結構類似的炭材料和C/C復合材料的滑動摩擦磨損行為

葛毅成，易茂中，涂欣達，冉麗萍，彭 可，楊 琳

(中南大學 粉末冶金國家重點實驗室，長沙 410083)

結構類似的炭材料和C/C復合材料的滑動摩擦磨損行為

葛毅成，易茂中，涂欣達，冉麗萍，彭 可，楊 琳

(中南大學 粉末冶金國家重點實驗室，長沙 410083)

制備粗糙層熱解炭(RL)和光滑層熱解炭(SL)基體的C/C復合材料，測試該C/C復合材料與40Cr鋼配副時的摩擦磨損行為，并對磨損表面進行 SEM 觀察。對比研究高強石墨和光滑層結構的塊狀熱解炭在相同條件下的滑動摩擦磨損行為。結果表明：PAN炭纖維改善C/C復合材料的摩擦磨損行為；在實驗載荷范圍內，與高強度石墨材料相比，含RL炭C/C復合材料的摩擦因數降低0.08~0.12；體積磨損量增幅降低;與熱解炭試樣相比，具有SL炭C/C復合材料的摩擦因數降低0.02~0.05，體積磨損量低0.2 mm3左右；隨著時間的延長，大部分C/C復合材料的摩擦因數基本相對穩定或呈小幅下降，而石墨、熱解炭塊的摩擦因數均呈不同幅度的上升；具有RL炭的C/C復合材料摩擦表面膜厚度隨載荷增加而降低，具有SL炭的C/C復合材料摩擦表面較粗糙；高強石墨能形成較完整致密的摩擦膜，但磨粒磨損嚴重，磨屑易在摩擦膜邊緣形成層狀堆積；熱解炭塊摩擦表面磨屑堆積松散，有較多的孔洞以及熱解炭層整體剝落的形貌。

C/C復合材料；炭材料；結構；摩擦；磨損

炭纖維增強炭基體復合材料（C/C）具有密度低、比強度和比模量高，熱容大、熱導率高以及可設計性好等優點，已在航天航空領域得到廣泛的應用[1-2]。

目前，C/C復合材料主要應用在高性能摩擦領域，如飛機剎車副、高速滑動減摩材料等[3-4]。因此，深入探討其摩擦磨損行為一直是C/C的重點。如熊翔等[5]研究載荷影響，發現隨載荷增加，材料摩擦因數降低，磨損增加，摩擦表面石墨化度降低。YEN等[6]研究水分對C/C摩擦行為的影響機理。ZHANG等[7]、LUO等[8]和 AGNES等[7-9]研究不同結構熱解炭的精細形貌，探討其對C/C摩擦行為的影響和機理。

炭纖維作為C/C復合材料的主要組元，其性能、編織結構和取向是決定C/C復合材料的性能的關鍵因素之一。如CHEN等[10]發現在一維C/C復合材料中，沿著纖維軸向的熱導高于垂直的方向。JU[11]、HYUN-KYU等[12]和TOBY等[13]研究發現，當軸向與摩擦方向平行的纖維占優時，C/C復合材料的摩擦因數較平穩、數值較大；而纖維軸向垂直于摩擦方向時，摩擦因數有所波動。在不同的纖維編織坯體中，因不同取向的纖維體積分數不同，對C/C復合材料的摩擦磨損行為的影響也有所區別[14]。因此，探討纖維在炭材料摩擦過程中的作用，改進C/C復合材料的制備和應用技術一直是此類材料的研究重點之一。

到目前為止，對于炭纖維對炭材料摩擦行為仍局限在C/C復合材料之間[15-16]。如能對比研究具有類似基體結構，含或不含炭纖維的材料的性能，如探討石墨和具有高石墨化度、粗糙層熱解炭基體的C/C復合材料的摩擦磨損行為，對后續研究中進一步確定纖維的影響具有較高的價值。

因此，本文作者制備兩種分別具有粗糙層熱解炭和光滑層熱解炭基體的C/C復合材料。并采用高強石墨和熱解炭塊進行對比分析，研究4種不同C/C復合材料的摩擦磨損行為。

1 實驗

以聚丙烯腈基炭纖維無緯布/炭氈混合疊層針刺氈為增強預制體，采用化學氣相滲透技術增密，分別制備出具有粗糙層熱解炭(RL)、光滑層熱解炭(SL)基體的C/C復合材料。因粗糙層熱解炭微觀結構好、與石墨類似，熱處理后的石墨化度高，故本文作者采用某型號高強石墨作為模擬粗糙層熱解炭的固體材料；采用化學氣相沉積技術制備了全熱解炭試樣，經熱處理后的金相、XRD檢測表明，其石墨化度較低，金相形貌與光滑層熱解炭的類似，故可用于模擬光滑層熱解炭固體材料。材料部分性能參數如表1所列。

將上述4種材料加工成20 mm×12 mm×6 mm的塊狀試樣，摩擦面為20 mm×12 mm，采用3 000#的SiC砂紙研磨，用無水乙醇在KQ2200E超聲波清洗儀中清洗、之后烘干備用。

表1 試驗材料的性能參數Table1 Some properties of four testing materials

試驗設備為 M2000型環－塊滑動摩擦磨損實驗機。對偶為表面鍍 Cr的 40Cr鋼，其尺寸為 d40 mm×d16 mm×10 mm。配副間的線速度為0.42m/s，試驗時間為5h，室溫干態。每組試驗重復3次，經計算后取平均摩擦因數。采用JDX3光學讀數顯微鏡測量材料的磨痕寬度、計算其體積磨損量，取平均值。采用 JEOL-6360LV 掃描電子顯微鏡觀察材料磨損表面形貌。

2 結果與討論

2.1 摩擦試驗結果

圖1所示為4種材料隨載荷增加的試驗結果。由圖 1(a)可知，在試驗載荷范圍內，采用高強石墨制備的材料C的摩擦因數均最高，比用于對比的材料A的摩擦因數高0.08~0.12，且隨載荷的增加，波動幅度達到0.05。而全熱解炭的材料D的摩擦因數比用于對比的材料B的摩擦因數高0.01~0.05，波動幅度達0.06。在4種材料中，材料A的摩擦因數隨載荷增加，波動幅度最低，為0.014，穩定性最好。由圖1(b)可見，隨載荷增加，材料C在高載荷下的體積磨損最大，增幅最大，達2.98 mm3；用于對比的材料A的體積磨損波動幅度為1.00 mm3。材料B的體積磨損稍低于材料D的，但變化趨勢較類似，最大差值僅為0.21 mm3。

圖1 材料的摩擦因數和體積磨損隨載荷的變化曲線Fig.1 Changing curves of friction coefficient (a) and volume loss (b) with load for samples

圖2 材料的摩擦因數隨時間延長的變化曲線Fig.2 Changing curves of friction coefficient with time for samples A(a), B(b), C(c) and D(d)

圖2 所示為不同載荷下4種材料摩擦因數隨時間延長的變化。由圖2(a)可見，隨時間延長，材料A的摩擦因數在開始時均大幅度下降。載荷60和80 N時，摩擦因數在1 h后趨于穩定，而其余載荷下的摩擦因數一直呈現下降趨勢，但降幅逐漸變小。由圖2(b)可知，除在載荷為60 N時，材料B的摩擦因數在1 h后仍為小幅度下降外，其余載荷下的摩擦因數在1 h后均基本保持穩定，略呈上升。由圖2(c)可知，材料C的摩擦因數一直為上升趨勢，幅度基本相同。由圖2(d)可知，不同載荷下，材料D的摩擦因數也基本呈上升趨勢，在1 h后的上升幅度有所降低。

2.2 摩擦表面形貌觀察

圖3 材料A分別在不同載荷下摩擦5 h后的摩擦表面形貌Fig.3 Wear surface morphologies of sample A after friction test under 60 N ((a), (b)) and 150 N ((c), (d)) for 5 h

圖3 所示為材料A分別在載荷為60和150 N的摩擦5 h后摩擦表面形貌。由圖3(a)和(c)可見，在60 N或150 N摩擦5 h后，材料摩擦表面均形成摩擦膜。其中，在載荷60 N時的摩擦膜較厚，但磨粒磨損嚴重；載荷150 N時的摩擦膜也較致密，但軸向平行摩擦表面的纖維束處的摩擦膜較薄，可以清晰地分辯出纖維和裂紋，但兩種表面均未發現顯著的纖維磨損。由圖3(b)和(d)可見，在兩種載荷下，粗糙層基體炭因其微觀結構好，石墨微晶層易滑動，在其磨屑堆積、碾壓膜表面呈現出一定的延展形貌，不同的磨屑之間有一定的交接，形成相對致密的摩擦表面膜。其中，在60 N載荷下,磨屑堆積的厚度大，磨屑顆粒的尺寸較大；而在150 N載荷下,磨屑的尺寸和堆積厚度均較小。

圖4所示分別為材料B分別在60和150 N下摩擦5 h后的摩擦表面形貌。由圖4(a)和(b)可見，在載荷 60 N時，材料的摩擦表面存在大塊摩擦表面膜剝落，在不同取向纖維束之間，裂紋未被完全覆蓋。而由圖4(c)可見，在載荷 150N時，材料的摩擦表面也未形成完整的摩擦表面膜。其中，部分纖維被整根磨損，留下較長的溝狀磨痕。由圖4(d)可見，在軸向平行滑動方向的纖維上，基體炭形成階梯狀的磨損形貌；在軸向垂直摩擦表面的纖維上，部分外圍的環形基體炭有被壓潰、磨損痕跡，但整體保持完整，而環形基體炭與中間的纖維不在同一個平面上，則表明二者的抗磨損能力不一致。由圖 4(e)可見，熱解炭磨屑的延展程度低于材料A的熱解炭磨屑，磨屑尺寸大，且受纖維的阻礙，移動幅度較小。

圖5所示為材料C在150 N摩擦5 h后的摩擦表面形貌。由圖5可見，摩擦膜完整致密，但磨粒磨損嚴重，能分辨出摩擦膜內粒狀的顆粒。而在摩擦膜邊緣，形成了較厚的層狀摩擦膜堆積形貌，磨屑呈粒狀分布，但數量少。

圖6所示為材料D分別在60和150 N摩擦5 h后的摩擦表面形貌。由圖 6(a)可見，材料表面有大小不一球形物。這是在材料制備中高溫氣體內的炭原子簇形核、沉積、長大形成的。不同炭球間有大小不一的孔隙。經載荷為60 N摩擦5 h后，炭球之間的孔隙中有少量磨屑堆積，但未能形成大塊完整的摩擦表面。由圖6(b)可見，在黑色的炭球摩擦邊緣，有層片狀的磨損形貌，而在炭球中有熱解炭層整片磨損剝落現象。這表明熱解炭球為洋蔥狀的，因無纖維的增強作用，在摩擦中易形成炭層的磨損。而由圖6(c)和(d)可見，經150 N摩擦5 h后，熱解炭球表面被磨平、中間出現塌陷，周邊則為黑色緊密的磨損形貌，未發現階梯狀的磨損形貌。在塌陷的部分，有部分微小的顆粒存在，未見其有磨損現象。

2.3 摩擦磨損機理及炭纖維作用分析

圖4 材料B分別在60 N(a)，(b)和150 N(c)，(d)，(e)摩擦5 h后摩擦表面形貌Fig.4 Wear surface morphologies of material B after friction test under 60 N((a), (b)) and 150 N ((c), (d), (e))

圖5 材料C 在150 N摩擦5 h后的摩擦表面形貌Fig.5 Wear surface morphologies of sample C after friction test under 150 N for 5 h

在C/C復合材料中，炭纖維不僅起到預制材料形狀，形成基體炭的沉積、附著骨架，在一定程度上影響基體炭的組織結構等[7]。在材料受力時，纖維還將承受、傳遞載荷，實現增強效果[11,13]。因此，在C/C復合材料的摩擦中，對于較軟的基體炭而言，強度和硬度較高的聚丙烯腈炭纖維產生了硬質相的作用，承擔了更多的載荷，減少載荷對基體炭的沖擊，延緩摩擦過程中基體炭磨屑的產生，抑制磨屑在摩擦力作用下的移動范圍，迫使其就近成膜，提高材料摩擦表面的自修復能力，減少基體炭的損耗。同時，炭纖維提高了材料的強度和硬度，進而提高了其抗外界載荷作用的能力，降低了硬質顆粒的磨粒磨損，提高了摩擦表面的穩定性，降低了配副間的真實接觸面積及其隨載荷增加的波動幅度。而且通過基體炭微晶的移動、鋪排，使得纖維摩擦表面也形成潤滑性能好的摩擦膜，也提高纖維的耐磨損能力，降低摩擦阻力[15]。

圖6 材料D分別在60 N和150 N摩擦5 h后摩擦表面形貌Fig.6 Wear surface SEM morphologies of material D after friction test under 60 N (a), (b) and 150 N (c), (d) for 5 h

在本實驗中，材料A基體炭的結構較完善、石墨化度高，易形成完整致密、自潤滑性能好的摩擦膜，能適當隔離配副之間的直接接觸，降低材料的磨損，提高材料摩擦因數的穩定性。在低載荷下，其磨屑所受的剪切力小、顆粒大，故摩擦表面厚度較大；在高載荷下，磨屑所受的剪切力增加，顆粒細小、扁平，摩擦表面膜薄。對于材料C而言，其也具有優異的自潤滑特性，但因無纖維的增強作用，強度和硬度低，在相同載荷下，配副間的真實接觸面積大，故其摩擦因數是4種材料中是最高的。雖然在低載荷下，材料C完整的摩擦表面膜能承受鋼對偶的磨損，被破壞幅度相對較低，其體積磨損稍低于材料A的。但在中高載荷下，鋼配副對材料的磨損加劇，磨屑易被帶出摩擦表面，材質損耗較大，體積磨損值和增幅均最大。同時，較高的磨損也使配副間真實接觸面積波動幅度大，導致摩擦因數的波動幅度大[15]。

對于材料B和材料D而言，光滑層熱解炭的微觀結構不完善、缺陷含量高，微晶層間的相互間作用力大，材料的硬度較高，故均能降低相同載荷下配副間的真實接觸面積，故二者的摩擦因數分別小于材料A和材料C的[12,15-17]。雖然材料B的摩擦表面較粗糙，有較多的纖維束、摩擦膜磨損，但其磨屑可受到鋼對偶和炭纖維共同作用形成的三體磨損，其內的微晶能適當鋪排，形成具有一定自潤滑作用的摩擦膜，從而顯著抑制載荷和時間變化的影響，保持配副間真實接觸面積的穩定，從而顯示較穩定的、在同等條件下最低的摩擦因數。材料D雖然也能產生片狀磨屑，但因其熱解炭未附著在纖維表面，在沉積中易產生大小不一的錐形、球形顆粒，導致材料內的密度分布不一致[7]。故其磨屑的移動、堆積也不一致，摩擦表層的密度差異大。同時，因無纖維的作用，在中低載荷下磨屑難以被充分碾壓，不易形成具有自潤滑特性的摩擦膜，故其摩擦表面粗糙，摩擦因數高。但在150 N時，熱解炭球被壓潰，部分磨屑的碾壓較充分，逐漸形成較完整致密的摩擦表面，摩擦因數降低。

而隨時間延長，材料A和B的摩擦因數為小幅降低或基本保持穩定，而相應的材料C和D的摩擦因數一直為上升趨勢。這也表明，纖維在抑制材料磨損、控制配副間真實接觸面積隨時間延長的變化的作用顯著，有利于提高材料的使用壽命。4種材料的磨損機制均為磨粒磨損。

3 結論

1) 在同等條件下，材料 A的摩擦因數比高強石墨材料C的小0.08~0.12。在低載荷下，材料A和C的體積磨損接近；但高于100 N后，因纖維的增強作用，材料A體積磨損增幅小；在150 N時，材料A的比材料C的小1.7 mm3。與光滑層熱解炭材料D相比，材料 B的摩擦因數小 0.02~0.05，體積磨損量小 0.2 mm3。

2) 材料A和C的摩擦表面均較完整致密，但材料C摩擦面的磨粒磨損嚴重。材料B和C的摩擦表面較粗糙，但材料B因熱解炭附著在纖維上，片狀磨屑多，摩擦表面形貌較一致；材料D的摩擦表面磨屑堆積松散，有較多孔洞以及熱解炭層剝落。

3) 對比具有類似結構的熱解炭、石墨而言，炭纖維有利于提高C/C復合材料摩擦磨損行為隨時間和載荷增加的穩定性。

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Friction and wear behavior of carbon material and C/C composites with similar structure

GE Yi-cheng, YI Mao-zhong, TU Xin-da, RAN Li-ping, PENG Ke, YANG Lin
(State Key Laboratory of Powder Metallurgy, Central South University, Changsha 410083, China)

Two kinds of C/C composites with rough-lamination pyrocarbon matrix (RL) or smooth lamination (SL)pyrocarbon matrix were prepared. The sliding friction behaviors against 40Cr steel ring of the two C/C composites, a high strength graphite and a pyrocarbon solid material with SL structure used as compared material were investigated. The wear surface of the samples were observed by SEM. The results show that the PAN-carbon fiber can improve the frictional stability of C/C composites. Compared with the graphite, the coefficients of friction (COF) of the RL-C/C are lower under the same load of about 0.08-0.12, and the increasing range of the volume losses are still lower than those of the graphite. Compared with the SL pyrocarbon material, the COF and the volume loss of the SL-C/C are about 0.02-0.05 and 0.2 mm3, lower than those under the same load. The COFs of most RL-C/C and SL-C/C specimens remain stable or decrease slightly with time, while those of the graphite and pyrocarbon specimens increase. The thickness of the integrated friction film of the RL-C/C decreases with load, but the wear surface of the SL-C/C is rough. Tough the wear surface of the graphite is integrated, the serious abrasive wear make the debris move easily and accumulate on the edge of the wear trace to form a restacked morphology. On the wear surface of the pyrocarbon material, some loosed debris,circular worn holes and flake worn out pyrocarbon has been found.

C/C composite; carbon material; structure; friction; wear

TB145.1

A

1004-0609(2010)02-0267-07

國家重點基礎研究發展計劃資助項目(2006CB600906)；湖南省自然科學基金資助項目(09JJ4027)

2009-02-03；

2009-09-17

易茂中，教授，博士；電話：0731-88830894；E-mail：yimaozhong@126.com

(編輯 龍懷中)