工程科学学报，第38卷，第11期：1596-1602,2016年11月 Chinese Journal of Engineering,Vol.38,No.11:1596-1602,November 2016 D0l:10.13374/j.issn2095-9389.2016.11.013:http://journals.ustb.edu.cn 原位转化C/AL,0,陶瓷基复合材料的冲蚀磨损 赵赋，陈华辉四，任杰，王纯阳，马彪 中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院，北京100083 ☒通信作者，E-mail:chh@cumtb.cdu.cn 摘要采用真空热压烧结技术制备原位转化C,/AL,O,复合材料，并在改装后的MSH型腐蚀磨损试验机上研究复合材料在 不同冲蚀角度和速度下的浆体冲蚀磨损性能.通过对试样冲蚀表面的形貌观察和分析，探讨复合材料的冲蚀磨损机理以及 纤维增韧对磨损过程的影响.试验结果表明：在大角度和较高速度的冲蚀条件下C,/Al,0,表现出较好的耐磨损性能，其磨损 机理主要为脆性材料受到反复冲击，表面产生脆性剥落.增韧纤维对冲蚀磨损性能的影响主要体现在材料产生裂纹后对基 体的桥连作用和对冲击功的吸收，抑制裂纹扩展，减少材料损失. 关键词陶瓷基复合材料：氧化铝陶瓷：碳纤维：浆体冲蚀：磨损机理 分类号TB332 Erosive wear of in-situ transformed carbon fiber toughened alumina ceramic composites ZHAO Fu,CHEN Hua-hui,REN Jie,WANG Chun-yang,MA Biao School of Mechanical Electronic and Information Engineering,China University of Mining and Technology (Beijing),Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:chh@cumtb.edu.en ABSTRACT An in-situ transformed carbon fiber toughened alumina ceramic matrix composite was prepared by vacuum hot pressure sintering technology,and the slurry erosion wear behaviour of the composite was tested at different impact angles and velocities on a modified MSH tester.The wear mechanism of the composite and the toughening effect of carbon fiber in the wear process were also analyzed by observing its erosion surface morphology.The results show that C/ALO exhibits a better wear resistance under the condi- tions of a larger impact angle and a higher impact velocity.The slurry erosion wear mechanism of C/AlO,is brittle spalling when the surface is repeatedly impacted.The effect of carbon fiber on the erosive wear is bridging the matrix and absorbing the impact energy after cracking.It can inhibit cracks from extending and reduce the loss of the composite. KEY WORDS ceramic matrix composites;alumina ceramics:carbon fiber:erosion:wear mechanisms 氧化铝陶瓷以优良的耐磨损、耐腐蚀性能、高性价复合材料具有高韧性、低密度、耐高温等诸多优点.研 比等特点☒，被广泛用于选煤重介质旋流器内衬和 究表明0-☒，增韧纤维和颗粒加入到氧化铝等陶瓷 矿山、石油输送管道内衬.陶瓷内衬材料的失效大中，可使其强韧性得到改善.陶瓷复合材料已在新能 部分是由于浆体冲蚀磨损的结果.浆体冲蚀磨损失效 源、航空航天等领域得到一定的应用3-.碳纤维是 在机械、能源等领域十分常见.随着设备的大型化和 一种高性能纤维，具有高的比强度和比模量，广泛用于 高速化，传统氧化铝陶瓷材料由于存在脆性较大的缺 复合材料的强化.但碳纤维脆性较大，在与基体粉末 点可，耐冲蚀磨损磨性能已不足以满足对生产的要求， 混合过程中碳纤维容易受到损伤而影响其增强增韧效 因此大大降低生产效率、缩短设备的使用寿命.在陶 果，因此本课题使用聚丙烯腈预氧化纤维原位转化生 瓷增韧方法6-)中，纤维增韧方式⑧)所制备的陶瓷基 成碳纤维增韧氧化铝陶瓷，减少制备过程中纤维的损 收稿日期：2016-02-29 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51275516)工程科学学报，第 38 卷，第 11 期: 1596--1602，2016 年 11 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 38，No． 11: 1596--1602，November 2016 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2016． 11． 013; http: / /journals． ustb． edu． cn 原位转化 Cf /Al2 O3 陶瓷基复合材料的冲蚀磨损 赵 赋，陈华辉，任 杰，王纯阳，马 彪 中国矿业大学( 北京) 机电与信息工程学院，北京 100083  通信作者，E-mail: chh@ cumtb． edu． cn 摘 要 采用真空热压烧结技术制备原位转化 Cf /Al2O3 复合材料，并在改装后的 MSH 型腐蚀磨损试验机上研究复合材料在 不同冲蚀角度和速度下的浆体冲蚀磨损性能． 通过对试样冲蚀表面的形貌观察和分析，探讨复合材料的冲蚀磨损机理以及 纤维增韧对磨损过程的影响． 试验结果表明: 在大角度和较高速度的冲蚀条件下 Cf /Al2O3 表现出较好的耐磨损性能，其磨损 机理主要为脆性材料受到反复冲击，表面产生脆性剥落． 增韧纤维对冲蚀磨损性能的影响主要体现在材料产生裂纹后对基 体的桥连作用和对冲击功的吸收，抑制裂纹扩展，减少材料损失． 关键词 陶瓷基复合材料; 氧化铝陶瓷; 碳纤维; 浆体冲蚀; 磨损机理 分类号 TB332 收稿日期: 2016--02--29 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 51275516) Erosive wear of in-situ transformed carbon fiber toughened alumina ceramic composites ZHAO Fu，CHEN Hua-hui  ，ＲEN Jie，WANG Chun-yang，MA Biao School of Mechanical Electronic and Information Engineering，China University of Mining and Technology ( Beijing) ，Beijing 100083，China  Corresponding author，E-mail: chh@ cumtb． edu． cn ABSTＲACT An in-situ transformed carbon fiber toughened alumina ceramic matrix composite was prepared by vacuum hot pressure sintering technology，and the slurry erosion wear behaviour of the composite was tested at different impact angles and velocities on a modified MSH tester． The wear mechanism of the composite and the toughening effect of carbon fiber in the wear process were also analyzed by observing its erosion surface morphology． The results show that Cf /Al2O exhibits a better wear resistance under the condi￾tions of a larger impact angle and a higher impact velocity． The slurry erosion wear mechanism of Cf /Al2O3 is brittle spalling when the surface is repeatedly impacted． The effect of carbon fiber on the erosive wear is bridging the matrix and absorbing the impact energy after cracking． It can inhibit cracks from extending and reduce the loss of the composite． KEY WOＲDS ceramic matrix composites; alumina ceramics; carbon fiber; erosion; wear mechanisms 氧化铝陶瓷以优良的耐磨损、耐腐蚀性能、高性价 比等特点［1--2］，被广泛用于选煤重介质旋流器内衬和 矿山、石油输送管道内衬［3--4］． 陶瓷内衬材料的失效大 部分是由于浆体冲蚀磨损的结果． 浆体冲蚀磨损失效 在机械、能源等领域十分常见． 随着设备的大型化和 高速化，传统氧化铝陶瓷材料由于存在脆性较大的缺 点［5］，耐冲蚀磨损磨性能已不足以满足对生产的要求， 因此大大降低生产效率、缩短设备的使用寿命． 在陶 瓷增韧方法［6--7］中，纤维增韧方式［8--9］所制备的陶瓷基 复合材料具有高韧性、低密度、耐高温等诸多优点． 研 究表明［10--12］，增韧纤维和颗粒加入到氧化铝等陶瓷 中，可使其强韧性得到改善． 陶瓷复合材料已在新能 源、航空航天等领域得到一定的应用［13--14］． 碳纤维是 一种高性能纤维，具有高的比强度和比模量，广泛用于 复合材料的强化． 但碳纤维脆性较大，在与基体粉末 混合过程中碳纤维容易受到损伤而影响其增强增韧效 果，因此本课题使用聚丙烯腈预氧化纤维原位转化生 成碳纤维增韧氧化铝陶瓷，减少制备过程中纤维的损