C/C-SiC复合材料的微观结构与摩擦磨损性能研究

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C/C-SiC复合材料综合性能优异,成为新一代高速列车刹车制动材料,深化摩擦磨损性能及其影响因素研究是提高制动材料性能的关键。本文以“CVI-RMI”工艺制备的C/C-SiC复合材料作为研究对象,采用一种新的基于X射线衍射技术的Rietveld全谱拟合法对C/C-SiC复合材料进行了定量分析;实验使用多种方法对C/C-SiC复合材料的整体微观结构及孔结构进行了测试分析;同时研究了C/C-SiC复合材料的摩擦磨损性能的影响因素及机理。研究结果表明:   C/C-SiC复合材料系由编织束丝碳纤维、气相沉积碳、先驱体裂解碳、α-SiC(原料加入)、β-SiC(反应生成)及少量残留Si组成的复杂多相复合材料。且定量分析出,C/C-SiC复合材料中总游离碳含量在35.9%-56.6%范围内,SiC(包括α-SiC和β-SiC)含量在39.8%-48.4%范围内,Si含量在3.6%-19.8%范围内。研究表明,Rietveld全谱拟合技术在含有无定形碳、SiC和Si的多相体系的定量分析应用中具有较高的可靠性。   C/C-SiC复合材料材料致密度较高,体积密度约为1.76g/cm3,开孔率在10.4%-12.5%之间;材料中微米级以上大孔的体积占总孔隙体积的83.6%,而材料表面积主要是由纳米级微孔贡献,其表面积百分比高达90.3%。   摩擦磨损实验显示,在以GCr15轴承钢材料为摩擦副材料、200N、200r/min、干态摩擦条件下,C/C-SiC复合材料的摩擦系数在0.4-0.5之间,磨损率较小(约为0.62×10-5mm3·N-1·m-1),约是粉末冶金SiC颗粒增强Cu基复合材料的1/40,表现出良好的制动性能及高的耐磨性;同时其抗弯强度可达到79.3MPa,表现出良好的抗破坏能力。所以C/C-SiC复合材料是一种有良好应用前景的摩擦制动材料。   摩擦磨损机理研究发现:以GCr15轴承钢为摩擦副材料,在200r/min、干态的摩擦条件下,当摩擦压力小于200N时,C/C-SiC复合材料样品磨面上有明显的犁痕存在,磨损形式主要以磨粒磨损为主。压力超过200N后,摩擦系数上升,摩擦磨损机理由磨粒磨损转化为粘着磨损;摩擦速度变为400r/min后,C/C-SiC复合材料的磨损形式主要是粘着磨损和氧化磨损,并伴有磨粒磨损;在200N、200r/min、湿态摩擦条件下,C/C-SiC复合材料的摩擦系数在0.4左右,相对干态下降低0.1左右,磨损率也大大降低,摩擦系数稳定,并且速度对摩擦性能的影响较小。所以C/C-SiC复合材料有望应用于湿态制动条件,从一定程度上解决C/C复合材料在湿态条件下使用受限制的问题。
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