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
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:
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 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
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
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
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
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
[1] Fitzer E. The future of carbon-carbon composites [J]. Carbon, 1987, 25: 163-190.