1、影響炭/炭復合材料摩擦學性能的因素分析摘 要：影響炭/炭復合材料摩擦性能的因素很多，綜述了國內外的研究現狀，評價了材料的性質對炭/炭復合材料摩擦磨損性能的影響，闡述了模量、石墨化度、密度、預制體的類型、基體類型、熱解炭結構等因素。關鍵詞：炭/炭復合材料；摩擦磨損性能；材料的性質炭/炭復合材料應用非常廣泛。最初作為航天用高溫結構材料和耐燒蝕材料。用于固體火箭發動機噴管和喉襯、火箭重返大氣層系統的保護罩。自1973年第1次用于飛機剎車以來 ，全世界已有40種以上的民用機和22種以上的軍用機采用了炭剎車盤。其年產量占世界炭/ 炭復合材料總產量的90%以上。與金屬材料相比，炭/炭具有低密度、長使用壽命

2、、低噪音、高平穩性和大熱容等突出優點。影響炭/炭復合材料摩擦性能的因素很多。如材料的性質、摩擦參數(載荷、剎車速度、能量)、環境(溫度、濕度、氣氛)和材料的表面狀況等。在此，本文總結了國內外大量的研究，就材料性質對炭/炭復合材料摩擦性能的影響進行了闡述。一，模量和石墨化度Trfier認為對炭/炭復合材料摩擦磨損性能影響最大的是纖維的彈性模量。Soydan對不同碳纖維和不同基體的炭/炭復合材料進行了研究。結果發現，高各向異性熱解炭中出現密集的裂紋，而在中織構中很少有裂紋的出現，碳纖維的彈性模量對裂紋形成和磨損的微觀機理沒有太大的影響。復合材料彈性模量的變化導致熱擴散性能的改變。從而改變摩擦接觸處

3、的溫度與受力狀況。影響摩擦磨損性能。Kimura等研究發現,熱處理溫度影響炭/炭復合材料的彈性模量。一般認為，彈性模量隨熱處理溫度的升高而增加，碳基面較易形成潤滑層而降低摩擦系數，磨損也較小。石墨化程度越高，炭/炭復合材料的力學性能越低，韌性增加，抗熱震性能增加。有研究認為石墨化度與炭/炭復合材料摩擦磨損性能有很大關系。另有研究表明，石墨化度的提高能使摩擦曲線變得平穩，其穩定系數增大。提高石墨化度的有效途徑是石墨化處理, 石墨化處理工藝中對材料性能起決定作用的是熱處理溫度。黃荔海等研究了不同熱處理溫度下2.5D炭/炭復合材料的制動摩擦性能，發現石墨化的程度以及石墨化的均勻程度都對材料的摩擦磨損

4、性能有很大影響。馮志榮等對不同溫度熱處理的短纖維成型剎車盤進行剎車試驗，發現處理溫度高(石墨化度高)，其摩擦系數增加，表面吸收功率增加，穩定系數提高，并且隨著石墨化溫度的升高，各組元的石墨化度都有提高。對于合適的熱處理溫度，看法略有不同。徐惠娟研究了針刺氈結構炭/炭復合材料，結果表明，熱處理溫度升高，材料的石墨化度增高，2000僅為24.4%，2500時石墨化度達到46.4%，2300處理的摩擦系數出現一峰值，高達0.37，見圖1。Luo認為采用RDD(快速定向流沉積)法制得的炭/炭復合材料，熱處理路徑對摩擦性能無明顯影響，并認為最合適的熱處理溫度為2000，此時，材料有高的摩擦系數和低的磨損

5、率。圖1 不同熱處理溫度下摩擦因數與石墨化度的關系曲線摩擦因素的這種隨石墨化變化的趨勢同材質有關，不同材質的炭/炭復合材料在相同的處理溫度下，摩擦特性有異，處理溫度低時，具有較低石墨化度的復合材料，其炭結構大部分為亂層結構，硬度較高，摩擦系數低，到達一定溫度后，CVD炭和CF的石墨化度的差異，使材料中軟硬炭差別較大，摩擦系數上升，磨屑層較厚，使材料的磨損有所下降。溫度進一步升高時，材料中的大部分CVD炭發生了石墨化轉變，且CF也發生一定程度的石墨化轉變，即炭基面層間劈裂更加容易，炭剎車盤材料剪切強度降低，減少了剝蝕，摩擦表面形成了一層較薄的磨屑層，使摩擦系數下降，磨損率變小，試驗發現，只要摩擦

6、系數足夠高，氧化就一直存在，氧化過程經常伴隨著高的摩擦系數和磨損率，炭基面隨材料石墨化度的增加其排列更加完整，而含有少量數目的活性位，可降低氧化程度，即氧化磨損隨著熱處理溫度升高而降低。除熱處理溫度外，剎車壓力也改變表面的石墨化度，這要歸因于摩擦膜的特殊結構及其中碳原子高的活性， 容易出現應力石墨化現象。Aladekom J B等認為局部熱應力促進石墨化。Tanabe Y也發現對呋喃樹脂基炭/ 炭復合材料的這一現象，認為這是由自由表面效應引起的。日本進藤等證實了應力石墨化的存在，認為界面處不同材料的熱膨脹系數差異導致剪切應力是動力 。Toby認為高密度的摩擦屑和表面溫度形成摩擦膜，剎車過程導致

7、剪切應力石墨化。二，密度/孔隙率炭/炭復合材料密度增大，摩擦穩定性增加。高密度的炭/炭復合材料孔隙率低及高度的整體性，具有較佳的摩擦磨損行為。密度大，體積磨損小，并能提高材料的熱導率與石墨化度，進而影響摩擦性能，因為密度小的材料中孔隙較多，而孔隙的存在能引起聲子的散射，故孔隙內的氣體導熱系數很低，但是密度太大或太小都不利于生成穩定的磨損表面。ChenL H通過研究得出，PAN-CF/Pitch-基體炭/炭復合材料中合適的密度和孔隙率的存在易使材料形成具有潤滑效果的摩擦膜。Kuo H H對PAN-CF/酚醛基炭/炭復合材料進行了大量研究，結果發現，不同炭化升溫速度且未石墨化處理的復合材料的摩擦系

8、數與升溫速度無關，但是升溫速度會影響材料的磨損率，升溫越快，磨損越大。這一現象與密度/孔隙率的比值有關，炭化速度越快，材料密度小，孔隙率大，密度/孔隙率的比值越小，磨損率就越大。觀察摩擦表面發現，碳纖維或熱解炭摩擦掉后，在材料表面形成孔隙，磨屑存在于材料的孔隙處，摩擦過程中不斷有新的孔隙產生，第三相被壓入的磨屑填充在這些孔隙中。三，預制體的類型碳纖維在預制體中的取向有兩種方式：第一種N取向，即纖維垂直于摩擦面；第二種P取向，即纖維平行于摩擦面，如圖2所示。研究發現，纖維的取向對摩擦磨損性能有較大影響，N取向的摩擦系數大于P取向的摩擦系數，但體積磨損量卻小于P取向，這是由于N取向中摩擦力垂直于纖

9、維的排列方向，纖維末端被切削或剪斷，而纖維被剪斷需要的能量大，所以N取向的摩擦系數大。而P取向摩擦面上有成束的碳纖維暴露在外，纖維的相對柔性及纖維/CVD炭的不良結合使摩擦中形成的磨粒很容易將纖維從周圍基體中脫出，所以其體積磨損量較大。研究發現，當碳纖維與摩擦面成45b夾角時，摩擦系數和磨損量最大。此外，以N取向碳纖維為核心，包裹著熱解炭基體，打通了炭剎車盤垂直方向的導熱通路，提高了材料的導熱系數，使摩擦面產生的熱能迅速傳導離開界面，從而降低了界面溫度，緩解了溫度對界面剪切強度的劇烈影響，可保持較高的摩擦系數和提高剎車裝置的可靠性。圖2碳纖維取向對摩擦過程的影響炭/炭剎車材料中P取向纖維的排布

10、情況較復雜，如英國Dunlo p公司B757預制體結構，是一層纖維薄氈，一層纖維布，再一層纖維薄氈針刺而成，每層纖維布之間的夾角為90；而法國炭工業公司A320預制體結構是針刺無緯布，其夾角為60；韓國DACC公司汽車剎車盤預制體結構也是針刺無緯布，其夾角為60；國產B757炭剎車盤的預制體結構是一層薄纖維網胎一層無緯布針刺而成，無緯布之間的夾角為90。對于P取向纖維，纖維斷裂發生在摩擦面的接觸區及表面區，磨粒不斷地犁、刮裸露出來的碳纖維及熱解炭基體，其犁、刮作用增大了相對滑動的阻抑作用，從而增大了炭剎車盤材料的摩擦系數。至于P取向纖維排布的角度與摩擦性能的內在聯系還有待進一步驗證。摩擦面的碳

11、纖維取向不改變材料的磨損機理，纖維的取向平行于磨損面時，通過石墨化CVD基體的剪切變形形成摩擦膜。連續纖維的體積分數高時，平行磨擦面的材料更容易形成摩擦膜，摩擦面纖維末端暴露在外的纖維抑制了摩擦膜的形成，導致了高的磨損率。剎車速度高時，摩擦面的剪切力足夠克服不利的纖維取向，有利于膜的形成。目前炭/炭剎車盤預制體成型有3種典型的方式：炭布疊層；短纖維模壓；纖維針刺薄氈疊層。碳纖維針刺網胎、無緯布交替疊層的準三向整體氈結構也得到大量的應用。考慮結構力學、熱導性和溫度對摩擦磨損的影響，三向連續纖維編織結構是最理想的，但其成本太高。在2D炭/炭復合材料中，裂紋尖端在纖維/基體界面處發生偏轉，而在3D炭

12、/炭復合材料中，裂紋偏轉主要發生在CVD炭中，3D的韌性明顯好于2D。通常認為磨損的大小與硬度的大小相反。研究發現，瀝青碳纖維制得的2D炭/炭的硬度為3D炭/炭的2倍，低能時，硬度大的2D磨損較低，但高能時，高韌性的3D材料有更低的磨損率。因此，同種制備工藝，3D炭/炭復合材料具有比2D炭/炭復合材料更低的磨損率、更高的摩擦系數和穩定性。在惡劣的工作條件下，如重載荷、高速度飛行的緊急制動(中止起飛)，摩擦面的最高溫度取決于產生熱量的速度和熱擴散速率，因為炭/炭復合材料的摩擦效率受溫度影響明顯，增大材料的熱導率是最為有效的方法。熱導率的提高能降低復合材料表面的溫度，進而降低摩擦系數，可行的途徑是

13、控制纖維的方向使其垂直于摩擦表面。3D炭/炭復合材料有比2D炭/炭復合材料更低的磨損量也要歸結于Z向纖維的加入。Byrne對Z向纖維與摩擦性能的影響進行了研究，結果表明，Z向纖維能提高剎車盤的熱擴散，降低噪音，Z向纖維含量高的炭/炭復合材料，其導熱性好，減少了氧化的幾率，其磨損系數更小。炭布高溫預處理可改善炭/炭復合材料的剎車穩定性，明顯降低炭/炭復合材料的磨損量而對平均摩擦系數無明顯影響，經高溫預處理的炭/炭復合材料綜合性能優于未處理的。在炭/炭剎車盤制備中越來越多地使用預氧化PAN纖維，使用形式有連續纖維、氈、2D布。有研究表明，預氧絲的處理比碳纖維更容易，可降低成本。四，基體類型基體炭可

14、分為熱解炭(CVD炭)、樹脂炭、瀝青炭或這幾種炭的混合，基體炭是決定炭/炭復合材料摩擦性能的重要因數。Kim等對不同基體炭的復合材料進行了試驗，研究了纖維-基體粘結強度對摩擦磨損性能的影響，認為光滑層結構基體的磨損率比各向同性結構的磨損率要高，原因是基體更高程度的優化導致基體與纖維的聯結更弱。Oh等也證實了這一結論。樹脂炭基體炭/炭復合材料，纖維與基體之間的結合力較弱，脆性的各向同性炭形成典型的顆粒狀磨屑，隨后被壓入摩擦表面，易形成光滑表面，使剎車效率降低，也使材料的磨損降低。純浸漬瀝青炭/炭復合材料的摩擦磨損極大，摩擦穩定性差，磨損機制主要為磨粒磨損與氧化磨損，不適合作飛機剎車材。采用CVD

15、+浸漬熱固性呋喃樹脂工藝制備并經過多次浸漬增密且石墨化后的材料具有優良的摩擦磨損特性，在150N載荷5h后，體積磨損率僅為2.9110-4cm3。在RL微觀組織的炭/炭復合材料中加入適量樹脂炭，可降低成本，RL/RC能形成磨屑膜，但RC的摩擦膜在高載時有磨屑剝落。有研究表明，摩擦系數的高低與磨損沒有必然的對應關系。Hyun-kyu研究發現，與真空浸漬炭化(VIC)法相比，采用壓力浸漬炭化(PIC)法制得的復合材料具有更低的摩擦系數和磨損率，曲線更平穩，這也與炭基體的結構有關。不僅碳纖維和復合材料的特性會影響最終復合材料的摩擦特性，而且無機添加劑加入到基體中，也會影響最終復合材料的摩擦特性。熱固

16、性樹脂炭浸漬工序中三價添加劑的加入能改善材料的石墨化度，影響其摩擦特性，其中三價硼元素的應用比較廣泛。李崇俊進行了大量的研究，結果發現，在熱固性糠酮基體炭中加入樹脂含量5%的硼，石墨化溫度可降至2000， 適當溫度處理后，石墨化度可達80%，其原因是硼原子比碳原子小，隨著固熔體中硼含量的增加，晶體層面La增大，層間距減小，能起到催化石墨化的效果。五，熱解炭結構熱解炭的微觀結構可分為光學粗糙層結構(RL)、光滑層結構(SL)和各向同性結構(ISO)等3種類型, 其物理性能見表1。表1 種不同結構的熱解炭的物理性能CVD炭的微觀結構(見圖3)不同是造成炭/炭復合材料摩擦行為差異的根本原因。粗糙層組

17、織容易石墨化，且石墨化度高，硬度低，是典型的多晶炭，較易形成穩定、有較好塑性并致密的摩擦表面膜；光滑層組織的石墨化度低，硬度高，較難形成完整的摩擦表面膜。從微觀機制上認為粗糙層結構的熱解炭具有較好地摩擦性能的原因是：RL的生長特征明顯，擇優取向強，呈連續層狀排列；SL呈不連續生長特征，組織粗糙，炭層面排列不規則，某些區域的生長形態類似顆粒狀。試驗證實高和中間織構的RL的熱解炭具有穩定的摩擦系數，SL的摩擦系數下降快，在超載剎車和中止起飛剎車中氧化磨損較嚴重，所以炭/炭復合材料熱解炭RL能滿足飛機剎車材料的要求。圖3熱解炭微觀結構的偏光照片六，結語優異的摩擦磨損特性、熱庫特性和高溫穩定性等是炭/

18、炭復合材料作為飛機剎車材料的前提。炭/炭剎車盤摩擦學性能的影響因素多而且復雜，原材料的選擇、工藝、基體炭及微觀組織結構等是決定其摩擦學性能的基本要素，如何合理配置并優化結構是取得良好性能的關鍵。我國對炭盤的研究起步較晚, 且原材料受制于人，與國外有很大的差距，但在近十幾年的刻苦攻關和研究中取得了突出的進步，特別是周期大大縮短，材料的性質大大提高。參考文獻:1.李江鴻, 熊翔與徐惠娟, 炭/炭復合材料的摩擦學性能與摩擦磨損機理的研究現狀. 粉末冶金材料科學與工程, 2002(03).2.黃荔海, 李賀軍與胡志彪, 石墨化度對2.5D碳/碳復合材料在低能條件下的摩擦學性能影響. 材料科學與工程學報, 2005(05).3.馮志榮, 黃啟忠與鄒林華, 石墨化度對C/C復合材料摩擦性能的影響. 粉末冶金工業, 2000(03).4.熊翔, 黃伯云與李江鴻, 不同剎車壓力下C/C