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CuxSiy改性C/C-SiC复合材料的制备及其性能

来源期刊:中国有色金属学报2010年第12期

论文作者:肖鹏 周伟 李专 熊翔

文章页码:2344 - 2350

关键词:CuxSiy改性C/C-SiC复合材料;力学性能;摩擦磨损性能

Key words:CuxSiy modified C/C-SiC composites; mechanical property; tribological property

摘    要:以针刺整体炭毡为预制体,采用化学气相渗透法(CVI)增密制备C/C多孔体,然后采用反应熔体浸渗法(RMI),将Cu与Si同时熔渗进C/C坯体中制备CuxSiy改性C/C-SiC复合材料。研究CuxSiy改性C/C-SiC复合材料的组织结构、力学性能和摩擦磨损性能,并与C/C-SiC复合材料进行对比。结果表明:CuxSiy改性C/C-SiC复合材料的弯曲强度和冲击韧性略低于C/C-SiC复合材料的;采用30Cr钢作对偶时,CuxSiy改性C/C-SiC复合材料的摩擦因数约为0.24,线磨损率小于4 μm·side-1·cycle-1,均与C/C-SiC复合材料的相近,但其摩擦表面温度降低约50 ℃;以自身材料作对偶时,CuxSiy改性C/C-SiC复合材料的摩擦磨损性能略低于C/C-SiC复合材料的。

Abstract: CuxSiy modified C/C-SiC composites were fabricated by infiltrating Cu and Si into C/C porous performs that were prepared by chemical vapor infiltration (CVI). The microstructure, mechanical and tribological properties of CuxSiy modified C/C-SiC composites were investigated and compared with those of C/C-SiC composites. It is shown that the flexural strength and impact toughness of CuxSiy modified C/C-SiC composites are a little lower than those of C/C-SiC composites. With 30Cr steel as couple parts, the friction coefficients of CuxSiy modified C/C-SiC composites are about 0.24 and their linear wear rates are less than 4 μm·side-1·cycle-1, which are both close to those of C/C-SiC composites. But the temperature of friction surface of CuxSiy modified C/C-SiC composites is reduced by about 50 ℃. With the same composites as couple parts, the tribological properties of CuxSiy modified C/C-SiC composites are a little worse than those of C/C-SiC composites.



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文章编号:1004-0609(2010)12-2344-07

CuxSiy改性C/C-SiC复合材料的制备及其性能

肖  鹏,周  伟,李  专,熊  翔

(中南大学 粉末冶金国家重点实验室,长沙 410083)

摘  要:以针刺整体炭毡为预制体,采用化学气相渗透法(CVI)增密制备C/C多孔体,然后采用反应熔体浸渗法(RMI),将Cu与Si同时熔渗进C/C坯体中制备CuxSiy改性C/C-SiC复合材料。研究CuxSiy改性C/C-SiC复合材料的组织结构、力学性能和摩擦磨损性能,并与C/C-SiC复合材料进行对比。结果表明:CuxSiy改性C/C-SiC复合材料的弯曲强度和冲击韧性略低于C/C-SiC复合材料的;采用30Cr钢作对偶时,CuxSiy改性C/C-SiC复合材料的摩擦因数约为0.24,线磨损率小于4 ?m·side-1·cycle-1,均与C/C-SiC复合材料的相近,但其摩擦表面温度降低约50 ℃;以自身材料作对偶时,CuxSiy改性C/C-SiC复合材料的摩擦磨损性能略低于C/C-SiC复合材料的。

关键词:CuxSiy改性C/C-SiC复合材料;力学性能;摩擦磨损性能

中图分类号:TB332       文献标志码:A

Fabrication and properties of CuxSiy modified C/C-SiC composites

XIAO Peng, ZHOU Wei, LI Zhuan, XIONG Xiang

(State Key Laboratory of Powder Metallurgy, Central South University, Changsha 410083, China)

Abstract: CuxSiy modified C/C-SiC composites were fabricated by infiltrating Cu and Si into C/C porous performs that were prepared by chemical vapor infiltration (CVI). The microstructure, mechanical and tribological properties of CuxSiy modified C/C-SiC composites were investigated and compared with those of C/C-SiC composites. It is shown that the flexural strength and impact toughness of CuxSiy modified C/C-SiC composites are a little lower than those of C/C-SiC composites. With 30Cr steel as couple parts, the friction coefficients of CuxSiy modified C/C-SiC composites are about 0.24 and their linear wear rates are less than 4 ?m·side-1·cycle-1, which are both close to those of C/C-SiC composites. But the temperature of friction surface of CuxSiy modified C/C-SiC composites is reduced by about 50 ℃. With the same composites as couple parts, the tribological properties of CuxSiy modified C/C-SiC composites are a little worse than those of C/C-SiC composites.

Key words: CuxSiy modified C/C-SiC composites; mechanical property; tribological property

                    

C/C-SiC复合材料是继粉末冶金和C/C复合材料之后,近几年发展起来的一种高性能制动材料,具有密度低(约为2.0 g/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,迅速引起了我国和德、美、日等国研究者的重视[1-4]

随着科学技术的发展,现代交通工具朝着高速、重载和轻型化方向发展,对制动材料的要求越来越高。因而为了进一步提高C/C-SiC制动材料的性能,肖鹏等[5]采用熔渗法将金属Fe加入C/C-SiC材料中制得C/C-SiC-Fe制动材料,克服了C/C-SiC制动材料在高速制动过程中高频震动和制动不平稳[6]等不足。但高温下熔融Fe会侵蚀炭纤维与基体炭,对材料造成损伤。而C与Cu不润湿,高温下熔融Cu不会侵蚀炭纤维和基体炭,同时Cu具有较高的导热性能,可以提高制动材料的散热能力,从而降低摩擦表面的温度,提高其摩擦磨损性能[7]。但该材料制备困难,需要添加合金元素改善其润湿性[8]。在现有研究中,冉丽萍等[9]采用熔渗法制备了C/C-Cu复合材料,其摩擦因数较高,磨损量较低,具有优良的摩擦磨损性能。但将金属Cu熔渗入C/C-SiC材料中作为制动材料应用的研究尚未见报道。

为此,本文作者探索采用反应熔体浸渗法[10-12]将金属Cu和Si同时熔渗到多孔的C/C坯体中制备CuxSiy改性C/C-SiC复合材料,对其组织结构及性能进行研究,并与相同工艺制备的C/C-SiC复合材料进行比较,以期为后续材料的改进和C/C-SiC复合材料在制动领域的广泛应用提供参考。

1  实验

1.1  试样制备

采用聚丙烯腈炭纤维针刺整体毡为预制体,经化学气相渗透法(CVI)制得密度为1.2~1.4 g/cm3的C/C多孔坯体,然后采用反应熔体浸渗法制备CuxSiy改性C/C-SiC复合材料。本研究中熔渗剂为纯度99%以上、粒度为50~75 ?m的Cu粉和Si粉。熔渗时,将Cu粉和Si粉按质量比4:6混合后,与C/C坯体置于石墨坩埚中,在高温真空炉中进行熔渗,熔渗温度在硅的理论熔点以上。

1.2  性能测试

采用Archimedes 排水法测量材料的开气孔率和体积密度。采用POLYVAR-MET型金相光学显微镜(OM)和带能谱(EDS)的JSM-6360LV型扫描电镜(SEM)观察复合材料的组织结构。用RIGAKU-3014型X射线衍射仪(XRD)进行物相分析。采用重量法分析材料中Si元素的质量分数,采用容量法分析材料中Cu元素的质量分数。采用JR-3 激光导热仪测量垂直于摩擦面的热扩散率。采用CSS-44100型电子万能试验机对复合材料的抗弯强度和冲击韧性进行检测。在MM-1000型摩擦磨损试验机上进行摩擦性能测试,摩擦试环的尺寸为外径75 mm、内径53 mm、厚度16 mm,分别采用30CrMoSiVA合金钢和自身材料作对偶,各自测试20次和10次。试验条件如下:转速7 500 r/min,转动惯量0.1 kg·m2,制动压力1 MPa。实验前,摩擦面应先磨合使摩擦面达到80%以上的贴合程度。采用电子天平(精度为 1 mg)和螺旋测微器(精度为 0.01 mm)测量试环摩擦前、后质量和厚度的变化,计算得到其质量磨损率和线性磨损率。用KH-7700数字三维视频显微镜观察摩擦磨损表面形貌。

2  结果与讨论

2.1  复合材料的组织结构与物理性能

图1所示为CuxSiy改性C/C-SiC复合材料的XRD谱。由图1可见,复合材料的相组成为C,SiC,Cu3Si和残留Si。根据Si-Cu二元相图[13](见图2),由铜粉与硅粉的质量比可知,在相图中其成分点位于Cu3Si与Si两相区之间,因此随着温度的降低,将析出Cu3Si和Si。

用金相显微镜观察熔渗后复合材料的微观组织结构(见图3),图3中黑色部分为炭纤维,周围包裹有亮色的热解炭,越到纤维束外围,热解炭越多。因此,熔渗过程中纤维束内部的炭纤维不会受到熔融Si的侵蚀,不损害纤维的增韧作用。纤维束与纤维束之间的孔隙由灰色的SiC、浅灰色的Cu3Si和白色的残留Si组成,同时Cu3Si和残留Si被包裹在SiC中。由此可见,微观组织结构和XRD 分析结果是相吻合的。

表1所列为制备工艺相同的CuxSiy改性C/C-SiC复合材料与C/C-SiC复合材料的物理性能。从表1可以看出,C/C-SiC复合材料的孔隙率较小,其热扩散率略高于CuxSiy改性C/C-SiC复合材料的。这一方面是因为C/C-SiC复合材料中Si元素的质量分数高于CuxSiy改性C/C-SiC复合材料中的含量(见表1),从而

图1  CuxSiy改性C/C-SiC复合材料的XRD谱

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