短炭纖維增強C_C_SiC制動材料的摩擦磨損性能_圖文

1、第17卷第8期中國有色金屬學報2007年8月V ol.17 No.8The Chinese Journal of Nonferrous Metals Aug. 2007文章編號:1004-0609(200708-1260-06短炭纖維增強C/C-SiC制動材料的摩擦磨損性能楊陽,熊翔,肖鵬,曠文敏,姜四洲(中南大學粉末冶金國家重點實驗室,長沙 410083摘要:采用溫壓原位反應法制備C/C-SiC復合材料,利用QDM150型摩擦試驗機研究短炭纖維(SCF長度和纖維體積分數(shù)對C/C-SiC制動材料摩擦磨損性能的影響。結果表明:C/C-SiC制動材料能夠保持較高且穩(wěn)定的摩擦因數(shù);SCF的體積分數(shù)將

2、影響C/C-SiC制動材料的摩擦磨損性能,纖維體積分數(shù)為10%時,材料具有適中的摩擦因數(shù)和較低的磨損率;SCF長度對C/C-SiC制動材料的摩擦磨損性能有顯著影響,炭纖維長度為12 mm時,材料具有最佳的摩擦磨損性能。關鍵詞:短炭纖維;C/C-SiC復合材料;摩擦磨損中圖分類號:TP 332文獻標識碼:AFriction and wear properties of short carbon fiber reinforcedC/C-SiC braking materialsYANG Yang, XIONG Xiang, XIAO Peng, KUANG Wen-min, JANG Si-zho

3、u(State Key Laboratory of Powder Metallurgy, Central South University, Changsha 410083, ChinaAbstract: C/C-SiC composites were manufactured by warm compactedin suit reacted process. The influence of short carbon fiber length and content on the friction and wear behaviors of C/C-SiC composites was in

4、vestigated using QDM150 wear tester. The results show that C/C-SiC composites can keep high and stable friction coefficient. The friction and wear behaviors of C/C-SiC composites are affected by carbon fiber content. When the volume fraction of fiber is 10%, the material has moderate friction coeffi

5、cient and lower wear rate. The length of carbon fibers significantly influences the friction and wear behaviors of C/C-SiC composites. When the length of carbon fiber is 12 mm, the material has the best friction and wear properties.Key words: short carbon fiber; C/C-SiC composite; friction and wearC

6、/C-SiC復合材料具有密度低(約2.0 g·cm3、耐磨性好、制動平穩(wěn)、抗腐蝕、耐高溫、環(huán)境適應性強和壽命長的優(yōu)點13,是一種有著廣闊應用前景的制動材料,可應用于航空航天、車輛工程、機械工程等領域45。目前,國內外研究工作者對連續(xù)纖維增強C/C-SiC復合材料進行了深入的研究,而對短炭纖維增強C/C-SiC復合材料的報道則相對較少68。與連續(xù)纖維復合材料相比,短纖維增強C/C-SiC復合材料具有制備周期短,節(jié)約能源,易于實現(xiàn)近凈成形等優(yōu)點;而且以短炭纖維代替連續(xù)纖維編制體可大大降低原料成本,是目前最具成本優(yōu)勢的制備方法,在汽車等民用領域有著廣闊的應用前景910。影響C/C-SiC制

7、動材料摩擦磨損性能的因素很多,不僅與制動條件有關,而且與材料各組元含量及組元本身特性密切相關1113。而復合材料中纖維長度及纖維體積分數(shù)直接影響材料的摩擦磨損性能,本文作者以短炭纖維、硅粉、炭粉和粘結劑為原料,通過溫壓原位反應法制基金項目:國家高技術研究發(fā)展計劃資助項目(2006AA03Z560; 湖南省杰出青年科學基金資助項目(06JJ1007 收稿日期:2006-12-28;修訂日期:2007-05-25通訊作者:肖鵬,教授,博導;電話 E-mail: xiaopeng第17卷第8期楊陽,等:短炭纖維增強C/C-SiC制動材料的摩擦磨損性能1261備C/C-Si

8、C復合材料,研究短炭纖維長度、纖維體積分數(shù)對C/C-SiC制動材料摩擦磨損性能的影響,以期優(yōu)化復合材料的成分配方,從而更加有效地控制材料的性能,為高性能C/C-SiC制動材料的工程化打下一定的技術基礎。1實驗1.1 試樣的制備短纖維為東麗T700炭纖維,長度212 mm;硅粉純度99.3%,粒度約50 µm;炭粉粒度75 µm;采用樹脂作為粘結劑。將硅粉、炭粉、短炭纖維和粘結劑按一定比例均勻混合,約180 溫壓成形后,在1 450 通過原位反應在坯體中生成SiC最終制得C/C-SiC復合材料,工藝流程如圖1所示。為了研究纖維長度和纖維體積含量對C/C-SiC制動材料摩擦磨損

9、性能的影響,制備了7組試樣。其中13號試樣均采用長8 mm的炭纖維,體積分數(shù)分別為5%、10%和15%;而47號試樣具有相同的纖維體積分數(shù)(15%,長度分別為2、5、8 和12 mm。1.2性能測試根據(jù)汽車用制動器襯片國家標準GB576386,摩擦磨損測試在QDM150型定速摩擦試驗機上進行,采用盤塊接觸形式,偶件為d 300 mm的圓盤,材質為灰鑄鐵,試樣尺寸為:25 mm×25 mm×10 mm,以25 mm×25 mm面作為摩擦面。實驗條件:圓盤轉速500 r/min;壓緊力0.98 MPa;總轉數(shù)5 000 r;測試溫度100 恒溫。試樣沖擊強度測試采用擺

10、錘式?jīng)_擊試驗機,試樣尺寸為 55 mm×10 mm×10 mm,其計算公式如下:bhA=k(1 式中a k為沖擊韌性,kJ/m2;A 為擊斷試樣所消耗的沖擊功,kJ;b為試樣的寬度,m;h為試樣的厚度, m。采用金相顯微鏡對材料摩擦表面進行微觀分析,用D/MAX2550BV+18kW型X射線衍射分析儀檢測磨屑物相,并利用JSM6360LV型掃描電鏡對磨屑形貌進行觀察分析。2結果與分析2.1炭纖維含量的影響隨炭纖維含量的增加,材料摩擦磨損性能的變化如表1所示。從表1可以看出:纖維體積分數(shù)對材料的摩擦因 圖1 C/C-SiC復合材料制備工藝流程圖Fig.1Preparation

11、 process of C/C-SiC composite表1不同炭纖維含量材料的摩擦磨損性能Table 1Tribological properties of C/C-SiC composite with different contents of carbon fiberSample No. V olume fraction of C fiber/% Temperature/µ /g /mm w/(107cm3·N1·m1 k/(kJ·m21 5 1000.5850.350.1540.5992.382 10 1000.5910.280.0910.34

12、92.853 15 1000.5700.320.1160.4422.63 µAverage friction coefficient; Average mass loss of wear; Average dimension of wear; wWear ratio; kImpacttoughness中國有色金屬學報 2007年8月1262數(shù)影響相對較小,而對材料磨損率的影響較大。隨著炭纖維體積分數(shù)的增加,材料沖擊強度和摩擦因數(shù)先增后減,而磨損率先減后增,體積分數(shù)為10%的2號試樣具有最佳的摩擦性能,摩擦因數(shù)為0.591,磨損率最低,為0.349×107 cm3·

13、N1·m1。各試樣的摩擦表面形貌如圖2所示,可以看出,3種試樣摩擦表面區(qū)別不大,試樣表面均形成了一定的摩擦膜,在摩擦表面彌散分布,但形成的摩擦膜不連續(xù)。 圖2摩擦表面的SEM形貌Fig.2 SEM photographs of friction surface: (a Sample 1;(b Sample 2; (c Sample 3不同試樣磨屑的SEM形貌如圖3所示,可以看出,試樣的磨屑粒徑大小不一,主要為顆粒狀與片狀。3號試樣的磨屑中有少量剪斷的纖維存在,說明試樣在摩擦過程中,隨著纖維體積分數(shù)的增加,有少量的 圖3不同試樣磨屑的SEM形貌Fig.3SEM photographs

14、of wear debris of different samples: (a Sample 1; (b Sample 2; (c Sample 3纖維被剪切剝離下來,在摩擦剪切力的作用下被剪斷形成磨屑。其中大塊的絮狀物質經(jīng)能譜分析為Fe的氧化物,認為是材料硬質相壓入鋼對偶犁溝切削形成的鐵屑在高溫下氧化所致。對于短纖維增強復合材料,纖維體積分數(shù)有1個最佳值。一般認為:纖維量過少,纖維間距就會較大,對基體強化效果很小,甚至不起強化作用,反而成為雜質,造成弱化。肖鵬等12指出,當復合材料中纖維間距大于0.8 mm時,基體實際上得不到強化。因此,在基體中纖維必須有足夠高的體積分數(shù)。材料在與對偶件的摩

15、擦過程中,增強纖維將被剝離、拉拔和剪切,因而提供一定的摩擦力矩。當材料中纖維含量較低時,隨著纖維含量的增加,增強纖維提供的摩擦力矩增大,摩擦因數(shù)也隨之提高;同時,隨著纖維的增多,在基體中均勻分布,其增強效果能更好地體現(xiàn),這也有利于降低材料的磨損率。但當纖維含量超過一定限度時,由于炭纖維本身具有“亂層石第17卷第8期楊陽,等:短炭纖維增強C/C-SiC制動材料的摩擦磨損性能1263墨”結構,表現(xiàn)出良好的自潤滑和減摩性能。因此,隨著炭纖維體積分數(shù)的繼續(xù)增大,摩擦因數(shù)將會有所下降;同時由于纖維和其他組分之間是依靠樹脂等膠粘劑粘合,樹脂含量不變,當炭纖維體積分數(shù)增大時,粘結劑的含量相對減少,纖維與基體

16、之間的粘結力將會下降,纖維更容易被剝離和拉拔,摩擦時纖維層也容易發(fā)生層間剝落,導致磨損率增大15;另外,纖維體積分數(shù)過大,混料時纖維容易團聚在一起,不易與其他組分混合均勻,致使摩擦性能不穩(wěn)定,磨損率增大。2.2炭纖維長度的影響取炭纖維長度分別為2、5、8和12 mm進行摩擦實驗,結果如表2所示。由表2可以看出,隨著炭纖維長度的增加,摩擦因數(shù)緩慢增大,材料的沖擊強度也隨之增大,而材料的磨損率遞減。纖維長度為12 mm的7號試樣具有最佳的摩擦磨損性能,摩擦因數(shù)為0.582,磨損率為0.357×107 cm3·N1·m1。圖4所示為各試樣的摩擦表面形貌。由圖4可以看出,

17、各試樣摩擦表面類似,均形成了不連續(xù)的摩擦膜,說明纖維長度對材料摩擦過程中摩擦膜的形成影響不大。各試樣磨屑的SEM形貌如圖5所示。由圖5可見,當纖維長度從2 mm增加到12 mm時,磨屑變化不大,均以顆粒狀與片狀磨屑為主,并夾雜有大塊絮狀鐵氧化物。在短炭纖維增強復合材料中,纖維長度對復合材表2不同炭纖維長度下材料的摩擦磨損性能Table 2Tribological properties of C/C-SiC composite with different lengths of carbon fiberSample No. C fiber length/mm Temperature/µ

18、 /g /mm w/(107cm3·N1·m1 k/(kJ·m24 2 1000.5660.510.2360.9422.205 5 1000.5680.350.1360.5292.456 8 1000.5700.320.1160.4422.637 12 1000.5820.290.0930.3572.96 圖4試樣摩擦表面的SEM形貌Fig.4SEM photographs of friction surfaces of samples: (a-Sample 4; (b-Sample 5; (c-Sample 6; (d-Sample 7中國有色金屬學報 2007

19、年8月 1264圖5 不同試樣磨屑的SEM 形貌Fig.5 SEM photographs of wear debris of different samples: (a Sample 4; (b Sample 5; (c Sample 6; (d Sample 7料有一定的影響。由纖維臨界強度理論可知,只有當炭纖維的長度大于臨界纖維長度 l c 時,即能夠達到最大纖維應力的最小長度時,纖維才能發(fā)揮其增強增韌的作用。根據(jù)纖維臨界長度計算公式:i f c 2d l = (2式中 l c 為纖維的臨界長度;f 為炭纖維拉伸強度;i 為阻止纖維拔出的剪切應力;d 為纖維直徑。在短炭纖維增強碳化硅基復

20、合材料中16,一般取f =5 GPa ,i =20 MPa ,d =7 µm ,得到l c =0.875 mm ,即只要短炭纖維的長度不小于0.875 mm ,就能發(fā)揮其增強增韌作用。實驗所選取炭纖維長度均大于l c ,從理論上講,都能充分發(fā)揮炭纖維的增強作用,而纖維的增強作用可用增強系數(shù)K 來表達17,即S c =KS f f +S m m (3式中 S f ,S m ,f ,m 分別代表纖維、樹脂的強度和體積分數(shù),在S f ,S m ,f ,m 一定的前提下,復合材料的強度S c 取決于增強系數(shù) K 。K 值的大小與纖維長度有關,纖維長度越長,K 值越大,S c 越大。因此,在保

21、證纖維長度大于臨界纖維長度l c 的前提下,盡量使纖維有較大的長徑比,以最大限度地發(fā)揮纖維的增強作用。即纖維長度越長,其增強增韌作用越明顯。因此,相應材料的沖擊強度也越高,而強度的提高則有利于提高材料的摩擦因數(shù),降低磨損率。當纖維長度l >10l c 時,短纖維復合材料的強度趨近于具有相同體積分數(shù)的連續(xù)纖維復合材料。因此,從理論上說,當采用的短炭纖維長度超過8.75 mm 時,其制備材料的強度將接近于連續(xù)纖維增強的復合材料。另外,炭纖維具有高比強度和比模量,在滑動過程中不易折斷。不同長度炭纖維對應的摩擦材料的摩擦因數(shù)和磨損率主要取決于炭纖維與基體的界面結合強度,在炭纖維體積分數(shù)一定的情況

22、下,較長的炭纖維表面積較大,與基體接觸面積大,結合強度高。因此,相應的增強材料具有較高的摩擦系數(shù)和較低的磨損率。3 結論1 定速摩擦實驗中,C/C-SiC 制動材料能夠保持較高且穩(wěn)定的摩擦因數(shù)。2 SCF 體積分數(shù)對C/C-SiC 制動材料的摩擦磨損性能有顯著的影響,隨炭纖維體積分數(shù)的增加,材料摩擦因數(shù)先升后降而磨損率先降后升。當纖維體積分數(shù)為10%時,材料具有綜合的摩擦磨損性能,摩擦因數(shù)為0.591,磨損率為0.349×107cm 3·N 1·m 1,達到我國國家標準的要求。3 SCF 長度影響C/C-SiC 制動材料的摩擦磨損性第 17 卷第 8 期 楊 陽，

23、等：短炭纖維增強 C/C-SiC 制動材料的摩擦磨損性能 1265 能，在本實驗中，炭纖維長度為 12 mm 的材料具有最 佳的摩擦磨損性能。 REFERENCES 1 Krenkel H. Development of CC-SiC brake pads for high performance elevatorsJ. Applied Ceramic Technology, 2005, 2(2: 105113. 2 3 Krenkel W, Henke T. Design of high performance CMC brake discsJ. Key Engineering Materi

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