由此可见,复合材料在汽车领域的应用,其实一直以来只是在跟风国外,只是国内媒体的一些殷殷憧憬。玻璃钢复合材料虽然在中国的汽车领域已经得到了一定的应用,但是在国外已经有越来越多的新兴复合材料如碳纤维、天然纤维等正在不断地被应用到汽车领域,玻璃钢将逐渐成为过去式.

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第 2卷第 2 6期V o1 .26 N O.2

材

料

科

学

与

工

程

学

报

总第l2 l期A p 2008 r.

J u n l fM a e il ce c& En ie rn o r a trasS in e o g n e ig

文章编号:6 3 2 1 (0 8 0= 2 80 1 7—8 2 2 0 ) 20 8— 6

国外 c c复合材料飞机刹车盘的摩擦表面特性和摩擦磨损机理/陈青华肖志超,红兵 .苏君明 .志刚,邓,彭(.安航天复合材料研究所超码科技有限公司 .西西安 1西陕 2西安交通大学材料学院.西西安 .陕 702: 10 5 702 ) 1 0 5 70 4;.国航天科技集团第四研究院 . 10 9 3中陕西西安

【摘

要】在 M M一0 0型摩擦试验机上,英,,三国四大炭盘制造商的五种炭盘小样进行了摩擦磨损 10对法美

性能测试,摩擦表面进行了宏观和扫描电子显微镜 ( E微观形貌分析,各试样的摩擦磨损过程和机理进行对 S M)对了一定的探讨 .结果表明:墨化度决定了膜的完整程度,成正比关系;体结构对摩擦膜有一定的影响;树石且坯纯脂炭基体的试样表面膜厚度较小,整致密性与热解炭基体的试样差别较大,损较大;/复合材料的机械磨损完磨 CC以粘着,沟,粒磨损为主,越完整的材料呈现出以粘着磨损为主,于低石墨化度的和纯树脂炭基体的 C C犁磨膜对/复合材料表现出犁沟,粒磨损为主,着磨损为辅 .磨粘

【键词】 C C复合材料;擦面形貌;擦膜;擦磨损机理关/摩摩摩中图分类号: B 3 T 32文献标识码: A

Ch r c e itc f W e r S r a e M o p l g n e r M e ha s a a t rsis o a u fc r ho o y a d W a c nim

o/ o oi rp rd b o eg n fcu es fc c C mp st P e a e yF rin Ma u a trr eCHEN Qi gh a,XI n-u Ao i h o",DENG n - ig,S J n mig,P Zh- a c Ho gb n U u - n ENG ig n Zh— a g( .Ch o eh oo yCO. t . f n A rs aeC mp st ae il n t ue 1 a matc n lg L d,X a e op c o o i M tra si t,Xtn 7 0 2 e I t a 1 0 5,Chn; ia2 c o lo a e i l S i n e .S h o fM t ras ce c,Xf n Ja t n ie s t a io o g Un v r i y,Xf n 7 0 4 a 0 9,Ch n; 1 ia3. The4t a my ofCAS, Xi n 71 h Ac de C ' a 002 5,Ch n i a)

[ src] Fr to n a rp riso i ee ts mpe r p rd b h e o n re Brti Ab ta t i in a d we r p o ete f5 df rn a lsp e a e y t re c u tis( ian,F a c,US c f rne A)w e e i e tg t d o t e M M一 0 fiton e t r The w o n ura e o p r nv s i a e n h 1 00 rc i t s e . r s f c m r holgis f s m pls o e o a e wer e a i e b s a ng e x m n d y c nni

eeto co c p S lc r n mir s o y( EM ) n l d n h e o r p .W ea s

ic s e h rc in p o e u e a d we rme h n s o h ,i c u i g t ema r g a h l d s u s d t e fito r c d r n a c a im ft e5 os ce . The r.uiss ow ha:t e f i in pr pe is e t h s t t h rcto ope te a e e ae ih he gr phiia i gr e a d r f m yp ris r r lt d w t t a tz ton de e n p eor t e, a he nd t i e iy off iton im i r a e w ih he n e sng gr hiia i n. Sa pl wih e i m a rx, w hih as t i a d ntgrt rc i fl nc e s s t t icr a i ap tz to m e t r sn ti c h h n n no - n i e iy fl e e s abi e rr t o pa ig wih s m plsc t i n yr ytc c b a rx. The we rc r c e i tc ntgrt i pr s nt g w a a ec m m rn t a e on a nig p ol i ar on m t i a ha a t rs isof

C/ c mp sts many e hbt d e in, a r sv p ril n a f ro me h ns s t. Th o o ie t g o C o o i i l x ii e a h so b aie at e a d p n u r w c a i ec c m e c mp sts wi h oditg i i sa p a d e in meh ns, b t smp e t o g a hiz t n o u ersn marx many p ee t p n n e rt fl p e ra h s c a im y m o u a ls wi lw r p t ai r p r-e i ti i l r sn a h i of r urow nd a r sv ril e ha s, as dhe i e ha s a ss a l a b a ie pa tce m c nim lo a son m c nim s it nty.

[ e o d] C C c mp sts e r u fc o p oo y r t n f m~ a c a i K yw rs/ o o i;w a s ra em r h lg;f ci i we r e i o l me h ns m

金属,末冶金材料走向如今广泛应用的 C C复合材料[ .粉/ 6]

1前言 C C复合材料是以炭纤维为增强相,为基体相由纯/炭碳元素为主要化学组成的复合材料的简称 .独特的结

七十年代以来,,,等国几乎同时将其应用到飞机刹英法美车盘,目前全球较大的 C C刹车盘制造商有 Du lp英 )/ no (,B F Go d ih( ) Me s rBu at S .. or c美, si - g ti( EP法 ) B n i ( e, e dx ALS

构,库和摩擦性能,定了其在航空刹车领域的应用,热决且随着飞机刹车速度与载荷的迅速增长,车条件越来越苛刹刻 (面温度达 10表 20 0 C以上 )使刹车材料相继从石棉,密,致

美 ) G o ya( B, o d er A S美 )[,论文对前 4大公司的 5种等 1本]炭刹车盘进行摩擦磨损性能测试,点分析了小样摩擦后重的表面状态,究了摩擦性能与表面完整性的联系 .研

收稿日期:0 70—6I订日期:0 70—6 2 0—30修 2 0— 71

作者筒介:青华 ( 92 )男,士研究生,要从事炭/复合材料的研究与开发 .E malce 0 9 4 7 1@ yh o c r. a陈 18一,硕主炭 - i h n2 8 8 2 2 a o .o c.: n

由此可见,复合材料在汽车领域的应用,其实一直以来只是在跟风国外,只是国内媒体的一些殷殷憧憬。玻璃钢复合材料虽然在中国的汽车领域已经得到了一定的应用,但是在国外已经有越来越多的新兴复合材料如碳纤维、天然纤维等正在不断地被应用到汽车领域,玻璃钢将逐渐成为过去式.

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第 2 6卷第 2期

陈青华, .国外 c c复合材料飞机刹车盘的摩擦表面特性和摩擦磨损机理等/24 .宏观和微观结构表征

·2 9· 8

2

实验 2 1试样来源 .Dun o B7 - 00 (A ),D u op lp 57 2 nl BAe 1 6 (B ),1. F. -4 3 G o drc B7— 0 (C ),Ca b idus r A 3 0 (D ),AIS o ih 57 2 0 r on n ty 0 B76 E). 7(

采用数码相机 ( a o 8 )摩擦面进行宏观观察; C n n￥ 0对利

用 N OP OT 2 E H一1光学显微镜的正交偏光,S 6 6 I扫 J M一4 0 V描电子显微镜分别对各种炭刹车盘材料热解炭和磨损后表面的微观结构进行表征分析,确定热解炭类型和摩擦面以形貌 .

2 2物理性能测试 .

3结果与讨论 3 1基本性能 .

利用 B UKE 8X射线衍射仪测量各种炭刹车盘材 R R D料的 d 0晶格常数,据 F aki模型, Mei和 02根 rn l n由 rg n Ma e式计算出石墨化度 . i公 r 23摩擦磨损性能测试 .试环有效摩擦面外径~ 5 m/径~ 5 7m内 5 mm× 1 mm, 0在 MM一 0 0摩擦试验机上测试各种炭刹车盘材料的动摩 10

国外 5种炭刹车盘材料的制备方法,表 1见 .在预制体成型方面主要有 3种方法:布或针刺薄毡叠层,刺炭纤炭针

维(氧化纤维 )三向整体结构,纤维树脂模压成型;预准短在致密化工艺方面,用等温法或压差法 C致密工艺,脂采 VI树浸渍一炭化致密工艺等 . 3 2摩擦磨损性能 .

擦系数,量磨损率 .惯量为 30 g质 . k f·c·S,压为 m 比9 N c 线速度为 2 m/,拟飞机正常刹车试验 . 8/m, 5 s模

表 1国外 5种炭刹车盘的制备及基本性能Ta e 1 Pr du to a d sc pr e te ffv f e e tf e in a b n b a s a e i l bl o c in n ba i op r is o iedifr n or g c r o r ke dic m t ras

摩擦磨损性能见表 2结果表明:用树脂炭基体的 E,采 材料的摩擦系数最低,它均较 E高,是由于树脂炭与纤其这维之间的结合力不如热解炭与纤维之间的结合力强 _, 7导]致其摩擦力较小,以摩擦系数较低,时,车过程中巨所同刹

形,处理温度低,墨化度低,损较大热石磨3 3磨损面分析 .观察磨损后的表面形貌,现两种类型的摩擦面:灰发暗光亮色和黑色面,图 1示 .A,, D材料热解炭为粗如所 B C,

大的剪切和机械作用会产生大量的基体炭碎片,致很大导的磨损 . A, B材料的石墨化度较大,压应力和剪切应力在的综合作用下易成膜[ 9,损较低,料为炭布叠层成 8_磨 . C材

糙层结构 ( I, I热解炭为软炭,易形成暗灰光亮色面, R R )容 E材料基体为树脂炭,黑色面 .c材

料的表面存在较多的成大孔隙,是由于炭布叠层预制体叠层时形成底小口大的这"颈"孔隙[,积过程中很容易封孔,利于大孔隙的瓶形 I沉]不

表 2不同 c c复合材料的摩擦磨损结果/Ta l F it n a dwe rp p ri fd fe n c be2 rci n a r e t o ifr tc/ o o s e ec m po ie o sts

致密,也会导致摩擦系数降低 .这 图 2为 A试样摩擦表面的形貌,见摩擦表面完整致可密连续, 2 a中部有单根炭纤维末端露出,纤维未剥落图 ()但或脆断,是由于膜对纤维及基面起一定的保护作用,维这纤受到的应力分散到基体中,会发生纤维的快速破坏;不图 ( )面膜存在明显的塑性变形;摩擦面较大孔隙中的磨 b表对

屑进行 S M分析,图 ()并观察孔隙边缘,确定成膜 E见 c,以

由此可见,复合材料在汽车领域的应用,其实一直以来只是在跟风国外,只是国内媒体的一些殷殷憧憬。玻璃钢复合材料虽然在中国的汽车领域已经得到了一定的应用,但是在国外已经有越来越多的新兴复合材料如碳纤维、天然纤维等正在不断地被应用到汽车领域,玻璃钢将逐渐成为过去式.

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材料科学与工程学报过程.

200 8

年

4

月

.

磨屑主要为颗粒状逐步被压实成膜表面粘着力,,,

下其石翠结构的规整度遭到.

一

定的破坏形成具行很高表. .

大粘着磨损为主磨损较小

.

膜对粒状磨屑的粘着力大

.

面活性的颗粒状磨心且膜的粘着力较大,

二

行的结合为膜

这是由于热解炭的片层在压应力和剪切应力的综合作用

的形成提供 r前提条什

.

图 1(a

4i删试环磨损后的宏观形貌A;

)

试样

(b )

试样 B)

;( c

)

试样

(

,

;

(d) F ig.

试样 f); ( en

试样 Efac e

1

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图 2

A

试样的摩擦表面形貌,

F ig

.

2

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p le

A

图面含有一

3

为

B

试样的摩擦面形貌可见膜较为完整致密表,,一

成膜的组成与眉

A试

样的差别导致了膜的致密度有差异,

.

开

定的孔隙磨倡多为石墨相片层结构也存在,.

定,

始磨屑为片状石墨相结构与表面的粘结力小于颗粒状磨,

的粒状磨屑

图

3 (d )

L为子隙与膜的边缘形貌由冈可知】在.

也就容易从表面脱落 i耳者,

.

可见图.

3 (d )

L孑隙处基面有A

压应力和剪切应力的作用下片状磨屑会被碎化形成颗粒,

,

光秃感对磨屑的粘结必然会差这就是其磨损大于,

试样,

状磨屑和片状磨屑共存的局面之后磨屑被压实成膜其,,

,

的原因之

一

.

图

2

,

3

中膜的表面末见纤维的形貌可见

A.

由此可见,复合材料在汽车领域的应用,其实一直以来只是在跟风国外,只是国内媒体的一些殷殷憧憬。玻璃钢复合材料虽然在中国的汽车领域已经得到了一定的应用,但是在国外已经有越来越多的新兴复合材料如碳纤维、天然纤维等正在不断地被应用到汽车领域,玻璃钢将逐渐成为过去式.

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第

26

卷第

2

期

陈青华等.

.

C国外 C/复合材料飞机刹车盘的摩擦表面特性和摩擦磨损机理

B试

样的摩膜均较厚在..

1 0『m』

左右

.

A

,

B

试样的摩擦磨损,

触面积变大摩擦系数均较高 A试样摩膜巾颗粒状磨屑较. .

过程可理解为最初热解炭从纤维上剥落形成片层磨眉在压应力和剪切也力的综合作用 F.

B

多…此摩擦系数略高于.

B

.

.

片层磨脂被碎化变成颗一

图

4

为

(

,

试样的磨损面

s F M.

图山 l硐.

4 (

a

)

知表面存在.

粒状磨屑最后成膜唪膜在摩擦过程 Ll小断被破坏部分卜.,

.

定的纤维剥落痕迹及大量微孔这是由于基休炭被耗损,

被抛离摩擦表面形成磨损部分又被再挤压剪切重新乍成,,

导致纤维失去支撑更容易产生大的磨损脱落的纤维破压,

摩膜

.

因为膜厚而软在同等的载荷下材料之间的直接接,,

实成硬十颗粒充当了磨粒 _面有显微切削和犁沟现象开表..

,

图 3

}{试

样的摩擦表而形貌

F ig

.

3

W

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l e 13

图

4

C

试样的摩擦表面形貌

F ig

.

4

W

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(

由此可见,复合材料在汽车领域的应用,其实一直以来只是在跟风国外,只是国内媒体的一些殷殷憧憬。玻璃钢复合材料虽然在中国的汽车领域已经得到了一定的应用,但是在国外已经有越来越多的新兴复合材料如碳纤维、天然纤维等正在不断地被应用到汽车领域,玻璃钢将逐渐成为过去式.

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材料科学与工程学报磨损较大,

.

磨屑的粒径分布较广纤维相和基体相硬度的,,,

整但存在致密区和磨屑的松散堆积区. .

.

L表面有孑隙和空,

差异会使大量的剥落纤维参与了磨粒磨损对成膜不利

洞 I)试样为针剌预氧丝预制体会存在较多的纵向纤维但不同的纤维交界处也会产十大的空洞.

其试环直接接触面积减小但会保持.

一

适中的摩擦系数,

.

罔

5 (b).

膜中可见纤

图

4 (d).

为叠层间宏观大孔与膜边缘处的形貌孔隙中磨屑,

维的排布彤貌图.

5 (

c

)

为大孔隙处的磨鹏形貌磨眉中可见, .

较少且空涧较大磨屑无法填满这与磨屑的粘结力有关.

,

大最的热解炭片层结构和少量的粒状磨屑原因是炭纤维和热解炭的石墨化度相差较大硬度相差较大热解炭剥,.

也可认为石墨化度对粘着力有,

一

定的影响石墨化度大摩,.

擦表面石墨层排列规整表面磨屑的范德华力作用较大;石墨化度较小时表面膜多为乱层石墨结构对表而的磨屑的..

落磨损较大产牛较多的

磨屑.

一

,

,

定程度上提高了膜的平,

整度图 ( d )中可知大孔处仅有少量的粒状磨屑膜中存在,一

作用力在不同方向上相互抵消合力较小盘子的高速旋转,,

较宽的裂纹,

,

由此可见膜的结合力较差会导敛膜的剥,一

产生的离心力足以将之克服表现出宏观上磨损会较大,

.

落也就是说剥落,

定程度上导致 r孔隙的生成产生较大.,

图

4 (b )

可见表面膜有纤维的形貌町认为膜厚度较小,

.

的磨损但是纵向纤维的存在会使试环面的温度快速散失这会对摩擦系数有一

图

5

为

D

试样摩擦表面形貌图,

5 (

a

)

,

(b)

中膜较为完,

定的影响

.

图

5

I)

试样的摩擦表面形貌一

F ig

.

5

W

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le D

罔

6

为

E

试样的磨损形貌可见较多的纤维的,

部分

c较高 c/复合材料刹车材料表面有摩擦膜存在且较为完.

被磨损 (参见图不一

6(

a

) )

,

这是由于炭纤维和基体炭的耐磨性一

整时粘着摩擦占主导地位大部分磨粒留在表面形成摩擦,

,

导致的

.

….

基体先被磨损掉但炭纤维的平行方向为,,,

膜磨屑粒度基本在微米级膜中孔隙易被填充此时的磨,,,

定的类石墨片层排列耐磨忡较好且树脂炭对炭纤维有

一

损率较小,

.

C

材料为炭布叠层结构表面孔隙较大纵向纤..

定的结合力图,

6 (b ).

,可知表面凹凸不平为微,体的研磨提,

维少纵向导热系数低且材料的可能低的热处理温度导致,

供了

一

定的条件,

图

6 (

C

),

为膜的

1

万倍形貌可见膜的不,~

了低的石墨化度石墨相的含量低硬质颗粒在磨损过程中,,

完整性连续致密性较差厚度大多在

* 1/m

,

宏观上对光散,

产生的明显的显微切削和犁沟特征磨屑粒度较大 (图,, .

4 )

,

射率较大这就是在,

500

倍下表面存在凹凸感的原因同时.

此时炭纤维和热解炭的硬度相差较大塑性降低从而降低

在日光下会呈现出黑色面

图

6 (d ),

为磨屑的成膜形貌磨,,

了摩擦面之间的粘着摩擦环实际摩擦接触面积较小;其,

屑中存在硬相短纤维 (箭头处 )等端头均被磨损说明炭纤

次较高硬度的材料具有较高的表面能形成的微凸体粘着,,

维参与 r磨损且成膜较松散,

.

E

试样的摩擦力主要为微凸.

点

脆弱导致了试样摩擦系数较低,,

.

表面孔隙多它们与空.,

体的嵌入产生和硬相磨粒的犁沟效应3.

气巾的氧气接触的机会较多碳与氧气的反应为固气相反应气孔牢大则氧分子容易扩散进去产生的磨粒较易被,,,

4

摩擦磨损机理分析石墨化度较高 ( A,

B

,

D

材料 )粗糙层热解炭为软炭在,,,

氧化变成 C O.

,

CO,

.

逸出参与反应的表面积越大参与反,

,

压应力和剪切应力的综合作用下易变形形成覆盖表面的

应表面原子越多所以磨损较大.

.

完整摩擦膜增大了刹车盘之间的直接接触面积摩擦系数,.

树脂模压成形纵向的纤维含量低纵向的导热系数,

由此可见,复合材料在汽车领域的应用,其实一直以来只是在跟风国外,只是国内媒体的一些殷殷憧憬。玻璃钢复合材料虽然在中国的汽车领域已经得到了一定的应用,但是在国外已经有越来越多的新兴复合材料如碳纤维、天然纤维等正在不断地被应用到汽车领域,玻璃钢将逐渐成为过去式.

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第

26

卷第

2

期

陈青华等,

.

c国外 c/复合材料飞机刹车盘的摩擦表面特性和摩擦磨损机理

[

[

[

胡

胡

朝

【 6剁.

E

试样的摩擦表面形貌,,

F ig

.

6

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f

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E

低在摩擦过程中产生大量的热使局部升温过大导致结

着磨损为辅

.

合力的降低对应的膜松散可见表面有犁沟特性此时磨.

,

,

损较大表面膜不完整导致直接接触面积的减少摩擦系数.

参[ 1]陈腾飞.

考.

文等.

献C/ C 20 0 1

,

降低磨损机理以磨粒磨损和犁沟磨损为主. .

.

黄伯厶.

,

刘根山

航空刹车用I:程.

复合材料坯体,

由此口J知摩擦力与摩擦膜的保护能力有关这依赖于,

结构研究[J]16 3.

粉末冶金材料科学与

6 (2 )

:

158

~

膜的变形能力强度性能和膜对基材的粘结力与磨粒的大,

,

小形状和表面状态有芙受材料的结构材料的性质和基, .,

[2 3

陈腾飞

.

龚伟平

,

黄伯云.

,

等

.

航空刹车用炭/炭复合材料坯.

体炭决定

.

体结构研究进展[J]

矿冶

r:程

200 5

.

25 (6 )

:

74

~

77

.

4

结

论,

对于小样试验通过表面的形貌分析得到以下的结,

论

:

】.

石墨化度对成膜有很大的影响石墨化度越高磨屑,,.

越软越易成膜因此町以说石墨化度决定了膜的完整程,

度且成 JE比关系对于同.

一

,

种基体类型的情况下决定石,,

c墨化度的是最终热处理温度因此 c/刹车材料的最终热

~一一~一一

一

一

处理温度对性能尤其是摩擦性能会有相当大的影响.

;

2

.

坯体结构对摩擦膜有一

一

定的影响不同结构的表

面,,

孔隙及空洞的含节不响磨损3.

.

影响 r膜的完整致密程度进而影

;

摩膜较为完整时在相同的载荷下厚而软的摩膜导,,一

致材料之间的直接接触面积的增大

,

定程度上提高了摩

擦系数4.

'

;

c

c/复合材料的磨损以粘着磨损磨粒磨损和犁沟,.

磨损为主膜越完整的材料膜厚度较大呈现出以粘着磨损,

c为主磨损较小;对于石墨化度低的和纯树脂炭基体的 c/,

复合材料表面膜厚度较小表现出磨粒犁沟磨损为主粘,,

,