Ti3SiC2基复合材料的制备及摩擦磨损性能的研究

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传统摩擦制动材料使用金属作为基体,大多都添加石墨作为润滑组元。而石墨的高温抗氧化能力较差,在摩擦制动材料工作温度上升到较高的情况下石墨氧化严重从而丧失润滑特性。Ti3SiC2具有与类似石墨的层状结构,具有良好的自润滑特性,它的导热性、抗热震性和高温抗氧化能力全部优于石墨。由Ti3SiC2替代石墨无疑是一个很好的选项。但作为粘结剂的金属材料(通常是Cu基),也是抗氧化能力较差的,如果以适合的材料弥补Ti3SiC2耐磨性能以及强度较差的问题,并与其良好结合,则可能得到更高工作温度使用的摩擦制动材料。本文分别在Ti3SiC2中加入TiN0.3、TiC0.4和短切碳纤维采用SPS方法制备Ti3SiC2复合摩擦材料,探究增强相的种类、含量以及烧结温度对Ti3SiC2复合材料的物相组成,力学性能以及摩擦磨损性能的影响。实验结果表明:(1)TiN0.3和TiC0.4对Ti3SiC2的强度均有明显的提高效果,TiN0.3和TiC0.4增强Ti3SiC2的主要原因为添加了共价键化合物作为粘结剂使其强度上升,并且TiN0.3还可以促进Ti3SiC2分解生成TiC和Ti5Si3硬质相使其硬度增加。(2)在烧结过程中Ti3SiC2与碳纤维接触在碳纤维表面反应生成β-SiC,并且使Ti3SiC2部分分解出TiC、Ti5Si3和少量TiSi2等硬质相生成,使材料的强度得以提高。(3)综合考虑复合材料的磨损量、摩擦系数和强度等因素,添加20vol.%的碳纤维,烧结温度为1300℃下制得的复合材料摩擦学性能最好。其摩擦系数为0.53,磨损率为0.008 mg/m,材料的硬度为7.4 GPa,相对于纯Ti3SiC2磨损率大幅度下降,并且强度得到了提高。导热系数在55-73 W/(m·K)。在摩擦过程中会形成TiO2氧化膜,因此具有优秀的高温抗氧化能力。
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