【摘 要】
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制动装置是汽车的关键零部件之一,制动盘和摩擦片的综合性能直接影响到制动系统乃至整个汽车行驶的稳定性及可靠性。制动系统的性能取决于摩擦副的力学性能和摩擦性能。现行制动材料性能最好的是C/SiC制动材料,但是它存在断裂韧性低等问题。为进一步提升C/SiC制动材料的力学性能和摩擦性能,通过氧化石墨烯和硼化锆颗粒的引入以及仿生微结构设计,从微纳米尺度上获得较高的力学性能和摩擦性能的提升。通过真空抽滤法制备
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制动装置是汽车的关键零部件之一,制动盘和摩擦片的综合性能直接影响到制动系统乃至整个汽车行驶的稳定性及可靠性。制动系统的性能取决于摩擦副的力学性能和摩擦性能。现行制动材料性能最好的是C/SiC制动材料,但是它存在断裂韧性低等问题。为进一步提升C/SiC制动材料的力学性能和摩擦性能,通过氧化石墨烯和硼化锆颗粒的引入以及仿生微结构设计,从微纳米尺度上获得较高的力学性能和摩擦性能的提升。通过真空抽滤法制备了石墨烯-Cf/ZrB2-SiC薄膜,讨论了纤维取向对其拉伸性能的影响,并基于裂纹扩展路径分析了其内在机理。不同纤维取向的石墨烯-Cf/ZrB2-SiC薄膜拉伸时,裂纹扩展路径不同。纤维呈0°取向时,裂纹大致垂直于纤维方向扩展;纤维呈10°、20°和30°取向时,纤维为裂纹扩展提供导向,使得裂纹沿纤维排布方向扩展。随纤维取向角增加,石墨烯-Cf/ZrB2-SiC薄膜拉伸强度减小,拉伸应变增加。石墨烯-Cf/ZrB2-SiC薄膜Ⅰ型断裂的裂纹扩展路径与纤维取向有关。纤维呈0°取向,裂纹在非切口处几乎垂直于纤维方向扩展;纤维呈10°、20°和30°方取向,裂纹在非切口处的裂纹大致沿纤维方向扩展,曲折的裂纹中有纤维桥接。石墨烯-Cf/ZrB2-SiC薄膜中纤维取向角度越大Ⅰ型断裂的断裂功越小。采用真空抽滤和放电等离子烧结相结合的方法制备了具有仿生螺旋微结构的石墨烯-Cf/ZrB2-SiC复合材料,评价了仿生结构对其力学性能和摩擦性能的影响,并揭示了内在机理。石墨烯-Cf/ZrB2-SiC复合材料断裂韧性达到7.44±0.56 MPa·m1/2,断裂功达到1055±153 J/m2。它的增韧机制是多尺度的,包括碳纤维和石墨烯的拔出、桥接,裂纹偏转及模量震荡。石墨烯-Cf/ZrB2-SiC复合材料平行于纤维叠层方向干湿态下平均摩擦系数分别为0.618和0.455,磨损量分别为3.8 mg和0.5 mg,与干态相比分别降低26%和87%;垂直于纤维叠层方向干态下的平均摩擦系数分别为0.540和0.462,磨损量分别为3.3 mg和0.3 mg,与干态相比分别降低14%和91%。石墨烯-Cf/ZrB2-SiC复合材料的磨损机理包括:颗粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损、氧化磨损以及石墨烯摩擦膜的形成。这些磨损机理往往是同时发生的,并且相互作用,表现出相互促进的趋势。
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