不同載荷下C/C復(fù)合材料往返式滑動(dòng)摩擦行為

葛毅成，易茂中，涂欣達(dá)，彭可

(中南大學(xué) 粉末冶金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙，410083)

C/C復(fù)合材料是一種特殊的炭石墨類材料，具有低密度、低熱膨脹系數(shù)、高強(qiáng)度、高熱導(dǎo)率、高比熱容、優(yōu)異的摩擦磨損特性和良好的可設(shè)計(jì)性，在航空航天領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1?3]。研究人員先后探討了纖維坯體特性、基體炭類型和結(jié)構(gòu)、石墨化處理、試驗(yàn)環(huán)境等對(duì)C/C復(fù)合材料的摩擦磨損行為的影響，特別是在飛機(jī)制動(dòng)等瞬間摩擦磨損行為上取得了一系列研究成果[4?7]。載荷/壓力是影響C/C復(fù)合材料制動(dòng)摩擦磨損行為關(guān)鍵的外界因素之一，它對(duì)材料摩擦因數(shù)的穩(wěn)定，摩擦表面的破壞和自修復(fù)，溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力的產(chǎn)生、分布及對(duì)摩擦行為的反饋，磨屑的形成和聚集，材料的磨損率等均有顯著的影響[8?11]。通常，在每次實(shí)驗(yàn)室模擬制動(dòng)或飛機(jī)的實(shí)際剎車后，由于與其下一次制動(dòng)存在較長(zhǎng)的時(shí)間間隔，或采用一定的措施降低剎車盤的溫度，穩(wěn)定材料的摩擦磨損行為[12?13]，在此期間，摩擦膜因受力產(chǎn)生的應(yīng)力能緩慢得到釋放，同時(shí)還會(huì)吸收一定的水汽，影響其后續(xù)的摩擦磨損行為，因而不能反映連續(xù)的、不間斷的、反復(fù)沖擊條件下的C/C復(fù)合材料摩擦磨損行為。因此，本文作者采用周期性的往返式運(yùn)動(dòng)形式檢測(cè)C/C復(fù)合材料的摩擦磨損行為，探討在此類條件下載荷對(duì)C/C復(fù)合材料摩擦磨損行為的影響。

1 材料制備及試驗(yàn)方法

以聚丙烯腈炭纖維無(wú)緯布/炭氈混合疊層針刺氈為纖維預(yù)制體，分別采用化學(xué)氣相滲透(CVI)、化學(xué)氣相滲透＋樹(shù)脂浸漬炭化(CVI+I/C)技術(shù)制備2種分別具有粗糙層熱解炭基體(RL)、光滑層熱解炭＋樹(shù)脂炭浸漬炭(SL+RC)結(jié)構(gòu)的C/C復(fù)合材料，當(dāng)材料增密至1.80 g/cm3時(shí)備用。將上述材料加工成長(zhǎng)×寬×高為35 mm×25 mm×5.5 mm的塊狀試樣。摩擦面長(zhǎng)×寬為25 mm×35 mm，表面粗糙度為0.8 μm。材料性能見(jiàn)表1。

試驗(yàn)儀器為 CETR UMT?3多功能微摩擦磨損測(cè)試儀。摩擦對(duì)偶為GCr鋼球，直徑為10 mm，摩擦形式為球盤間往返式滑動(dòng)摩擦。將C/C復(fù)合材料試樣固定在試驗(yàn)平臺(tái)上，平臺(tái)進(jìn)行固定頻率的往返式運(yùn)動(dòng)，鋼球?qū)ε急３植粍?dòng)。加載和滑行態(tài)勢(shì)由程序自動(dòng)控制?；瑒?dòng)距離和滑動(dòng)速度/頻率根據(jù)試驗(yàn)要求確定。通過(guò)應(yīng)變傳感器測(cè)量鋼球與被測(cè)部位之間的摩擦力和摩擦因數(shù)。對(duì)每個(gè)摩擦信號(hào)在有效區(qū)間內(nèi)的摩擦因數(shù)進(jìn)行計(jì)算并取平均值，最終得到摩擦因數(shù)及其隨時(shí)間的變化曲線。試驗(yàn)數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集、計(jì)算。

表1 2種C/C復(fù)合材料的部分性能Table 1 Basic properties of two C/C composites

試驗(yàn)載荷分別為20，40，60和80 N。配副間往返頻率為400次/min，時(shí)間為3 600 s，室溫，干態(tài)。采用掃描電鏡(SEM)觀測(cè)磨損表面形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

圖1所示為不同載荷下2種材料試驗(yàn)3 600 s后的平均摩擦因數(shù)。由圖1可見(jiàn)：在相同載荷下，具有粗糙層基體炭結(jié)構(gòu)的材料A的摩擦因數(shù)值均高于具有光滑層/樹(shù)脂炭基體的材料B的摩擦因數(shù)；隨著載荷的增加，2種材料摩擦因數(shù)均呈現(xiàn)不規(guī)則的波動(dòng)狀態(tài)。其中：材料A的摩擦因數(shù)變化趨勢(shì)為先增后降，在60 N時(shí)最大，達(dá)到0.193，不同載荷下摩擦因數(shù)的波動(dòng)幅度為0.028；材料B的摩擦因數(shù)變化趨勢(shì)為先降后增，在60 N時(shí)最低，為0.120，之后上升。不同載荷下摩擦因數(shù)的波動(dòng)幅度為0.033。

圖1 不同載荷下2種材料的平均摩擦因數(shù)Fig.1 Average friction coefficient of two composites under different testing loads

圖2所示為不同載荷下2種C/C復(fù)合材料的摩擦因數(shù)隨時(shí)間的變化。由圖2可見(jiàn)：隨著載荷的增加，材料的摩擦因數(shù)的變化趨勢(shì)均不相同。其中，材料A的摩擦因數(shù)均有一定的上升趨勢(shì)，以60 N時(shí)的摩擦因數(shù)最大；材料B的摩擦因數(shù)上升趨勢(shì)明顯，其中，以80 N時(shí)的摩擦因數(shù)最大。

表2所示為2種材料在不同載荷時(shí)的平均質(zhì)量磨損量?？梢?jiàn)：材料的質(zhì)量磨損量很低。其中，材料B的磨損量難以在分析天平上檢測(cè)出來(lái)。因此，材料在摩擦過(guò)程中的質(zhì)量磨損量小，即摩擦表面體積磨損所產(chǎn)生的磨屑主要形成了密度更高的摩擦膜，從而提高了摩擦表面抗外界載荷沖擊的能力[1,6?8,13?15]，有利于提高材料摩擦磨損行為的穩(wěn)定性。

圖2 在不同載荷下材料摩擦因數(shù)隨時(shí)間的變化Fig.2 Variations of friction coefficient of composites under different loads with time

表2 不同載荷下2種C/C復(fù)合材料的質(zhì)量磨損Table 2 Mass wear loss of two C/C composites under different loads 質(zhì)量磨損量/mg

圖3所示為2種材料在載荷40 N、往返頻率400次/min、3 600 s試驗(yàn)條件下的摩擦表面SEM形貌。由圖3(a)可見(jiàn)：材料A的部分摩擦表面形成了完整的摩擦膜。但部分摩擦膜之間存在堆疊或剝落。摩擦次表層的磨屑也顯示出堆疊、擠壓成膜的跡象，但其中的裂紋數(shù)量明顯多于表面較完整的摩擦膜的數(shù)量。這說(shuō)明次表層的磨屑同樣會(huì)受到往復(fù)摩擦力的沖擊作用，并因磨屑運(yùn)動(dòng)受限和表面摩擦膜剝落的影響，難以形成完整、致密的磨屑堆積/結(jié)合形貌。由圖3(b)可見(jiàn)：在材料B的摩擦表面，不同取向纖維束的交界處有大量因纖維磨損、斷裂后形成的長(zhǎng)條形細(xì)小孔洞。而在以基體炭為主的區(qū)域，摩擦表面較完整、致密，未發(fā)現(xiàn)纖維端頭磨損后留下的孔洞。這表明當(dāng)基體炭體積分?jǐn)?shù)較高時(shí)，其對(duì)纖維的保護(hù)作用增加，可減少纖維的磨損；同時(shí)，相對(duì)于基體炭，高強(qiáng)度高韌性的纖維在摩擦中也產(chǎn)生了顯著的增強(qiáng)作用，降低了載荷對(duì)基體炭的磨損，提高了材料的耐磨性能。

圖3 在干態(tài)，400 r/min，40 N和3 600 s試驗(yàn)條件下材料A和B的摩擦表面SEM形貌Fig.3 SEM morphologies of wear surface of composites A and B after test under 400 r/min, 40 N and 3 600 s

圖4所示為材料A在載荷80 N、往返頻率400次/min、3 600 s試驗(yàn)條件下的摩擦表面SEM形貌。由圖 4(a)可見(jiàn)：摩擦表面在整體上形成了較致密的摩擦膜，但存在較大的裂紋及摩擦膜重疊現(xiàn)象。由圖4(b)可見(jiàn)：摩擦表面有纖維與沉積其上的熱解炭共同磨損斷裂現(xiàn)象。由圖 4(c)可見(jiàn)：在較平坦的摩擦表面，基體炭形成了較致密的摩擦膜，但磨屑之間仍有一定的相互交接，并存在較多的裂紋。

圖4 在干態(tài)，400 r/min，80 N和3 600 s實(shí)驗(yàn)條件下材料A的摩擦表面SEM形貌Fig.4 SEM morphologies of wear surface of composites A after test under 400 r/min, 80 N and 3 600 s

2.2 機(jī)理分析

與通常的環(huán)環(huán)制動(dòng)、環(huán)塊/銷盤滑動(dòng)等對(duì)偶滑行、外力作用方向較固定的摩擦磨損行為不同[1,6?7,12?15]，在本實(shí)驗(yàn)中，C/C復(fù)合材料試樣與配副接觸的摩擦表面始終受到瞬間、周期性的反向作用力的沖擊，處于快速、反復(fù)的加載、卸載的受力狀態(tài)。在每次短時(shí)間的接觸中，摩擦表面物質(zhì)的移動(dòng)方向、變形程度、碾碎、再成膜的幅度小，難以快速地被碾壓成致密的摩擦膜。在下一次接觸中，反向的沖擊力導(dǎo)致摩擦表面產(chǎn)生新的破壞、自修復(fù)過(guò)程，從而難以形成大塊、完整、致密的摩擦表面膜。

在球盤摩擦試驗(yàn)中，高強(qiáng)度高硬度的鋼對(duì)偶球在載荷作用下，會(huì)壓入到材質(zhì)較軟的C/C復(fù)合材料的摩擦表面，產(chǎn)生一定的犁削磨損。但在鋼對(duì)偶球與 C/C復(fù)合材料接觸的摩擦表面，不同部位對(duì)C/C復(fù)合材料摩擦面的加壓不一致。在鋼對(duì)偶球質(zhì)心正下方，摩擦面所受的瞬間正壓力最大，瞬間變形最大，但其瞬間位移為 0；而處于鋼對(duì)偶移動(dòng)前方的摩擦面內(nèi)的物質(zhì)在摩擦力作用下產(chǎn)生的位移不同，向磨痕兩邊、端頭的位移更大，從而，逐步形成磨屑在磨痕的邊緣和兩端逐層堆積、碾壓成膜的形貌。

C/C復(fù)合材料為脆性材料，其摩擦表面由磨損、變形程度不同的纖維、基體炭的磨屑以及孔隙等組成。本試驗(yàn)中，在高頻率的瞬間加載和卸載過(guò)程中，被碾壓的磨屑會(huì)產(chǎn)生類似粉末冶金壓制過(guò)程的彈性后效，形成應(yīng)力集中，誘發(fā)裂紋產(chǎn)生，最終形成大塊的摩擦層剝落。而且，由于高強(qiáng)度高硬度的鋼對(duì)偶以及 C/C復(fù)合材料內(nèi)強(qiáng)度、硬度較高的纖維磨屑的磨粒磨損作用，也會(huì)導(dǎo)致較完整的摩擦表面上有大量的裂紋存在，并影響材料的摩擦磨損行為。

本試驗(yàn)中，材料A的粗糙層熱解炭結(jié)構(gòu)接近石墨微晶，其滑動(dòng)性能好、磨屑的成膜性好[7,14?15]，但硬度低、抗外界載荷和硬質(zhì)磨粒磨損的能力低，故在相同載荷下鋼對(duì)偶對(duì)其摩擦表面的壓入深度大，即配副間的實(shí)際接觸面積大，導(dǎo)致在滑動(dòng)過(guò)程中的摩擦阻力高[11]。隨著載荷的增加，鋼對(duì)偶在C/C復(fù)合材料摩擦表面的壓入程度增加，其在滑動(dòng)過(guò)程中的阻力增大，摩擦因數(shù)呈增加趨勢(shì)，并在60 N時(shí)達(dá)到最大值。之后隨載荷增加，摩擦膜的致密度上升，膜內(nèi)的硬質(zhì)相磨粒被碾碎，對(duì)摩擦膜的磨損作用降低，黏附在C/C復(fù)合材料、鋼球摩擦表面的石墨微晶的瞬間成膜能力也增加，自潤(rùn)滑性能提高，摩擦因數(shù)下降[7]。但對(duì)于材料B，光滑層熱解炭的硬度高，自潤(rùn)滑性能低，成膜性差。在低載荷下，基體炭磨屑難以被迅速碾碎和壓緊。因此，在摩擦表面上硬質(zhì)磨屑對(duì)往復(fù)滑動(dòng)的鋼對(duì)偶滑動(dòng)的阻礙大，故材料B在低載荷下材料的摩擦因數(shù)高。隨著載荷的增加，硬質(zhì)相磨屑被碾碎和壓緊，阻礙作用降低，材料的摩擦因數(shù)有所下降。但隨著載荷繼續(xù)增大，鋼對(duì)偶的壓入程度增加，配副間的實(shí)際接觸面積增大，高硬度磨屑在碾壓后的彈性后效作用增大，導(dǎo)致配副間的摩擦阻力增大，其摩擦因數(shù)逐漸上升。

在本研究中，增強(qiáng)的預(yù)制體采用的是長(zhǎng)纖維編織結(jié)構(gòu)，纖維在被磨損前的移動(dòng)范圍有限。在低載荷下，摩擦表面的磨屑被壓緊的程度低，可移動(dòng)性較高，故易形成纖維及表面基體炭和磨屑分開(kāi)堆積、成膜的形貌。但由此導(dǎo)致基體炭摩擦表面纖維的增強(qiáng)作用低，易產(chǎn)生大塊的摩擦膜剝落。在自潤(rùn)滑性能好的材料A的基體炭摩擦表面上，未發(fā)現(xiàn)纖維；而在纖維聚集的區(qū)域，基體炭磨屑少，形成的具有自潤(rùn)滑作用的摩擦膜隔離鋼對(duì)偶的磨損效果低，導(dǎo)致纖維端頭的磨損嚴(yán)重。這進(jìn)一步表明高石墨化度的基體炭與高強(qiáng)度高韌性的纖維的磨損和移動(dòng)不一致，二者在長(zhǎng)時(shí)間的摩擦過(guò)程中易發(fā)生分離，減少2種組元在摩擦中的相互支持，形成各自的磨損和剝落。故材料A摩擦表面在低載荷下有摩擦膜整體剝落。材料B基體炭的石墨化度低，成膜性差，摩擦表面較粗糙，未發(fā)現(xiàn)類似材料A中部分致密完整的摩擦表面；但其硬度高，自身抗外界載荷作用的能力強(qiáng)，摩擦表面膜與纖維之間仍能形成良好的結(jié)合，相互支持作用高，故其表面也未發(fā)現(xiàn)大塊的摩擦膜剝落。在高載荷下，纖維等硬質(zhì)磨屑被碾碎，與基體炭一起形成了較致密的摩擦表面膜。而且此類摩擦表面膜與次表面的機(jī)械結(jié)合強(qiáng)，故難以發(fā)生摩擦表面膜整體剝落。所以，在載荷為80 N時(shí)，材料A的摩擦表面完整程度高于其在40 N時(shí)的摩擦表面的完整程度。但在長(zhǎng)時(shí)間的往返式運(yùn)動(dòng)中，處于裂紋和孔隙兩邊的基體炭磨屑逐漸形成反復(fù)交替堆疊的形貌。這也說(shuō)明反復(fù)的沖擊造成磨屑持續(xù)的反向運(yùn)動(dòng)，難以形成取向一致、大塊完整的摩擦表面。

隨著載荷的增加，2種材料的摩擦因數(shù)之間的差值先增后減。這表明，在低載荷下，材料內(nèi)不同組元因其不同的移動(dòng)和成膜能力，受載荷的碾壓和破碎程度不一致，對(duì)配副間的實(shí)際接觸面積和摩擦阻力的影響大，故二者的摩擦因數(shù)走勢(shì)不一致。但在高載荷下，不同材質(zhì)的磨屑在被充分碾壓和破碎后，成膜性增加，不同材質(zhì)的組元對(duì)配副間摩擦阻力的影響降低，故二者的摩擦因數(shù)在高載荷下接近。

隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，2種材料在不同載荷下的摩擦因數(shù)均呈現(xiàn)一定的波動(dòng)，這同樣與球盤在往復(fù)式滑動(dòng)摩擦過(guò)程中材料摩擦表面的受力狀態(tài)和磨屑移動(dòng)變化大，難以形成致密完整的摩擦表面有關(guān)。

3 結(jié)論

(1) 在相同載荷下，具有粗糙層熱解炭基體的材料A的往返式滑動(dòng)摩擦因數(shù)均值均高于具有光滑層熱解炭/樹(shù)脂炭基體的材料B的摩擦因數(shù)。在60 N時(shí)，材料A的平均摩擦因數(shù)出現(xiàn)最大值0.193，而材料B的則出現(xiàn)了最小值0.120。

(2) 隨著載荷的增加，材料A摩擦因數(shù)的變化趨勢(shì)為先升后降，而材料B的摩擦因數(shù)的變化趨勢(shì)為先降后升。二者摩擦因數(shù)的差值也隨著載荷增加先增后減。

(3) 材料A的摩擦表面膜較完整、致密，但存在明顯的摩擦膜交替堆疊和整體磨損現(xiàn)象，且隨著載荷增加，摩擦表面的完整程度增加。材料B的摩擦表面出現(xiàn)了纖維與基體炭分開(kāi)堆積成膜的形貌。

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