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C/C-SiC陶瓷制动材料的研究现状与应用

来源期刊:中国有色金属学报2005年第5期

论文作者:肖鹏 熊翔 张红波 黄伯云

文章页码:667 - 674

关键词:C/C-SiC; 摩擦材料; 摩擦磨损; 制备方法

Key words:C/C-SiC; friction materials; friction and wear; fabrication method

摘    要:通过分析合成材料、 粉末冶金材料、 C/C和C/C-SiC复合材料等摩擦材料的特点及其性能, 指出C/C-SiC复合材料是一种能满足高速高能载制动的高性能陶瓷制动材料。 综述了先驱体转化法、 化学气相浸渗法和反应熔体浸渗法制备C/C-SiC复合材料的优点及其不足, 指明了反应熔体浸渗工艺是一种具有市场竞争力的工业化生产技术。 介绍了我国研制的C/C-SiC陶瓷制动材料的组织结构、 力学性能、 摩擦磨损性能及其应用, 并对C/C-SiC陶瓷制动材料的性能特点进行了评述。

Abstract: By comparing and analyzing the characteristics and friction properties of the compounds materials, the powder metallurgy materials, carbon/carbon and C/C-SiC composites, it is concluded that C/C-SiC composites is a high property ceramic friction materials which can meet the requirement of high speed and high energy braking. The main advantages and shortage of liquid polymer infiltration method, chemical vapor infiltration method, and reactive melt infiltration method for fabricating C/C-SiC braking materials are summarized, and reactive melt infiltration method is a promising industrialization technology. The microstructure, mechanical properties, friction and wear properties, and application of C/C-SiC composites made in China are introduced. The property characteristic of C/C-SiC ceramic braking materials are reviewed.



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文章编号: 1004-0609(2005)05-0667-08

C/C-SiC陶瓷制动材料的研究现状与应用

肖 鹏, 熊 翔, 张红波, 黄伯云

(中南大学 粉末冶金国家重点实验室, 长沙 410083)

摘 要: 通过分析合成材料、 粉末冶金材料、 C/C和C/C-SiC复合材料等摩擦材料的特点及其性能, 指出C/C-SiC复合材料是一种能满足高速高能载制动的高性能陶瓷制动材料。 综述了先驱体转化法、 化学气相浸渗法和反应熔体浸渗法制备C/C-SiC复合材料的优点及其不足, 指明了反应熔体浸渗工艺是一种具有市场竞争力的工业化生产技术。 介绍了我国研制的C/C-SiC陶瓷制动材料的组织结构、 力学性能、 摩擦磨损性能及其应用, 并对C/C-SiC陶瓷制动材料的性能特点进行了评述。

关键词: C/C-SiC; 摩擦材料; 摩擦磨损; 制备方法 中图分类号: TB331; TH117.3

文献标识码: A

Progress and application of C/C-SiC ceramic braking materials

XIAO Peng, XIONG Xiang, ZHANG Hong-bo, HUANG Bai-yun

(National Key Laboratory of Powder Metallurgy, Central South University,

Changsha 410083, China)

Abstract: By comparing and analyzing the characteristics and friction properties of the compounds materials, the powder metallurgy materials, carbon/carbon and C/C-SiC composites, it is concluded that C/C-SiC composites is a high property ceramic friction materials which can meet the requirement of high speed and high energy braking. The main advantages and shortage of liquid polymer infiltration method, chemical vapor infiltration method, and reactive melt infiltration method for fabricating C/C-SiC braking materials are summarized, and reactive melt infiltration method is a promising industrialization technology. The microstructure, mechanical properties, friction and wear properties, and application of C/C-SiC composites made in China are introduced. The property characteristic of C/C-SiC ceramic braking materials are reviewed.

Key words: C/C-SiC; friction materials; friction and wear; fabrication method

                    

摩擦材料主要用于车辆和动力机械制动与传动, 正从单一材料向复合材料发展, 其质量的好坏直接影响机器的可靠性和操作人员的生命安全。 随着科学技术的发展, 人们对交通运输工具和动力机械的速度、 负荷和安全性要求越来越高。 高速列车、 重载货车、 轿车、 赛车、 摩托车等重载、 高速行驶、 制动频繁的民用运载工具, 以及使用环境恶劣的装甲车、 坦克、 直升机等, 都对响应快、 摩擦因数足够高而稳定、 抗热衰减性能良好、 质量轻、 寿命长和环境适应性强的高性能摩擦材料提出了迫切的需求。

20世纪90年代中期, C/C-SiC复合材料开始应用于摩擦领域, 成为最新一代高性能制动材料而引起研究者的广泛关注和重视, 美、 德、 日等工业发达国家正逐步展开理论和应用研究。 C/C-SiC陶瓷制动材料具有密度低(约2.0g/cm3)、 耐磨性好、 摩擦因数高、 制动平稳、 抗腐蚀、 抗氧化、 耐高温、 环境适应性强(如湿态下摩擦因数不衰退)和寿命长等优点, 以及成本略高于粉末冶金制动材料和远低于炭/炭制动材料的优势, 必将在高速高能载交通工具和工程机械的摩擦机构上得到广泛应用。

1 C/C-SiC陶瓷制动材料的发展历史

C/C-SiC复合材料(即炭纤维增强炭和碳化硅基体)最早在20世纪80年代作为热结构材料出现, 具有密度低、 抗氧化性能好、 耐腐蚀、 优异的高温力学性能和热物理性能、 好的自润滑性能等优点[1-4], 是一种能满足1650℃使用的新型高温结构材料和功能材料, 目前C/C-SiC复合材料已应用于返回式飞船的面板、 小翼、 升降副翼和机身舱门, 航天飞机的热防护系统, 太空反射镜等部件[4-6]

高速列车因高速高能载而成为摩擦制动材料发展的主要推动力, 迄今为止, 列车刹车闸片(闸瓦)材料从铸铁、 合成材料、 粉末冶金材料发展到了C/C和C/C-SiC复合材料。 合成材料闸片一般用于小于200km/h的准高速列车上。 粉末冶金材料闸片应用广泛, 但存在密度较高(>4.5g/cm3)、 易于氧化锈蚀、 寿命短和高速制动产生强噪音和易熔焊粘结等缺点。 C/C复合材料具有密度低(约1.8g/cm3)、 比热容大、 耐热性良好, 并且在高负荷下仍能保持优良的摩擦性能, 使制动装置减轻等优点, 在飞机刹车副上得到广泛应用。 但C/C复合材料的制备周期长、 成本高、 抗氧化性能差, 湿态下摩擦因数不稳定、 对环境(干净、 干燥)的要求较高[7], 很难在使用环境差的交通工具上大规模使用[8]

为了满足高速列车、 重载卡车、 高级轿车等安全行驶的需求, 西方工业发达国家在20世纪90年代中期开始研制低密度、 高耐磨性和高温稳定的炭纤维增韧陶瓷基刹车材料[8], 德国斯图加特大学和德国航天研究所等单位的研究人员开始进行C/C-SiC复合材料应用于摩擦领域的研究, 并研制出C/C-SiC刹车片应用于Porsche(保时捷)轿车中, 美国橡树岭国家实验室与Honeywell Advanced Composites公司、 Honeywell Aircraft Landing Systems公司、 Honeywell Commercial Vehicle Systems公司合作, 正在研制低成本的C/SiC复合材料刹车片, 替代用于重载汽车的铸铁和铸钢刹车片[9]。 法国TGV-NG高速列车和日本新干线已试用C/C-SiC闸瓦。

作为摩擦材料, C/C-SiC复合材料的制备技术还处于深入研究和完备阶段。 目前列车采用的不同制动材料的相对特性指标列于表1。 由表可知, C/C-SiC复合材料作为制动材料具有优异的性价比, 代表了当前制动材料的最高水平。

2 C/C-SiC陶瓷制动材料的制备技术

C/C-SiC复合材料制备工艺技术的关键是[10]: 1) 纤维损伤尽量少; 2) 纤维/基体(F/M)界面形成适当的结合强度; 3) 克服基体致密化的“瓶颈效应”; 4) 低的制备成本。 目前制备C/C-SiC复合材料的工艺主要有热压烧结法(Heat press-sinter, HPS)、 先驱体转化法(Liquid polymer infiltration, LPI)、 化学气相浸渗法(Chemical vapor infiltration, CVI)和反应熔体浸渗法(Reactive melt infiltration, RMI), 但真正能实现制备异型C/C-SiC摩擦材料的只有LPI法、 CVI法、 RMI法及其组合的方法。

2.1 先驱体转化法

先驱体转化法是在一定的温度和压力下, 将适当理论比值的金属有机化合物(如聚炭硅烷)浸渗到多孔纤维预制体中, 然后经过干燥和热处理, 使先驱体发生热解并得到所需的基体[11-15]。 这种方法最先应用于C/C复合材料, 近来在制备SiC, Si3N4, BN和SiBCN基复合材料中也得到广泛的应用。 对先驱体的性能要求是: 1) 足够的流动性以使之能浸渗到预制体的孔隙中; 2) 对预制体表面的润湿性好; 3) 有合适的化学键和高的热解产率; 4) 在空气中是稳定的。 该法的主要优点有: 能获得成分均匀的单相或多相组元的陶瓷基体; 并能制备出形状复杂、 近尺寸的复合材料部件。 其主要缺点是: 先驱体在干燥和热解过程中, 由于溶剂和低分子量组元的挥发, 以及小结构基团的分解等因素的综合作用, 使得热解过程中基体产生很大的收缩并出现裂纹。 另外, 先驱体热解所得产物的产率很低, 为了获得致密度较高的复合材料, 必须经过多次浸渗和高温处理(典型的达6~10次), 制备周期长。

表1  列车制动材料的相对特性指标

Table 1 Relative characteristic parameters of train braking materials

2.2 化学气相浸渗法

化学气相浸渗法是设法使气相物质(先驱体)在加热的纤维表面或附近产生化学反应, 浸渗到纤维预制体中沉积得到陶瓷基复合材料(CMCS)[16-21]。 其主要优点是[10, 22, 23]: 1) 能在低压低温(1000℃左右)下进行基体的制备, 材料内部残余应力小, 纤维受损伤小; 2) 能制备硅化物、 碳化物、 氮化物、 硼化物和氧化物等多种陶瓷材料, 并可实现微观尺度上的成分设计; 3) 能制备形状复杂和纤维体积分数高的近尺寸部件; 4) 在同一CVI反应室中, 可依次进行纤维/基体界面、 中间相、 基体以及部件外表涂层的沉积。 主要缺点是: 1) SiC基体的致密化速度低、 生产周期长(300h以上)、 制造成本高; 2) SiC基体的晶粒尺寸极其微小(约10nm), 复合材料的热稳定性低; 3) 复合材料不可避免地存在着10%~15%的残留孔隙, 影响了复合材料的力学性能和抗氧化性能。

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