碳化硅陶瓷基复合材料的摩擦磨损性能研究

　　炭纤维增强碳-碳化硅双基体陶瓷基复合材料(C/C-SiC)具有密度小、比强度大、耐高温、耐热冲击及腐蚀、吸振性和摩擦性能良好等综合性能[1~3],已用于摩擦领域,能够在1 650℃的工况下使用.经美国陶瓷基复合材料飞机刹车协会(Ceramic Com-positeAircraftBrake Consortium)对陶瓷基复合材料飞机刹车材料的评估表明, C/C-SiC复合材料将成为新一代摩擦材料[4].作为摩擦材料,C/C-SiC的制备技术还处于深入研究和完备阶段,目前国内对C/C-SiC摩擦材料的研究和报道还不多,其中马运柱等[5~7]对C/C摩擦材料渗硅改性进行探索.

　　本文作者以不同孔隙率的C/C复合材料为预制体,甲基三氯硅烷(CH3SiCl3)为反应源气,采用CVI法制备出一系列C/C-SiC复合材料,探讨了C/C-SiC复合材料的摩擦磨损性能,分析了不同原始密度及其组分含量等因素对其摩擦性能的影响.

　　1　实验部分

　　1.1　复合材料制备

　　炭纤维由吉林炭素厂生产,炭纤维编织体由无维布与胎网层叠针刺而制成的整体毡,密度为0. 6g/cm3.炭纤维坯体中纤维的体积分数约35%.采用化学气相沉积工艺对炭纤维编制体进行沉积,制备出具有不同密度的C/C复合材料作为试验预制体.采用甲基三氯硅烷(CH3SiCl3)作为反应气体,用化学气相渗透法(CVI)制备具有较高密度的C/C-SiC复合材料.以CH3SiCl3为气源,在预制体试样上沉积SiC.在CVI反应过程中,反应气体CH3SiCl3以鼓泡方式由载气(高纯氩气)带入反应室,同时选用流量为100mL/min的高纯氢气为稀释气体,高纯氩气流量为100 mL/min.每次渗透完毕后将试样表面磨去1 mm左右以除去被堵塞的孔洞再进行下次渗透,经过多次渗透,当试样增重低于0. 5%时即认为试样制备结束.得到的试样机械性能见表1.可见3组试样的初始密度逐渐增大,而沉积SiC后最终密度均在1. 90 g/cm3左右.试样中沉积的SiC含量随着初始密度增大而减小.材料最终孔隙率随着初始密度增大而降低.

　　1.2　摩擦磨损性能测试

　　在MM-1000型摩擦磨损试验机上进行摩擦磨损性能测试,动、静盘均采用C/C-SiC复合材料,动盘尺寸为外径77 mm、内径52 mm、厚度10 mm,静盘尺寸为外径80 mm、内径55 mm、厚度10 mm.动摩擦试验条件为:转速7 500 r/min,比压0. 81MPa,转动惯量2. 6 kg·m·S2.模拟动盘的试样在主轴带动下高速转动,模拟静盘的试样在刹车开始时与高速转动的动盘相互贴合实现刹车.每次试验完毕将试盘空冷至室温后再进行下次试验,每组试盘经15次刹停测试,当摩擦系数对刹车次数不敏感且摩擦系数较稳定、即表现为较好的摩擦稳定性时停止测试.静摩擦试验条件为:比压0. 81MPa,转动惯量2. 6 kg·m·S2,转动力2 000 N.每对试盘进行5次静摩擦试验.试验前,动、静盘相互磨合至摩擦表面贴合达到80%以上开始正式摩擦测试,采用精度为0. 01 mm的螺旋测微器测量盘试样上6点处摩擦前后的尺寸变化,取其平均值得出线性磨损率(即磨损厚度).采用Hitachi的S-450型扫描电子显微镜(SEM)分别在放大200倍和3 000倍条件下观察试样的磨损表面形貌.采用热电偶测量每次刹车过程中刹车盘的温度.