国外C／C复合材料摩擦学的研究现状

综合评述了与C/C复合材料有密切联系的炭-石墨材料的摩擦磨损行为以主国外C/C复合材料的摩擦学研究现状,指出关于C/C复合材料摩擦磨损机理及其影响因素的研究仍不完善,并提出了进一步研究中值得重点关注的课题。     

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．     

石墨对三氧化二铝/铜金属陶瓷复合材料摩擦磨损性能的影响

采用粉末冶金技术制备了Al2O3／Cu石墨复合材料；采用MM-200型摩擦磨损试验机考察了石墨对Al2O3／Cu基金属陶瓷复合材料摩擦磨损性能和硬度的影响；采用扫描电子显微镜分析了复合材料磨损表面形貌．结果表明：Al2O3／Cu基复合材料的摩擦系数随石墨含量的增加而降低，当石墨含量大于1.0％后，摩擦系数降低明显；当石墨含量低于3％时，Al2O3／Cu基复合材料的磨损体积损失随石墨含量的增加而降低；当石墨含量低于2．0％时，石墨对Al2O3／Cu基复合材料的硬度无明显影响；当石墨含量超过3．0％后，Al2O3／Cu基复合材料的硬度随石墨含量的增加迅速降低；此外，石墨使得Al2O3／Cu基复合材料磨损表面的微裂纹减少、裂纹长度缩短；当石墨含量达到2．5％时，复合材料磨损表面微裂纹消失．这是由于石墨在磨损表面形成固体润滑膜，从而降低摩擦力并减少裂纹源所致．     

航空发动机材料摩擦学研究进展

机械产品中的摩擦磨损问题不可避免，且严重影响装备性能与寿命可靠性。航空发动机是飞机的心脏，针对该类复杂机械产品的摩擦磨损问题更应得到高度重视.通过材料摩擦学行为调控，可有效减轻或排除航空发动机中的摩擦磨损问题，大幅抑制发动机功能精度衰减，提高其寿命稳定性.为系统有序地开展航空发动机材料摩擦学研究，在本文中以典型三代涡扇发动机为例，按冷端至热端结构顺序，阐述进气道、风扇、中介机匣、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷口等关键部位涉及摩擦磨损部件及材料的摩擦学服役工况、主要磨损类型和磨损机制.结合发动机整机故障分析结果，有针对性的选择4种具有代表性的航发材料作为摩擦学重点研究对象，即叶片尖端与封严涂层的高速刮擦、主轴轴承滚动接触疲劳与滑擦损伤、钛合金叶片的微动损伤、动密封装置中石墨的摩擦磨损及其寿命评价台架试验.从材料摩擦学损伤演变规律、磨损机制、耐磨功能设计和表面改性等角度综述国内外研究进展，提出航发材料摩擦学研究技术路线，即从材料级摩擦磨损实验复现航发零件磨损失效特征出发，实现基于摩擦学行为调控原理获得材料耐磨减摩功能化改进，最终采用模拟工况摩擦学实验台架验证新材料摩擦磨损性能.此外，针对新一代...     

C/C复合材料微观结构对其制动摩擦磨损性能的影响

采用透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)等手段研究了基体炭分别为树脂炭和粗糙层热解炭结构的C/C复合材料的微观结构,并探讨了材料的微结构对其制动摩擦磨损性能的影响.结果表明:炭纤维附近的树脂炭被高度石墨化,导致树脂炭样件具有适当、稳定的摩擦系数;树脂炭片层之间存在明显的裂纹,远离炭纤维的树脂炭仍是各向同性结构,容易被剪切力剪断,产生大量碎屑,破坏了摩擦动态平衡,磨损量大是制约其作为优良制动摩擦材料的关键因素.     

环境气氛对C/C复合材料载流摩擦学性能的影响

在HST-100销盘式高速载流摩擦磨损试验机上,以电流、速度、载荷为试验参数对C/C复合材料/QCr0.5摩擦副进行载流摩擦磨损试验,分别分析空气、氮气对C/C复合材料磨损率和摩擦系数的影响.试验结果表明:相较于空气气氛,氮气气氛下摩擦系数较高,磨损率较低.通过扫描电子显微镜和能谱仪对不同气氛下材料磨损表面形貌和成分进行观察,从微观上解释了两种气氛对C/C复合材料磨损率和摩擦系数的作用机理.     

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.     

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.     

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.     

全配方合成油SJ／CF／5W—30的摩擦炭化及其摩擦学特性的关联

在SRV微动磨损试验机上，采用阶梯升温方式研究了全配方汽油发动机油SJ／CF／5W－30对几种不同摩擦副的润滑作用，并采用激光拉曼分子光谱仪分析了润滑油的摩擦炭化行为。结果表明：在连续升温的摩擦磨损过程中，摩擦系数曲线出现明显波谷，且波谷现象随摩擦副材料类型 的不同而不同，其中钼合金喷涂层／铸铁摩擦副的波谷现象最为显著。通过对润滑油摩擦炭化物进行激光拉曼光谱分析发现，其G线峰位、峰宽以及石墨微晶尺寸（La)均同摩擦副材料类型相关；炭化物石墨微晶尺寸（La)同波谷处摩擦系数亦存在对应关系；其中钼合金喷涂层－铸铁摩擦副对应的润滑油摩擦炭化产物的石墨微晶尺寸最大，相应的波谷处摩擦系数最低。     

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.     

碳纤维增强聚醚砜复合材料的摩擦磨损性能研究

利用销－盘磨擦磨损试验机考察了聚醚砜及其复合材料在干滑动摩擦条件下的摩擦磨损性能。结果表明：碳纤维使聚醚砜的摩擦磨损性能得到明显的改善,春改善程度同碳纤维的长度和体积分数相关;当碳纤维的体积分数约为１５％时,聚醚砜复合材料的摩擦系数及比磨损率最低;添加固体润滑剂可以使复合材料的摩擦磨损性能得到进一步改善;随着温度及外载荷的变化,摩擦系数及比磨损率表现出不同的变化趋势。     

AZ91镁合金及其Al2O3纤维-石墨颗粒混杂增强复合材料的滑动摩擦磨损性能研究

利用挤压铸造法制备了单-A12O3短纤维增强及A12O3短纤维一石墨(Gr)颗粒混杂增强AZ91镁合金复合材料，考察了镁合金及其复合材料的滑动摩擦磨损性能．结果表明，复合材料的耐磨性能优于基体合金，其中单一A12O3短纤维增强复合材料的耐磨性能更优，而混杂Gr颗粒的复合材料在磨损表面不能形成自润滑薄膜，故不能改善镁基复合材料在滑动干摩擦条件下的摩擦磨损性能．基体合金和单一A12O3短纤维增强复合材料的主要磨损机制为犁削磨损，而A12O3-Gr颗粒混杂增强复合材料的主要磨损机制为犁削和剥层破坏．     

青铜—石墨复合材料在干摩擦和水润滑下的摩擦磨损性能及磨损机理研究

对比考察了青铜 -石墨复合材料在水润滑和干摩擦两种状态下的摩擦磨损性能及磨损机理 .结果表明 :水润滑下青铜 -石墨复合材料的磨损率明显比干摩擦下的小 ,其最小磨损率为 1.0 1× 10 -6mm3 /N·m ,而摩擦系数比干摩擦下的大 ,复合材料在干摩擦下的磨损机理主要为粘着磨损、剥层磨损和犁削 ,磨损较严重 ;而在水润滑下 ,复合材料的磨损机理主要为磨粒磨损和疲劳磨损 ,磨损较小 .这是因为水有利于降低摩擦副接触表面的温度 ,有效地抑制了基体青铜的转移 ;同时水促进了不锈钢偶件的氧化 ,形成薄而致密氧化膜 ,从而降低了磨损     

聚丙烯和二硫化钼对超高分子量聚乙烯复合材料摩擦磨损性能的影响

采用模压法制备了聚丙烯(PP)和MoS2填充超高分子量聚乙烯(UHMWPE)复合材料;在MM-200型摩擦磨损试验机上考察了UHMWPE/PP/MoS2复合材料的摩擦磨损性能;采用扫描电子显微镜观察分析复合材料磨损表面形貌.结果表明:单独添加MoS2可以提高UHMWPE的抗磨性能,但摩擦系数增大、力学性能降低;而采用PP和MoS2对UHMWPE进行改性可以显著改善加工性能;72.7%UHMWPE/18.2%PP/9.1%MoS2三元复合材料的加工性能、承载能力和长时抗磨性能明显优于UHMWPE;UHMWPE主要发生粘着磨损和疲劳磨损;而72.7%UHMW-PE/18.2%PP/9.1%MoS2三元复合材料在相同试验条件下同钢对摩时仅发生轻微塑性变形.     

纳米Si_3N_4填充聚双马来酰亚胺摩擦磨损性能研究

采用浇铸成型法制备纳米 Si3 N4颗粒填充聚双马来酰亚胺复合材料 ,考察了纳米 Si3 N4质量分数分别为 0 .5 %、1.0 %、1.5 %及 2 .0 %的复合材料的摩擦学性能 ,并用扫描电子显微镜对磨损表面形貌和磨屑进行了分析 .结果表明 ,纳米 Si3 N4颗粒对聚双马来酰亚胺的摩擦磨损性能具有明显的改性作用 ,尤其是当纳米 Si3 N4的质量分数为 1.5 %时 ,复合材料的摩擦磨损性能最佳 ,摩擦系数降为 0 .2 5 ,磨损率降低 72 %     

WSi_2/MoSi_2复合材料的摩擦磨损特性

选用 MM- 2 0 0型摩擦磨损试验机测定了不同载荷条件下 WSi2 /Mo Si2 复合材料与 45 #钢配副的干摩擦磨损性能 ,采用扫描电子显微镜和 X射线衍射仪分析讨论了其磨损机理 .结果表明 :WSi2 /Mo Si2 复合材料在高于 80 N载荷条件下具有比较稳定的摩擦磨损性能 ;在 85～ 1 3 5 N范围内其摩擦磨损性能优于 Mo Si2 材料 .WSi2 /Mo Si2 复合材料的磨损机理表现为脆性断裂和粘着磨损     

纤维增强铸型尼龙在水润滑条件下的摩擦磨损性能研究

考察了玻璃纤维和碳纤维增强MC尼龙在水润滑条件下的摩擦磨损特性,并借助扫描电子显微镜和表面形貌仪分析了磨损机理。结果表明：在水润滑条件下,纤维增强MC尼龙的摩擦系数比干摩擦下的低,耐磨性优于未增强的基体材料;其中碳纤维增强MC尼龙比玻璃纤维增强MC尼龙具有更低的摩擦系数和更高的耐磨性能;碳纤维增强MC尼龙的磨损机理主要是粘着转移,同时伴有犁削作用,而玻璃纤维增强MC尼龙的磨损机理主要是犁削作用。     

油润滑条件下弹性金属塑料复合材料的摩擦磨损特性研究

在MPA－2000型盘销式摩擦磨损试验机上评价了油润滑条件下弹性金属塑料复合材料与钢对摩时的摩擦学特性,用扫描电子显微镜观察试样磨损表面形貌并分析其摩损机理,并在试验基础上建立了弹性金属塑料材料与钢对摩时的等摩损率图。结果表明：在低载荷条件下摩擦系数较高,随着载荷数升高摩擦系数降低;当滑动速度小于3．52m/s时,摩擦系数基于稳定在0．030;弹性金属塑料材料的磨损率随滑动速度和载葆的升高而增加,结合等磨损率图分析发现,当载荷小于1515N而滑动速度小于3．52m/s时,弹性金属塑料复合材料的磨损率相对较低;当滑动速度泪地3．52m/s时,弹性金属材料的磨损机理以微切削、挤压变形和犁沟磨损为主,在摩擦副两表面形成转移－依附物;当滑动速度为5．24m/s时,弹性金属塑料材料的磨损以表层软化和熔融为主要特征,所建立的等磨损率图对弹性金属塑料材料的使用有一定的指导作用。