2003年第4期 CARBON TECHNIQUES 2003No4 总第127期 炭素技才 SUM127 炭/炭复合材料的摩擦磨损性能及应用 周玉祥1,许越2,滕玉洁1,张勇1,李英杰2 (1.哈尔滨工业大学应用化学系,黑龙江哈尔滨150001:2.北京航空航天大学 材料科学与工程学院,北京100083) 摘要:论述了炭/炭复合材料的特点,结合该材料在飞机刹车盘中的具体应用,讨论了炭/炭复合材料在不同环 境气氛下的摩擦磨损行为及其影响因素,并阐明了炭/炭复合材料的研究现状和尚需解决的问题。 关键词:炭/炭复合材料;摩擦磨损 中图分类号:TB332 文献标识码:A 文章编号:1001-3741(2003)04-003103 FRICTION AND WEAR BEHAVIOR OF CARBON/ CARBON COMPOSITES AND THEIR APPLICATION ZHOU Yu-xiang, XU Yue, TENG Yu-jie ZHANG Yong LI Ying-jie2 (1. Department of Applied Chemistry, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001 China 2 School of Materials Science and Engineering, Beijing University of Aeronautics nd Astronautics, Beijing 100083, China) Abstract: The characteristics of carbon/carbon composites are introduced. The friction and wear behavior of C/C com- posites under different conditions are discussed in terms of the application in airplane brake disc. The current research activities and some problems to be tackled are presented. Key words: Carbon/carbon composites: friction and wear behavior 炭/炭复合材料具有较低的密度、较髙的强度飞机刹车盘因其使用寿命长、耐高温、刹车平稳等 和刚度,并且具备耐高温和良好的化学稳定性。这 系列优点,受到国内外学者的广泛关注,并对此 种先进的高技术复合材料,可应用于航空航天领进行了大量的研究工作,开发出了高性能和具有广 域。目前,大部分民航客机和军用飞机均采用炭/炭泛应用前景的炭/炭复合材料。本文通过对炭/炭复 复合材料作为刹车材料。用炭/炭复合材料制成的合材料摩擦磨损行为的讨论,概括总结出炭/炭复 作者简介:周玉祥男讲师,在职博士,主要研究方向为无机非金属材料 收稿月:30c0503 cademic Journal Electronic Publishing Hous. All rights reserved.htp/wn成金
作者简介：周玉祥 男 讲师，在职博士，主要研究方向为无机非金属材料。 收稿日期：!""# $ "% $ "# 编辑 李成金 摘 要：论述了炭 & 炭复合材料的特点，结合该材料在飞机刹车盘中的具体应用，讨论了炭 & 炭复合材料在不同环 境气氛下的摩擦磨损行为及其影响因素，并阐明了炭 & 炭复合材料的研究现状和尚需解决的问题。 关键词 ：炭 & 炭复合材料；摩擦磨损 中图分类号’ ()##! 文献标识码! ! 文章编号! *""*+#,-* .!""# /"-+""#*+"# "#$%&$’( !() *+!# ,+-!.$’# ’" %!#,’( / %!#,’( %’01’2$&+2 !() &-+$# !113$%!&$’( 0123 45+6789:* ，;3 45? 45+@7? 4C9:* ，DE 479:+@7?7@5: O8ISC9 & T8ISC9 TCKHCQ7J<Q[ LI7TJ7C9 89N Y<8I S<P8W7CI 炭 & 炭复合材料具有较低的密度、较高的强度 和刚度，并且具备耐高温和良好的化学稳定性。这 种先进的高技术复合材料，可应用于航空航天领 域。目前，大部分民航客机和军用飞机均采用炭 & 炭 复合材料作为刹车材料。用炭 & 炭复合材料制成的 飞机刹车盘因其使用寿命长、耐高温、刹车平稳等 一系列优点，受到国内外学者的广泛关注，并对此 进行了大量的研究工作，开发出了高性能和具有广 泛应用前景的炭 & 炭复合材料。本文通过对炭 & 炭复 合材料摩擦磨损行为的讨论，概括总结出炭 & 炭复 ABBC 年第 D 期 总第 EAF 期 %!#,’( &+%-($GH+2 炭 素 技 术 炭 & 炭复合材料的摩擦磨损性能及应用 周玉祥 * ，许越 ! ，滕玉洁 * ，张勇 * ，李英杰 ! （*F 哈尔滨工业大学 应用化学系，黑龙江 哈尔滨 *%"""*；!F 北京航空航天大学 材料科学与工程学院，北京 *"""X#） ABBCID 2H0EAF
32 炭素技术 2003年 合材料在不同环境条件中的摩擦学特点,阐述了影孔隙内的扩散步骤,在650~750℃时则为不活泼 响炭/炭复合材料摩擦磨损性能的诸多因素,并介膜的扩散控制。在干燥的CO2气氛中和相对湿度为 绍了炭/炭复合材料国内外的研究现状,还提出了50%的情况下,炭/炭复合材料的摩擦系数较低( 进一步研究中值得重点关注的问题。 般为0.05~0.1)1,这是由于氧和水蒸气在炭表面 发生吸附。氧在炭表面是化学吸附,依靠氧的化学 1炭/炭复合材料的特点 键力,强度高,只有在高温时才会发生脱附作用;而 水蒸气的吸附为物理吸附,依靠的是范德华力,在 炭/炭复合材料是以炭纤维增强炭基体的复合低温下(150-185℃)发生脱附1。在潮湿的环境 材料,是新材料领域中重点开发和研究的新型功能下,开始时由于水分子的吸附作用及摩擦表面的温 材料。炭/炭复合材料不仅具有其他复合材料的优度较低,摩擦系数较低,随着水分的蒸发和温度的 点,而且又有特殊的自身特征:(1)炭/炭复合材料上升,摩擦系数将会增大,实验数据见表1。 由于碳原子之间极强的作用力,使其无论在低温或 高温下,都具有良好的稳定性,这一独特性能是其3炭/炭复合材料摩擦磨损性能影响因素 他结构材料如金属材料、陶瓷材料等所无法比拟 的。(2)具备优异的摩擦学特点,磨损小、摩擦性能 高密度的炭/炭复合材料孔隙度低,具有较佳 良好,是各种耐磨件的优选材料。(3)密度小,是轻的摩擦磨损性能行为。文献[8]研究了压力对炭/炭 质材料,在许多结构件上使用可以起到减重作用。复合材料摩擦磨损的影响,发现制动压力的改变会 (4)具有良好的抗烧蚀能力,在高温下(≥3000℃)导致磨损表面形貌和转移膜的形成 可以使用,广泛用于航天工业领域1-3。 文献[9]探讨了炭/炭复合材料飞机刹车盘的 湿态刹车性能,认为环境湿度强烈地影响炭/炭复 2炭/炭复合材料在不同环境气氛下的摩合材料的摩擦性能,可以通过进行防水防潮措施来 擦磨损行为 改善炭/炭复合材料的刹车性能。此外,改变刹车盘 的结构和比压也可提高其摩擦磨损性能。 炭/炭复合材料在用于高能量飞机刹车的过程 李江鸿等人10考察了不同刹车速率对炭/炭复 中,表面会产生高温。在有空气存在的环境下,碳会合材料的摩擦磨损性能的影响,结果表明,当刹车 迅速发生氧化反应生成碳化物,氧化作用将对材料速率为10m/s时,摩擦系数达到最大值( 的摩擦磨损性能产生显著的影响。文献[41介绍了0.4,磨损量随着刹车速率的增加而增大 炭/炭复合材料在制动过程中发生的材料表面的氧 在炭/炭复合材料中,所选纤维的种类不同,摩 化行为及其对磨损的影响,发现在超负荷落地制动擦磨损性能也不同,摩擦系数随纤维弹性模量的升 时,其氧化损失的磨损量占总磨损量的60%以上,高而降低。炭纤维在复合材料中起着增强基体提高 其氧化产物为Co和CO,并且氧化减弱了摩擦面摩擦系数的作用,基体炭在摩擦时易沿片层间劈 表层和亚表层的强度。氧化动力学研究发现,反应裂,在摩擦面上能形成一层定向排列的固体自润滑 速率的速控步骤在温度区间450~650℃时为氧在膜,可以较好地解释炭/炭复合材料具有较高的强 度和良好的摩擦磨损性能l 表1炭/炭复合材料在干燥和潮湿条件下刹车时摩擦系数 高温热处理也将影响炭/炭复合材料的摩擦行 和温度的变化值 为。 Kimura2l认为,随着热处理温度的升高,摩擦系 Table 1 eifect of environment on cofficient of friction and数在0.3~0.5之间变化。当温度高于2000℃时, surface temperature 磨损表面覆盖一层石墨薄膜。当摩擦系数高于0.4 时,材料的磨损受磨料磨损机理控制;当材料的摩 时间/min 擦系数低于0.4时,材料的磨损受氧化机理控制。 干燥温度/℃350380400400400400 试验还表明,在2300~2600℃温度区间内对炭/ 环境摩擦系数045030.290.29+0.290.30炭复合材料进行热处理后,材料不仅刹车过程平 潮湿温度/℃170370380385390 环,摩擦系数:0.160.450.320.300.29 稳,而且平均动摩擦系数衰减小
·!"· 炭 素 技 术 "##! 年 合材料在不同环境条件中的摩擦学特点，阐述了影 响炭 ! 炭复合材料摩擦磨损性能的诸多因素，并介 绍了炭 ! 炭复合材料国内外的研究现状，还提出了 进一步研究中值得重点关注的问题。 $ 炭 % 炭复合材料的特点 炭 ! 炭复合材料是以炭纤维增强炭基体的复合 材料，是新材料领域中重点开发和研究的新型功能 材料。炭 ! 炭复合材料不仅具有其他复合材料的优 点，而且又有特殊的自身特征：（"）炭 ! 炭复合材料 由于碳原子之间极强的作用力，使其无论在低温或 高温下，都具有良好的稳定性，这一独特性能是其 他结构材料如金属材料、陶瓷材料等所无法比拟 的。（#）具备优异的摩擦学特点，磨损小、摩擦性能 良好，是各种耐磨件的优选材料。（$）密度小，是轻 质材料，在许多结构件上使用可以起到减重作用。 （%）具有良好的抗烧蚀能力，在高温下（,$ &&& ’） 可以使用，广泛用于航天工业领域( " ) $ * 。 " 炭 % 炭复合材料在不同环境气氛下的摩 擦磨损行为 炭 ! 炭复合材料在用于高能量飞机刹车的过程 中，表面会产生高温。在有空气存在的环境下，碳会 迅速发生氧化反应生成碳化物，氧化作用将对材料 的摩擦磨损性能产生显著的影响。文献 (% * 介绍了 炭 ! 炭复合材料在制动过程中发生的材料表面的氧 化行为及其对磨损的影响，发现在超负荷落地制动 时，其氧化损失的磨损量占总磨损量的 +&, 以上， 其氧化产物为 -. 和 -.#，并且氧化减弱了摩擦面 表层和亚表层的强度。氧化动力学研究发现，反应 速率的速控步骤在温度区间 %/& ) +/& ’ 时为氧在 孔隙内的扩散步骤，在 +/& ) 0/& ’ 时则为不活泼 膜的扩散控制。在干燥的 -.# 气氛中和相对湿度为 /&, 的情况下，炭 ! 炭复合材料的摩擦系数较低（一 般为 &1 &/ ) &1 "）( / * ，这是由于氧和水蒸气在炭表面 发生吸附。氧在炭表面是化学吸附，依靠氧的化学 键力，强度高，只有在高温时才会发生脱附作用；而 水蒸气的吸附为物理吸附，依靠的是范德华力，在 低温下（"/& ) "2/ ’）发生脱附 ( + * 。在潮湿的环境 下，开始时由于水分子的吸附作用及摩擦表面的温 度较低，摩擦系数较低，随着水分的蒸发和温度的 上升，摩擦系数将会增大，实验数据( 0 * 见表 "。 ! 炭 % 炭复合材料摩擦磨损性能影响因素 高密度的炭 ! 炭复合材料孔隙度低，具有较佳 的摩擦磨损性能行为。文献(2 *研究了压力对炭 ! 炭 复合材料摩擦磨损的影响，发现制动压力的改变会 导致磨损表面形貌和转移膜的形成。 文献 (3 * 探讨了炭 ! 炭复合材料飞机刹车盘的 湿态刹车性能，认为环境湿度强烈地影响炭 ! 炭复 合材料的摩擦性能，可以通过进行防水防潮措施来 改善炭 ! 炭复合材料的刹车性能。此外，改变刹车盘 的结构和比压也可提高其摩擦磨损性能。 李江鸿等人( "& * 考察了不同刹车速率对炭 ! 炭复 合材料的摩擦磨损性能的影响，结果表明，当刹车 速率为 "& 4 ! 5 时，摩擦系数达到最大值（ ! 6 &1 %%），磨损量随着刹车速率的增加而增大。 在炭 ! 炭复合材料中，所选纤维的种类不同，摩 擦磨损性能也不同，摩擦系数随纤维弹性模量的升 高而降低。炭纤维在复合材料中起着增强基体提高 摩擦系数的作用，基体炭在摩擦时易沿片层间劈 裂，在摩擦面上能形成一层定向排列的固体自润滑 膜，可以较好地解释炭 ! 炭复合材料具有较高的强 度和良好的摩擦磨损性能( "" * 。 高温热处理也将影响炭 ! 炭复合材料的摩擦行 为。7849:;( "# * 认为，随着热处理温度的升高，摩擦系 数在 &1 $ ) &1 / 之间变化。当温度高于 # &&& ’时， 磨损表面覆盖一层石墨薄膜。当摩擦系数高于 &1 % 时，材料的磨损受磨料磨损机理控制；当材料的摩 擦系数低于 &1 % 时，材料的磨损受氧化机理控制。 试验还表明，在 # $&& ) # +&& ’温度区间内对炭 ! 炭复合材料进行热处理后，材料不仅刹车过程平 稳，而且平均动摩擦系数衰减小。 干燥 环境 潮湿 环境 温 度 ! ’ 摩擦系数 温 度 ! ’ 摩擦系数 $2& &1 $ $0& &1 %/ $/& &1 %/ "0& &1 "+ %&& &1 #3 $2& &1 $$ %&& &1 #3 < $2/ &1 $& 时间 ! 48= %&& &1 $& $3& &1 $& %&& &1 #3 $3& &1 #3 表 $ 炭 ! 炭复合材料在干燥和潮湿条件下刹车时摩擦系数 和温度的变化值 &’()* $ +,,*-. /, *0123/04*0. /0 -/,,2-2*0. /, ,32-.2/0 ’05 673,’-* .*48*3’.73* "& #& $& %& /& +&
第4期 周玉祥炭/炭复合材料的摩擦磨损性能及应用 33· ASLE Trans,1975,18(3):187-201 4炭/炭复合材料在摩擦领域的应用 [7 E FITER. L M MANOCHA. Carbon reinforcements and 炭/炭复合材料作为航空刹车材料应用已有近 I 8 J D CHEN, L J CHERM, C P JU. Effect of load on tri- 30多年的历史。目前,国内外生产炭/炭复合材料的 bological behavior of carbon -carbon composites [JI Journal of Materials Science, 1996, 31: 1221-1229 方法有等温CVD法、热梯度法、强迫对流热梯度法、 9」罗瑞盈,李贺军,杨峥,等.炭/炭复合材料飞机刹车 脉冲法、液相快速沉积法等134。国外生产炭/炭复合 盘的湿态刹车性能IJ].炭素技术,1995(5):25 材料刹车盘的公司有美国的 Hitco公司、法国的SEP 公司、美国的 Bendix和ABS公司,英国的 Dunlop公101李江鸿,熊翔,徐惠娟,等.炭/炭复合材料的摩擦磨损性 司等。国内从70年代末开始研制炭/炭复合材料刹车 能[.中南工业大学学报,2002,33(2):173-176 盘,但目前还没有得到大规模地应用151 l!罗瑞盈.航空刹车及发动机用炭/炭复合材料的研 在未来的研究中,尚需解决的问题有:提高垂直 究应用现状[J].炭素技术,2001(4):27-29 刹车盘摩擦面方向的导热率:提高静摩擦系数;提高 [12 S KIMURA. E YASUDA. N NARRATE. Friction and wear of carbon-carbon composites [J] SLE 断裂应变;提高比强度:降低生产成本618。预期将 Intemational Ed 1984(5):11-16 炭/炭复合材料的制备工艺与其基本性能特别是摩13】谈竞霜,张保法,姜海,等.C/C刹车材料的摩擦磨损 擦磨损性能加以有机关联,实现对其摩擦磨损性能 性能与机理[J.材料工程,2001(10):21-4 的主动控制和摩擦学机理的深入研究,可获得令人141罗瑞盈,杨峥.炭/炭复合材料研究新进展U].炭素 满意并具备优异综合性能的炭/炭复合材料。 技术,1997(3):36-40 15」李贺军,曾燮榕,李克智,等.我国炭/炭复合材料研 参考文献 究进展[J].炭素,2001(4):8-12 11李贺军.炭/炭复合材料U.新型炭材料,201,16161 S AWASTH, J L wooD. C/C composites materials for (2):79-80 aircraft brakes[J]. Advanced Ceramic, 1988,3: 449 2]李贺军,曾燮榕,李克智.炭/炭复合材料研究应用现状 及思考[J.炭素技术,2001(5):24-27 [17 N MURDIE, C P JU, J DON. Microstructure of worn 3」邹林华,黄伯云,黄启忠,等.国外C/C复合材料摩擦学的 pitch/resin/CVI C-C composites[JI Carbon, 研究现状[.摩擦学学报,2001,21(2):157-16 l991,29:335-342. 141 H W CHANG, R M RUSNAK Contribution of oxidation to [18 B K YEN, T ISHIHARA. The surface morphology and the wear of carbon-carbon composites[J]. Carbon structure of carbon carbon composites in high-energy 1978.16:309-312. sliding contact[J. Wear, 1994, 174: 111-117 15] R I LONGLEY, J W MIDGLEY. Mechanism of the frictional 19 R BILL. Proceedings of 2nd low and non-graphitic carbon[A on solid lubrication engineers, 1978, 268 Wear Convention[C]. 1963 1]H W CHANG. Correlation of wear with oxidation of 16| J K LANCASTER. Transition in the friction and wear of carbons and graphites sliding against themselves[JI 日燃料电池潜航机试航成功 日本海洋科学技术中心于8月11日在神奈川县横须贺市夏岛町的该中心本部,试航使用燃料电池发电的无人深海巡 航探査机“ URASIMAˆ成功。日本继燃料电池汽车上路之后,使用燃料电池动力的水中潜航机乃世界首次尝试。燃料电池是 利用氢气与氧气的化学反应来产生动力,由于排出的废弃物是水,可以减少环境污染,是日本近年来大力推广的环保动力 源。该中心希望燃料电池潜航机的技术能在2年后实示运用 新型粒状活性炭用于下水处理 日本武田药工业株式会社开发成功新型粒状活性炭,它是以活性炭为主添加多处物质复合而成。目前已开始供应样 品,用于除去酸性、碱性、中性下水中多种臭味。它可以减少活性炭用量30%,并且仅需1层活性炭即可达到除臭的目的, 再生也非常容易 A图JFHa,eee+ paliburg+HeAp+9e-+-Hp4 werlte处
第 # 期 周玉祥 炭 " 炭复合材料的摩擦磨损性能及应用 ·!!· !" # !$ # !% # !& # !’ # !( # 李贺军 ) 炭 * 炭复合材料 !+# ) 新型炭材料， $,,"，"( -$）：./ 0 1,) 李贺军，曾燮榕，李克智 ) 炭 * 炭复合材料研究应用现状 及思考!+#) 炭素技术，$,," （’）：$& 0 $.) 邹林华，黄伯云，黄启忠，等 ) 国外 2 * 2 复合材料摩擦学的 研究现状!+#) 摩擦学学报，$,,"，$"-$3："’. 0 "(,) 4 5 246789 : ; :) 2?@ABCDEAC?@ ?F ?GCHIAC?@ A? AJK LKIB ?F MIBD?@ N MIBD?@ M?OP?QCAKQ!+# ) 2IBD?@ ， "/.19 "(：%,/ 0 %"$) : R ST78SUV，+ 5 ;RW8SUV) ;KMJI@CQO ?F AJK FBCMAC?@IX DKJIYC?B ?F JCZJ， "?L I@H @?@[ZBIPJCACM MIBD?@ !6# ) SEDBCMIAC?@ I@H 5KIB 2?@YK@AC?@!2#) "/(%) + > S6726=\U:) \BI@QCAC?@ C@ AJK FBCMAC?@ I@H LKIB ?F MIBD?@Q I@H ZBIPJCAKQ QXCHC@Z IZIC@QA AJKOQKXYKQ!+# ) # 炭 " 炭复合材料在摩擦领域的应用 炭 * 炭复合材料作为航空刹车材料应用已有近 %, 多年的历史。目前，国内外生产炭 * 炭复合材料的 方法有等温 2]W 法、热梯度法、强迫对流热梯度法、 脉冲法、液相快速沉积法等!"%，"&# 。国外生产炭 * 炭复合 材料刹车盘的公司有美国的 4CAM? 公司、法国的 =U^ 公司、美国的 _K@HCG 和 6_= 公司，英国的 WE@"?P 公 司等。国内从 ., 年代末开始研制炭 * 炭复合材料刹车 盘，但目前还没有得到大规模地应用!"’# 。 在未来的研究中，尚需解决的问题有：提高垂直 刹车盘摩擦面方向的导热率；提高静摩擦系数；提高 断裂应变；提高比强度；降低生产成本!"( 0 "1# 。预期将 炭 * 炭复合材料的制备工艺与其基本性能特别是摩 擦磨损性能加以有机关联，实现对其摩擦磨损性能 的主动控制和摩擦学机理的深入研究，可获得令人 满意并具备优异综合性能的炭 * 炭复合材料!"/，$, # 。 参考文献： 6=SU \BI@Q，"/.’，"1 （%）："1. 0 $,") U ‘R\U:9 S ; ;67T246) 2IBD?@ BKC@F?BMKOK@AQ I@H MIBD?@ N MIBD?@ M?OP?QCAKQ!;#) "//1，1) + W 24U7，S + 24U:;，2 ^ +R; VU7，\ R=4R46:6) \JK QEBFIMK O?BPJ?X?Zb I@H QABEMAEBK ?F MIBD?@ MIBD?@ M?OP?QCAKQ C@ JCZJ N K@KBZb QXCHC@Z M?@AIMA!+#) 5KIB，"//&，".&：""" 0 "".) : _RSS) ^B?MKKHC@ZQ ?F $@H C@AKB@IAC?@IX M?@FKBK@MK ?@ Q?XCH XEDBCMIAC?@ K@ZC@KKBQ， "/.1， $(1) 4 5 24678) 2?BBKXIAC?@ ?F LKIB LCAJ ?GCHIAC?@ ?F MIBD?@ N MIBD?@ M?OP?QCAKQ!+# ) 5KIB， "/1$，1,：. 0 "&) !. # !1 # !/ # !", # !"" # !"$ # !"% # !"& # !"’ # !"( # !". # !"1 # !"/ # !$, # 日燃料电池潜航机试航成功 日本海洋科学技术中心于 1 月 "" 日在神奈川县横须贺市夏岛町的该中心本部，试航使用燃料电池发电的无人深海巡 航探查机“<:6=R;6”成功。日本继燃料电池汽车上路之后，使用燃料电池动力的水中潜航机乃世界首次尝试。燃料电池是 利用氢气与氧气的化学反应来产生动力，由于排出的废弃物是水，可以减少环境污染，是日本近年来大力推广的环保动力 源。该中心希望燃料电池潜航机的技术能在 $ 年后实示运用。 新型粒状活性炭用于下水处理 日本武田药工业株式会社开发成功新型粒状活性炭，它是以活性炭为主添加多处物质复合而成。目前已开始供应样 品，用于除去酸性、碱性、中性下水中多种臭味。它可以减少活性炭用量 %,c ，并且仅需 " 层活性炭即可达到除臭的目的， 再生也非常容易。 ’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ( ( ( (