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５９碳／碳复合材料摩擦学性能及摩擦机制研究进展ＡｄｖａｎｃｅｉｎＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＴｒｉｂｏｌｏｇｉｃａｌＢｅｈａｖｉｏｒａｎｄＭｅｃｈａｎｉｓｍｏｆＣａｒｂｏｎ／ＣａｒｂｏｎＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓ

胡志彪，李贺军，陈强，李克智，黄荔海（ｉＮ北工业大学碳／碳复合材料工程技术研究中心，西安７１００７２）ＨＵＺｈｉ—ｂｉａｏ，ＬＩＨｅ—ｊｕｎ，ＣＨＥＮＱｉａｎｇ，ＬＩＫｅ—ｚｈｉ，ＨＵＡＮＧＬｉ—ｈａｉ（ｃ／ｃＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＲｅｓｅａｒｃｈ

Ｃｅｎｔｅｒ，

ＮｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ

７１００７２，Ｃｈｉｎａ）

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。关键词：碳／碳复合材料；摩擦学行为；摩擦机制中图分类号：ＴＱ３３２文献标识码：Ａ文章编号：１００１—４３８１（２００４）１２—００５９—０４

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｕｅｔｏｉｔｓｅｘｃｅｌｌｅｎｔｔｒｉｂｏｌｏｇｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，ｃａｒｂｏｎ／ｃａｒｂｏｎｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｗｅｒｅｅｍｐｌｏｙｅｄａｓ

ａｉｒｃｒａｆｔｂｒａｋｅｍａｔｅｒｉａｌ．Ｉｔｓｔｒｉｂｏｌｏｇｉｃａｌｂｅｈａｖｉｏｒｗａｓｄｒａｍａｔｉｃａｌｌｙａｆｆｅｃｔｅｄｂｙｂｏｔｈｔｈｅｔｒｉｂｏｔｅｓｔｉｎｇ

ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｎｄｔｈｅｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓｕｓｅｄｆｏｒｔｈｅｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｏｆｃａｒｂｏｎ／ｃａｒｂｏｎｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ．Ｔｈｅｆａｃｔｏｒｓ

ａｆｆｅｃｔｉｎｇｔｈｅｔｒｉｂｏｌｏｇｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｃａｒｂｏｎ／ｃａｒｂｏｎｗｅｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｓｏｆｆｒｉｃｔｉｏｎａｎｄｗｅａｒｗｅｒｅｒｅｖｉｅｗｅｄ．Ｔｈｅｅｘｉｓｔｉｎｇｐｒｏｂｌｅｍａｎｄｔｈｅｆｕｔｕｒｅｒｅｓｅａｒｃｈｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｓｏｗｅｒｅｐｏｉｎｔｅｄ

ｏｕｔ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃａｒｂｏｎ／ｃａｒｂｏｎｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ；ｔｒｉｂｏｌｏｇｉｃａｌｂｅｈａｖｉｏｒ；ｔｒｉｂｏｌｏｇｉｃａｌｍｅｃｈａｎｉｓｍ

与其它摩擦材料相比，碳／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口］。碳／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／碳盘取代了钢盘；在美国，许多军用飞机均已采用碳／碳刹车盘，如Ｆ一１６，Ｂ—ｌ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／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／碳复合材料也可用作滑动轴承材料［３３和内燃机活塞［４］。碳／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／碳复合材料的摩擦学特性对于指导和推广碳／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／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研究进展。１碳／碳复合材料摩擦机制碳／碳复合材料的增强相为碳纤维，基体为热解碳，二者均为非晶态碳嘲。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／碳复合材料摩擦行为。Ｍｕｒｄｉｅ等［６］通过观察磨屑的微观形貌，认为碳／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Ｌ７］。类型？Ｉ：薄、光滑、明亮（在灯下）碎片薄膜。类型Ⅱ：厚、粗糙的和黑的（／在灯下）粉未碎片层。类型Ⅲ：光滑、致密、明亮（在灯下），碎片薄膜。薄的类型Ｉ碎片伴随低摩擦系数和低磨损率。粉末状的类型Ⅱ碎片伴随高摩擦系数和高磨损率。类型Ⅲ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Ｉ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／碳复合材料摩擦行为的影响。另外一种观点认为碳／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／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／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

　万方数据６０材料工程／２００４年ｉ２期

（ｏ．０１％，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嘲，反应生成的络合物对碳／碳复合材料有润滑效果。这一点和许多其它碳材料一样，可能由于它们的结构中都含有ＳＰ２杂化轨道［１…。

图ｌ磨损面形貌扫描电镜图（ａ）类型Ｉ；（ｂ）类型Ⅱ；（ｃ）类型ｉｌｌ；（ｄ）类型Ⅱ和类型Ⅲ的混合（箭头代表滑动方向）

Ｆｉｇ．１Ｓｃａｎｎｉｎｇｅｌｅｃｔｒｏｎｍｉｃｒｏｇｒａｐｈｓｏｆｗｏｒｎ

ｓｕｒｆａｃｅｍｏｒｐｈｏｌｏｇｉｅｓ

（ａ）ｔｙｐｅＩ；（ｂ）ｔｙｐｅⅡ；（ｃ）ｔｙｐｅⅢ；（ｄ）Ⅱ一Ⅲｍｉｘｅｄ（ａｒｒｏｗｓｉｎｄｉｃａｔｅｓｌｉｄｉｎｇｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ）

２影响碳／碳复合材料摩擦磨损性能的因素２．１碳／碳复合材料制备工艺及其结构对摩擦磨损性能的影响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［１¨。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。２Ｄｐｉｔｃｈ／

ｒｅｓｉｎ／ＣＶＩ、高密度的２ＤＰＡＮ／ｐｉｔｃｈ和中等密度２Ｄ

ＰＡＮ／ｐｉｔｃｈ碳／碳复合材料摩擦系数都发生转变，而低密度的２ＤＰＡＮ／ｐｉｔｃｈ和２ＤＰＡＮ／ＣＶＩ摩擦系数不发生改变。转变前的摩擦系数为０．１～ｏ．２，在极短的改变过程中，摩擦系数突升至０。５～０．９。而３ＤＰＡＮ／ｐｉｔｃｈ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［１引。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［１３｜。ｚ

向纤维的含量为５％时，摩擦系数为０．４～ｏ．５；Ｚ向纤维的含量为１５％时，摩擦系数为０．３～ｏ．５；Ｚ向纤维的含量为２５％时，摩擦系数为０．２～０．４。而罗瑞盈等［１４３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［１５］随着热处理温度升高，摩擦系数增大，温度在２３００。ｃ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［１引，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／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［１…。若将碳布叠层碳／碳复合材料用作刹车材料，其合适的热处理温度为２０００。Ｃ［１８。，在此温度处理的碳／碳复合材料具有足够

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高的摩擦系数和低磨损率。２．１．４热解碳结构的影响Ｅ１９］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／碳复合材料性能有不同的影响。基体为粗糙层结构的碳／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／碳复合材料，石墨化度低，摩擦系数低，磨损量小。２．１．５表面状况的影响碳／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‘２２ｍ３。２．Ｉ．６结构完整性的影响碳／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／碳复合材料摩擦磨损性能的稳定性不同瞳…。碳／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／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。２．２摩擦参数对碳／碳复合材料摩擦磨损性能的影响２．２．１能载的影响在不同的能载下，碳／碳复合材料表现出不同的摩擦磨损行为［２…。碳／碳复合材料在载荷为１．ＯＭＰａ时，在初始阶段，都呈现低的摩擦系数（ｏ．１～０．２），后摩擦系数发生改变，突升至０．４～ｏ．５，然后再降至稳定的数值。在载荷为２．４ＭＰａ时，摩擦系数的改变都发生在初始阶段。２．２．２转速的影响转速是影响碳／碳复合材料摩擦磨损性能的重要因素瞳“。在低转速（８００和１１００ｒ／ｍｉｎ）下，摩擦系数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／ｍｉｎ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０．６～０．７，后摩擦系数又降低到０．４～ｏ．５。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／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。Ｃ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２３００ｒ／ｍｉｎ时，滑移６６ｍ后，温度高达９００℃。２．３环境对碳／碳复合材料摩擦磨损性能的影响２．３．１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Ｉ磨屑向类型Ⅱ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Ⅲ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／碳复合材料对湿度的敏感程度不一样，２ＤＰＡＮ／ＣＶＩ对湿度最敏感，而２Ｄｐｉｔｃｈ／ｒｅｓｉｎ／