DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2002.02.011

不同制动速度下炭布叠层炭/炭复合材料的摩擦磨损行为及机理

熊翔 黄伯云 徐惠娟 吉冬英 彭剑昕

  中南大学粉末冶金研究所粉末冶金国家重点实验室  

  中南大学粉末冶金研究所粉末冶金国家重点实验室 长沙410083  

摘 要：

用模拟刹车制动的方法探讨了一种炭纤维布叠层炭 /炭复合材料在不同制动速度下的摩擦磨损行为 , 并用扫描电子显微镜对摩擦表面进行了观察和分析。研究结果表明 :在 5m/s的制动速度下 , 该种材料表现出低的摩擦因数 , 但随制动速度升高至 2 0m/s时 , 摩擦因数迅速升高至最大值 0 .4 0 ;当制动速度增大到 2 8m/s或 30m/s时 , 摩擦因数仅略降低至 0 .35 , 该材料表现出优良的高速高能摩擦性能。另一方面 , 制动速度升高至 2 0m/s时 , 即摩擦因数最大时 , 磨损才变得明显 , 而且随制动速度的继续升高 , 磨损呈直线增大。表面显微组织观察表明 , 在较低制动速度下 , 在摩擦表面产生了薄膜 , 对应摩擦因数较低 , 磨损小 ;在 2 0～ 2 5m/s制动速度下 , 摩擦表面形成较厚的表面膜层 , 对应摩擦因数高 , 磨损大 ;在 2 8～ 30m/s制动速度下 , 剧烈的摩擦剪切和氧化作用使摩擦表面严重破坏 , 表面基质炭氧化严重 , 纤维则被拉断或拔出

关键词：

炭/炭复合材料;炭布叠层;制动速度;摩擦磨损;

中图分类号： TB332

收稿日期：2001-07-16

基金：国家重点工业性试验资助项目 (计高技 [1998] 1817);

Frictional and wear behaviors of C/C composites from carbon fibre cloth at different braking speeds

Abstract：

Frictional and wear behaviors of C/C Composites from a carbon fiber cloth were investigated with an inertial braking apparatus at different braking speeds. The frictional surfaces were examined with SEM. The results show that at the speed of 5?m/s, the friction coefficient is very low (0.18) . But it rapidly increases to the maximum of 0.40 at the speed of 20?m/s. When the speed further increases to 28?m/s or 30?m/s, the friction coefficient decreases only a little to 0.35, demonstrating this material has excellent high speed and high energy braking properties. On the other hand , the wear becomes evident at the braking speed of 20?m/s and increases linearly with increasing the speed. Results of the SEM observation show that at lower speeds, a smooth friction film is formed on the worn surfaces, correlating to lower friction coefficients and wear rates. At the speed of 20?m/s or 25?m/s, a thicker friction film is formed, correlating to higher friction coefficients and wear rates. When the speed increases to 28?m/s or 30?m/s, the strong friction shear and severe oxidation destroys the worn surface, and even fibers are fractured or pulled out.

Keyword：

C/C composite; carbon fibre cloth; braking speed; friction and wear;

Received： 2001-07-16

随着现代航空技术的飞速发展, 高速高负荷军用民用飞机对其制动性能提出了愈来愈苛刻的要求, 紧急制动时最高温升达到1200 ℃以上, 已超过金属基刹车材料的使用极限, 显然, 金属刹车盘已满足不了先进飞机制动性能的设计要求。 炭/炭复合材料是应航天、 航空需要发展起来的一种新型高温结构材料, 具有比强度、 比模量高, 密度低, 较好的热稳定性和耐烧蚀性, 用作飞机刹车盘, 不仅制动性能优良, 而且使用寿命是金属刹车盘的数倍, 炭/炭刹车材料的出现是飞机制动技术上的重大突破, 体现了很好的技术和经济效益, 航天、 航空工业已成为炭/炭复合材料最主要的应用领域 ^{[1,2,3,4,5,6]} 。 飞机制动装置为多盘结构, 安装在飞机的主机轮上, 用于飞机滑行、 着陆、 停放和中止起飞等各种条件下的制动刹车, 制动能量变化幅度大, 制动速度高达89 m/s, 刹车盘应满足飞机在这些条件下的制动要求。 尽管自20世纪70年代以来, 炭/炭复合材料已被用作飞机制动材料, 但关于其摩擦磨损行为及机理的研究直至90年代才逐渐有公开报道。 用作飞机刹车盘的C/C复合材料的纤维坯体结构主要有短纤维复合、 炭布叠层、 针刺纤维毡和三维编织4种, 本文中作者模拟飞机制动, 探讨了由美国Goodrich公司生产、 用于波音757飞机上的炭纤维布叠层炭/炭复合材料在不同制动速度下的摩擦磨损性能, 并通过扫描电子显微镜对摩擦表面进行观察和分析, 探讨其摩擦磨损行为及机理。

1 实验

制动摩擦实验在模拟刹车制动的MM-1000型惯性摩擦实验机上进行。 试样为外径d75 mm, 内径d53 mm的环体, 两端面用磨床磨削平整, 正式实验前需先磨合两摩擦面达到80%以上的贴合程度。 两个试环配成一对, 一个为动环, 一个为静环, 动环与驱动主轴通过键槽连接, 随主轴及惯性飞轮旋转到制动速度后, 脱开驱动马达, 接通刹车压力, 与静环接触产生摩擦, 刹车制动, 通过测量该摩擦制动力矩就可计算得到制动摩擦因数 ^[7,8,9] 。 图1为实验装置示意图。 该摩擦实验方法为热冲击法, 制动过程中的温度状况在不断变化。 炭/炭复合材料的基本物理和力学性能参数见表1, 试环的非摩擦面采用自制的B-Si系列陶瓷防氧化涂层涂覆保护。 实验前后分别测量试环的厚度和质量变化, 计算得到线性磨损和质量磨损。 每次实验可得到一组数据, 各参数均取实验数据的平均值。 摩擦实验后, 采用扫描电子显微镜对摩擦表面进行观察和分析。

图1 惯性摩擦实验装置示意图

Fig.1 Schematic diagram of inertia friction tester

1—Inertia wheel; 2—Bearing; 3—Coupling; 4—Clutch; 5—Cooling parts; 6—Sample; 7—Counter sample; 8—Pressing cylinder;9—Lathe bed; 10—Electric motor; 11—Strap

表1 炭/炭复合材料的基本物理和力学性能

Table 1 Basic physical and mechanical properties of C/C composites

Density/ (g·cm-3)	Compressive strength/MPa	Flexural strength/MPa
1.75	90.0	133.1
Interlaminar shear strength/MPa	Thermal conductivity/ (W·m-1·K-1)
	//	⊥
12.2	58.9	16.0

2 结果与分析

2.1 摩擦磨损性能

根据不同制动速度下的摩擦实验结果, 分别绘制出摩擦性能 (摩擦因数、 制动功率、 制动能量) 和磨损性能 (线性磨损、 质量磨损) 与制动速度的关系曲线 (如图2和图3所示) 。 图2显示, 由于在惯量一定的条件下, 能量与速度的平方成正比, 因而面积能载随制动速度的升高而急剧上升, 此时温度也相应增高。 在制动速度很低时 (5 m/s) , 摩擦升温不大, 摩擦表面因吸附了水气而致使摩擦因数很低, 仅0.18; 随制动速度升高, 摩擦表面温升达到使吸附水气脱附的温度 ^[10,11] , 摩擦因数迅速增大, 在20 m/s制动速度时达到最大值0.40, 并维持至速度为25 m/s, 此时制动功率达到了最大, 随后在速度升高至28 m/s或30 m/s时, 虽然高的表面温度引起剪切强度的降低, 使摩擦因数下降, 但0.35的摩擦因数仍较高, 表现出该种炭/炭复合材料优异的高速高能制动摩擦性能。

图2 摩擦性能与制动速度的关系曲线

Fig.2 Relationship between friction properties and braking speed

图3 磨损量与制动速度的关系曲线

Fig.3 Relationship between wear and braking speed

制动速度对磨损量的影响表现为: 在低速条件下 (<15 m/s) , 磨损量均很低且无大的差异, 但当制动速度升高至20 m/s时, 随着摩擦条件变苛刻和摩擦温升达到400 ℃后, 磨损量开始明显增大, 升高到25 m/s以上时, 线性磨损呈直线快速上升。 图3中还显示, 由于防氧化涂层的保护作用, 质量磨损保持着与线性磨损同步的增长速度, 未因内部的氧化质量损失而导致质量磨损的异常增大。

2.2 制动力矩曲线

图4所示为在不同制动速度下记录的典型制动力矩—时间曲线。 制动速度为5 m/s和10 m/s时, 摩擦因数较低, 力矩曲线非常平稳光滑, 抖动小。 当制动速度升高到15 m/s时, 摩擦力矩 (因数) 增大的同时, 力矩曲线平稳性变差, 曲线两端 (制动始末) 上翘, 且抖动加剧, 随制动速度继续升高至20 m/s和25 m/s, 摩擦因数仍在增大, 但力矩抖动和稳定性反而有所改善, 制动过程中摩擦表面温度变化减小, 曲线两端上翘也降低。 当制动速度极高时 (达到28 m/s和30 m/s) , 力矩平稳性欠佳, 制动约3 s时, 制动力矩明显较低。

图4 不同制动速度下的制动力矩—时间曲线

Fig.4 Braking moment—time curves at different braking speeds

(a) —v=5 m/s; (b) —v=15 m/s; (c) —v=25 m/s; (d) —v=28 m/s

根据温度对摩擦因数的影响规律 ^[10,11] , 在一次制动过程中, 初始表面温度升高使吸附水气脱附, 从而引起摩擦因数急剧升高, 曲线上翘, 此后, 表面温度不断升高又导致表面剪切强度降低, 使摩擦因数下降, 到制动后期, 浅表面热量传递开来, 表面温度降低, 又引起摩擦因数升高, 曲线上翘。

2.3 摩擦表面观察与分析

图5所示为摩擦表面的SEM显微照片。 正式实验前, 摩擦表面虽经过了一定的磨合, 且宏观达到了80%的贴合程度, 但实际上摩擦表面仍是粗糙或凹凸不平的, 仅有部分表面受到摩擦, 变得光滑平整, 随着摩擦过程的进行, 表面凸出部分被磨削下去, 表面细小低凹处被磨屑逐渐填平, 因而光滑表面所占面积逐渐扩大, 直至整个表面全变得光滑平整。 文献 [ 12, 13, 14, 15, 16] 的研究表明: 在低速制动条件下, 摩擦表面形成的是由等轴颗粒堆积而成的磨屑层, 该磨屑层填充表面孔隙后, 覆盖在表面上, 并由于其与材料粘着力不强, 易磨损掉, 从而造成磨损较大。 但对于所研究的该种C/C复合材料, 由于纤维、 基质炭、 显微结构等方面的差异, 在较低速度或相应能量范围内, 摩擦形成了平整光滑的表面, 纤维形貌清晰可见, 如图5 (a) 所示, 与之相关, 磨损量较小, 并且在低速度范围内 (5～15 m/s) , 随着速度或相应能量、 温度的提高, 滑动面的实际接触会因低凹处磨屑填平和表面剪切变形而增大 (如图5 (b) 所示) , 使摩擦接触点瞬时温升降低, 因而滑动阻力增加, 摩擦因数随之升高 ^[10,11] 。 当制动速度升高至20 m/s和25 m/s, 随着能量、 温度的进一步提高, 磨损增大的同时, 表面组织或磨屑受剪切变形加剧, 形成了厚的摩擦膜 (如图5 (c) 所示) , 对应着摩擦阻力增大、 摩擦因数升高和磨损加大 ^{[11,12,13,14]} 。 当制动速度升高至28 m/s, 制动过程中由于能量和温度的激剧升高, 强烈的摩擦剪切和剧烈的氧化作用, 使摩擦表面受到严重破坏, 已形成不了完整的表面膜 (如图5 (d) 所示) 。 当制动速度升高至30 m/s, 表面不仅严重氧化, 尤其是基质炭严重氧化 (如图5 (e) 所示) , 而且纤维还被拉断或拔出 (如图5 (f) 所示) , 它对应着制动力矩曲线在中间段下凹。

在以上3个阶段中, 第1阶段 (5～15 m/s) 磨损小, 磨屑难收集; 第2阶段 (20～25 m/s) 由于形成的是较厚的表面膜, 磨屑为较大尺寸的片状和等轴状颗粒 (如图6 (a) 所示) ; 在第3阶段, 磨屑则为细片状和细等轴状颗粒, 且还有被拉断的短纤维 (如图6 (b) 所示) 。

图5 摩擦表面SEM照片

Fig.5 SEM morphologies of worn surface

(a) —v=5 m/s; (b) —v=10 m/s; (c) —v=20 m/s; (d) —v=28 m/s; (e) —v=30 m/s; (f) —v=30 m/s

图6 磨屑的SEM照片

Fig.6 SEM morphologies of wear debris

(a) —v=20m/s; (b) —v=30m/s

参考文献

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