模拟正常刹车条件下C／C复合材料的摩擦表面结构分析

采用MM-1000型摩擦磨损试验机评价粗糙层基体炭C/C复合材料在模拟正常刹车条件下的摩擦磨损性能,借助扫描电子显微镜、微区拉曼光谱仪和红外光谱仪分别研究复合材料摩擦表面的形貌、微区石墨化度及其结构,并通过热失重曲线比较摩擦前后复合材料表面在惰性气氛中的升温失重.结果表明:在模拟正常刹车试验时,C/C复合材料的摩擦系数为0.32,线性磨损量和磨损质量损失分别为0.48 μm和2.12 mg;刹车试验后,摩擦表面由纳米级粒子聚集并压制而成,且摩擦表面炭微晶结构发生变化;在暗灰色的摩擦膜区域,炭微晶的R值从摩擦前的0.207升至1.03,而在白色区域,因炭微晶的接触压力提高而发生应力石墨化,R值降至0.084;摩擦表面能够吸附更多水分,即使在惰性气氛下也比未摩擦表面的升温失重大.     

碳-碳复合材料的某些摩擦特性

用碳-布叠层进行化学气相沉积制备的碳-碳复合材料环状样品,在摩擦试验机上做的自身对摩试验,获得了线速度、压力和吸收能量对摩擦系数及磨损的关系。当刹车开始时样品的线速度在2～10m/s范围内,具有一个摩擦系数的转折区,在低速和高速时的摩擦系数均比中速时小。在低制动能刹车时的磨损比高制动能刹车时的磨损大1～2个数量级,这和碳-碳复合材料的制备工艺、材料特性以及刹车时在摩擦界面上形成石墨薄膜有关。     

耐磨碳／碳复合材料的研制及其制动性能

针对常规化学气相沉积碳／碳复合材料存在的制备周期长和工艺过程繁杂等问题，在大量试验研究的基础上，通过对常规压差法化学气相沉积工艺进行重大改进，设计出了一种新的沉积室和气体快速定向流动装置，并且配合沉积工艺参数的调整，成功地利用这种改进压差法制备出了碳／碳复合材料．利用这种方法不仅使制备周期缩短到改进前的４０％，省去了常规化学气相沉积法中反复进行的中间机械加工和高温热处理工序，而且大幅度降低了制备成本．全尺寸试样（１∶１）惯性动力试验表明，所得制品不仅具有良好的摩擦磨损性能．制动力矩－速度关系曲线平稳和磨损率低等优点，而且刹车盘表面光滑，未发现碎裂和分层等现象，符合飞机等刹车制动的使用要求     

掺Ti/Ni碳质中间相的结构及其高温摩擦性能

利用机械合金化法将金属粉Ti/Ni掺入煤焦油沥青碳质中间相中,借助X射线衍射仪分析掺入金属前后碳质中间相的结构,采用MMU-5G型高温端面摩擦磨损试验机考察不同载荷下,以掺入金属的碳质中间相为润滑油添加剂的摩擦磨损性能,用扫描电子显微镜观察磨损表面形貌,采用激光拉曼光谱仪分析磨损表面碳质材料的结构特征.结果表明:掺入金属Ti/Ni可以抑制碳质中间相因高能球磨处理引起的无定型化而起到催化石墨化作用,在较低温度下达到较好石墨化程度;采用掺入Ti/Ni的碳质中间相作为润滑油添加剂在载荷增加时,摩擦系数降低,摩擦稳定性增强,磨损程度下降,表现出良好的高温减摩抗磨性能;随着载荷增加,磨损表面碳质材料的有序程度增强,微晶石墨平面尺寸La值增大.     

不同热解炭结构的炭／炭复合材料的摩擦特性

在MM-1000型摩擦磨损试验机上，对具有光滑层和粗糙层热解炭结构的2种炭／炭复合材料进行了模拟飞机正常着陆和中止起飞条件下的摩擦磨损性能试验，用扫描电子显微镜对其磨损表面形貌进行了观察分析．结果表明：具有粗糙层热解炭结构的炭／炭复合材料在不同能载条件下具有较高的摩擦系数，刹车力矩曲线较为平稳，磨损表面形成较为连续、致密的磨屑层；具有光滑层热解炭结构的炭／炭复合材料在正常着陆条件下刹车力矩曲线波动很大，磨损较小，摩损表面形成较为粗糙的磨屑层；随着能载水平的增加(中止起飞条件)，摩擦系数显著下降，氧化磨损质量损失明显增大，温升较高，磨损表面氧化严重．具有粗糙层热解炭结构的炭／炭复合材料的摩擦性能较优，尤其是其高能摩擦特性更优，适宜用作飞机刹车材料．     

碳化物衍生碳与石墨的摩擦磨损性能比较

通过高温氯化处理工艺在SiC表面制备碳化物衍生碳涂层(CDC),考察并比较了SiC、石墨和CDC在空气中的摩擦磨损性能.结果表明:在本文试验条件下,CDC的摩擦磨损性能优于石墨,CDC的摩擦系数低于0.15;CDC在载荷5 N下的磨损率在10-15 m3/N量级,当载荷等于或低于30 N时磨损率在10-14 m3/N量级,远低于相同条件下石墨的磨损率,即使在40 N或 50 N下其磨损率仅与20 N下SiC和石墨的磨损率相当.CDC的纳米结构及涂层与基体界面组成和性能的变化是影响其摩擦磨损性能的主要因素.     

刹车速度对C／C复合材料制动摩擦性能的影响

在MM－1000型摩擦磨损试验上考察了碳布叠层结构的C／C复合材料在不同速度下的制动摩擦磨损行为,并用扫描电子显微镜观察分析了试样磨损表面形貌,结果表明：随着刹车速度的增大,摩擦系数增大,在20－25m/s速度范围出现峰值;当刹车速度增大至28－30m/s时,摩擦系数仍保持较高,体现了优良的高能摩擦特性;磨损量在低速时较小,当刹车速度大于15m/s,磨损量迅速增大,低速时磨损表面由一层薄的磨屑层所覆盖,当速度大于15m／s,大量的磨屑形成一层较厚的磨屑层,高速时由于剧烈的氧化和剪切作用,很多基质碳被氧化剥落,炭纤维被磨断、拔出,使磨损增大。     

干摩擦条件下基体粗糙度对Cr-DLC薄膜摩擦磨损性能的影响

采用磁控溅射/等离子辅助气相沉积方法在不同粗糙度样品表面制备Cr掺杂类金刚石(Cr-DLC)薄膜,研究了干摩擦条件下,基体粗糙度对Cr掺杂类金刚石薄膜摩擦磨损性能的影响.结果表明:在低表面粗糙度样品上体现了Cr掺杂类金刚石薄膜良好的自润滑特性,平均摩擦系数在0.1以下,达到了油润滑条件的摩擦水平,磨损较小,磨损表面薄膜结构完整,未出现明显石墨化转变.在高表面粗糙度样品上,样品的平均摩擦系数提高了3~4倍,磨损剧烈,基体表面磨出了明显的沟槽,与其对摩的Si_3N_4球磨损严重.     

热处理温度对添加碳化硼炭/炭复合材料摩擦磨损性能的影响

以添加碳化硼的炭纤维针刺整体毡为预制体,经化学气相渗透以及树脂浸渍/炭化混合增密制备含碳化硼C/C复合材料,通过MM-1000型摩擦磨损试验机并结合摩擦表面和磨屑形貌的扫描电子显微镜观察分析,研究了热处理温度(2 000 ℃、2 300 ℃和2 500 ℃)对含碳化硼C/C复合材料摩擦磨损性能的影响.结果表明:在2 000 ℃时,含碳化硼C/C复合材料呈现出磨粒磨损特征,其磨损相当严重,摩擦系数较高,摩擦力拒曲线翘尾严重;在2 300 ℃时,碳化硼发挥了促进石墨化的作用,使得含碳化硼C/C复合材料的石墨化度提高,在摩擦过程中摩擦表面能够形成平整而光滑的自润滑膜,材料耐磨能力明显增强,摩擦系数略有下降,制动过程平稳;在2 500 ℃时,含碳化硼C/C复合材料的石墨化度提高至97.8%,与2 300 ℃时相比,其摩擦系数和磨损量具有一定程度的增加,摩擦力矩曲线抖动加剧.     

碳含量对磁控溅射Cr／C镀层摩擦磨损性能的影响

采用磁控溅射技术在高速钢和单晶硅基体上制备Cr/C镀层,利用X射线衍射仪和X射线光电子能谱仪分析镀层结构及元素状态,采用显微硬度计测量镀层的硬度及韧性,通过销-盘式摩擦磨损试验机及光学显微镜研究镀层不同磨损阶段的磨损行为.结果表明:镀层由C、Cr及Cr3C2等相组成;随着碳含量增加,镀层的硬度从HV1 300升至HV1 900,韧性变差;与未镀层的基体相比,镀层的摩擦系数从0.70降至0.48,当碳含量为74%时,摩擦系数降至0.35;增加碳含量能够明显改善镀层的抗黏着性能,碳含量为14%及40%的镀层以严重的黏着磨损为主,而碳含量为74%镀层的黏着程度最轻,其磨损形式以黏着磨损和磨粒磨损为主.     

粘结剂特性对填充树脂复合材料摩擦学性能的影响

采用酚醛树脂、丁腈橡胶改性酚醛树脂和聚四氟乙烯（PTFE）作为粘结相,通过填充一定配比的石墨、焦炭及碳黑制备了3种树脂基复合材料电刷试样,并在MM-200型摩擦磨损试验机上对比考察了复合材料试样与铜对摩时的摩擦磨损性能,结果表明,与未改性的酚醛树脂基复合材料相比,改性酚醛树脂基复合材料由于韧性提高和硬度降低,因而磨损加剧;但相应的偶件铜环的磨损有所减轻,PTFE基复合材料具有良好的综合性能,偶件铜环的磨损亦较小,因此是一种潜在的高性能电刷复合材料。     

碳纤维增强纸基摩擦材料磨损机理研究

以碳纤维为主要增强纤维,采用湿法工艺制备出1种纸基摩擦材料.研究了不同制动次数条件下样品的摩擦磨损行为,通过分析不同制动次数后样品磨损表面的粗糙度特征、三维轮廓形貌、微观形貌和热失重过程,探讨了碳纤维增强纸基摩擦材料的磨损机理.结果表明：随着制动次数的增加,磨损表面粗糙度大幅度降低,材料磨损过程经历了从＂跑合磨损＂到＂稳定磨损＂的转变;材料在磨损过程中微凸体逐渐被磨平,孔隙逐渐被填充,表现出疲劳磨损的特征;磨损后样品表层的热重曲线在320～450℃之间出现了新的剧烈失重峰,表明产生了热磨损;但是磨粒磨损的特征并不明显.     

钛硅多元掺杂类金刚石薄膜在不同气氛环境下的摩擦学性能研究

采用中频磁控溅射技术在单晶硅表面制备了钛硅多元掺杂的含氢类金刚石薄膜. 在球-盘摩擦试验机上考察了不同气氛环境对薄膜摩擦学性能的影响. 利用扫描电子显微电镜和拉曼光谱分析了磨损表面形貌和转移层结构, 探讨了薄膜的摩擦磨损机理. 结果表明:薄膜在真空和氮气环境下摩擦系数较小、磨损率低,表现为磨粒磨损;在氧气和高湿度大气环境下摩擦系数较大、磨损率高,表现为黏着磨损;在低湿度空气环境下薄膜摩擦系数最低,表现为磨粒磨损和黏着磨损混合磨损机理;转移层发生摩擦诱导石墨化和聚乙炔链C=C键双氢化两种摩擦化学过程.     

纳米碳管/铝基复合材料的制备及摩擦磨损性能研究

利用粉末冶金法制备纳米碳管/铝基复合材料,研究不同纳米碳管含量对复合材料硬度和稳态摩擦磨损行为的影响,采用扫描电子显微镜观察复合材料的磨损表面形貌,并对其磨损机制进行探讨.结果表明:随着纳米碳管质量分数的增加,复合材料的硬度呈现先增大而后减小的趋势,含质量分数为2%的纳米碳管复合材料硬度比铝增加约80%;复合材料的摩擦系数逐渐降低,磨损率先减小而后增大;含质量分数为1%的纳米碳管复合材料磨损机制为磨粒磨损和粘着磨损,而含质量分数为2%的纳米碳管复合材料以剥层磨损和疲劳磨损为主.     

温度对Cu-12.5Ni-5Sn-石墨自润滑复合材料摩擦学性能的影响

采用粉末冶金方法制备出了Cu-12.5Ni-5Sn-石墨自润滑复合材料，通过改变石墨的含量来研究该复合材料的力学性能和在不同摩擦试验温度下的摩擦磨损性能，采用SEM和Raman分析磨损表面，进而讨论复合材料的摩擦、磨损和润滑机制. 结果表明:复合材料的硬度和屈服强度随着石墨含量的增加而逐渐降低；温度对不同石墨含量的复合材料的摩擦磨损性能有显著的影响，在室温下，石墨质量分数为1%和3%的石墨复合材料的摩擦系数和磨损率明显小于5%石墨复合材料；在300 ℃下，石墨质量分数为3%时，复合材料的摩擦磨损性能最好；在500 ℃下，石墨质量分数为5%的石墨复合材料的摩擦磨损性能最好. 在室温下，复合材料具有较好自润滑性的主要原因是形成了几乎光滑连续的石墨润滑膜. 在300和500 ℃下，由金属氧化物和石墨组成的混合物润滑膜是复合材料保持自润滑性的主要原因.      

PAN炭纤维预制体对C/C复合材料滑动摩擦磨损行为的影响

以二维平纹编织叠层炭纤维坯体(2D)、二维无纬布/炭毡混合叠层针刺毡坯体(2DN)、三维正交编织炭纤维坯体(3D)为预制体,采用化学气相渗透结合树脂浸渍炭化技术进行增密,制备了4种C/C复合材料.在室温干态条件下测试4种C/C复合材料与表面镀Cr的40Cr钢配副时的滑动摩擦行为.结果表明:在试验载荷下,采用2D坯体增强的C/C复合材料摩擦系数最高;随载荷增加,其摩擦系数和磨损体积的波动幅度最大,分别为0.17和1.22mm3;采用2DN坯体的2种C/C复合材料摩擦系数较低,在0.13～0.17之间,且随时间延长呈下降趋势;其余2种坯体的C/C复合材料摩擦系数则上升.4种材料摩擦系数的波动幅度均逐渐降低.SEM观察表明:采用2D坯体C/C复合材料在低载荷下的摩擦表面粗糙,充满磨屑,高载荷下能形成了较松散的摩擦膜.而采用2DN、3D坯体的C/C复合材料摩擦表面部分形成了较完整、致密的摩擦膜,部分呈现显著的纤维磨损和摩擦膜大块剥落形貌.     

掺W类金刚石薄膜的高温摩擦学行为

采用阳极层流型离子源结合非平衡磁控溅射技术制备了含氢掺钨类金刚石(W-DLC)薄膜,利用TEM、SEM、XRD、Raman光谱仪和摩擦磨损试验机等方法分析了薄膜的结构、形貌以及在高温下的摩擦学性能,探讨了W-DLC薄膜在高温下摩擦磨损行为作用机理.结果表明:W-DLC薄膜中钨原子以WC1-x纳米晶团簇的形式随机分布于碳基质中,增强了薄膜的韧性.W-DLC薄膜在25~200℃范围内的摩擦系数可稳定在0.1以下,在300℃时的摩擦系数则高达0.5,当试验温度进一步升高到400℃时,薄膜的摩擦系数反而降低至0.3左右,当试验温度升高到500℃时,W-DLC薄膜中的W被氧化生成WO_3和摩擦诱导生成的石墨共同作用,使得薄膜的摩擦系数降到0.15左右,说明W-DLC薄膜在高温下仍然具有优异的减摩特性.然而,W-DLC薄膜的磨损率在25~500℃范围内表现出随着温度的升高而不断增大的趋势.     

碳纤维毡增强铝基复合材料的摩擦磨损性能研究

采用压挤渗透工艺制备了新型碳纤维毡增强铝基复合材料,在MG－2000型高速高温摩擦磨损试验机上考察了其摩擦磨损性质,结果表明：碳纤维毡增强铝基复合材料的摩擦磨损特性明显估于基体合金;复合材料经历由稳定磨损向严重磨损的转化;在稳定磨损阶段,复合材料的磨损表面存在由金属氧化物和碳膜共同构成的复合固体润滑膜,从而有效地改善复合材料的摩擦磨损性能。     

石墨改性碳布复合材料湿式摩擦磨损性能研究

采用树脂浸渍工艺制备了石墨质量分数0%～20%的5种碳布复合材料.借助扫描电镜和湿式摩擦试验机,研究了石墨含量对其表面形貌和摩擦磨损性能的影响.实验结果表明:石墨的固体润滑作用,主要造成了制动过程中动摩擦力矩的下降,而对锁止静摩擦力矩的影响却很小;石墨可以明显降低复合材料的动摩擦系数,并有助于提高动摩擦系数的稳定性;石墨的加入有效降低了碳布复合材料和对偶的磨损率,当石墨含量为15%时复合材料的磨损率最低.引入稳定系数对动摩擦系数的稳定性进行了定量分析,当石墨含量为10%时复合材料的动摩擦系数稳定性最好.