短炭纖維增強(qiáng)C_C_SiC制動材料的摩擦磨損性能

1、第17卷第8期中國有色金屬學(xué)報(bào)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(qiáng)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(xué)粉末冶金國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長沙 410083摘要:采用溫壓原位反應(yīng)法制備C/C-SiC復(fù)合材料,利用QDM150型摩擦試驗(yàn)機(jī)研究短炭纖維(SCF長度和纖維體積分?jǐn)?shù)對C/C-SiC制動材料摩擦磨損性能的影響。結(jié)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?jǐn)?shù)將

2、影響C/C-SiC制動材料的摩擦磨損性能,纖維體積分?jǐn)?shù)為10%時(shí),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(shí),材料具有最佳的摩擦磨損性能。關(guān)鍵詞:短炭纖維;C/C-SiC復(fù)合材料;摩擦磨損中圖分類號:TP 332文獻(xiàn)標(biāo)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(fù)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(yīng)性強(qiáng)和壽命長的優(yōu)點(diǎn)13,是一種有著廣闊應(yīng)用前景的制動材料,可應(yīng)用于航空航天、車輛工程、機(jī)械工程等領(lǐng)域45。目前,國內(nèi)外研究工作者對連續(xù)纖維增強(qiáng)C/C-SiC復(fù)合材料進(jìn)行了深入的研究,而對短炭纖維增強(qiáng)C/C-SiC復(fù)合材料的報(bào)道則相對較少68。與連續(xù)纖維復(fù)合材料相比,短纖維增強(qiáng)C/C-SiC復(fù)合材料具有制備周期短,節(jié)約能源,易于實(shí)現(xiàn)近凈成形等優(yōu)點(diǎn);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(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)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(guān),而且與材料各組元含量及組元本身特性密切相關(guān)1113。而復(fù)合材料中纖維長度及纖維體積分?jǐn)?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(jié)劑為原料,通過溫壓原位反應(yīng)法制基金項(xiàng)目:國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(2006AA03Z560; 湖南省杰出青年科學(xué)基金資助項(xiàng)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(dǎo);電話 E-mail: xiaopeng第17卷第8期楊陽,等:短炭纖維增強(qiáng)C/C-SiC制動材料的摩擦磨損性能1261備C/C-Si

8、C復(fù)合材料,研究短炭纖維長度、纖維體積分?jǐn)?shù)對C/C-SiC制動材料摩擦磨損性能的影響,以期優(yōu)化復(fù)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(shù)基礎(chǔ)。1實(shí)驗(yàn)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(jié)劑。將硅粉、炭粉、短炭纖維和粘結(jié)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(yīng)在坯體中生成SiC最終制得C/C-SiC復(fù)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?jǐn)?shù)分別為5%、10%和15%;而47號試樣具有相同的纖維體積分?jǐn)?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(biāo)準(zhǔn)GB576386,摩擦磨損測試在QDM150型定速摩擦試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,采用盤塊接觸形式,偶件為d 300 mm的圓盤,材質(zhì)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(shí)驗(yàn)條件:圓盤轉(zhuǎn)速500 r/min;壓緊力0.98 MPa;總轉(zhuǎn)數(shù)5 000 r;測試溫度100 恒溫。試樣沖擊強(qiáng)度測試采用擺

10、錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī),試樣尺寸為 55 mm×10 mm×10 mm,其計(jì)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(jìn)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(jìn)行觀察分析。2結(jié)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?jǐn)?shù)對材料的摩擦因 圖1 C/C-SiC復(fù)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(xué)報(bào) 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?jǐn)?shù)的增加,材料沖擊強(qiáng)度和摩擦因數(shù)先增后減,而磨損率先減后增,體積分?jǐn)?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?jǐn)?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(zhì)經(jīng)能譜分析為Fe的氧化物,認(rèn)為是材料硬質(zhì)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(qiáng)復(fù)合材料,纖維體積分?jǐn)?shù)有1個最佳值。一般認(rèn)為:纖維量過少,纖維間距就會較大,對基體強(qiáng)化效果很小,甚至不起強(qiáng)化作用,反而成為雜質(zhì),造成弱化。肖鵬等12指出,當(dāng)復(fù)合材料中纖維間距大于0.8 mm時(shí),基體實(shí)際上得不到強(qiáng)化。因此,在基體中纖維必須有足夠高的體積分?jǐn)?shù)。材料在與對偶件的摩

15、擦過程中,增強(qiáng)纖維將被剝離、拉拔和剪切,因而提供一定的摩擦力矩。當(dāng)材料中纖維含量較低時(shí),隨著纖維含量的增加,增強(qiáng)纖維提供的摩擦力矩增大,摩擦因數(shù)也隨之提高;同時(shí),隨著纖維的增多,在基體中均勻分布,其增強(qiáng)效果能更好地體現(xiàn),這也有利于降低材料的磨損率。但當(dāng)纖維含量超過一定限度時(shí),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(qiáng)C/C-SiC制動材料的摩擦磨損性能1263墨”結(jié)構(gòu),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?jǐn)?shù)的繼續(xù)增大,摩擦因數(shù)將會有所下降;同時(shí)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(dāng)炭纖維體積分?jǐn)?shù)增大時(shí),粘結(jié)劑的含量相對減少,纖維與基體

16、之間的粘結(jié)力將會下降,纖維更容易被剝離和拉拔,摩擦?xí)r纖維層也容易發(fā)生層間剝落,導(dǎo)致磨損率增大15;另外,纖維體積分?jǐn)?shù)過大,混料時(shí)纖維容易團(tuán)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(jìn)行摩擦實(shí)驗(yàn),結(jié)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(qiáng)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(dāng)纖維長度從2 mm增加到12 mm時(shí),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(qiáng)復(fù)合材料中,纖維長度對復(fù)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(xué)報(bào) 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(qiáng)度理論可知,只有當(dāng)炭纖維的長度大于臨界纖維長度 l c 時(shí),即能夠達(dá)到最大纖維應(yīng)力的最小長度時(shí),纖維才能發(fā)揮其增強(qiáng)增韌的作用。根據(jù)纖維臨界長度計(jì)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(qiáng)度;i 為阻止纖維拔出的剪切應(yīng)力;d 為纖維直徑。在短炭纖維增強(qiáng)碳化硅基復(fù)

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(qiáng)增韌作用。實(shí)驗(yàn)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(qiáng)作用,而纖維的增強(qiáng)作用可用增強(qiáng)系數(shù)K 來表達(dá)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(qiáng)度和體積分?jǐn)?shù),在S f ,S m ,f ,m 一定的前提下,復(fù)合材料的強(qiáng)度S c 取決于增強(qiáng)系數(shù) K 。K 值的大小與纖維長度有關(guān),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(qiáng)作用。即纖維長度越長,其增強(qiáng)增韌作用越明顯。因此,相應(yīng)材料的沖擊強(qiáng)度也越高,而強(qiáng)度的提高則有利于提高材料的摩擦因數(shù),降低磨損率。當(dāng)纖維長度l >10l c 時(shí),短纖維復(fù)合材料的強(qiáng)度趨近于具有相同體積分?jǐn)?shù)的連續(xù)纖維復(fù)合材料。因此,從理論上說,當(dāng)采用的短炭纖維長度超過8.75 mm 時(shí),其制備材料的強(qiáng)度將接近于連續(xù)纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料。另外,炭纖維具有高比強(qiáng)度和比模量,在滑動過程中不易折斷。不同長度炭纖維對應(yīng)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(jié)合強(qiáng)度,在炭纖維體積分?jǐn)?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(jié)合強(qiáng)度高。因此,相應(yīng)的增強(qiáng)材料具有較高的摩擦系數(shù)和較低的磨損率。3 結(jié)論1 定速摩擦實(shí)驗(yàn)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?jǐn)?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?jǐn)?shù)的增加,材料摩擦因數(shù)先升后降而磨損率先降后升。當(dāng)纖維體積分?jǐn)?shù)為10%時(shí),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(dá)到我國國家標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng) C/C-SiC 制動材料的摩擦磨損性能 1265 能，在本實(shí)驗(yàn)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

24、als, 2005, 164/165: 421424. 姜廣鵬, 徐永東, 張軍戰(zhàn). 反應(yīng)溶體浸滲法制備 C/SiC 復(fù)合材 料的顯微結(jié)構(gòu)與摩擦性能J. 玻璃鋼/復(fù)合材料, 2005, 1: 2528. JIANG Guang-peng, XU Yong-dong, ZHANG Jun-zhan. Microstructure and friction property of C/SiC composite made by reactive melt infiltrationJ. Fiber Reinforced Plastics Composites, 2005, 1: 2528. 4 Kr

25、enkel W, Berndt F. C/C-SiC composites for space applications and advanced friction systemsJ. Mater Sci Eng A, 2005, 412(1/2: 177181. 5 粱錦華, 黃啟忠, 蘇哲安, 謝志勇. 短纖維 C/C-SiC 復(fù)合材料 的組織結(jié)構(gòu)與斷裂機(jī)制J. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版, 2005, 36(6: 924928. LIANG Jin-hua, HUANG Qi-zhong, SU Zhe-an, XIE Zhi-yong. Structure and fracture me

26、chanism of short fiber reinforced C/C-SiC 6 compositesJ. Journal of Central South University(Science and Technology, 2005, 36(6: 924928. 肖 鵬, 徐永東, 黃伯云. CVI 法快速制備 C/SiC 復(fù)合材料J. 硅酸鹽學(xué)報(bào), 2002, 30(2: 240243. XIAO Peng, XU Yong-dong, HUANG Bai-yun. Rapid fabrication of C/SiC composites using chemical vapor

27、 infiltration methodJ. Journal of the Chinese Ceramic Society, 2002, 30(2: 240243. 7 劉震云, 黃伯云, 蘇 堤, 李度成. 增強(qiáng)纖維含量對汽車摩擦 材料性能的影響J. 摩擦學(xué)學(xué)報(bào), 1999, 19(4: 322326. LIU Zhen-yun, HUANG Bai-yun, SU Di, LI Du-cheng. Relationship between fiber content and properties of automotive friction materialsJ. Tribology, 1

28、999, 19(4: 322326. 8 Schulte-Fischedick J, Zem A, Mayer J. The morphology of silicon carbide in C/C-SiC compositesJ. Mater Sci Eng A, 2002, 332(1/2: 146152. 9 肖 鵬, 熊 翔, 張紅波, 黃伯云. C/C-SiC 陶瓷制動材料的 研究現(xiàn)狀與應(yīng)用J. 中國有色金屬學(xué)報(bào), 2005, 15(5: 667674. XIAO Peng, XIONG Xiang, ZHANG Hong-bo. Progress and application o

29、f C/C-SiC ceramic braking materialsJ. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2005, 15(5: 667674. 10 Krenkel W, Heidenreich B, Renz R. C/C-SiC composites for advanced friction systemsJ. Advanced Engineering Materials, 2005, 4(7: 427436. 11 張亞妮, 徐永東, 樓建軍, 張立同. 碳/碳化硅復(fù)合材料摩擦 磨損性能分析J. 航空材料學(xué)報(bào), 2005, 25(

30、2: 4954. ZHANG Ya-ni, XU Yong-dong, LOU Jian-jun, ZHANG Li-tong. The analysis of friction and wear performance of C/C-SiC compositesJ. Journal of Aeronautical Materials, 2005, 25(2: 4954. 12 肖 鵬, 熊 翔, 任蕓蕓. 不同成分對 C/C-SiC 材料摩擦磨損 性能行為的影響與機(jī)理J. 中國有色金屬學(xué)報(bào), 2005, 15(7: 10401044. XIAO Peng, XIONG Xiang, REN Yun-yun. Effect and mechanism of different components of C/C-SiC composites on friction and wear behaviorsJ. The Chinese Journa