指尖密封用炭-炭復合材料摩擦磨損性能

路 菲， 陳國定， 蘇 華， 易茂中， 彭 可

(1.西北工業大學 機電學院, 西安 710072； 2.中南大學 粉末冶金國家重點實驗室, 長沙 410083)

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指尖密封用炭-炭復合材料摩擦磨損性能

路 菲1， 陳國定1， 蘇 華1， 易茂中2， 彭 可2

(1.西北工業大學 機電學院, 西安 710072； 2.中南大學 粉末冶金國家重點實驗室, 長沙 410083)

為確定指尖密封用炭-炭(炭纖維增強炭基體)復合材料的摩擦學性能，針對指尖密封的輕載使用條件，應用UMT-2摩擦磨損測試儀進行炭-炭復合材料摩擦磨損性能試驗，測量摩擦系數與磨損率，并采用掃描電子顯微鏡(SEM)分析材料的摩擦磨損機理.結果表明，無緯布層垂直于摩擦平面時，材料的摩擦系數和磨損率較低.載荷增加，較高密度材料的磨損率增加緩慢，摩擦系數減小.與載荷相比，材料磨損率受頻率的影響較小，且隨頻率升高摩擦磨損性能越好.磨損表面的SEM分析表明：低頻、低載條件下材料發生磨粒磨損；頻率的提高加快磨屑膜的成形，自潤滑能力增強；載荷的增加雖使磨屑快速被擠壓形成磨屑膜，但磨屑膜被不斷擠出剝落，纖維裸露斷裂產生嚴重磨損，這一點在材料密度較低時表現更為顯著.選用較高密度的材料以及布置無緯布層垂直于摩擦平面可以有效緩解密封材料的磨損.

炭-炭(炭纖維增強炭基體)復合材料；摩擦；磨損；載荷；頻率；指尖密封

近年來將炭-炭復合材料用作密封材料得到學術界和工程界的關注[1-3].相比于篦齒密封和刷式密封，指尖密封是在密封性能和制造成本兩個方面都具有優良特性的一種先進密封技術，在航空發動機軸承腔和二次流動系統等密封部位有潛在的應用前景[4-5].將炭-炭復合材料用于指尖密封，正確和系統認識這種工作場合下炭-炭復合材料的摩擦學性能十分重要，其中摩擦學試驗是最直接和可靠的方法.國內外已開展大量的炭-炭復合材料摩擦磨損試驗研究工作，其中以應用于剎車盤材料的研究居多.研究表明，炭-炭復合材料的預制體類型、基體炭類型、纖維取向以及工作環境條件(濕度、轉速、載荷)對材料的摩擦磨損性能影響很大[6-12].

由于現有研究多是集中于以剎車盤應用為背景的重載條件，而對于指尖密封具有的輕載應用條件的相關炭-炭復合材料的摩擦學試驗研究較少.此外，由于指尖密封結構在工作過程中通常需要承受一定的軸向氣體壓力差，對纖維取向的布置也有一定要求.因此，本文針對指尖密封工程應用需要，開展輕載條件下炭-炭復合材料的摩擦磨損試驗，分析材料纖維取向、工作載荷和運動頻率對炭-炭復合材料摩擦系數和磨損率的影響，采用掃描電子顯微鏡(SEM)探討炭-炭復合材料的摩擦磨損機理，為指尖密封用炭-炭復合材料的選擇與設計分析提供技術支持.

1 試 驗

1.1 材料制備

采用12 K的T700聚丙烯腈炭纖維，將0°無緯布、炭纖維網胎層、90°無緯布依次循環疊加，采用接力針刺技術在厚度方向上將網胎層纖維垂直刺入無緯布間，形成三維針刺炭氈預制體.其中，平均每個炭氈單元(單層無緯炭布+網胎)厚度約0.5～0.8 mm, 坯體密度約0.45 g/cm3，總的纖維體積含量為(30±3)%.首先對預制體進行CVD坯體增密至1.5～1.6 g/cm3，高溫石墨化后采用浸漬、炭化、石墨化增密至1.80～1.85 g/cm3.其基體炭為光滑層/粗糙層結構的熱解炭和樹脂炭.將制備好的炭-炭復合材料切割加工成30 mm×20 mm×3 mm的塊狀試樣，摩擦面為30 mm×20 mm.對偶件為45淬火鋼，尺寸為Φ2 mm×8 mm，摩擦面為Φ2 mm.

1.2 試驗方法

應用UMT-2多功能摩擦磨損測試儀(美國CETR公司生產，如圖1所示)開展往復式鋼銷與炭-炭復合材料盤的摩擦磨損試驗研究.試驗過程中，上試樣固定，下試樣做線性往復運動.試驗前，使用800#水砂紙對炭-炭復合材料盤試樣摩擦表面進行磨光，用300#水砂紙對鋼銷進行預磨5 min，用丙酮對試樣進行去污處理，以標定每組試驗試樣的初始狀態.然后將炭-炭復合材料盤試樣粘貼在下試樣驅動模塊的底座上開始試驗.基于文獻[13]的有限元方法獲得指尖密封的指尖靴與轉子之間的最大接觸壓力，從而確定銷-盤摩擦試驗載荷范圍為10～70 N.

對于密度分別為1.80和1.85 g/cm3的試樣進行O1、O2和O3等3個纖維取向(如圖2所示)的摩擦磨損試驗，每組試驗進行1 h，測量炭-炭復合材料的摩擦系數和磨損率.其中，O1、O2和O3纖維取向的定義如下：O1和O2取向的無緯布層所在平面垂直于滑動平面，不同的是O1取向的無緯布疊層方向垂直于滑動方向，而O2取向的無緯布疊層方向平行于滑動方向；O3取向的0°和90°無緯布層所在平面平行于滑動平面.對于O1取向，由于炭氈單元厚度比銷的直徑小很多，宏觀上認為兩種材料均勻接觸.

圖1 炭-炭復合材料摩擦磨損試驗測試儀

圖2 纖維取向與滑動方向的關系

由于炭-炭復合材料層間連接強度較弱，而指尖密封結構在工作中通常需承受一定的軸向密封氣體壓力差，且指尖靴和轉子間相對滑動方向垂直于密封軸向，因此針對O1取向的試樣，進一步研究載荷與頻率對炭-炭復合材料摩擦磨損性能的影響是很有必要的.而炭-炭復合材料在指尖密封上的這一纖維取向布置特點與文獻[1]的描述是相同的.據此，在O1取向、10 ～70 N(20 N為一個間隔)和4～16 Hz(以4 Hz為一個間隔)條件下，分別測量兩種密度的炭-炭復合材料在不同載荷與頻率條件下的摩擦系數和磨損率.

摩擦系數為測試儀上力學傳感器測量的摩擦力和法向正壓力的比值，由試驗穩定階段摩擦系數的平均值表示.針對指尖密封用炭-炭復合材料，為測量磨損體積，采用輪廓法測量磨痕.磨痕的輪廓尺寸由三維表面輪廓測定儀(型號：Surf Nanofocus AG)在磨痕上3個位置取點測量截面輪廓，并對截面輪廓進行積分求得3點的截面面積平均值，由此獲得磨損體積.磨損率用單位滑動距離、單位載荷下的體積磨損量表示，單位為mm3·N-1·m-1.采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察磨痕，分析摩擦磨損機理.

2 結果與分析

2.1 纖維取向對摩擦磨損性能的影響

如圖3所示，在30 N、8 Hz條件下不同纖維取向材料的摩擦系數和磨損率排序為O2≤O1≤O3，且O1和O2纖維取向的摩擦系數和磨損率差別較小.在同一纖維取向條件下，1.85 g/cm3試樣的摩擦系數和磨損率較小.由于O3取向材料的無緯布層纖維縱橫交錯易形成凹凸不平的粗糙表面和孔隙，摩擦過程中微凸體互相嵌入，導致摩擦力增大，摩擦系數也較O1和O2纖維取向的摩擦系數大.對于垂直于滑動平面的纖維層起主要承載作用的情況(O1和O2取向)，纖維的韌性和縱向強度較高，發生剪切斷裂的難度增加，耐磨性提高.然而無緯布層纖維垂直于滑動平面時，O2比O1取向的磨損率低，盡管O1取向的無緯布疊層方向垂直于滑動方向，理論上具有比O2取向無緯布疊層方向平行于滑動方向更有利于增加耐磨性.試驗結果是由于以下原因造成的.在本研究工作載荷條件下，O2取向的材料先發生纖維斷裂產生較多磨屑，一定程度上鈍化磨粒，緩解了磨損，這一現象與文獻[14]的研究結果存在一定相似性.密度較高的炭-炭復合材料因為致密化程度較高，纖維和基體連接強度較大，以及材料孔隙數目較小，表面更為平整，更容易形成完整的磨屑膜，摩擦磨損性能良好.

( a )摩擦系數

( b )磨損率

Fig.3 Effect of fiber orientation on friction coefficient and wear rate

由于O1和O2的摩擦學性能相近，且多數情況下指尖密封用炭-炭復合材料采用O1取向布置，下面采用SEM分析比較O1和O3的材料摩擦磨損性能.在30 N、8 Hz條件下，當無緯布層垂直于滑動平面時(見圖4(a))，垂直于接觸面的纖維層起主要承載作用，在滑動摩擦剪切應力作用下發生剪切斷裂的難度較大，消耗的纖維較少，耐磨性較好.此外，垂直方向的纖維因具有較強的韌性而難以發生斷裂，在摩擦剪應力作用下纖維與基體間產生裂紋，雖然先期摩擦系數因為摩擦阻力增加而較高，但隨著基體炭碎屑摩擦膜的形成，大面積包裹纖維端頭，一定程度降低了材料的摩擦系數.而當無緯布層平行于滑動平面時(見圖4(b))，磨屑膜破壞導致大量纖維暴露和消耗，磨損加劇.由于工作載荷相對較低，大量平行于摩擦面的纖維在摩擦力剪切作用下被剪斷形成粒度較大的磨屑，在表面平整性較差的表面發生磨粒磨損，出現較明顯的犁溝效應，因而圖4(b)摩擦系數較大.

( a )O1 取向 ( b )O3 取向

2.2 工作載荷對摩擦磨損性能的影響

在O1取向、8 Hz條件下，載荷對不同密度試樣摩擦系數的影響趨勢不同，表現為低密度試樣的摩擦系數因載荷增加而提高，且出現一定幅度的波動，而高密度試樣的摩擦系數逐步減小，如圖5所示.另外，兩種密度試樣的磨損率隨著載荷增加而增加，并且低密度試樣的這種變化趨勢更顯著.由于低密度材料表面孔隙率較大，平整性較差，隨載荷的增大，摩擦表面微凸體相互嵌入程度較大，實際接觸面積增大，摩擦力也隨之增大，摩擦剪切作用增強，因而摩擦系數升高，材料磨損越嚴重.然而，高密度材料摩擦表面相對平整、致密，微凸體嵌入程度與密度較低的材料相比較小.此外，在10 N載荷下高密度試樣摩擦系數高于低密度試樣摩擦系數，是由于兩種材料都未發生大面積磨損破壞，其中低密度試樣摩擦表面因為少量微凸體較易剝離被壓實形成摩擦膜，起到自潤滑作用而使得摩擦系數較高密度試樣的摩擦系數小.雖然隨載荷增加，微凸體嵌入程度增加，并逐漸發生剪切斷裂，摩擦力增大，但剪切斷裂的微凸體更易在摩擦表面快速擠壓成膜，起到自潤滑和減小摩擦力的作用.因此，對高密度材料而言，隨著載荷增加，與微凸體的變形和斷裂影響相比，粘著作用對材料的摩擦性能影響更大，因此磨損率增加較為緩慢.

( a )摩擦系數

( b )磨損率

針對兩種密度材料的摩擦學性能隨載荷表現出的不同變化規律和趨勢，更直觀地從磨損表面SEM進行分析解釋.對于1.80 g/cm3密度的試樣，載荷較低時，因基體炭的強度韌性較低而首先發生脆性破壞，形成細小顆粒狀磨屑，壓實形成磨屑膜，隨后磨屑膜開始出現裂紋(見圖6(a)).而載荷較高時(見圖6(b))，摩擦表面微凸體相互嵌入程度增加，在剪應力與壓應力作用下，微凸體斷裂剝落并在主摩擦表面快速形成磨屑擠壓膜A.在材料連接薄弱或存在缺陷的部位產生裂紋，隨著裂紋進一步擴展大片磨屑膜被擠出摩擦表面發生剝落.裸露的纖維在往復摩擦作用下出現剪切斷裂，隨之產生的端頭應力集中使纖維與基體出現脫粘，出現明顯翹曲，斷裂的纖維磨屑進入摩擦表面，使得摩擦阻力升高，摩擦系數增大.纖維磨屑逐漸被擠壓碾碎，再次壓實涂覆于露出的破壞表面，形成亞摩擦層B，這種材料的自修復功能在一定程度上起到潤滑作用，降低摩擦系數.在這種綜合作用下，對于低密度試樣，隨著載荷增加，摩擦系數總體上呈現增大趨勢，而磨損率急劇升高.對于1.85 g/cm3密度的試樣(見圖6(c)～(d))，因磨損表面相對平整，材料內部纖維-基體連接強度較大，摩擦系數和磨損率較低.隨著載荷增加，粗糙微凸體接觸面積增加，犁溝作用減弱，光亮劃痕的顏色變淺顯示劃痕變淺，犁削作用產生的磨屑形成磨屑膜在摩擦剪切應力作用下以層狀或鱗片狀磨屑再次被擠出摩擦表面，磨損程度變化不大.

(a) 1.80 g/cm3,30 N,8 Hz (b) 1.80 g/cm3,50 N,8 Hz

(c) 1.85 g/cm3,30 N,8 Hz (d) 1.85 g/cm3,50 N,8 Hz

2.3 頻率對摩擦磨損性能的影響

圖7為O1取向試樣在載荷為30 N條件下的摩擦系數和磨損率.頻率增加，材料摩擦系數減小，低密度試樣的磨損率大幅度減小，而高密度試樣磨損率先減小后增加，總體上變化不大.與載荷對磨損率的影響比較，頻率對磨損率的影響小的多.

(a)摩擦系數

(b)磨損率

Fig.7 Effect of frequency on friction coefficient and wear rate

隨著往復滑動頻率的升高，單位時間內摩擦表面更易形成完整連續的磨屑膜，起到自潤滑作用，從而降低摩擦系數.由于低密度材料存在較大孔隙，材料組織硬度較低，隨著頻率升高，材料磨損產生的磨屑更易形成轉移膜涂覆于銷的表面，緩解磨損，使得頻率繼續增加而磨損程度大幅度降低.然而，對于高密度材料，由于孔隙較小，材料因為多次增密而使得組織硬度較高.在整個頻率范圍內，材料磨損率變化不大，呈現小幅度的波動.在頻率從12 Hz至16 Hz，磨損率出現小幅攀升是因為之前產生的磨屑不斷在材料表面發生粘著，形成的潤滑膜在剪切作用下發生斷裂剝離所導致.

在30 N、4 Hz條件下，兩種密度的材料磨損表面SEM形貌如圖8所示.對比圖8(a)與圖6(a)可以看出，1.80 g/cm3材料在4 Hz條件下，形成磨屑膜較慢，較薄的磨屑膜覆蓋包裹纖維，在磨屑粒子的犁削作用下出現細小的裂紋(圖8(a)橢圓區域)，表面犁溝較多，不完整和不連續的磨屑膜使得摩擦系數較大，磨損程度嚴重.而1.85 g/cm3材料在4 Hz條件下(見圖8(b))，形成的磨屑膜較薄和易于剝落，摩擦系數和磨損率較8 Hz條件下(見圖6(c))大.由于高密度材料(見圖8(b))磨損表面裸露的纖維排列較圖8(a)更為緊密，周圍磨屑膜較為平整，因此磨損率變化幅度較小.

( a ) 1.80 g/cm3,30 N,4 Hz ( b ) 1.85 g/cm3,30 N,4 Hz

3 結 論

1)與O3取向(無緯布纖維層平行于滑動平面)相比，O1和O2取向(無緯布纖維層垂直于滑動平面)的試樣摩擦系數較小，磨損率較低，耐磨性較好.

2)O1取向條件下，試樣密度較低時，隨著載荷的增加，炭-炭復合材料的摩擦系數和磨損率大幅度增加；而密度較高時，試樣的摩擦系數隨著載荷增加而減小，磨損率增大的幅度較小.

3)O1取向條件下，隨著頻率增加，試樣的摩擦系數逐漸減小，低密度試樣的磨損率減小，而高密度試樣的磨損率變化不大.此外，與載荷的影響相比，頻率對材料磨損性能的影響較小.

4)低頻和低載條件下，材料主要產生磨粒磨損，犁溝效應顯著；頻率的提高使磨屑膜形成更快、更完整，摩擦磨損性能更好；載荷的增加雖然使成膜快，但隨著磨屑膜被不斷擠出剝落，纖維裸露及斷裂產生嚴重磨損，這一影響在材料密度較低表現更為顯著.而密度較高的材料在載荷和頻率較高條件下，摩擦磨損性能受粘著作用的影響比磨粒磨損作用的影響更大，表現出較好的摩擦磨損性能.

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(編輯 王小唯 苗秀芝)

Friction and wear behaviors of carbon-carbon composites used in finger seal

LU Fei1, CHEN Guoding1, SU Hua1, YI Maozhong2, PENG Ke2

(1.School of Mechanical Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China;2.State Key Laboratory of Powder Metallurgy, Central South University, Changsha 410083, China)

The carbon-carbon (carbon fiber reinforced carbon matrix) composites were applied in the finger seal and the tribological behaviors were investigated using UMT-2 tribology tester under the light loads condition.The friction coefficient and the wear rate were measured.Friction and wear mechanisms were analyzed using SEM (scanning electron microscope) method.Results show that the friction coefficient and wear rate are lower when the non-woven cloth is perpendicular to sliding surface.For the higher density material, with increasing load the wear rate increases with small amplitude and the friction coefficient decreases.The frequency has less effect on the wear rate compared to the load on wear rate, and the tribological behaviors are better with increasing frequency.SEM analysis indicates as follows.First, abrasive wear occurs under low frequency and low load.Second, increasing the frequency quickens formation of the wear debris into film, and self-lubricating effect is strengthened.Last, although wear debris are quickly squeezed into film with increasing load, severe wear occurs due to fibers exposure and fracture with the film further squeezed out and peeled off.The effect of load on wear is notable when the material density is lower.Selecting higher density material and the material with non-woven cloth perpendicular to sliding surface can effectively mitigate wear.

carbon-carbon (carbon fiber reinforced carbon matrix) composites；friction；wear；load；frequency；finger seal

10.11918/j.issn.0367-6234.2017.01.028

2015-04-29

國家自然科學基金面上項目(51575445)； 陜西省自然科學研究計劃項目(2014JM7266)

路 菲(1986—)，女，博士研究生; 陳國定(1956—)，男，教授，博士生導師

陳國定，gdchen@nwpu.edu.cn

V25,TB743

A

0367-6234(2017)01-0184-05