殘余Si對 碳陶（C/C-SiC ）復合材料摩擦磨損性能的影響

陳飛雄，郝文琦，符蓉，顏君毅

（1.安泰科技股份有限公司，北京，100094；2.大連交通大學，遼寧 大連 116028）

碳陶（C/C-SiC）摩擦復合材料源自航空航天器熱端部件用陶瓷基復合材料，是一種碳纖維增強碳基和陶瓷基雙基體先進復合材料，不僅繼承了炭/炭摩擦材料“三高一低”的優點，即耐高溫（≥1650℃）、高比強、高耐磨、低密度，還因基體中引入了SiC，有效提高了材料的抗氧化性能和摩擦系數，顯著改善了摩擦性能在各種外界環境介質（潮氣、霉菌和油污等）中的穩定性，已成為輕量化、高制動效能和全環境適用摩擦材料的一個重要研究方向，在飛機、高速列車、地鐵、賽車、汽車、工程機械等高速、高能載、苛刻環境制動系統上具有廣泛的應用前景[1]。摩擦磨損性能是摩擦制動材料的主要性能指標，決定了材料的摩擦制動質量和使役安全。因而摩擦磨損性能和摩擦磨損機理方面的研究引起了國內外研究者的關注。德國的航空航天研究院和法國、英國、日本等的研究機構[2，3]以及國內西北工業大學、中南大學等[4，5]都在這方面做了很多工作。

C/C-SiC復合材料的制備過程主要由兩步組成。首先通過化學氣相滲積（CVI）或先驅體轉化法（PIP）制備出低密度C/C復合材料預制體，然后通過化學氣相滲積（CVI），或先驅體轉化法（PIP），或者反應熔體浸滲法（RMI）制備出基體SiC。其中反應熔體浸滲法（RMI）具有成本低、制備周期短、合成與成型可以同時完成的優點，被認為是制動材料有市場競爭潛力的制備方法。反應熔體浸滲法C/C-SiC復合材料除了含C（包括C纖維和C基體）、SiC外，還有殘余Si成分。關于殘余Si對碳陶復合材料的性能，特別是摩擦磨損性能影響的研究報道較少[6]。本文采用反應熔體浸滲法（RMI）制備了碳陶C/C-SiC復合材料，并對碳陶材料進行脫硅處理，獲得正常含硅和去硅處理的二種碳陶C/C-SiC復合材料摩擦塊，對比了二種摩擦塊配對鋼摩擦盤的摩擦磨損特性，探討了殘余Si對碳陶C/C-SiC復合材料摩擦磨損性能的影響。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料制備

以T700，12k聚丙烯睛炭纖維針刺整體氈為預制體，密度在0.50g/cm3，通過化學氣相滲透沉積法（CVI）增密到1.49 g/cm3，獲得C/C坯體。然后對C/C坯體進行反應熔體浸硅（RMI）處理，獲得密度2.25g/cm3的碳陶（C/C-SiC）復合材料。制成的摩擦塊標記為CS-2從圖1（a）、圖1（b）可知，碳陶（C/C-SiC）復合材料中包含C（炭纖維與炭基體）、SiC(由炭與硅反應形成)和Si(殘余硅)三種組份。對碳陶（C/C-SiC）復合材料進行脫硅處理后獲得去硅的（C/C-SiC）復合材料的密度為2.04 g/cm3。制成的摩擦塊標記為C-2。

圖1 碳陶（C/C-SiC）復合材料微觀組織（a）與XRD相結構分析（b）

1.2 試驗設備與方法

1.2.1 GF150D型定速摩擦機

圖2為摩擦試驗機，采用碳陶材料做摩擦塊，塊體直徑為32mm。采用H13鍛鋼做摩擦盤，摩擦半徑為150mm。在定速摩擦條件下，摩擦速度為200km/h，摩擦壓力為0.51MPa。

試樣安裝時，注意保護試樣表面，不能劃傷、磨損。試驗前后注意清理摩擦盤上殘留的表面第三體，避免造成測試試樣成分和摩擦條件的改變。故試驗前需要將摩擦盤用酒精擦拭清理。每次摩擦試驗前需進行摩擦機的標定，以防氣溫變化等因素對摩擦機輸出數據產生影響，嚴格保證試驗數據的準確性。

摩擦試驗時，摩擦塊固定，摩擦盤以一定速度旋轉，摩擦塊在壓力的用下與摩擦盤進行相互摩擦，試驗得到的瞬時摩擦力和摩擦系數會轉換成電信號傳送到電腦上，從而可以在電腦上直觀的看見摩擦系數的大小和變化規律。每次試驗開始的溫度都保證為室溫。

摩擦磨損試驗基本操作：

①將摩擦塊在試樣夾中安裝好并編號；

②把加壓桿調節到水平位置，確定加載砝碼以調節摩擦壓力，將試樣安裝固定；

③預磨摩擦塊，待接觸面積達到80%以上，并測量其重量，做好記錄；

④重新將加壓桿調節到水平位置，按照設定的摩擦條件進行試驗，記錄摩擦系數，并利用稱重法，重新稱重記錄磨損量。

圖2 摩擦試驗機及摩擦盤

1.2.2 數碼成像光學顯微鏡與掃描電子顯微鏡

采用OLYMPUS數碼成像光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡來觀察材料表面形貌，分析摩擦磨損機理。

1.2.3 X射線衍射（XRD）分析儀

采用XRD對碳陶（C/C-SiC）復合材料的相結構進行分析。

2 試驗結果與討論

2.1 C-2、CS-2摩擦塊的摩擦磨損性能

在定速干態摩擦條件下，采用0.51MPa摩擦壓力和200km/h摩擦速度，試驗正常含硅碳陶摩擦塊CS-2和去硅處理碳陶摩擦塊C-2分別配對鋼摩擦盤的摩擦磨損性能。

圖3是二種摩擦塊摩擦系數隨摩擦時間的變化曲線。

圖3 摩擦系數隨摩擦時間的變化曲線

對于C-2摩擦塊，在開始的0～120s時間段，摩擦系數隨摩擦時間增加而下降明顯，且下降幅度大。在后來的120～300s時間段，摩擦系數隨摩擦時間增加先升后降，且升降的幅度小。整體上看，摩擦系數隨時間的增加呈下降的趨勢。

對于CS-2摩擦塊，摩擦系數隨摩擦時間增加而變化的趨勢與C-2摩擦塊基本一致。在開始的0～120s時間段，摩擦系數隨摩擦時間增加而下降。在后來的120～300s時間段，摩擦系數隨摩擦時間增加先升后降。但在開始的0～120s時間段，摩擦系數的下降幅度較小，而在后續的120～300s時間段，摩擦系數的升降幅度卻較大。

綜上對比可知，對于C-2、CS-2摩擦塊，摩擦系數隨時間增加而變化的整體趨勢都是下降的。但與正常含硅的CS-2碳陶摩擦塊比，通過去硅處理的C-2碳陶摩擦塊的摩擦系數整體更高，且摩擦系數隨時間增加而變化的幅度更小，即摩擦系數的穩定性更好。

圖4是C-2、CS-2二種碳陶摩擦塊磨損量隨摩擦時間的變化曲線。

圖4 磨損量隨摩擦時間的變化曲線

對于C-2摩擦塊，在開始的0～120s時間段，磨損量隨摩擦時間增加而下降。在后來的120～300s時間段，磨損量隨摩擦時間增加轉成上升。

對于CS-2摩擦塊，在開始的0～180s時間段，磨損量隨摩擦時間增加而上升。在后來的180～240s時間段，磨損量隨摩擦時間增加又開始下降。在隨后的240～300s時間段，又轉向上升。

綜上對比可知，與正常含硅的CS-2碳陶摩擦塊比，通過去硅處理的C-2碳陶摩擦塊的摩磨損量整體更高，且磨損量隨時間增加而變化的幅度更大，即磨損量的波動性更大些。

通過以上CS-2、C-2二種碳陶摩擦的試驗結果對比可以看出，碳陶C/C-SiC復合料中殘余Si對碳陶材料摩擦系數的影響方面，有降低摩擦系數且增大摩擦系數波動的趨勢。在對碳陶材料磨損量的影響方面，有降低磨損量且提高磨損量穩定性的趨勢。

當C/C-SiC復合材料中含有一定量的單質Si時，可以認為其是一種C/C-SiC-Si復相陶瓷[1]。在摩擦過程中，SiC以硬質點形式存在，起形成骨架和固定磨屑的作用，而游離Si對SiC提供有效支撐作用。同時，在摩擦剪切力作用下，游離Si和SiC的力學行為均發生變化，游離Si硬度低且與基體的結合力弱，在摩擦過程中很容易被硬的SiC顆粒切除，脫落形成磨屑并填充于SiC顆粒間，其中游離Si可表現一定的塑性，有利于形成摩擦膜，從而降低摩擦系數，減少磨損率。其示意圖如圖5所示。

另外，碳陶材料中殘余Si的存在會增加組織的不均勻性，且因為Si的冷卻膨脹特性，造成組織裂紋和孔隙，且會產生高溫粘著磨損，導致高溫摩擦系數的熱衰退[8]。此外，研究表明[9]，殘余Si與摩擦面轉移膜會產生較大的粘著力，形成摩擦面的粘著磨損。這些殘余Si的作用都是引起摩擦系數不穩定的原因。

作為關照，程瀚也獲得了價值不菲的回報。從2012年開始，程瀚陸續向仰某“借”手表，先后“借”其6塊手表和一塊翡翠。而其中有一塊價值達1300萬港幣的瑞士“百達翡麗”5002P手表更是讓程瀚“垂涎三尺”。當時程瀚說讓仰某把這塊表放在安全的地方，保證他以后想玩這塊表的時候，隨時能拿出來。仰某就把這塊“百達翡麗”表放在合肥家中的保險柜里。

圖5 磨屑在C/C-SiC復合材料摩擦過程中的摩擦行為[7]

2.2 去硅處理的C-2摩擦塊摩擦過程中第三體的演變

圖6 為C-2摩擦塊原始形貌，由于殘余Si的脫除處理使得碳纖維構成的骨架存在大量的孔洞，只有極少量沒有去除完全的硅鑲嵌在骨架中。

圖6 C-2碳陶摩擦塊原始表面形貌

在干摩擦條件下，摩擦表面磨損的粒子處于剪切擠壓狀態，易形成一層由磨損粒子構成的第三體。當壓力足夠大時，摩擦表面比較光滑，隨著摩擦時間的增加，摩擦表面第三體表現出不同的形貌[10]。當磨損粒子經過剪切擠壓后，摩擦表面處于致密狀態，此時摩擦表面光澤度較高，在光學顯微鏡下顯示成亮色區域。當磨損粒子處于松散狀態時，摩擦表面光澤度較低，其在光學顯微鏡下顯示成暗色區域。

圖7為C-2摩擦塊摩擦表面形貌隨時間的變化情況，從圖中可以清晰的看到碳陶第三體的演變過程。

如圖7（a），在摩擦時間為60 s時，碳纖維斷裂、磨碎、碾壓并因為其良好的流動性，形成較薄不連續第三體，表面孔洞被第三體顆粒填充，可以看到暗色區域較多，第三體顆粒處于疏松狀態，沒有被壓實，出現大量犁溝[11]。

圖7 C-2碳陶摩擦塊摩擦過程中第三體演變過程

隨著摩擦時間的增加，摩擦表面劃痕明顯如圖7（b），說明在摩擦過程中發生了磨粒磨損，第三體很不完整，在第三體表面形成犁溝，通過犁溝可以看見些許碳纖維。

如圖7（c）可以看出，隨著摩擦時間的進一步增加，第三體顆粒在壓和剪應力的作用下進一步被細化壓實，第三體呈現連續逐漸致密的狀態，另外在摩擦過程中第三體的形成使得摩擦試樣與摩擦盤的接觸面積增大，摩擦系數降低。

如圖7（d）所示，隨著摩擦時間的進一步增加，表面犁溝明顯減少，形成了連續致密的第三體，并且由于疲勞磨損伴隨著少量剝落坑的產生，導致磨損量略增大。

如圖7（e）所示，摩擦時間的增加導致疲勞磨損嚴重，出現大量的剝落坑，第三體被破壞，且導致磨損量進一步增加。

2.3 正常含硅的CS-2摩擦塊摩擦過程中第三體的演變

圖8為CS-2碳陶摩擦塊原始表面形貌。CS-2材料由C、Si、SiC三相組成。緊鄰C纖維束的一層深色區域是SiC，SiC依附在C纖維表面，由液態Si與C纖維表面的基體C發生反應而生成。外層色彩明亮的白色區域是未反應的殘余Si，其出現的原因是在熔滲過程中，液態Si會與一部分基體C發生反應，反應生成一定厚度的SiC層后，SiC層阻止了液態Si與基體C的進一步反應，故而造成了液態Si的殘留。圖中可以看出，殘留Si所在的區域有裂紋存在，這是因為在熔滲降溫過程中，液態Si在凝固后體積膨脹，產生局部應力，導致殘留Si所在的區域有裂紋出現。

圖8 CS-2碳陶摩擦塊原始表面形貌

圖9 是CS-2摩擦塊摩擦表面形貌隨時間的變化，圖中也可以清晰的看到碳陶第三體的演變過程。

圖9（a）為CS-2經過60s摩擦后表面形貌，碳纖維脫落形成脫落坑，第三體顆粒填充到碳纖維與硅形成的孔隙中被壓實，摩擦表面形成少量的第三體。

經過120s摩擦后，如圖9（b）所示，第三體顆粒將硅表面完全覆蓋、壓實，形成連續的第三體，摩擦系數稍有下降，在硅表面未見犁溝，磨損量減小。

隨著摩擦時間的進一步增加，摩擦表面溫度升高，硅作為硬質點與對偶鋼盤發生摩擦行為，硅表面氧化嚴重，如圖9（c）所示，可以推斷出硅與鋼盤發生了黏著磨損。

隨著摩擦時間的進一步增加，如圖9（d）所示，第三體顆粒再一次覆蓋在硅表面形成連續致密的第三體，脫落的硅顆粒在運動過程中填充到碳纖維骨架的孔隙中，且在連續的第三體前區形成第三體顆粒的積塞，逐漸形成更加完整連續的第三體，之前形成的連續第三體開始脫落，從碳纖維骨架部分開始逐漸剝落。第三體的數量隨著摩擦時間的延長而增加致使其覆蓋面積增加，直至覆蓋全部Si顆粒，如圖9（d），摩擦系數下降和磨損量增加，說明硅顆粒對第三體顆粒的運動有一定的阻礙作用，大面積連續致密的第三體可以明顯降低摩擦系數，且第三體顆粒填充到硅的周圍，對硅顆粒的夾持和覆蓋作用，也有利于阻止硅顆粒的破裂，提高材料的耐磨性。

摩擦時間進一步增加，第三體沿著碳纖維的方向進一步脫落，如圖9（e）所示，由于摩擦產生高溫，使硅與鋼盤之間發生黏著摩擦，硅表面形成氧化薄膜，摩擦系數變化不明顯，磨損量略微增加。

圖9 CS-2碳陶摩擦塊摩擦過程中第三體演變過程

3 結論

（1）通過正常含硅CS-2碳陶摩擦塊、去硅處理C-2碳陶摩擦塊的摩擦磨損試驗結果對比可以看出，碳陶C/C-SiC復合料中殘余Si在對碳陶材料摩擦系數的影響方面，有降低摩擦系數且增大摩擦系數波動的趨勢；在對碳陶材料磨損量的影響方面，有低磨損量且提高磨損量穩定性的趨勢。

（2）碳陶（C/C-SiC）復合摩擦材料主要的磨損形式為磨粒磨損，隨著摩擦時間增加，摩擦材料的磨損形式由單一的磨粒磨損轉變為由磨粒磨損、粘著磨損、疲勞磨損混合的磨損機制。

（3）碳纖維沿著碳纖維骨架的方向塊狀脫落，形成大量的脫落坑。硅作為載體有利于形成連續的第三體，以硅為載體形成的第三體不易脫落，摩擦表面平整光滑未見犁溝。第三體開始脫落發生在以碳纖維作為載體形成的第三體上，所以硅增加了材料的耐磨性，隨著摩擦時間的增加，碳纖維脫落被碾碎壓實在硅表面形成一層潤滑層，有利于穩定摩擦系數。