磨粒磨損與氧化磨損，不適合作飛機(jī)剎車材。采用CVD

15、+浸漬熱固性呋喃樹脂工藝制備并經(jīng)過(guò)多次浸漬增密且石墨化后的材料具有優(yōu)良的摩擦磨損特性，在150N載荷5h后，體積磨損率僅為2.9110-4cm3。在RL微觀組織的炭/炭復(fù)合材料中加入適量樹脂炭，可降低成本，RL/RC能形成磨屑膜，但RC的摩擦膜在高載時(shí)有磨屑剝落。有研究表明，摩擦系數(shù)的高低與磨損沒有必然的對(duì)應(yīng)關(guān)系。Hyun-kyu研究發(fā)現(xiàn)，與真空浸漬炭化(VIC)法相比，采用壓力浸漬炭化(PIC)法制得的復(fù)合材料具有更低的摩擦系數(shù)和磨損率，曲線更平穩(wěn)，這也與炭基體的結(jié)構(gòu)有關(guān)。不僅碳纖維和復(fù)合材料的特性會(huì)影響最終復(fù)合材料的摩擦特性，而且無(wú)機(jī)添加劑加入到基體中，也會(huì)影響最終復(fù)合材料的摩擦特性。熱固

16、性樹脂炭浸漬工序中三價(jià)添加劑的加入能改善材料的石墨化度，影響其摩擦特性，其中三價(jià)硼元素的應(yīng)用比較廣泛。李崇俊進(jìn)行了大量的研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在熱固性糠酮基體炭中加入樹脂含量5%的硼，石墨化溫度可降至2000， 適當(dāng)溫度處理后，石墨化度可達(dá)80%，其原因是硼原子比碳原子小，隨著固熔體中硼含量的增加，晶體層面La增大，層間距減小，能起到催化石墨化的效果。五，熱解炭結(jié)構(gòu)熱解炭的微觀結(jié)構(gòu)可分為光學(xué)粗糙層結(jié)構(gòu)(RL)、光滑層結(jié)構(gòu)(SL)和各向同性結(jié)構(gòu)(ISO)等3種類型, 其物理性能見表1。表1 種不同結(jié)構(gòu)的熱解炭的物理性能CVD炭的微觀結(jié)構(gòu)(見圖3)不同是造成炭/炭復(fù)合材料摩擦行為差異的根本原因。粗糙層組

17、織容易石墨化，且石墨化度高，硬度低，是典型的多晶炭，較易形成穩(wěn)定、有較好塑性并致密的摩擦表面膜；光滑層組織的石墨化度低，硬度高，較難形成完整的摩擦表面膜。從微觀機(jī)制上認(rèn)為粗糙層結(jié)構(gòu)的熱解炭具有較好地摩擦性能的原因是：RL的生長(zhǎng)特征明顯，擇優(yōu)取向強(qiáng)，呈連續(xù)層狀排列；SL呈不連續(xù)生長(zhǎng)特征，組織粗糙，炭層面排列不規(guī)則，某些區(qū)域的生長(zhǎng)形態(tài)類似顆粒狀。試驗(yàn)證實(shí)高和中間織構(gòu)的RL的熱解炭具有穩(wěn)定的摩擦系數(shù)，SL的摩擦系數(shù)下降快，在超載剎車和中止起飛剎車中氧化磨損較嚴(yán)重，所以炭/炭復(fù)合材料熱解炭RL能滿足飛機(jī)剎車材料的要求。圖3熱解炭微觀結(jié)構(gòu)的偏光照片六，結(jié)語(yǔ)優(yōu)異的摩擦磨損特性、熱庫(kù)特性和高溫穩(wěn)定性等是炭/

18、炭復(fù)合材料作為飛機(jī)剎車材料的前提。炭/炭剎車盤摩擦學(xué)性能的影響因素多而且復(fù)雜，原材料的選擇、工藝、基體炭及微觀組織結(jié)構(gòu)等是決定其摩擦學(xué)性能的基本要素，如何合理配置并優(yōu)化結(jié)構(gòu)是取得良好性能的關(guān)鍵。我國(guó)對(duì)炭盤的研究起步較晚, 且原材料受制于人，與國(guó)外有很大的差距，但在近十幾年的刻苦攻關(guān)和研究中取得了突出的進(jìn)步，特別是周期大大縮短，材料的性質(zhì)大大提高。參考文獻(xiàn):1.李江鴻, 熊翔與徐惠娟, 炭/炭復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能與摩擦磨損機(jī)理的研究現(xiàn)狀. 粉末冶金材料科學(xué)與工程, 2002(03).2.黃荔海, 李賀軍與胡志彪, 石墨化度對(duì)2.5D碳/碳復(fù)合材料在低能條件下的摩擦學(xué)性能影響. 材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2005(05).3.馮志榮, 黃啟忠與鄒林華, 石墨化度對(duì)C/C復(fù)合材料摩擦性能的影響. 粉末冶金工業(yè), 2000(03).4.熊翔, 黃伯云與李江鴻, 不同剎車壓力下C/C