C/SiC復(fù)合材料摩擦性能及儲(chǔ)油性能分析

隋天一 林彬 魏金花 王皓吉 閆帥

摘 要：復(fù)合材料因性能獨(dú)特而備受關(guān)注，但其自身結(jié)構(gòu)復(fù)雜且受到諸多因素的影響，因而對(duì)其摩擦學(xué)性能的研究仍有待進(jìn)一步加強(qiáng)。為了對(duì)比不同摩擦配副對(duì)C/SiC復(fù)合材料摩擦性能及儲(chǔ)油性能的影響，以C/SiC復(fù)合材料為研究對(duì)象，運(yùn)用銷盤摩擦學(xué)試驗(yàn)方法，研究了C/SiC復(fù)合材料與45#鋼以及C/SiC復(fù)合材料與ZrO2材料摩擦配副的摩擦學(xué)性能，采用三維形貌儀等儀器對(duì)C/SiC復(fù)合材料摩擦后的表面進(jìn)行表征分析，研究其摩擦后的表面質(zhì)量及其儲(chǔ)油性能。結(jié)果表明，C/SiC復(fù)合材料與45#鋼磨損劇烈，摩擦后表面儲(chǔ)油性能嚴(yán)重下降；其與ZrO2對(duì)磨則摩擦系數(shù)較低，磨損量較小，摩擦后的表面仍保持了較好的承載性能及儲(chǔ)油性能，是一種良好的摩擦配副。研究結(jié)果為拓展C/SiC復(fù)合材料的應(yīng)用及揭示其摩擦學(xué)特性提供了有力支撐。

關(guān)鍵詞：摩擦學(xué)；C/SiC；復(fù)合材料；儲(chǔ)油性能；摩擦性能

中圖分類號(hào)：TK172 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1008-1542（2018）03-0191-07

隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，生產(chǎn)過程向連續(xù)化、自動(dòng)化方向發(fā)展，機(jī)器向高速、重載方向發(fā)展[1]，新型復(fù)合材料具有比強(qiáng)度和比剛度高、尺寸穩(wěn)定性好、透波、電絕緣、耐磨、抗沖擊、高阻尼、抗疲勞等諸多優(yōu)良特性[2]，廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活中。但是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)復(fù)雜，具有各向異性、非均勻性、脆性大、耐熱沖擊性差等特點(diǎn)，其加工后的表面質(zhì)量不易控制，直接影響了摩擦磨損性能。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能進(jìn)行了一系列研究：中南大學(xué)王秀飛等[3]、華南理工大學(xué)陳東[4]以及中國海洋大學(xué)韓野[5]針對(duì)復(fù)合材料的制備及摩擦行為進(jìn)行了系統(tǒng)研究；東南大學(xué)謝亞飛[6]研究發(fā)現(xiàn)，三維編織復(fù)合材料具有良好的抗剪切性能；尹彩流等[7]指出，C/C-SiC復(fù)合材料與鐵基粉末冶金材料組成的摩擦副的摩擦性能優(yōu)異；茹紅強(qiáng)等[8]研究了三維網(wǎng)絡(luò)SiC陶瓷/金屬復(fù)合材料的摩擦性能，指出材料表面摩擦形成的氧化層硬度較高，是該材料耐磨性能優(yōu)良的主要原因；MANABU等[9]、KRUPKA等[10]、HHN等[11]以及MOURIER等[12]通過試驗(yàn)研究了彈流接觸條件下微凹坑陣列的摩擦學(xué)行為，指出表面微結(jié)構(gòu)對(duì)油膜成形的影響顯著；REN等[13]及HU等[14]建立了分析點(diǎn)接觸的統(tǒng)一3D 混合彈流潤滑模型；CHEN等[15]設(shè)計(jì)了用來研究粗糙表面線接觸混合彈流潤滑問題的3D線接觸型彈流模型；WANG等[16]發(fā)現(xiàn)微凹坑直徑較小時(shí)具有良好的減摩效果；DOBRICA等[17]通過對(duì)織構(gòu)表面流體動(dòng)力性能的影響進(jìn)行研究，得出了優(yōu)化的紋理區(qū)范圍和凹坑方位；ETSION[18]通過試驗(yàn)得出單一表面激光造型的機(jī)械密封，無論是在承載能力還是摩擦特性方面都優(yōu)于未造型表面；COSTA等[19]研究發(fā)現(xiàn)凹坑中儲(chǔ)存的潤滑劑體積太小，不能減小摩擦力和改善潤滑；日本大阪大學(xué)花崎伸作[20]研究得出復(fù)合材料中纖維被切斷是由于垂直于纖維自身軸線的剪切應(yīng)力超過了纖維的剪切強(qiáng)度極限所致；沈新民等[21]發(fā)現(xiàn)碳化硅零件在等離子體氧化輔助軟磨粒拋光下可以實(shí)現(xiàn)較高的表面質(zhì)量；LI等[22]研究發(fā)現(xiàn)，C/C-SiC與金屬配副摩擦在低速狀態(tài)時(shí)摩擦與磨損都較小，但是在高速時(shí)會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的磨損；GOOBYEONG等[23]則發(fā)現(xiàn)C/SiC復(fù)合材料摩擦系數(shù)受溫度的影響顯著。

由以上的分析可以看出，復(fù)合材料因其獨(dú)特的表面結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出了不同于其他材料的摩擦學(xué)性能，但目前對(duì)C/SiC復(fù)合材料的表面結(jié)構(gòu)及其摩擦學(xué)性能的研究尚不深入。本研究以C/SiC復(fù)合材料為研究對(duì)象，研究其與45#鋼及ZrO2配副的摩擦性能，并對(duì)C/SiC復(fù)合材料的摩擦表面進(jìn)行分析，研究其承載性能及儲(chǔ)油性能。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，C/SiC復(fù)合材料與45#鋼對(duì)磨出現(xiàn)了嚴(yán)重的磨損，其承載性能和儲(chǔ)油性能下降；C/SiC復(fù)合材料與ZrO2對(duì)磨則表現(xiàn)出良好的摩擦學(xué)性能，且C/SiC復(fù)合材料表面的承載及儲(chǔ)油性能較好。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料及摩擦學(xué)試驗(yàn)方法

碳化硅陶瓷因具有高強(qiáng)度、高硬度、抗腐蝕、耐高溫等特點(diǎn)而被廣泛用于高溫和某些苛刻的環(huán)境中，尤其是在航空航天飛行器需要承受極高溫度的特殊部位，具有很大的應(yīng)用潛力。為了對(duì)比不同摩擦配副對(duì)C/SiC復(fù)合材料摩擦性能及儲(chǔ)油性能的影響，本次摩擦試驗(yàn)選用C/SiC復(fù)合材料與ZrO2以及C/SiC復(fù)合材料與45#鋼2種摩擦配副。試驗(yàn)配副選用銷盤配副，提前將不同纖維朝向的C/SiC復(fù)合材料加工成銷，并準(zhǔn)備ZrO2及45#鋼2種圓盤以備使用，試驗(yàn)前均將試件置于乙醇中超聲震蕩2 min，以去除表面污染物。纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料的性能取決于各組分的性能、比例以及纖維結(jié)構(gòu)。相同摩擦副，因纖維方向不同，摩擦性能會(huì)有很大差異。本研究用三維非接觸式表面形貌儀和成都勵(lì)揚(yáng)超景深顯微測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行全程觀察，對(duì)比C/SiC復(fù)合材料纖維疊層方向和垂直纖維疊層方向的摩擦磨損性能及儲(chǔ)油性能。圖1示出了C/SiC試件、ZrO2試件以及45#鋼試件。

研究中所有摩擦磨損試驗(yàn)均在 MMW-1 型立式萬能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上完成。該試驗(yàn)機(jī)在一定的接觸壓力下，以滾動(dòng)、滑動(dòng)及復(fù)合摩擦的形式完成點(diǎn)、線、面的磨損模擬試驗(yàn)，可用于評(píng)價(jià)潤滑劑、金屬、涂層、陶瓷等工程材料及表面改性處理后的摩擦磨損性能。摩擦試驗(yàn)時(shí)長為7 200 s，試驗(yàn)力為50 N，主軸速度為400 r/min。

滑動(dòng)速度及接觸壓力計(jì)算如式（1）和式（2）所示。

1.2 表征分析方法

在試驗(yàn)完成后取下摩擦副，用丙酮清洗摩擦副，隨后進(jìn)行30 min水浴清洗，在恒溫干燥箱內(nèi)進(jìn)行干燥，摩擦磨損前后材料表面定量和定性分析分別采用NANOVEA三維非接觸式表面形貌儀和成都勵(lì)揚(yáng)LY-WN-YH超景深測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行觀察。采用精度為 0.1 mg 的分析天平，對(duì)對(duì)磨工件的磨損量進(jìn)行表征分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 C/SiC摩擦性能分析

C/SiC復(fù)合材料與45#鋼進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)記錄的摩擦系數(shù)曲線如圖2 a）所示。試驗(yàn)開始后，摩擦系數(shù)出現(xiàn)小幅的波動(dòng)，原因是初期摩擦使摩擦副表面較大凸起磨平，在經(jīng)歷短暫的磨合過程后，摩擦系數(shù)逐漸增大并在700 s左右進(jìn)入相對(duì)平穩(wěn)的階段，摩擦系數(shù)保持在0.8左右，試驗(yàn)過程伴隨著較大的噪聲和振動(dòng)。而從3 400 s開始，摩擦系數(shù)突然出現(xiàn)劇烈震蕩，C/SiC復(fù)合材料出現(xiàn)微小崩碎，45#鋼表面出現(xiàn)顯著劃痕，平均摩擦系數(shù)急劇增大至5，試件磨損劇烈，試驗(yàn)停止。該現(xiàn)象可能是由于摩擦過程中伴隨著接觸表面的磨損，接觸區(qū)域內(nèi)磨屑積累形成嚴(yán)重的磨粒磨損，并且伴隨著摩擦熱的積累，在3 500 s左右出現(xiàn)了摩擦系數(shù)大幅上升的現(xiàn)象。

C/SiC復(fù)合材料與ZrO2進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)記錄的摩擦系數(shù)曲線如圖2 b）所示。試驗(yàn)開始后進(jìn)入磨合期，摩擦系數(shù)出現(xiàn)快速上升，在1 000 s左右達(dá)到0.62，之后出現(xiàn)快速下降，到6 000 s左右進(jìn)入平穩(wěn)期，摩擦系數(shù)穩(wěn)定于0.2左右，試驗(yàn)過程中震蕩和噪聲較小，C/SiC復(fù)合材料以及ZrO2未出現(xiàn)剝落及崩碎現(xiàn)象，直至到達(dá)設(shè)定試驗(yàn)時(shí)間停止。

C/SiC復(fù)合材料與45#鋼及ZrO2摩擦后的摩擦表面如圖3所示。由摩擦表面可以看出，經(jīng)過與45#鋼對(duì)磨后表面非常平整，但出現(xiàn)了較大的裂紋，表面同時(shí)出現(xiàn)了一定的轉(zhuǎn)移膜以及表面氧化。分析其原因是由于摩擦試驗(yàn)中磨損非常嚴(yán)重，導(dǎo)致C/SiC表面出現(xiàn)了嚴(yán)重的剝落。在觀察C/SiC復(fù)合材料與ZrO2對(duì)磨后的表面可以看出，C/SiC復(fù)合材料表面出現(xiàn)較多的凹坑，且表面劃痕較為嚴(yán)重，在摩擦表面可以看出明顯的纖維結(jié)構(gòu)，能夠?qū)δΣ帘砻孢M(jìn)行支撐。

2.2 C/SiC表面儲(chǔ)油性能分析

C/SiC復(fù)合材料與45#鋼進(jìn)行摩擦后出現(xiàn)表面銹蝕，且粗糙度嚴(yán)重變大，導(dǎo)致表面三維形貌只能通過高斯濾波才能看清；而C/SiC復(fù)合材料與ZrO2對(duì)磨過程較為平順，摩擦試驗(yàn)后的表面比較平滑。使用非接觸式三維形貌儀對(duì)摩擦表面進(jìn)行檢測(cè)，與摩擦前表面形貌進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，C/SiC復(fù)合材料與45#鋼摩擦后的表面變得更加粗糙，而其與ZrO2對(duì)磨后的表面則較試驗(yàn)前光滑，詳見圖4。

從圖4可以看出，C/SiC復(fù)合材料與45#鋼進(jìn)行摩擦后表面的核心區(qū)空隙面積較小，谷底區(qū)空隙面積也減小，尖峰增多，可以推斷其表面承載和儲(chǔ)油性能均下降。但可以看到，C/SiC復(fù)合材料與ZrO2對(duì)磨后表面的核心區(qū)空隙面積增大，谷底區(qū)空隙面積也增大，從而承載和儲(chǔ)油性能均有所提高。表1列出了摩擦試驗(yàn)前后C/SiC復(fù)合材料的表面參數(shù)。

由表1可以看出，經(jīng)過摩擦試驗(yàn)后，C/SiC復(fù)合材料表面結(jié)構(gòu)參數(shù)均比摩擦試驗(yàn)之前出現(xiàn)了大幅的提升，這說明表面粗糙度明顯增大，但同時(shí)可以看出，C/SiC復(fù)合材料與ZrO2進(jìn)行摩擦后的表面結(jié)構(gòu)參數(shù)明顯比C/SiC復(fù)合材料與45#鋼進(jìn)行摩擦后的表面低一個(gè)數(shù)量級(jí)。

圖5為表面支承長度曲線，如圖5所示2條平行線，一條在5%支承長度處，另一條在85%支承長度處，這樣曲線就被分成3個(gè)區(qū)域：峰頂區(qū)（0～5%）、核心區(qū)（5%～85%）和谷底區(qū)（85%～100%）。對(duì)于表面的支承特性，表面支承長度率從0增加到一個(gè)給定值（通常取5%）越快，則該表面的支承性能就會(huì)越好。谷底區(qū)空隙面積越大，其儲(chǔ)油性能越好?？梢钥闯觯珻/SiC復(fù)合材料與ZrO2進(jìn)行摩擦后表面在核心區(qū)比較平穩(wěn)，空隙面積較大，支承性能較好。而與45#鋼對(duì)磨后的表面對(duì)比可以看出，其表面出現(xiàn)了嚴(yán)重的磨損，表面參數(shù)出現(xiàn)嚴(yán)重分化，材料因?yàn)樾K剝落而出現(xiàn)嚴(yán)重的凸峰和凹坑，承載性能及儲(chǔ)油性能較差。

圖6為摩擦后的45#鋼以及ZrO2摩擦表面的形貌圖，可以清晰地看出，45#鋼在摩擦試驗(yàn)后表面出現(xiàn)了嚴(yán)重的劃痕，犁溝現(xiàn)象明顯；而對(duì)比ZrO2摩擦后的表面可以看出，ZrO2表面整體較為平整，未出現(xiàn)嚴(yán)重的劃痕，部分區(qū)域出現(xiàn)小塊凹坑，可能是由于材料自身缺陷而導(dǎo)致的。整體來說，ZrO2表面的磨損情況要明顯低于45#鋼表面。

3 結(jié) 語

針對(duì)C/SiC復(fù)合材料與45#鋼、C/SiC復(fù)合材料與ZrO2的摩擦性能進(jìn)行了研究，運(yùn)用非接觸式三維形貌儀及超景深測(cè)量儀，對(duì)摩擦后的C/SiC復(fù)合材料表面進(jìn)行了分析，研究了其承載性能及儲(chǔ)油性能。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，C/SiC復(fù)合材料與45#鋼材料對(duì)磨后產(chǎn)生的磨損非常劇烈，摩擦表面出現(xiàn)嚴(yán)重的犁溝現(xiàn)象，并伴隨表面剝落的發(fā)生，降低了材料的儲(chǔ)油性能；而C/SiC復(fù)合材料與ZrO2材料對(duì)磨后表現(xiàn)出良好的摩擦學(xué)性能，表面較為平整，未出現(xiàn)嚴(yán)重的犁溝及剝落現(xiàn)象，表面儲(chǔ)油性能良好。C/SiC復(fù)合材料與ZrO2摩擦后表面承載和儲(chǔ)油性能提高，而與45#鋼摩擦后表面承載和儲(chǔ)油性能出現(xiàn)嚴(yán)重下降。摩擦后ZrO2表面明顯優(yōu)于45#鋼表面，C/SiC復(fù)合材料與ZrO2配副更適宜作為摩擦副材料。

本研究目前只針對(duì)較為常見的45#鋼配副以及ZrO2配副進(jìn)行了摩擦性能研究，所研究的配副種類有限，今后可針對(duì)更多種類摩擦配副以及表面磨損機(jī)理進(jìn)行深入研究。

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