碳/碳复合材料摩擦学性能及摩擦机制研究进展 碳/′碳复合材料摩擦学性能及摩擦机制研究进展 a dvance in Research on Tribo lo g ical B ehav or and M echan ism of Carbon/Carbon Composite 胡志彪,李贺军,陈强,李克智,黄荔海 (西北工业大学碳/碳复合材料工程技术研究中心,西安71007 HU Zhib iao, L IHe-jun, ChEN Q iang, L I, HU ANGL rhai (C/C Composites Techno bgy Research Center, Northw estern Po ly techn ical U niversity, Xi'an 710072, Ch ina) 摘要碳/碳复合材料是一种性能优异的高温摩擦材料,作为刹车材料在航空工业已得到成功应用。但碳碳复合材料 的摩擦磨损性能强烈地依赖于试验条件和制备工艺。综述了各种因素对碳/碳复合材料摩擦磨损性能的影响,总结了 碳/碳复合材料摩擦磨损机理,并指出了碳/碳复合材料摩擦学需进一步深入研究的问题及新的研究方向。 键词:碳/碳复合材料;摩擦学行为,摩擦机制 中图分类号:TQ32文献标识码A文章编号:1001-4381(2004)12-0059-04 Abstract Due to its excellent tribo log ical p roperties, carbon/ carbon com po sites were emp byed as aircraft brake m aterial. Its tribo log ical behav ior was dram at ically affected by bo th the tribo testing environm ent and the techn iques used for the preparation of carbon/ carbon com po sites. The factors affecting the tr ibo log ical p roperties of carbon/carbon were discussed. The m echan ism s of friction and wear were rev iew ed. The ex ist ing p rob lem and the future research directin also were po in ted out Key words carbon/carbon com po sites, tr ibo log ical behavior; tr ibo log ical m echan ism 与其它摩擦材料相比,碳/碳复合材料具有密度纤维和热解碳属于乱层石墨结构,而与纯石墨的层状 小、耐高温、比强度大、耐热冲击、耐腐蚀、吸振性结构不同。因此,不能用石墨晶体的层间滑移理论来 好以及合适的摩擦系数和摩擦性能,是一种综合性能解释碳/碳复合材料摩擦行为 优异的高温摩擦材料。碳/碳复合材料已成为飞机 Murd ie等通过观察磨屑的微观形貌,认为碳/ 刹车盘的首选材料。在法国,空中客车公司民航飞碳复合材料摩擦行为与磨屑类型有关。他发现有3种 机的刹车系统已完全用碳/碳盘取代了钢盘,在美国,不同类型磨屑。如图1所示1。类型I:薄、光滑、明 许多军用飞机均已采用碳/碳刹车盘,如F-16,B-1亮(在灯下)碎片薄膜。类型Ⅱ:厚、粗糙的和黑的 等,在中国,西北工业大学中南工业大学和沈阳金(在灯下)粉未碎片层。类型Ⅲ光滑、致密、明亮 属所等在碳/碳刹车盘的制备及其摩擦性能的研究等(在灯下),碎片薄膜。薄的类型I碎片伴随低摩擦系 方面也取得了丰富的成果。除用做刹车盘外,碳/碳复数和低磨损率。粉末状的类型Ⅱ碎片伴随高摩擦系数 合材料也可用作滑动轴承材料和内燃机活塞碳/和高磨损率。类型Ⅲ碎片也伴随低摩擦系数和低磨损 碳复合材料作为摩擦材料将得到更广泛的应用,因此率,但摩擦系数和磨损率要比类型I高。在摩擦过程 研究碳/碳复合材料的摩擦学特性对于指导和推广碳中,当碎片类型发生转变时,就伴随着摩擦系数和磨 碳摩擦材料的应用具有十分重要的意义。本文主要损率的改变。但碎片的转变机制目前还不清楚。这 总结了国内外关于各有关因素对碳/碳复合材料摩擦理论己成功地解释了多种因素对碳/碳复合材料摩擦 磨损性能的影响和碳/碳复合材料的摩擦磨损机理的行为的影响 研究进展。 另外一种观点认为碳/′碳复合材料的摩擦行为主 1碳/碳复合材料摩擦机制 要受到水蒸汽和氧气的影响。水蒸汽和氧气对碳/ 碳复合材料都有润滑作用,但氧气的润滑效果不如水 碳/碳复合材料的増强相为碳纤维,基体为热解蒸汽。若摩擦环境中缺少润滑气体,碳′碳复合材料显 碳,二者均为非晶态碳。但就其微观结构而言,碳示出高摩擦系数和高磨损率。即使水蒸汽含量非常低 201994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
碳ö碳复合材料摩擦学性能及摩擦机制研究进展 A dvance in Resea rch on T ribo logica l Behavio r and M echan ism of Ca rbonöCa rbon Compo sites 胡志彪, 李贺军, 陈 强, 李克智, 黄荔海 (西北工业大学碳ö碳复合材料工程技术研究中心, 西安 710072) HU Zh i2b iao, L I H e2jun, CH EN Q iang, L I Ke2zh i, HUAN G L i2hai (CöC Compo sites Techno logy Research Cen ter, N o rthw estern Po lytechn ical U n iversity, X i′an 710072, Ch ina) 摘要: 碳ö碳复合材料是一种性能优异的高温摩擦材料, 作为刹车材料在航空工业已得到成功应用。但碳ö碳复合材料 的摩擦磨损性能强烈地依赖于试验条件和制备工艺。综述了各种因素对碳ö碳复合材料摩擦磨损性能的影响, 总结了 碳ö碳复合材料摩擦磨损机理, 并指出了碳ö碳复合材料摩擦学需进一步深入研究的问题及新的研究方向。 关键词: 碳ö碳复合材料; 摩擦学行为; 摩擦机制 中图分类号: TQ 332 文献标识码: A 文章编号: 100124381 (2004) 1220059204 Abstract: D ue to its excellen t tribo logical p roperties, carbonöcarbon compo sites w ere emp loyed as aircraft b rake m aterial1 Its tribo logical behavio r w as dram atically affected by bo th the tribo testing environm en t and the techn iques u sed fo r the p reparation of carbonöcarbon compo sites1 The facto rs affecting the tribo logical p roperties of carbonöcarbon w ere discu ssed1 The m echan ism s of friction and w ear w ere review ed1 The ex isting p rob lem and the fu tu re research direction also w ere po in ted ou t1 Key words: carbonöcarbon compo sites; tribo logical behavio r; tribo logical m echan ism 与其它摩擦材料相比, 碳ö碳复合材料具有密度 小、耐高温、比强度大、耐热冲击、耐腐蚀、吸振性 好以及合适的摩擦系数和摩擦性能, 是一种综合性能 优异的高温摩擦材料[1 ]。碳ö碳复合材料已成为飞机 刹车盘的首选材料[2 ]。在法国, 空中客车公司民航飞 机的刹车系统已完全用碳ö碳盘取代了钢盘; 在美国, 许多军用飞机均已采用碳ö碳刹车盘, 如 F216, B21 等; 在中国, 西北工业大学、中南工业大学和沈阳金 属所等在碳ö碳刹车盘的制备及其摩擦性能的研究等 方面也取得了丰富的成果。除用做刹车盘外, 碳ö碳复 合材料也可用作滑动轴承材料[3 ]和内燃机活塞[4 ]。碳ö 碳复合材料作为摩擦材料将得到更广泛的应用, 因此 研究碳ö碳复合材料的摩擦学特性对于指导和推广碳 ö碳摩擦材料的应用具有十分重要的意义。本文主要 总结了国内外关于各有关因素对碳ö碳复合材料摩擦 磨损性能的影响和碳ö碳复合材料的摩擦磨损机理的 研究进展。 1 碳ö碳复合材料摩擦机制 碳ö碳复合材料的增强相为碳纤维, 基体为热解 碳, 二者均为非晶态碳[5 ]。但就其微观结构而言, 碳 纤维和热解碳属于乱层石墨结构, 而与纯石墨的层状 结构不同。因此, 不能用石墨晶体的层间滑移理论来 解释碳ö碳复合材料摩擦行为。 M u rdie 等[6 ]通过观察磨屑的微观形貌, 认为碳ö 碳复合材料摩擦行为与磨屑类型有关。他发现有 3 种 不同类型磨屑。如图 1 所示[7 ]。类型É : 薄、光滑、明 亮 (在灯下) 碎片薄膜。类型Ê : 厚、粗糙的和黑的 (在灯下) 粉未碎片层。类型Ë : 光滑、致密、明亮 (在灯下) , 碎片薄膜。薄的类型É 碎片伴随低摩擦系 数和低磨损率。粉末状的类型Ê 碎片伴随高摩擦系数 和高磨损率。类型Ë 碎片也伴随低摩擦系数和低磨损 率, 但摩擦系数和磨损率要比类型É 高。在摩擦过程 中, 当碎片类型发生转变时, 就伴随着摩擦系数和磨 损率的改变。但碎片的转变机制目前还不清楚。这一 理论已成功地解释了多种因素对碳ö碳复合材料摩擦 行为的影响。 另外一种观点认为碳ö碳复合材料的摩擦行为主 要受到水蒸汽和氧气的影响[8 ]。水蒸汽和氧气对碳ö 碳复合材料都有润滑作用, 但氧气的润滑效果不如水 蒸汽。若摩擦环境中缺少润滑气体, 碳ö碳复合材料显 示出高摩擦系数和高磨损率。即使水蒸汽含量非常低 碳ö碳复合材料摩擦学性能及摩擦机制研究进展 59
材料工程/2004年12期 (0.01%,质量分数)也显示良好的润滑效果。这主要2影响碳/碳复合材料摩擦磨损性能的因素 是由于碳原子能够与水蒸汽和氧气反应9,反应生成 的络合物对碳/碳复合材料有润滑效果。这一点和许2·1碳/碳复合材料制备工艺及其结构对摩擦磨损 多其它碳材料一样,可能由于它们的结构中都含有性能的影响 SP2杂化轨道 2.1.1基体类型的影响 基体的类型是影响摩擦磨损性能的一个重要因 素l在二维的不同密度的碳/碳复合材料中,中等密 度的碳/碳复合材料具有良好的摩擦性能,其摩擦系 数较低,磨损量也比低密度和高密度的碳/碳复合材 料低一个数量级。在摩擦磨损的过程中,各种碳/碳复 合材料的摩擦系数的变化情况也不尽相同。2 D pitch/ resin/(Vk高密度的2PAN/ p itch和中等密度2D PAN/ p itch碳/碳复合材料摩擦系数都发生转变,而 低密度的2DPAN/ p itch和2DPAN/VI摩擦系数 不发生改变。转变前的摩擦系数为0.0.2,在极短 的改变过程中,摩擦系数突升至0.5~0.9。而3 PAN/ p itch碳/碳复合材料在高转速下其结构会被破 坏,因此不适合在高转速下使用 2.1.2纤维取向的影响 碳纤维取向对碳/碳复合材料摩擦磨损性能有强 烈的影响。在低转速下,当纤维平行于摩擦面时,磨 损率比纤维垂直于摩擦面方向要低得多,而摩擦系数 比纤维垂直于摩擦面方向要高得多,在高转速下,摩 擦系数和磨损率都没有大的差别12。z向纤维的含量 增加,能提高碳/碳复合材料的热导率,降低摩擦面的 温度,也会影响碳/碳复合材料的摩擦磨损性能。z 向纤维的含量为5%时,摩擦系数为0.40.5,z向 纤维的含量为15%时,摩擦系数为0.3~0.5;Z向纤 维的含量为25%时,摩擦系数为0.20.4。而罗瑞盈 等在研究三维和二维碳/碳复合材料的摩擦性能 时,得到了不同的结果:三维碳/碳复合材料摩擦系数 较大,磨损率小,二维碳/碳复合材料的摩擦系数小, 但磨损率较大 2.1.3热处理温度的影响 热处理温度不同,碳/碳复合材料摩擦磨损性能 也不同。对于不同的增强体,热处理温度的影响也不 尽相同。针刺毡增强的碳/′碳复合材料样件13随着热 处理温度升高,摩擦系数增大,温度在2300℃时摩擦 系数出现峰值,继续升高热处理温度,摩擦系数却下 降,而对于短切纤维增强碳/碳复合材料16,在2200 图1磨损面形貌扫描电镜图 2500℃热处理温度下,摩擦系数不稳定,而在2700℃ (a)类型I;(b)类型Ⅲ;(c)类型Ⅲ 热处理温度下,摩擦系数曲线平稳,摩擦系数增加。对 (d)类型Ⅱ和类型Ⅲ的混合 (箭头代表滑动方向) 于碳布叠层碳/碳复合材料,随着热处理温度的升高, Fig 1 Scanning electron m icrographs of wom 干态平均动摩擦系数由大变小,湿态平均动摩擦系数 及干态静摩擦系数由小变大1。若将碳布叠层碳/碳 (a) type I;(b) type Il; (e) type Ill; (d)Il-Ill m ixed 复合材料用作刹车材料,其合适的热处理温度为 2000℃18,在此温度处理的碳/′复合材料具有足够 201994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
(0101% , 质量分数) 也显示良好的润滑效果。这主要 是由于碳原子能够与水蒸汽和氧气反应[9 ] , 反应生成 的络合物对碳ö碳复合材料有润滑效果。这一点和许 多其它碳材料一样, 可能由于它们的结构中都含有 SP 2 杂化轨道[10 ]。 图 1 磨损面形貌扫描电镜图 (a) 类型É ; (b) 类型Ê ; (c) 类型Ë ; (d) 类型Ê 和类型Ë 的混合 (箭头代表滑动方向) F ig11 Scanning electron m icrograph s of wo rn surface mo rpho logies (a) typeÉ ; (b) type Ê ; (c) type Ë ; (d) Ê 2Ë m ixed (arrow s indicate sliding directions) 2 影响碳ö碳复合材料摩擦磨损性能的因素 211 碳ö碳复合材料制备工艺及其结构对摩擦磨损 性能的影响 21111 基体类型的影响 基体的类型是影响摩擦磨损性能的一个重要因 素[11 ]。在二维的不同密度的碳ö碳复合材料中, 中等密 度的碳ö碳复合材料具有良好的摩擦性能, 其摩擦系 数较低, 磨损量也比低密度和高密度的碳ö碳复合材 料低一个数量级。在摩擦磨损的过程中, 各种碳ö碳复 合材料的摩擦系数的变化情况也不尽相同。2D p itchö resinöCV I、高密度的 2D PAN öp itch 和中等密度 2D PAN öp itch 碳ö碳复合材料摩擦系数都发生转变, 而 低密度的 2D PAN öp itch 和 2D PAN öCV I 摩擦系数 不发生改变。转变前的摩擦系数为 011~ 012, 在极短 的改变过程中, 摩擦系数突升至 015~ 019。而 3D PAN öp itch 碳ö碳复合材料在高转速下其结构会被破 坏, 因此不适合在高转速下使用。 21112 纤维取向的影响 碳纤维取向对碳ö碳复合材料摩擦磨损性能有强 烈的影响。在低转速下, 当纤维平行于摩擦面时, 磨 损率比纤维垂直于摩擦面方向要低得多, 而摩擦系数 比纤维垂直于摩擦面方向要高得多; 在高转速下, 摩 擦系数和磨损率都没有大的差别[12 ]。Z 向纤维的含量 增加, 能提高碳ö碳复合材料的热导率, 降低摩擦面的 温度, 也会影响碳ö碳复合材料的摩擦磨损性能[13 ]。Z 向纤维的含量为 5% 时, 摩擦系数为 014~ 015; Z 向 纤维的含量为 15% 时, 摩擦系数为 013~ 015; Z 向纤 维的含量为 25% 时, 摩擦系数为 012~ 014。而罗瑞盈 等[14 ]在研究三维和二维碳ö碳复合材料的摩擦性能 时, 得到了不同的结果: 三维碳ö碳复合材料摩擦系数 较大, 磨损率小; 二维碳ö碳复合材料的摩擦系数小, 但磨损率较大。 21113 热处理温度的影响 热处理温度不同, 碳ö碳复合材料摩擦磨损性能 也不同。对于不同的增强体, 热处理温度的影响也不 尽相同。针刺毡增强的碳ö碳复合材料样件[15 ]随着热 处理温度升高, 摩擦系数增大, 温度在 2300℃时摩擦 系数出现峰值, 继续升高热处理温度, 摩擦系数却下 降; 而对于短切纤维增强碳ö碳复合材料[16 ] , 在 2200, 2500℃热处理温度下, 摩擦系数不稳定, 而在 2700℃ 热处理温度下, 摩擦系数曲线平稳, 摩擦系数增加。对 于碳布叠层碳ö碳复合材料, 随着热处理温度的升高, 干态平均动摩擦系数由大变小, 湿态平均动摩擦系数 及干态静摩擦系数由小变大[17 ]。若将碳布叠层碳ö碳 复合材料用作刹车材料, 其合适的热处理温度为 2000℃[18 ] , 在此温度处理的碳ö碳复合材料具有足够 60 材料工程ö2004 年 12 期
碳/碳复合材料摩擦学性能及摩擦机制研究进展 高的摩擦系数和低磨损率。 2.3.1湿度的影响 2.1.4热解碳结构的影响1明 相对湿度对三种复合材料的摩擦行为有着很大 对于CVD热解碳,可根据其偏光下的形貌特征,影响。在低湿度下,能够促使类型I磨屑向类型Ⅱ 分为粗糙层、光滑层、过渡结构和各向同性结构21。磨屑转变,摩擦系数升高。而在高湿度和高转速下,能 它们具有不同的密度、导热系数、石墨化度、消光角、够加快磨屑Ⅲ的生成,摩擦系数和磨损率又降低。总 金相结构,对碳/碳复合材料性能有不同的影响。基体的说来,高湿度能降低摩擦系数和磨损率。在试验中 为粗糙层结构的碳/碳复合材料,具有较高的石墨化发现,不同的碳′碳复合材料对湿度的敏感程度不 程度和摩擦系数。基体为光滑层结构的碳/碳复合材样,2DPAN/VI对湿度最敏感,而2 D pitch/ resin/ 料,石墨化度低,摩擦系数低,磨损量小。 CVI对湿度最不敏感。 2.1.5表面状况的影响 2.3.2温度的影响 碳/碳复合材料的表面状况不一样,它的摩擦磨 温度对碳/碳复合材料在空气中的摩擦磨损行为 损性能也不相同。在相同摩擦试验条件下,表面抛光有着重要的影响。可将碳/碳复合材料摩擦磨损划 的试样比表面己经磨损的试样的摩擦系数高,磨损量分成3个与温度相关的区域:正常磨损区、水解吸的 也大。而且较难预测表面己磨损的试样的摩擦行粉尘磨损区、氧解吸的粉尘磨损区。正常磨损区:温 为 2224 度低于150-~200℃,摩擦系数较低(F0.2);水解吸 2.1.6结构完整性的影响 的粉尘磨损区:温度在200~650℃之间,摩擦系数较 碳′碳复合材料中存在两种晶格缺陷:边缘缺陷高(F≈0.4),氧解吸的粉尘磨损区:温度高于650℃, 和空洞缺陷。晶格缺陷越少,结构越完整。结构完整摩擦系数较高(≈0.4)。 性不同,碳/碳复合材料摩擦磨损性能的稳定性不 同时研究也表明:碳/碳复合材料在650~750℃ 23.碳/碳复合材料的结构越完整,摩擦性能越稳的温度下开始发生氧化损失,而且随着温度的升高 定结构不完整,其刹车副摩擦特性曲线呈马鞍形摩其损失呈直线增大当温度低于500℃时,复合材料的 擦性能不稳定。这主要是由于结构不完整的碳/碳复质量损失主要是表面的磨损,而氧化损失可忽略,但 合材料其内部及表面活化点多,表面易于产生物理在500-100℃c,磨损占质量损失的比率逐渐减小到 吸附物和化学吸附物及含氧络合物,在摩擦过程中产2%,氧化损失占98% 生高温使这些吸附物分解导致摩擦性能不稳定。 2.3.3环境气氛的影响 2.2摩擦参数对碳/碳复合材料摩擦磨损性能的影 不同气氛中,碳/碳复合材料摩擦磨损行为不相 同。在干燥的氮气气氛中,摩擦系数较高(0.35 2.2.1能载的影响 0.5);而在空气中,摩擦系数有两个阶段,正常磨损 在不同的能载下,碳/碳复合材料表现出不同的区和粉尘磨损区。在正常磨损区,其摩擦系数较低 摩擦磨损行为。碳/碳复合材料在载荷为1.αMPa(0.∽0.2),而在粉尘磨损区,其摩擦系数较高(.25 时,在初始阶段,都呈现低的摩擦系数(0.r0.2),~0.5)。当摩擦面的温度达150-200℃c时,摩擦系数 后摩擦系数发生改变突升至0.40.5然后再降至发生突变,由低摩擦系数向高摩擦系数转变。即使是 稳定的数值。在载荷为2.4MPa时,摩擦系数的改变 都发生在初始阶段 在粉尘磨损区,其摩擦系数值也要比在干燥的氮气气 2.2.2转速的影响 氛中的摩擦系数低,这主要是由于空气中的氧气有润 转速是影响碳/碳复合材料摩擦磨损性能的重要滑作用。 因素。在低转速(800和1100hn)下,摩擦系数3结束语 和磨损率较小且基本保持稳定,摩擦系数为0.1 0.2;在高转速(1400r/血mi或更高)下,摩擦系数在 碳/碳复合材料摩擦磨损性能受到众多因素的影 摩擦过程中会发生突变,摩擦系数上升到0.6~0.7,响,如制备工艺、材料结枃、摩擦参数、摩擦环境等。 后摩擦系数又降低到0.40.5。在高转速下,磨损率哪种因素对其摩擦行为起决定性作用,目前还不十分 也较低转速时大。这主要是由于转速不同,碳碳复合清楚,还有待于进一步研究。碳/碳复合材料摩擦磨损 材料表面的温度也不同。在低转速时,摩擦面的温度机理目前也没有定论,没有一个统一的理论来解释其 在100℃左右;在高转速时,摩擦系数发生变化,摩擦摩擦磨损行为。因此,有关其摩擦磨损机理的研究还 面的温度也突升。在转速为2300rhn时,滑移66m待继续。 后,温度高达900℃ 由于碳/碳复合材料可作为刹车材料,特别是飞 2.3环境对碳/碳复合材料摩擦磨损性能的影响 机刹车材料,有着重大的商业价值,许多技术都被专 010ChinaAcademicJOurnalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
高的摩擦系数和低磨损率。 21114 热解碳结构的影响[19 ] 对于CVD 热解碳, 可根据其偏光下的形貌特征, 分为粗糙层、光滑层、过渡结构和各向同性结构[20, 21 ]。 它们具有不同的密度、导热系数、石墨化度、消光角、 金相结构, 对碳ö碳复合材料性能有不同的影响。基体 为粗糙层结构的碳ö碳复合材料, 具有较高的石墨化 程度和摩擦系数。基体为光滑层结构的碳ö碳复合材 料, 石墨化度低, 摩擦系数低, 磨损量小。 21115 表面状况的影响 碳ö碳复合材料的表面状况不一样, 它的摩擦磨 损性能也不相同。在相同摩擦试验条件下, 表面抛光 的试样比表面已经磨损的试样的摩擦系数高, 磨损量 也大。而且较难预测表面已磨损的试样的摩擦行 为[22, 24 ]。 21116 结构完整性的影响 碳ö碳复合材料中存在两种晶格缺陷: 边缘缺陷 和空洞缺陷。晶格缺陷越少, 结构越完整。结构完整 性不同, 碳ö碳复合材料摩擦磨损性能的稳定性不 同[25 ]。碳ö碳复合材料的结构越完整, 摩擦性能越稳 定; 结构不完整, 其刹车副摩擦特性曲线呈马鞍形, 摩 擦性能不稳定。这主要是由于结构不完整的碳ö碳复 合材料, 其内部及表面活化点多, 表面易于产生物理 吸附物和化学吸附物及含氧络合物, 在摩擦过程中产 生高温使这些吸附物分解导致摩擦性能不稳定。 212 摩擦参数对碳ö碳复合材料摩擦磨损性能的影 响 21211 能载的影响 在不同的能载下, 碳ö碳复合材料表现出不同的 摩擦磨损行为[26 ]。碳ö碳复合材料在载荷为 110M Pa 时, 在初始阶段, 都呈现低的摩擦系数 (011~ 012) , 后摩擦系数发生改变, 突升至 014~ 015, 然后再降至 稳定的数值。在载荷为 214M Pa 时, 摩擦系数的改变 都发生在初始阶段。 21212 转速的影响 转速是影响碳ö碳复合材料摩擦磨损性能的重要 因素[27 ]。在低转速 (800 和 1100röm in) 下, 摩擦系数 和磨损率较小且基本保持稳定, 摩擦系数为 011~ 012; 在高转速 (1400 röm in 或更高) 下, 摩擦系数在 摩擦过程中会发生突变, 摩擦系数上升到 016~ 017, 后摩擦系数又降低到 014~ 015。在高转速下, 磨损率 也较低转速时大。这主要是由于转速不同, 碳ö碳复合 材料表面的温度也不同。在低转速时, 摩擦面的温度 在 100℃左右; 在高转速时, 摩擦系数发生变化, 摩擦 面的温度也突升。在转速为 2300 röm in 时, 滑移 66m 后, 温度高达 900℃。 213 环境对碳ö碳复合材料摩擦磨损性能的影响 21311 湿度的影响 相对湿度对三种复合材料的摩擦行为有着很大 影响[7 ]。在低湿度下, 能够促使类型É 磨屑向类型Ê 磨屑转变, 摩擦系数升高。而在高湿度和高转速下, 能 够加快磨屑Ë 的生成, 摩擦系数和磨损率又降低。总 的说来, 高湿度能降低摩擦系数和磨损率。在试验中 发现, 不同的碳ö碳复合材料对湿度的敏感程度不一 样, 2D PAN öCV I 对湿度最敏感, 而 2D p itchöresinö CV I 对湿度最不敏感。 21312 温度的影响 温度对碳ö碳复合材料在空气中的摩擦磨损行为 有着重要的影响[28 ]。可将碳ö碳复合材料摩擦磨损划 分成 3 个与温度相关的区域: 正常磨损区、水解吸的 粉尘磨损区、氧解吸的粉尘磨损区。正常磨损区: 温 度低于 150~ 200℃, 摩擦系数较低 (Λ≈ 012); 水解吸 的粉尘磨损区: 温度在 200~ 650℃之间, 摩擦系数较 高 (Λ≈ 014); 氧解吸的粉尘磨损区: 温度高于 650℃, 摩擦系数较高 (Λ≈ 014)。 同时研究也表明: 碳ö碳复合材料在 650~ 750℃ 的温度下开始发生氧化损失, 而且随着温度的升高, 其损失呈直线增大; 当温度低于 500℃时, 复合材料的 质量损失主要是表面的磨损, 而氧化损失可忽略, 但 在 500~ 1000℃, 磨损占质量损失的比率逐渐减小到 2% , 氧化损失占 98%。 21313 环境气氛的影响 不同气氛中, 碳ö碳复合材料摩擦磨损行为不相 同[8 ]。在干燥的氮气气氛中, 摩擦系数较高 (0135~ 015); 而在空气中, 摩擦系数有两个阶段, 正常磨损 区和粉尘磨损区。在正常磨损区, 其摩擦系数较低 (011~ 012); 而在粉尘磨损区, 其摩擦系数较高 (0125 ~ 015)。当摩擦面的温度达 150~ 200℃时, 摩擦系数 发生突变, 由低摩擦系数向高摩擦系数转变。即使是 在粉尘磨损区, 其摩擦系数值也要比在干燥的氮气气 氛中的摩擦系数低, 这主要是由于空气中的氧气有润 滑作用。 3 结束语 碳ö碳复合材料摩擦磨损性能受到众多因素的影 响, 如制备工艺、材料结构、摩擦参数、摩擦环境等。 哪种因素对其摩擦行为起决定性作用, 目前还不十分 清楚, 还有待于进一步研究。碳ö碳复合材料摩擦磨损 机理目前也没有定论, 没有一个统一的理论来解释其 摩擦磨损行为。因此, 有关其摩擦磨损机理的研究还 待继续。 由于碳ö碳复合材料可作为刹车材料, 特别是飞 机刹车材料, 有着重大的商业价值, 许多技术都被专 碳ö碳复合材料摩擦学性能及摩擦机制研究进展 61
材料工程/2004年12期 利所保护,因此如何选择合适的制造工艺来生产符合19]于李溪滨,刘根山,等,热解碳结构对碳/复合材料摩擦 性能要求的碳/碳复合材料是一个具有重大价值的研 磨损性能的影响卩].中南工业大学学报,2002,33(6):613 究课题。为了充分发挥碳/碳复合材料的性能优势,进 步碳′复合材料作为摩擦材料的应用范围,在其201 L IEBERMAN M L, PIERSON H O, Effect of gas phase condition on resultant matrix pyrocarbons in carbon/carbon 表面制备耐磨涂层及减摩涂层,是一个具有相当应用 com posites [J]. Carbon, 1974, 12(2): 233-241. 前景的课题。 [21 DONAL L S. U nique applications of carbon/carbon composite materials [J]. SAM PE JournaL, 1999, 35(3): 27-39 参考文献 [22 LEE K J, LN J H C, JU C P. Surface effect on brak ing behavir of PAN p itch carbon-carbon composite J]. Wear, [1]李贺军,罗瑞盈,杨峥,碳/碳复合材料在航空领域的应用研究 9):228-236. 现状U],材料工程,1997,(8):8-10. [23 LEE K J, LN J H C, JU C P. Smulated-stop tribo log ical [2] FITZER E. The future of carbon-carbon composites [JI behavor of pitch-resinCV I carbon-carbon com po site [J] Carbon,1987,25(2):163-190 M aterials Chem istry and Physics, 1997, (49): 217-224. [3]宋允,任慕苏,孙晋良,碳/碳复合材料在推进系统上的应用[24] LEE KJ, KUO H, LNJHO,etal. Effect of surface cond itin on tribo logical behav or of PANCV I based carbon- [4] RNERS, KEV N H, NORTHAM PO, et al. Carbon/carbon arbon composites [J]. Materals Chem istry and Physics, piston architectures [P]. U SA Patent: 5900 193, 1999. 1999,(57):244-252 5]王茂章,贺福.碳纤维的制造性质及其应用M].北京:科学[25]蒋建纯,黄伯云,熊翔,碳/碳复合刹车材料的结构完整性对摩 出版社,1984 擦系数的影响[],新型炭材料,2003,18(2):111115. [6] MURD IE N, JU C P, DON J, et al. M icrostructure of worn [26] CHEN JD, LNJ C, JU C P. Effect of bad on trbo logical p itch/resin/v IC-C com posites [].Carbon, 1991, 29(3) behavor of carbon-carbon com posites J] Journal ofM aterial 335-342 enc,1996,31:1221-1229 [7] CHEN JD, LN J H C, JU C P. Effect of hum id ity on the [27] CHEN JD, JU C P. Effect of slid ing speed on the tribo log ical ibo log ical behav pr of carbon-carbon composites J. wea behavor of a PAN p itch carbon-carbon composite [J I 1996,(193):38-47 M aterials Chem istry and Physics, 1995,(39):174-179 [8 YEN B K, ISH IHARA T. An invest igaton of fricton and we [28 YEN B K, ISH HARA m echan ism s of carbon-carbon composites in nitrogen and air at tribo log ical regimes and ox daton of carbon-carbon elevated temperatures [J], Carbon, 1996, 34: 489-498. om posites up to 1800C []. Wear, 1996,(196):254- [9 BLANCO C, BERM EJO J, MARSH H, et al. Chem ical and physical properties of carbon as related to brake perfo mance U].wear,1997,(213):1-12. 基金项目:国家杰出青年基金资助(50225210) [10] YEN B K. Influence of water vapor and oxygen on the tribo logy 收稿日期2004-07-16,修订日期2004-10-22 of carbon m aterials w ith sP2 valence configuration(U.wear,作者简介:胡志彪(1972·),男,讲师,博士研究生,主要从事碳/碳 1996,(192):208-215 复合材料摩擦学研究,联系地址:西北工业大学碳/碳复合材料工程技 [1 CHEN JD,JUcP, Friction and wear of PAN /itch,PAN/术研究中心(7100 CVH, and pitch/resin/V H based carbon/carbon com posites ],wear,199,(174):129-135 [12 HU TTON T J, JOHN SON D, MCENANEY B. Effect of fibre orientaton on the tribo logy of a model carbon-carbon composite ].wear,2001,(249):647-655. 欢迎订阅2005年《材料工程》 [13] BYRNE C, WANG Z Y. Influence of them al properties on fricton perfo m ance of carbon compo sites [J ] Carbon, 2001 91789.1801 应读者要求,决定将2005年《材料工程》征订工 [14]罗瑞盈,杨峥,金志浩.纤维取向对碳/碳复合材料摩擦磨损性 作延长到2005年2月底,欢迎各相关单位及广大读 能的影响门]·复合材料学报,1997,14(4):65-69, 者继续积极订阅 2005年《材料工程》定价每期10元(含邮费),全 11徐患,翔,张红波,等,不同热处理温度下碳(复合材料年12期共计120元。 的制动摩擦性能卩],中国有色金属学报,2002,12(5):991 2005年《材料工程》订单已发到各有关单位。未 收到订单者请来函来电索 [16]冯志荣,黄启忠,邹林华,石墨化度对C复合材料摩擦性 可以直接汇款到编辑部,并请注明订刊专用和订 的影响U],粉末冶金工业,200010(3):29-32. 刊数量 7]罗瑞盈,杨峥,李贺军,等,高温处理对碳/碳复合材料摩擦学订刊及联系电话(010)62456622-5227 性能影响卩],复合材料学报,199,13(4):47-52. 联系及汇款地址:北京81信箱62分箱材料工程编辑 [18 LUO R Y, HUA L, QU JW, et al. Effect of treatment or 部(100095) the tribo log ical behav pr of 2D carbon/carbon composites J] Carbon,2003,41:2693-2701, 201994-2010chinaAcademicjOurnalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
利所保护, 因此如何选择合适的制造工艺来生产符合 性能要求的碳ö碳复合材料是一个具有重大价值的研 究课题。为了充分发挥碳ö碳复合材料的性能优势, 进 一步碳ö碳复合材料作为摩擦材料的应用范围, 在其 表面制备耐磨涂层及减摩涂层, 是一个具有相当应用 前景的课题。 参考文献 [ 1 ] 李贺军, 罗瑞盈, 杨峥 1 碳ö碳复合材料在航空领域的应用研究 现状 [J ] 1 材料工程, 1997, (8): 8- 101 [ 2 ] F ITZER E1 The future of carbon2carbon compo sites [J ] 1 Carbon, 1987, 25 (2): 163- 1901 [ 3 ] 宋允, 任慕苏, 孙晋良 1 碳ö碳复合材料在推进系统上的应用 [J ] 1 产业用纺织品, 2000, 18 (6): 39- 421 [ 4 ] R IV ERS, KEV IN H , NORTHAM P O , et al1 Carbonöcarbon p iston arch itectures [P ] 1 U SA Patent: 5900 193, 19991 [5 ] 王茂章, 贺福 1 碳纤维的制造性质及其应用 [M ] 1 北京: 科学 出版社, 19841 [6 ] MU RD IE N , JU C P, DON J, et al1 M icro structure of wo rn p itchöresinöCV I C2C compo sites [J ] 1 Carbon, 1991, 29 (3): 335- 3421 [ 7 ] CHEN J D , L IN J H C, JU C P1 Effect of hum idity on the tribo logical behavio r of carbon2carbon compo sites [J ] 1W ear, 1996, (193): 38- 471 [ 8 ] YEN B K, ISH IHARA T1 A n investigation of friction and w ear m echanism s of carbon2carbon compo sites in nitrogen and air at elevated temperatures [J ] 1 Carbon, 1996, 34: 489- 4981 [9 ] BLANCO C, BERM EJO J, MARSH H , et al1 Chem ical and physical p roperties of carbon as related to brake perfo rm ance [J ] 1W ear, 1997, (213): 1- 121 [ 10 ] YEN B K1 Influence of w ater vapo r and oxygen on the tribo logy of carbon m aterials w ith SP 2 valence configuration [J ] 1W ear, 1996, (192): 208- 2151 [11 ] CHEN J D , JU C P1 F riction and w ear of PAN öp itch2, PAN ö CV I2, and p itchöresinöCV I2 based carbonöcarbon compo sites [J ] 1W ear, 1996, (174): 129- 1351 [ 12 ] HU TTON T J, JOHN SON D , M CENAN EY B1 Effect of fibre o rientation on the tribo logy of a model carbon2carbon compo site [J ] 1W ear, 2001, (249): 647- 6551 [13 ] BYRN E C, WAN G Z Y1 Influence of therm al p roperties on friction perfo rm ance of carbon compo sites [J ] 1 Carbon, 2001, 39: 1789- 18011 [ 14 ] 罗瑞盈, 杨峥, 金志浩 1 纤维取向对碳ö碳复合材料摩擦磨损性 能的影响 [J ] 1 复合材料学报, 1997, 14 (4): 65- 691 [ 15 ] 徐惠娟, 熊翔, 张红波, 等 1 不同热处理温度下碳ö碳复合材料 的制动摩擦性能 [J ] 1 中国有色金属学报, 2002, 12 (5): 991 - 9951 [ 16 ] 冯志荣, 黄启忠, 邹林华 1 石墨化度对CöC 复合材料摩擦性能 的影响 [J ] 1 粉末冶金工业, 2000, 10 (3): 29- 321 [ 17 ] 罗瑞盈, 杨峥, 李贺军, 等 1 高温处理对碳ö碳复合材料摩擦学 性能影响 [J ] 1 复合材料学报, 1996, 13 (4): 47- 521 [ 18 ] LUO R Y, HUA I X L , QU J W , et al1 Effect of treatm ent on the tribo logical behavio r of 2D carbonöcarbon compo sites [J ] 1 Carbon, 2003, 41: 2693- 27011 [ 19 ] 于澍, 李溪滨, 刘根山, 等 1 热解碳结构对碳ö碳复合材料摩擦 磨损性能的影响 [J ] 1 中南工业大学学报, 2002, 33 (6): 613 - 6161 [ 20 ] L IEBERMAN M L , P IERSON H O 1 Effect of gas phase condition on resultant m atrix pyrocarbons in carbonöcarbon compo sites [J ] 1 Carbon, 1974, 12 (2): 233- 2411 [ 21 ] DONAL L S1 U nique app lications of carbonöcarbon compo site m aterials [J ] 1 SAM PE Journal, 1999, 35 (3): 27- 391 [ 22 ] L EE K J, L IN J H C, JU C P1 Surface effect on brak ing behavio r of PAN 2p itch carbon2carbon compo site [J ] 1W ear, 1996, (199): 228- 2361 [ 23 ] L EE K J, L IN J H C, JU C P1 Sim ulated2stop tribo logical behavio r of p itch2resin2CV I carbon2carbon compo site [J ] 1 M aterials Chem istry and Physics, 1997, (49): 217- 2241 [ 24 ] L EE K J, KUO H H , L IN J H C, et al1 Effect of surface condition on tribo logical behavio r of PAN 2CV I based carbon2 carbon compo sites [J ] 1 M aterials Chem istry and Physics, 1999, (57): 244- 2521 [25 ] 蒋建纯, 黄伯云, 熊翔 1 碳ö碳复合刹车材料的结构完整性对摩 擦系数的影响 [J ] 1 新型炭材料, 2003, 18 (2): 111- 1151 [26 ] CHEN J D , L IN J H C, JU C P1 Effect of load on tribo logical behavio r of carbon2carbon compo sites [J ] 1 Journal ofM aterial Science, 1996, 31: 1221- 12291 [ 27 ] CHEN J D , JU C P1 Effect of sliding speed on the tribo logical behavio r of a PAN 2p itch carbon2carbon compo site [ J ] 1 M aterials Chem istry and Physics, 1995, (39): 174- 1791 [ 28 ] YEN B K, ISH IHARA T1 O n temperature2dependent tribo logical regim es and oxidation of carbon2carbon compo sites up to 1800℃ [J ] 1W ear, 1996, (196): 254- 2621 基金项目: 国家杰出青年基金资助 (50225210) 收稿日期: 2004207216; 修订日期: 2004210222 作者简介: 胡志彪 (1972- ) , 男, 讲师, 博士研究生, 主要从事碳ö碳 复合材料摩擦学研究, 联系地址: 西北工业大学碳ö碳复合材料工程技 术研究中心 (710072)。 ● 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 欢迎订阅 2005 年《材料工程》 应读者要求, 决定将 2005 年《材料工程》征订工 作延长到 2005 年 2 月底, 欢迎各相关单位及广大读 者继续积极订阅。 2005 年《材料工程》定价每期 10 元 (含邮费) , 全 年 12 期共计 120 元。 2005 年《材料工程》订单已发到各有关单位。未 收到订单者请来函来电索取。 可以直接汇款到编辑部, 并请注明订刊专用和订 刊数量。 订刊及联系电话: (010) 6245662225227 联系及汇款地址: 北京 81 信箱 62 分箱 材料工程编辑 部 (100095) 62 材料工程ö2004 年 12 期