C/C-SiC制动材料的研究进展

简要介绍了汽车制动材料的种类和各类材料的优缺点,指出C/C-SiC复合材料具有优良的摩擦性能,代表着当前制动材料的最高水平。主要论述了C/C-SiC制动材料的国内外研究进展、制备工艺以及未来的发展趋势。在制备工艺中,主要介绍了液相硅渗透法和温压-原位反应法两种短周期、低成本的工艺。认为采用短碳纤维模压工艺是以后大批量生产C/C-SiC制动材料最有前途的一种方法。

短炭纤维增强C/C-SiC制动材料的摩擦磨损性能

采用温压?原位反应法制备C/C-SiC复合材料,利用QDM150型摩擦试验机研究短炭纤维(SCF)长度和纤维体积分数对C/C-SiC制动材料摩擦磨损性能的影响。结果表明:C/C-SiC制动材料能够保持较高且稳定的摩擦因数;SCF的体积分数将影响C/C-SiC制动材料的摩擦磨损性能,纤维体积分数为10%时,材料具有适中的摩擦因数和较低的磨损率;SCF长度对C/C-SiC制动材料的摩擦磨损性能有显著影响,炭纤维长度为12 mm时,材料具有最佳的摩擦磨损性能。

Fe_xSi_y改性C/C-SiC制动材料的制备及其性能

以针刺整体炭毡为预制体,采用化学气相渗透法(CVI)增密制备C/C多孔体,采用反应熔体浸渗法(RMI),将Fe与Si同时熔渗进C/C坯体中制备FexSiy改性C/C-SiC复合材料。研究FexSiy改性C/C-SiC复合材料的组织结构、力学性能和摩擦磨损性能。研究结果表明:硅铁化合物被SiC基体包围填充于C/C坯体孔隙中;FexSiy改性C/C-SiC复合材料的弯曲强度为189.65 MPa,垂直和平行摩擦面的压缩性能分别为296.93 MPa和201.32 MPa;分别采用30Cr钢和自身材料作对偶时,FexSiy改性C/C-SiC复合材料的平均摩擦因数均为0.24左右,线磨损均小于3.5μm.面-1.次-1,但与铬钢对摩静系数明显增大,而与自身对摩制动曲线出现明显"翘尾"现象,其摩擦磨损过程是由磨粒磨损、黏着磨损和氧化磨损相互作用的结果。

不同炭基体C/C-SiC制动材料压缩性能研究

选用热固性酚醛树脂A和热塑性酚醛树脂B分别与短炭纤维、石墨粉、硅粉、碳化硅按一定的比例混合后,采用温压-原位反应法制备C/C-SiC试样1和试样2。研究了不同基体的C/C-SiC材料的压缩性能。试样1在垂直纤维层方向压缩载荷作用下,没有出现纤维的拔出、脱粘等现象,界面结合较强,材料呈现脆性断裂:σ⊥=60.7 MPa;而在平行纤维层的压缩载荷作用下,纤维与基体存在剪切作用,存在纤维的脱粘,试样呈现韧性断裂:σ∥=52.6 MPa。试样2由于纤维的分散性不好,大量聚集在一起,在压缩载荷的作用下,存在着纤维的拔出、脱粘现象,界面结合较差,材料呈现韧性断裂,强度较低:σ⊥=45.8 MPa,σ∥=19.4 MPa。

B4C含量对高速动车组C/C-SiC制动材料摩擦磨损性能研究

为提高C/C-SiC摩擦材料的热物理性能和摩擦磨损性能,降低制动过程摩擦面温度,文中采用真空压力浸渍结合化学气相沉积(CVI)和液硅渗透(LSI)制备了B4C改性C/C-SiC摩擦材料(C/C-B4C-SiC),研究了不同B4C含量对C/C-B4C-SiC摩擦磨损性能的影响。结果表明:适量引入B4C可降低制动过程中的摩擦面温度;通过对摩擦磨损性能及磨损机理的分析,表明B4C的引入有利于形成均匀而连续的摩擦膜,使C/C-B4C-SiC制动材料的磨损率在高速制动时降低50%以上。

C/C-SiC陶瓷制动材料的研究现状与应用

通过分析合成材料、粉末冶金材料、C/C和C/CSiC复合材料等摩擦材料的特点及其性能,指出C/CSiC复合材料是一种能满足高速高能载制动的高性能陶瓷制动材料。综述了先驱体转化法、化学气相浸渗法和反应熔体浸渗法制备C/CSiC复合材料的优点及其不足,指明了反应熔体浸渗工艺是一种具有市场竞争力的工业化生产技术。介绍了我国研制的C/CSiC陶瓷制动材料的组织结构、力学性能、摩擦磨损性能及其应用,并对C/CSiC陶瓷制动材料的性能特点进行了评述。

制动速度对C/C-SiC复合材料摩擦磨损性能的影响

采用模拟刹车制动方法研究“温压-原位反应法”制备的C/C-S iC复合材料在不同制动速度下的摩擦磨损性能,分别用光学显微镜和扫描电子显微镜对摩擦表面及其磨屑形貌进行观察,用X射线衍射仪分析磨屑成分.结果表明:摩擦系数随制动速度提高先升高而后降低,在制动速度为10 m/s时达到最大值0.46,且当制动速度超过20 m/s时产生高频振动;随着制动速度提高,磨屑愈被碾磨变细,且磨损量随之增大,在制动速度为28 m/s时线性磨损量急剧升至8.75μm;C/C-S iC复合材料在中等能载(1.5 kJ/cm2)条件下具有优良的摩擦磨损性能.

C/C-SiC材料不同制动速率下的湿式摩擦磨损性能

以炭纤维针刺毡为预制体,先采用化学气相渗透法制备炭基体,然后采用熔融渗硅法制备SiC基体,得到C/C-SiC摩擦材料;利用MM-1000型惯性试验台研究了C/C-SiC材料在不同制动速度下干态和CD15W-40柴油机油润滑状态下的摩擦磨损性能。研究结果表明:C/C-SiC摩擦材料与水的接触角为80.5°左右,为亲油性材料;C/C-SiC材料在CD15W-40柴油机油润滑状态下,随制动速度从3000r/min升高到6000r/min,其摩擦因数和线性磨损量在4000r/min时达到最大值,分别是0.21μm/cycle和1.1μm/cycle,而在5000r/min和6000r/min时,其摩擦因数均为0.17,线性磨损量均为0;C/C-SiC摩擦材料在湿态条件下能保持较高的摩擦因数,制动曲线平稳,磨损率低,可作为新一代工程机械和重型车辆湿式离合器用摩擦材料的候选材料。

不同制动速度下C/C-SiC-Fe材料的摩擦磨损行为及机理

以针刺炭纤维整体毡为预制体,采用化学气相沉积法制备C/C多孔体,然后熔融浸渗Si和Fe制得C/C-SiC-Fe材料,研究制动速度对C/C-SiC-Fe材料摩擦磨损性能的影响。采用SEM观察了C/C-SiC-Fe的磨损表面及磨屑形貌,结果表明:C/C-SiC-Fe材料的高速制动平稳,随制动速度的提高其摩擦因数先升高后降低,制动速度为12m/s时,摩擦因数达到最大值0.59;随着制动速度的提高,磨损率先增加后降低;当制动速度为24m/s时,磨损率又急剧上升至3.3×10-8cm3/(N·m);摩擦磨损机制在低速制动条件下主要表现为磨粒磨损;中速时以粘着磨损为主;高速时以疲劳磨损和氧化磨损为主。

高性能制动系统用炭纤维增强炭和SiC双基体(C/C-SiC)复合材料

C/C-SiC制动材料具有密度低、耐高温、制动平稳、摩擦因数高、磨损少和环境适应性强等优点,是一种能满足高速高能载制动的高性能轻质材料。本文以针刺炭纤维整体毡为预制体,采用化学气相渗透法制备C/C多孔体,然后熔融渗硅制得C/C-SiC材料;研究了C/C-SiC材料的组织结构、力学性能及其失效模式、摩擦磨损性能及机理,同时介绍了中南大学研制的C/C-SiC制动材料的应用现状。

不同预制体结构制备C/C-SiC复合材料的微观结构演变及力学性能

采用缝合结构与针刺结构碳纤维预制体,经化学气相渗透法(CVI)和反应熔渗法(RMI)制备出C/C-SiC复合材料,系统研究了两种结构预制体制得的C/C多孔体微观结构、孔隙特征及C/C-SiC复合材料微观结构和弯曲性能。结果表明:缝合结构C/C多孔体孔径呈双峰分布,孔隙多为纤维束间孔,针刺结构C/C多孔体孔径呈单峰分布,由于网胎的加入使得部分纤维束间孔转变为连通的小孔隙网络,经过模拟后者Z向绝对渗透率略大于前者,有利于后者后续RMI致密化过程(高密度,低开孔率,低残余金属);缝合结构C/C-SiC复合材料平均弯曲强度高于针刺结构C/C-SiC复合材料,二者都呈现“假塑性”断裂方式;针刺结构C/C-SiC复合材料密度更高,残余Si含量更低,但其纤维体积含量较低,长直纤维的完整性较差,使得复合材料承载性能较低。

沉积热解炭与树脂炭比例对C/C-SiC复合材料弯曲强度的影响

以针刺整体炭毡为坯体,采用树脂浸渍和化学气相沉积混合的方法制备得到相同密度的C/C多孔体,采用熔硅浸渗(RMI)制得C/C-SiC复合材料。研究了沉积热解炭与树脂炭比例对基体显微结构及弯曲性能的影响。结果表明:随着沉积得到的沉积热解炭含量增加,C/C-SiC复合材料基体内部孔隙率先降后升,而密度、弯曲强度先增后减。当沉积热解炭与树脂炭的比例为1∶1时,C/C-SiC复合材料密度与弯曲强度最高,分别达到2.03 g/cm^(3)和240 MPa。

ZrC纳米粉体改性C/C-SiC复合材料的微观结构和烧蚀性能

为改善C/C-SiC复合材料的抗烧蚀性能,以ZrC纳米粉体和Si粉为反应渗料,采用反应熔渗(reactive melt infiltration,RMI)法制备ZrC纳米粉体改性C/C-SiC复合材料。采用X射线衍射仪、扫描电镜和能谱仪等研究ZrC纳米粉体含量对C/C-SiC复合材料微观结构和烧蚀性能的影响。结果表明:随ZrC纳米粉体含量增加,复合材料的孔隙率增大,而密度变化不大。ZrC纳米粉体一部分弥散分布在SiC基体中,一部分则发生了团聚。烧蚀30 s后,ZrC纳米粉体摩尔分数为6%时,复合材料的质量烧蚀率和线烧蚀率最低,分别为2.0 mg/s和3.9μm/s。随ZrC纳米粉体含量增加,烧蚀过程中形成的ZrO_(2)含量增多,对SiO_(2)的钉扎作用明显增强,能有效提升C/C-SiC复合材料的抗烧蚀性能。

CVI-RMI联用法制备高性能C/(C-SiC)陶瓷基刹车材料

采用化学气相渗透-反应熔体渗透(CVI-RMI)联用法制备C/(C-SiC)陶瓷基复合材料,并对材料的微观结构和力学性能、热学性能、摩擦磨损性能进行研究。结果表明:CVI化学气相渗透最佳C/C多孔坯体密度为1.40~1.55 g/cm^(3),RMI熔融渗硅最佳温度为1650℃,制备的C/(C-SiC)复合材料密度2.10 g/cm^(3)。本方法制备的C/(C-SiC)复合材料力学性能优于采用前驱体浸渍裂解(PIP)法制备的复合材料,且导热性能优异,满足高温环境使用要求。研究发现C/(C-SiC)复合材料的摩擦系数适中,力矩曲线平稳,湿态下摩擦性能无衰减,静摩擦系数高满足低速刹车要求,且磨损量小。

制动用C/C-SiC复合材料摩擦学性能研究现状

C/C-SiC复合材料是高速制动材料的优良候选材料。摩擦磨损性能是衡量制动材料的主要性能指标,也是制约材料进一步应用的主要因素。主要从材料微观结构和成分以及工况条件对C/C-SiC复合材料的摩擦磨损性能的影响两方面阐述了C/C-SiC复合材料摩擦磨损性能的研究现状;分析了影响C/C-SiC复合材料摩擦磨损性能的主要材料因素和工况条件;讨论了各自影响机制;并提出了进一步提高C/C-SiC复合材料摩擦磨损性能和使役安全所需解决的问题。

添加FeSi75合金对C/C-SiC高速动车组摩擦制动材料性能的影响

通过化学气相渗透(CVI)法结合反应熔体浸渗(RMI)法制备了三维针刺C/C-SiC-FeSi_2复合材料,系统研究了C/C-SiC-FeSi_2对比C/C-SiC复合材料在干燥和潮湿2种制动工况下的摩擦性能。结果表明:在干燥工况下,C/C-SiC-FeSi_2对比C/C-SiC复合材料在不同制动初速度下摩擦系数更接近于既有高速动车组钢质摩擦副,摩擦系数相对稳定且具有较低磨损率;在潮湿工况下,C/C-SiC-FeSi_2摩擦性能未出现衰减,且比C/C-SiC摩擦系数更稳定。

不同成分对C/C-SiC材料摩擦磨损行为的影响与机理

采用温压原位反应法制备C/C-SiC复合材料,研究了SiC、石墨和树脂炭成分对C/C-SiC材料摩擦磨损行为的影响及其机理。结果表明:SiC在摩擦表面摩擦膜的形成过程中起骨架作用,提高SiC的含量有利于提高摩擦系数,降低磨损率;树脂炭在材料中具有粘结各成分和提高摩擦系数的作用,但其成膜性较差,易增大磨损率;石墨粉在制动过程中起润滑作用,适量石墨粉有助于形成稳定的摩擦膜降低磨损率;摩擦表面摩擦膜的形成有利于减少C/C-SiC材料的磨损率。

高温热处理对C/C-SiC复合材料制备与力学性能的影响

以针刺整体炭毡为坯体,采用树脂浸渍和化学气相沉积混合法制备C/C多孔体,然后熔硅浸渗制得C/C-S iC复合材料;研究了C/C多孔体的高温热处理对C/C-S iC复合材料密度、孔隙度、力学性能及断裂方式的影响。结果表明:炭涂层进行高温热处理可改变复合材料的弯曲断裂方式,使其具有一定的“假塑性”,弯曲强度下降约16%,压缩强度提高约20%,硬度增加;C/C多孔体的最终高温热处理可打开孔隙,有利于液S i的渗入,制备出密度较高(>2.0 g.cm-3)、开孔率较小(<4%)的复合材料,但导致其力学性能下降,基本上不影响其断裂方式。

反应熔渗法制备C/C-SiC复合材料及其影响因素的研究进展

本文比较了C/C -SiC复合材料的三种主要制备方法 ,主要介绍了反应熔渗法制备工艺 ,以及液Si渗入C/C多孔体、液Si与固体C反应和C/C -SiC复合材料性能的主要影响因素 。

C/C-SiC复合材料的导热性能及其影响因素

以炭纤维针刺毡为预制体,采用化学气相渗透法和熔融渗硅法相结合制得C/C-SiC复合材料;研究C/C-SiC材料在室温至1 300℃之间的导热性能以及预制体结构、基体炭结构和石墨化处理对其热扩散率的影响。研究结果表明:C/C-SiC材料的比热容随着温度的升高不断增大,在700℃时达到最大值2.18 J/(g·K),随后降至1 300℃时的0.57 J/(g·K),其导热系数在1 300℃时为3.95 W/(m.K);C/C-SiC材料的热扩散率在室温时为0.12 cm2/s,随着温度的升高不断降低并趋于常量,平行摩擦面方向的热扩散率明显比垂直于摩擦面方向的大;以全网胎为预制体的C/C-SiC材料其垂直和平行摩擦面的热扩散率相当,树脂炭质量分数增大及石墨化处理均可显著提高C/C-SiC材料的热扩散率。