C_C_SiC摩擦材料的研究进展_李波

第37卷第1期上海金属Vol．37，No．12015年1月SHANGHAI METALSJanuary ，201543基金项目：上海人才发展基金（2011028）作者简介：李波，男，主要从事高性能复合材料研究，Email ：fenglinyuelb@shu．edu．cn 通讯作者：白瑞成，男，博士，副研究员，主要从事高性能复合材料研究，Email ：rcbai@shu．edu．cn C /C -SiC 摩擦材料的研究进展李波崔园园李爱军周春节张家宝白瑞成（上海大学复合材料研究中心，上海200072）【摘要】综述了C /C-SiC 摩擦材料的研究现状，以及C /C-SiC 摩擦材料的发展历程。

详细分析C /C-SiC 摩擦材料的摩擦磨损性能影响因素及机理，介绍了C /C-SiC 摩擦材料的改性及应用现状，并对未来的研究重点进行了展望。

【关键词】C /C-SiC 摩擦材料摩擦磨损性能机理改性ＲESEAＲCH PＲOGＲESS OF C /C-SiC FＲICTION MATEＲIALSLi BoCui YuanyuanLi AijunZhou ChunjieZhang JiabaoBai Ｒuicheng（Ｒesearch Center of Composite Materials ，Shanghai University ，Shanghai 200072，China ）【Abstract 】The research progress of C /C-SiC friction materials was summarized ，and the development history of C /C-SiC was sketched briefly．The influence factors of friction and wear properties of C /C-SiC were analyzed in detail ，and the friction and wear mechanism was analyzed too．Finally ，the modification and application of C /C-SiC were introduced ，and the focus of the future research was proposed．【Key Words 】C /C-SiC Friction Materials ，Friction and Wear Properties ，Mechanism ，ModificationC /C-SiC 复合材料是一类由炭纤维增强炭、碳化硅双基体复合材料，具有密度低、抗氧化性好、耐腐蚀、良好的摩擦磨损性能等优点，是一种能满足1650ħ高温使用的高温结构和功能材料，因此广泛应用于返回式飞行器的面板、小翼、升降副翼和机身舱门，航天飞机的热防护系统，太空反射镜等部件和产品［1－2］。

C /C-SiC 复合材料作为摩擦材料不仅具有密度小、刹车平稳，磨损率小、摩擦系数受湿度影响小，热容量大，氧化性能好等优势，而且还具有刹车反应速度高且制动衰减低、热稳定性高、无热振动、耐磨性好等优点［3］。

C /C-SiC 摩擦材料在国外已成功应用于航空航天领域和高档汽车领域［4］，而国内相关应用报道较少。

发展高性能、环保型C /C-SiC 摩擦材料必然为我国带来重大社会影响和巨大经济效益。

本文详细介绍了C /C-SiC 摩擦材料的摩擦磨损性能影响因素、摩擦磨损机理、改性以及应用现状。

1C /C-SiC 摩擦材料发展历程摩擦材料应具备响应快、摩擦系数适中而稳定、制动平稳、质量轻、寿命长和环境适应性强等特点［5］。

随着车辆高速化、轻量化，传统的铸铁、粉末冶金等摩擦材料已难满足要求。

因此C /C 摩擦材料和C /C-SiC 摩擦材料成为研究的重点。

20世纪70年代中期，Dunlop 航空公司的C /C 复合材料刹车片首次在协和式飞机上试飞成功以来，得到很大发展［6－9］。

但C /C 摩擦材料存在摩擦系数受湿度影响大［10］，抗氧化性能差，成本高等缺点，很难进行推广［11］。

C /C-SiC 摩擦材料克服了这种弊端。

C /C-SiC 复合材料最早在80年44上海金属第37卷代作为热结构材料出现。

主要采用化学气相渗透（CVI）和先驱体浸渍热解（PIP）工艺制备［12－13］。

90年代斯图加特大学和德国宇航中心（DLＲ）等单位开始进行C/C-SiC复合材料应用于摩擦领域的研究，重点研究低成本熔融硅渗透（LSI）工艺［14］，并成功将C/C-SiC摩擦材料应用于Porsche、Ferrari等跑车的刹车和离合系统［1－2，4］。

美国橡树岭国家实验室与Honeywell公司合作，正研制低成本的C/C-SiC复合材料刹车片［5］。

21世纪初期，国内西北工业大学和中南大学对C/C-SiC摩擦材料的制备和摩擦磨损机理的研究也取得了一些研究成果［15－16］。

2C/C-SiC摩擦材料的摩擦磨损机理2．1摩擦机理Bowden和Tabor［17］经过系统的实验研究，建立了较完整的黏着摩擦理论。

此理论可归纳为：摩擦表面处于塑性接触状态，摩擦力是黏着效应和犁沟效应产生阻力总和。

C/C-SiC摩擦材料制动初期，摩擦表面微凸体出现变形、剪切及断裂等情况，同时磨屑会引发犁沟效应，摩擦系数增大。

随着摩擦的进行，来不及脱落的磨屑在摩擦表面被挤压形成摩擦膜［18］。

摩擦膜与摩擦面紧密接触，产生黏着效应。

同时，磨屑的产量与其被挤压成膜的量处于动态平衡。

摩擦膜的形成减少了微凸体的直接接触，同时起到一定的润滑作用，使摩擦力减小，摩擦系数变化平缓。

制动后期，静摩擦性能主导摩擦系数的变化，并且产生的磨屑与成膜的动态平衡被打破，磨屑引发的犁沟效应影响加剧。

并且在摩擦过程中摩擦表面温度急剧上升，会导致纤维、基体以及残余Si的氧化产生氧化磨损。

同时摩擦表面会因连续摩擦而产生疲劳磨损。

因此在摩擦后期，C/C-SiC摩擦材料的摩擦系数会逐渐升高。

2．2磨损机理C/C-SiC摩擦材料的组成使得其磨损机理极为复杂。

一般来说，摩擦系数越高，表层所受的切应力也越大，因而摩擦表面材料的破坏会越严重，产生的磨损越大。

因此，在摩擦过程中摩擦系数与磨损密切相关。

根据摩擦学理论［19］，可将C/ C-SiC摩擦材料的磨损分为［20］：磨粒磨损、黏着磨损、疲劳磨损、氧化磨损。

（1）磨粒磨损。

在制动过程中，C/C-SiC摩擦材料表面的微凸体与对偶盘之间产生应力接触，导致微凸体在对偶盘表面划出划痕，产生磨粒磨损。

此外，在摩擦力的反复作用下，部分微凸体被剪断、脱落，在摩擦面间产生犁沟效应，构成磨粒磨损［20］。

（2）黏着磨损。

在制动过程中，C/C-SiC摩擦材料表面来不及脱落的磨粒被挤压形成膜，同时摩擦表面微凸体的断裂及膜的脱落使摩擦表面遭到破坏，露出新鲜表面与对偶件发生“焊合”，在剪切力作用下被剪断，导致黏着磨损［21］。

对于采用LSI工艺制备的C/C-SiC摩擦材料，少量残余Si的存在是导致黏着磨损的主要原因之一。

（3）疲劳磨损。

在制动过程中，C/C-SiC摩擦材料表面存在高的局部压应力，摩擦力在材料表面不断循环，使材料表面产生裂纹并向外扩展，导致基体和纤维脱落。

在循环应力作用下，裂纹不断产生和扩展，从而诱发疲劳磨损［16］。

（4）氧化磨损。

制动摩擦过程中，摩擦产生的热能使表层产生600 800ħ的高温。

在此温度下，C易被氧化生成气体，Si会被氧化生成SiO2膜，导致材料磨损［16］。

SiO2膜阻止了氧气扩散，但摩擦过程中SiO2膜会遭到破坏［20］，露出新表面，磨损继续进行。

上述几种形式的磨损在实际的摩擦过程中同时存在，而且一种形式磨损发生后会诱发其他形式的磨损。

材料成分的差异、制备方法和使用环境不同会导致不同的磨损形式占主导地位。

总体上磨粒磨损是C/C-SiC摩擦材料的主要磨损方式。

3C/C-SiC摩擦材料摩擦磨损性能影响因素3．1物相组成的影响Qilong Shi［15］等研究了基体中热解炭含量对C/C-SiC摩擦材料摩擦磨损性能的影响。

研究结果表明材料的表面硬度随着热解炭含量的增加而降低，当热解炭含量较低时，随着热解炭含量的增加，材料表面变软，SiC更易切削材料表面，使材料的摩擦系数增加，磨损加剧。

但随着热解炭含量的继续增加，SiC含量达到最低值，“犁沟效应”被削弱。

此外，石墨结构炭的自润滑性有利于接触表面连续稳定摩擦膜的形成，从而降低材料的摩擦系数。

因此材料的摩擦系数随热解炭含量的增加先升后降，材料的磨损率随着热解炭含量的第1期李波等：C /C-SiC 摩擦材料的研究进展45增加而升高。

3．2制动条件的影响王林山［22］对C /C-SiC 摩擦材料干态和湿态下材料的摩擦磨损性能进行了研究，结果如表1所示。

结果表明：C /C-SiC 摩擦材料在湿态下的摩擦系数下降很小，材料自身和对偶件的线磨损均下降。

这主要是在湿态下，水挥发吸热使得摩擦面的温度降低，对偶件表面发生硬化，从而使线磨损减小。

表1C /C-SiC 复合材料摩擦磨损性能Table 1Friction and wear properties of C /C-SiCcomposites梁锦华［23］研究了刹车压力对材料摩擦磨损性能的影响，结果显示随刹车压力的增加材料的摩擦系数下降，磨损增加。

依据成膜理论，低能量条件下，复合材料摩擦表面形成粒状碎屑，可导致磨粒磨损，使摩擦磨损增大。

依据摩擦学原理，刹车压力越大，磨损也越大。

同时，刹车压力增大，氧化作用加剧，使磨损加剧。

4C /C-SiC 摩擦材料的改性尽管C /C-SiC 复合材料作为摩擦材料具有一系列的优点，但也存在一些不足，如材料硬度大，低速条件下摩擦系数高；且在高速制动过程易产生高频震动，制动不平稳；当对偶件为铁基材料时易产生黏着效应，使材料的摩擦系数提高，为了解决这一系列问题，肖鹏［24］采用LSI 法制备出了C /C-SiC-Fe 材料，并研究了C /C-SiC-Fe 复合材料摩擦磨损性能。

结果表明：制动过程中材料表面会形成不易氧化的FeSi 和FeSi 2磨屑填充孔隙，起到缓冲作用，可有效地防止振动，然而高温下Fe 会侵蚀炭纤维，对材料造成损伤。

与Fe 不同，Cu 与C 不润湿，高温下Cu 不会侵蚀炭纤维。

同时Cu 提高材料的散热能力，有效降低材料表面温度，提高其摩擦磨损性能。

肖鹏等［25］采用LSI 法，将Cu 与Si 同时熔渗进C /C坯体中制备Cu x Si y 改性C /C-SiC 复合材料。

在相对较高能量和平均功率的条件下，Cu x Si y 改性C /C-SiC 复合材料摩擦次表面的温度低于C /C-SiC 复合材料约50ħ。