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.     

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。     

纤维取向对C／C复合材料滑动摩擦磨损特性的影响

采用M-2000型摩擦磨损试验机研究了干摩擦条件下纤维取向对C／C复合材料与40Cr钢摩擦副摩擦磨损特性的影响．结果表明：随着载荷增加，纤维轴向与滑动方向一致（X方向）时的摩擦系数较垂直滑动方向／摩擦表面（Y／Z方向）时的变化幅度低，X方向试样基体炭的磨屑损耗快，磨损较大；Y／Z方向试样基体炭的磨屑移动能力低，易堆积成膜，但在高载荷下纤维易被剪切．对于全光滑层热解炭材料，随着载荷增加，其X方向的磨损体积损失在0．4266～0．997mm^3之间，Y方向的磨损体积损失在0．448～1．020mm^3之间，而Z方向的磨损体积损失在0．349～1．420mm^3之间；对于全树脂炭材料，X方向的磨损体积损失随载荷增加在0．429～1．134mm^3之M波动，而Y方向的磨损体积损失在0．237～0．981mm^3之间变化．     

新型C/C-Cu复合滑动导电材料电摩擦磨损行为研究

采用无压熔渗工艺制备一种新型的具有自润滑耐磨性能的炭纤维整体织物/炭-铜(C/C-Cu)复合材料,在改装的MM-2000型环-块摩擦磨损试验机上考察其载流摩擦磨损性能,探讨外加直流电对摩擦磨损行为的影响并分析其作用机理.结果表明:电流方向决定了复合材料摩擦面磨屑层存在与否,对摩擦系数有较大影响.正接条件下复合材料的摩擦系数和磨损率高于负接条件下.电流强度对C/C-Cu复合材料磨损率影响较为显著.随电流强度增大,磨损率增大,磨损机制由犁削磨损向黏着磨损转变.摩擦系数随电流强度的增大先升高后降低.     

化学液相汽化沉积法制备炭/炭复合材料的湿态摩擦磨损性能研究

采用化学液相汽化沉积工艺制备炭/炭(C/C)复合材料,通过惯量试验机对其湿态摩擦磨损性能进行研究.结果表明:C/C复合材料的组织主要以粗糙层为主;随着热处理温度升高,复合材料的石墨化度增加,制动过程平稳,动、静摩擦系数升高,摩擦稳定性增加,在较高转速和制动压力下力矩曲线尾翘现象明显减弱;石墨化度较高试样的表面能够形成一层光滑、致密的润滑膜,从而降低其磨损率;所制备的C/C复合材料能够满足湿式摩擦材料的性能要求,并大幅度降低成本.     

刹车条件对铁基粉末冶金材料摩擦磨损性能的影响

采用粉末冶金法制备某型号飞机用铁基刹车材料,研究了刹车条件对铁基刹车材料摩擦磨损性能的影响,利用光学显微镜观察铁基刹车材料表面及其磨损表面形貌,利用X射线衍射仪分析其组织的变化情况.结果表明:随着刹车条件(单位面积吸收能量)的增加,铁基刹车材料的摩擦系数减小,磨损量增大,摩擦表面温度升高;磨损前铁基刹车材料由粗大的细片层珠光体和块状铁素体组成,随着吸收能量的增加,细片层珠光体较使用前明显增多和细化;当刹车条件从正常着陆刹车变为超载着陆刹车时,其摩擦表面Fe的高价氧化物比例增大.     

含纳微米硼酸盐和二烷基二硫代磷酸锌液体石蜡润滑下钢—钢体系的摩擦磨损性能研究

在四球试验机上考察了含纳微米硼酸盐及二烷基二硫代磷酸锌（ZDDP）复配添加剂的液体石蜡润滑下钢－钢摩擦副的摩擦学性能。采用X射线光电子能谱仪和扫描电子显微镜分析了复配体系的作用机理。结果表明：纳微米硼酸盐／ZDDP复配添加剂对钢－钢摩擦副的抗磨作用产生对抗效应，在摩擦过程中的某一阶段摩擦系数突然升高，磨损加剧；在试验初期，磨斑表面较为光滑，相应的边界润滑膜为物理和化学吸附膜；随着试验时间的延长，钢球磨斑表面吸附膜表面破裂，磨斑表面变得粗糙并形成微小磨屑碎片，相应的摩擦系数突然升高；随着试验时间的进一步延长，添加剂同钢球磨损表面发生摩擦化学反应，并生成含B、N、S和P等元素的摩擦化学反应膜，从而使摩擦系数波动减小。     

制动速度对C/C-SiC复合材料摩擦磨损性能的影响

采用模拟刹车制动方法研究"温压-原位反应法"制备的C/C-SiC复合材料在不同制动速度下的摩擦磨损性能,分别用光学显微镜和扫描电子显微镜对摩擦表面及其磨屑形貌进行观察,用X射线衍射仪分析磨屑成分.结果表明:摩擦系数随制动速度提高先升高而后降低,在制动速度为10 m/s时达到最大值0.46,且当制动速度超过20 m/s时产生高频振动;随着制动速度提高,磨屑愈被碾磨变细,且磨损量随之增大,在制动速度为28 m/s时线性磨损量急剧升至8.75 μm;C/C-SiC复合材料在中等能载(1.5 kJ/cm2)条件下具有优良的摩擦磨损性能.     

C/C复合材料及高强石墨高温摩擦磨损性能对比研究

采用MG-2000型摩擦磨损试验机对比考察了C／C复合材料及航空发动机主轴密封环拟用材料高强石墨的高温摩擦磨损行为，采用显微激光拉曼光谱仪及扫描电子显微镜分析了C／C复合材料磨损表面组成及形貌．结果表明：具有粗糙层和光滑层复合结构的C／C复合材料的高温摩擦磨损性能明显优于高强石墨材料，适合用作航空发动机主轴密封环材料；C／C复合材料的高温摩擦磨损性能取决于磨粒磨损、粘着磨损及氧化磨损的共同作用．     

碳／碳复合材料磨损表面碳结构的激光喇曼光谱分析

采用显微激光喇曼光谱及 X射线衍射考察了基体分别为沥青浸渍碳 /少量气相沉积热解碳和全部气相沉积热解碳的航空刹车用碳 /碳复合材料磨损表面碳结构的变化特征 ,并分析了引起这些变化的原因 .结果表明 ,经过 10次模拟飞机正常着陆刹车试验后 ,相对于石墨化程度各异的磨损次表层炭纤维及基体碳 ,磨损表面各处的石墨化程度及石墨微晶在 a轴方向的尺寸 La趋于均匀 .换言之 ,就复合材料磨损表面拉曼图谱上位于波数 1338.94 cm- 1 的谱峰与15 85 .2 2 cm- 1处的谱峰的积分强度比值 R的倒数 1/ R而言 ,低石墨化程度组元的 1/ R值显著升高 ,而高石墨化程度组元的 1/ R值有所降低 .磨损表面高石墨化程度组元中的石墨微晶通过转动使其 c轴沿磨损表面法线方向择优取向 ,在机械力作用下 ,石墨片层脱离、碎断 ,均匀分布于磨损表面上 .因此 ,在模拟飞机刹车过程中 ,不同结构和密度的 C/ C复合材料磨损表面形成石墨化程度相近的碳结构 ,这是导致复合材料摩擦系数对结构和密度不敏感的重要原因     

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.     

熔融渗硅法制备C/C-SiC复合材料的干态摩擦磨损行为及机制

本文以针刺炭纤维整体毡为预制体,采用化学气相渗透法和熔融渗硅法制得炭纤维增强双基体炭/碳化硅(C/C-SiC)摩擦材料;研究了C/C-SiC的干态摩擦磨损行为及机理.研究结果表明:C/C-SiC摩擦材料和30CrMoSiVA合金钢配对摩擦副制动性能稳定,当制动速度从5 000 r/min升至7 500 r/min,摩擦系数由0.33降至0.29,C/C-SiC线磨损率相应由2.01μm/次升至3.40μm/次;C/C-SiC与对偶件的摩擦是犁沟效应和黏着效应共同作用的结果,磨损是磨粒磨损、黏着磨损、氧化磨损和疲劳磨损相互作用的结果.     

炭纤维增强双基体炭/碳化硅(C/C-SiC)制动材料的性能

以针刺炭纤维整体毡为预制体,采用呋喃树脂加压浸渍、加压固化和炭化制得密度为1.45g/cm3的多孔体C/C材料,然后熔融渗硅制得密度为2.37g/cm3的炭纤维增强双基体炭/碳化硅(C/C-SiC)材料.结果表明:熔融渗硅中反应生成的SiC基体主要分布在胎网层、针刺纤维附近以及无纬布层的纤维束间;C/C-SiC材料的弯曲强度为165MPa,垂直和平行于无纬布铺层方向的压缩强度分别为210和196MPa;C/C-SiC材料的摩擦性能稳定,平均动摩擦系数为0.38,静摩擦系数为0.40,和对偶件的线磨损率分别为5.3和3.7μm/(面.次),其磨损过程是由磨粒磨损、黏着磨损和氧化磨损共同作用的结果.     

载流条件下碳纤维细编穿刺织物增强铜复合材料摩擦磨损性能研究

本文采用低压辅助熔渗法制备碳纤维细编穿刺织物增强铜(3D-Cf/Cu)复合材料,研究了载流条件下该复合材料的摩擦磨损特性.结果表明:载流条件下,由于电弧的作用,3D-Cf/Cu复合材料表面产生氧化磨损;载荷和速度一定时,随着电流的增大,3D-Cf/Cu复合材料的摩擦系数逐渐降低,磨损率逐渐增大.相同实验条件下,3D-Cf/Cu复合材料的摩擦磨损性能优于纯Cu.     

基体偏压对磁控溅射类石墨镀层摩擦磨损性能的影响

利用4靶非平衡磁控溅射离子镀技术在Si（100）和W6Mo5Cr4V2高速钢基体上沉积类石墨镀层,研究了基体偏压与类石墨镀层的显微硬度、摩擦系数、比磨损率的关系,采用扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）分析了基体偏压对镀层的表面、断面形貌及微观结构的影响.结果表明：随着基体偏压值的增大,镀层的沉积速率下降,显微硬度和结合强度先增后降,摩擦系数和比磨损率则先降后升.不同偏压对应了不同的显微结构,当基体偏压为-65 V左右,镀层具有良好的力学性能和减摩耐磨性能,对应镀层表面光滑、结构致密,断面呈细纤维结构,镀层由C、Cr和CrCx纳米晶粒组成非晶结构.     

极端环境下连续碳纤维增韧的陶瓷基复合材料的力学行为

连续纤维增韧的碳化硅复合材料(以下简称C/SiC),作为超高速飞行器热结构使用时,有可能在高温环境下受到高速撞击的作用,因此,掌握其在极端环境(高温、高应变率)下的力学性能是进行结构安全设计的基础。本文采用具有高温实验能力的分离式Hopkinson杆,在293~1273K温度范围内进行了动态压缩力学性能测试,研究了环境温度和加载速率对材料力学性能的影响。结果表明:C/SiC复合材料的高温压缩力学性能主要受应力氧化损伤和残余应力的共同影响。实验温度低于873K时,应力氧化损伤的影响很小,而由于增强纤维和基体界面残余应力的释放使界面结合强度增大,复合材料的压缩强度随温度的升高而增大;当实验温度高于873K时,应力氧化损伤加剧,其对压缩强度的削弱超过残余应力释放对强度的贡献,材料的压缩强度随温度的升高逐渐降低。由于应力氧化损伤受应变率的影响很大,当温度由873K升高至1273K时,高应变率下压缩强度降低的程度要比应变率为0.0001/s时低得多。     

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     

New Trapping Mechanism in Carbon Sequestration

The modes of geologic storage of CO₂ are usually categorized as structural, dissolution, residual, and mineral trapping. Here we argue that the heterogeneity intrinsic to sedimentary rocks gives rise to a fifth category of storage, which we call local capillary trapping. Local capillary trapping occurs during buoyancy-driven migration of bulk phase CO₂ within a saline aquifer. When the rising CO₂ plume encounters a region (10⁻² to 10⁺¹m) where capillary entry pressure is locally larger than average, CO₂ accumulates beneath the region. This form of storage differs from structural trapping in that much of the accumulated saturation will not escape, should the integrity of the seal overlying the aquifer be compromised. Local capillary trapping differs from residual trapping in that the accumulated saturation can be much larger than the residual saturation for the rock. We examine local capillary trapping in a series of numerical simulations. The essential feature is that the drainage curves (capillary pressure versus saturation for CO₂ displacing brine) are required to be consistent with permeabilities in a heterogeneous domain. In this work, we accomplish this with the Leverett J-function, so that each grid block has its own drainage curve, scaled from a reference curve to the permeability and porosity in that block. We find that capillary heterogeneity controls the path taken by rising CO₂. The displacement front is much more ramified than in a homogeneous domain, or in a heterogeneous domain with a single drainage curve. Consequently, residual trapping is overestimated in simulations that ignore capillary heterogeneity. In the cases studied here, the reduction in residual trapping is compensated by local capillary trapping, which yields larger saturations held in a smaller volume of pore space. Moreover, the amount of CO₂ phase remaining mobile after a leak develops in the caprock is smaller. Therefore, the extent of immobilization in a heterogeneous formation exceeds that reported in previous studies of buoyancy-driven plume movement.