C_C-SiC刹车材料摩擦...出现沟槽的机理及其影响研究_施伟伟.pdf

复合材料科学与工程DOI:10.19936/ki.20968000.20230328.014C/CSiC 刹车材料摩擦面出现沟槽的机理及其影响研究施伟伟，张艳萍*，任金伟，韩文静，张挺(西安航空制动科技有限公司，西安710065)摘要:对 C/CSiC 刹车材料摩擦面沟槽的表观特征和物相分布进行了分析，研究了沟槽形成的原因、机理及其对刹车性能的影响。结果表明:当 C/CSiC 刹车材料摩擦面出现大颗粒的硬质点时，会发生犁削磨耗或挤压剥落机制，产生明显的槽状沟槽或层状剥落沟槽;摩擦面有明显沟槽的 C/CSiC 刹车材料刹车力矩整体高于摩擦面平整光滑无沟槽的 C/CSiC 刹车材料刹车力矩。关键词:C/CSiC;摩擦面;沟槽;复合材料中图分类号:TB332文献标识码:A文章编号:20968000(2023)03009504Study on the mechanism and influence of grooves on friction surface of C/CSiC brake materialsSHI Weiwei，ZHANG Yanping*，EN Jinwei，HAN Wenjing，ZHANG Ting(Xi an Aviation Brake Technology Co，Ltd，Xi an 710065，China)Abstract:The apparent characteristics of grooves on the friction surface and phase distribution of the C/CSiCbrake materials were analyzed The causes and mechanism of grooves formation and its influence on braking perform-ance were studied The results show that when there are large hard spots on the friction surface of C/CSiC brakematerials，plough abrasion or extrusion spalling mechanism will occur，resulting in obvious trough groove or layeredspalling groove The braking torque of C/CSiC brake materials with obvious grooves on the friction surface is higherthan that of C/CSiC brake materials with smooth friction surfaceKey words:C/CSiC;friction surface;grooves;composites收稿日期:20220705作者简介:施伟伟(1983)，男，硕士研究生，高级工程师，主要从事碳碳和碳陶摩擦材料方面的研究。通讯作者:张艳萍(1988)，女，硕士研究生，工程师，主要从事碳碳和碳陶摩擦材料方面的研究，。飞机刹车材料的发展经历了有机树脂刹车材料、粉末冶金刹车材料、C/C 刹车材料和 C/CSiC刹车材料四个阶段。目前飞机刹车盘采用的刹车材料主要为粉末冶金刹车材料和 C/C 刹车材料。随着飞机对刹车材料性能要求的逐渐提高，粉末冶金刹车材料受限于重量大及耐高温抗变形能力差等因素，应用范围已越来越窄;C/C 复合材料以其良好的热导性，优异的耐热冲击、耐烧蚀及耐摩擦性等1，成为目前应用最为广泛的一种刹车材料;C/CSiC复合材料作为新一代的飞机刹车材料，目前主要采用化学气相渗透法(Chemical Vapor Infiltration，CVI)与反应熔体浸渗法(eactive Melt Infiltration，MI)相结合的工艺进行制备，C/CSiC 刹车材料性能融合了粉末冶金和 C/C刹车材料的优点，具有密度低、耐温高、磨损小、静摩擦系数高及环境适应性强等特点213，已在我国历经 10 余年的飞行使用验证，成功在多个军、民用机型上批量应用，成为我国目前大力推广的一种先进飞机刹车材料。然而，从多年的使用情况来看，相较于粉末冶金和 C/C 刹车材料，C/CSiC 刹车材料的摩擦面更易产生不同程度的环状沟槽(磨痕)，针对该现象产生的原因及其对刹车材料使用性能的影响未见有系统的研究。本文对 C/CSiC 刹车材料摩擦面的沟槽表观特征和物相分布进行了分析，揭示了沟槽出现的机理及其对刹车性能的影响。1试验1.1试样制备以日本东丽公司生产的聚丙烯腈 6K 碳纤维整体针刺碳毡作为预制体，采用化学气相渗透工艺(CVI)制得 C/C 多孔坯体，然后通过反应熔体浸渗工艺(MI)进行熔融渗硅，得到密度为 2.02.1 g/cm3592023 年第 3 期C/CSiC 刹车材料摩擦面出现沟槽的机理及其影响研究的 C/SiC 刹车材料。各物相含量为:碳纤维和 PyC 为55wt%59wt%、SiC 为 33wt%36wt%、Si 为 8wt%9wt%。最后经机械加工制成飞机 C/SiC 刹车盘。1.2摩擦磨损性能试验参照国军标 GJB 118491 要求对制备的 C/CSiC 刹车盘在电惯量模拟刹车试验台(QP584)上进行台架试验。刹车比压为 0.8 MPa，单位面积能载为3 500 J/cm2，线速度为 21 m/s，试验次数为 15 30 次。1.3分析与测试采用 X 射线数字实时成像系统(Hiscan 160型)对各部位基体的分布进行检测;采用光学显微镜(OLYPUMSB061)进行显微结构观察;采用场发射扫描电子显微镜(SEM，蔡司 Sigma 300)进行微观形貌观察。2结果与讨论2.1 C/CSiC 刹车材料摩擦面的表观特征分析图 1 为 C/CSiC 刹车材料刹车后摩擦面形成的几种典型表观特征。图 1C/CSiC 刹车材料摩擦面的表观特征Fig.1Apparent characteristics of friction surfaceof C/CSiC brake materials图 1(a)、图 1(b)中，C/CSiC 刹车材料的摩擦面各部位均匀一致，表面平整，触感光滑，但图 1(b)中目视可见有宽窄不一的轻微环状磨痕(几乎没有深度)。图 1(c)、图 1(d)中，C/CSiC 刹车材料的摩擦面出现了明显的环状沟槽。两者的相同点在于，沟槽主要出现在摩擦面中部，其他部位较为平整。不同点在于，图 1(c)中每个沟槽的内外界线均清晰明显，为规则的“环形槽”，槽宽较窄，一般2 mm;图 1(d)沟槽的各部位表现为挤压后的层状剥落，致使内外界线不清晰，环形槽各部位的宽度不一致，槽宽一般3 mm，深度较浅，一般0.5 mm。图 1(e)中，C/CSiC 刹车材料的整个摩擦面上均出现了明显的槽状沟槽，沟槽深度较浅，随着刹车次数的增多，沟槽可能会逐渐加深、变宽，见图 1(f)。2.2C/CSiC 刹车材料的物相分布分析2.2.1C/CSiC 刹车材料的物相组成C/CSiC 刹车材料是一种各向异性复合材料，它采用碳纤维针刺毡为增强体，以热解碳、SiC 以及游离 Si 三种物相为基体组合而成(如图 2 所示)。其中，碳纤维针刺毡是由 0/90无纬布层、短纤维网胎层和针刺纤维束组成;在短纤维网胎层、针刺纤维束区域和无纬布层的纤维束之间存在大小不一的孔隙;经 CVI 生成的热解碳填充一部分孔隙，并包裹在碳纤维表面，形成 C/C 多孔坯体;剩余孔隙成为液态 Si 向 C/C 多孔坯体中进行渗透的通道，同时与热解碳反应生成 SiC，未反应完全的成为游离 Si14。图 2三维针刺 C/CSiC 刹车材料的结构示意图14 Fig.2Schematic illustration of the structure ofthreedimensional needled C/CSiC brake materials2.2.2C/CSiC 刹车材料的宏观物相分布对摩擦面出现明显沟槽的 C/CSiC 刹车材料进行 X 射线检测，如图 3 所示。从图中可以看出，X光扫描成像图中未出现较为明显的明暗色差，整体灰度基本一致，表明 C/CSiC 刹车材料各部位的基体密度差异不大，宏观上表现出较为均匀的基体物相分布。692023 年 3 月复合材料科学与工程图 3C/CSiC 刹车材料 X 光扫描成像图Fig.3Xray scanning image of C/CSiC brake materials2.2.3C/C 多孔坯体和 C/CSiC 刹车材料的微观物相分布图 4(a)为 C/C 多孔坯体的光学显微照片，从图中可以看出，C/C 多孔坯体中存在大量不规则和大小不一的孔隙，较大的孔隙主要分布在网胎层和针刺纤维束附近。图 4(b)为摩擦面出现明显沟槽 C/CSiC 刹车材料的光学显微照片。从图中可以看出，C/CSiC 刹车材料在微观上的物相分布不均匀，同一层面内可同时观察到无纬布层和网胎层，两者出现的区域和占比较为随机。在网胎层区域内分布有大量微小的白色“亮点”，局部存在聚集现象。通过对该聚集区域进行扫描电镜及 EDS 元素分析(如图 5 所示)，可以发现该处堆积着大量具有晶体结构的颗粒，主要元素由 Si 和 C 组成，因此认为该处聚集了大量的 SiC 晶粒，形成了大颗粒的硬质点。图 4C/C 多孔坯体和 C/CSiC 刹车材料的光学显微照片Fig.4Optical micrographs of porous C/C performand C/CSiC brake materials图 5C/CSiC 刹车材料的 SEM 图像和能谱分析图Fig.5SEM and EDS images of C/CSiC brake materials2.3C/CSiC 刹车材料摩擦面出现沟槽的机理分析从摩擦学角度上看，任何摩擦副的表面都不是理想的光滑面，而是存在大量的微凸体，具有不连续性和不均匀性，摩擦力是摩擦对偶面上微凸体之间发生相互啮合、碰撞、弹塑性变形以及微凸体或硬质点嵌入软表面后在滑动中形成的“犁削”效应等机械作用和两摩擦表面上分子力作用的综合结果1416。C/C 多孔坯体中在网胎层和针刺纤维束附近存在较大的孔隙，当 MI 工艺过程中出现升温速率过快、反应温度偏高等异常状况时，熔融硅会迅速进入这些大的孔隙并将其填充、填满，造成该部位反应生成的 SiC 含量增加，同时存在大量未反应的游离 Si，最终表现为 C/CSiC 刹车材料基体中局域出现较大的 SiC 硬质点或游离 Si 含量偏高，并且，由于局域Si 含量偏高，在刹车过程中随着摩擦面温度的急剧上升，Si 出现软化甚至熔化，会带动附近的硬质点转移聚集，从而形成新的或更大的大颗粒硬质点。在磨粒磨损机制的作用下，法向载荷将 C/CSiC 刹车材料基体局域中形成的 SiC 较大硬质微凸体或剥落的硬质大颗粒压入摩擦表面进行滑动，发生严重的犁削磨耗，如图 6(a)所示，使摩擦表面剪切、犁皱和切削，产生明显的槽状沟槽，如图 1(c)、图 1(e)、图 1(f)所示。另外，摩擦面中部区域受到的活塞推力最大，且产生的磨屑不易及时掉落，易在法向载荷的作用下将硬质磨屑压入摩擦表面，滑动过程中产生挤压剥落，如图 6(b)所示，将摩擦面挤压出层状或鳞片状的剥落碎屑，从而在摩擦面中部区域形成层状剥落沟槽，如图 1(d)所示14。(a)犁削磨耗机制(a)Mechanism of plough abrasion(b)挤压剥落机制(b)Mechanism of extrusion spalling图 6C/CSiC 刹车材料沟槽形成示意图Fig.6Schematic illustration of grooves formationof C/CSiC brake materials79202