C/C復(fù)合材料表面SiC涂層摩擦磨損性能研究

王錦陽

（湖南工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，湖南 衡陽 421000）

1 研究背景

安全，穩(wěn)定和舒適的制動系統(tǒng)是人們一直以來的追求，尤其是近年來發(fā)展迅速。銅基金屬復(fù)合材料，再加上鑄鋼盤，可被用作時速超過250 km/h的火車的剎車片。它顯示出許多優(yōu)異的性能，例如穩(wěn)定的摩擦系數(shù)(COF)，高韌性和良好的導(dǎo)熱性，這使其有希望成為摩擦材料。但是，其具有相對較低的耐磨性，高的密度，并且基體在高溫下會軟化，尤其是較短的壽命周期，限制了其長期用作為摩擦材料來使用。本文將主要針對C/C復(fù)合材料表面SiC涂層摩擦磨損性能進(jìn)行深入研究，為拓寬C/C復(fù)合材料的應(yīng)用范圍提供行之有效的方法。

2 C/C復(fù)合材料的研究進(jìn)展及應(yīng)用

C/C復(fù)合材料，是基于碳或石墨纖維和織物增強(qiáng)的材料，是以碳(或石墨)為基質(zhì)，通過加工和處理所有由碳化物以制成的碳復(fù)合材料。C/C復(fù)合材料具有質(zhì)量輕，良好的抗侵蝕和熱沖擊性能，高的耐損傷性以及高的強(qiáng)度和剛度，使其成為一種特殊的新興結(jié)構(gòu)材料，可用于航空，航天等應(yīng)用。其獨(dú)特的特點(diǎn)和先進(jìn)的制造技術(shù)，最終導(dǎo)致產(chǎn)生了更便宜的生產(chǎn)工藝，使得這種材料越來越多地用于工業(yè)應(yīng)用。其在機(jī)械、冶金化工和生物醫(yī)學(xué)等多個領(lǐng)域也具有巨大的應(yīng)用潛力。例如，C/C復(fù)合材料可用于制作渦輪機(jī)葉片、剎車片、內(nèi)燃機(jī)活塞、人造骨及人造關(guān)節(jié)等。

目前，由于C/C復(fù)合材料具有低密度、高的強(qiáng)度-重量比和優(yōu)異的力學(xué)性能。可用于減輕戰(zhàn)斗機(jī)的重量，從而實(shí)現(xiàn)了加速快、耗油量少、轉(zhuǎn)彎靈活、航程遠(yuǎn)、有效荷載增大的目標(biāo)。此外由于 C/C 復(fù)合材料的摩擦系數(shù)穩(wěn)定適中熱容大，也用作剎車裝置的材料，如美國一些軍用和民用飛機(jī)、波音、空中客車等都使用 C/C 復(fù)合材料作為剎車裝置。然而，目前限制C/C復(fù)合材料使用的最重要因素是它們在723K以上溫度下的氧化以及高溫下的氧化磨損。

3 C/C復(fù)合材料的抗摩擦磨損技術(shù)的研究進(jìn)展

材料的摩擦磨損涉及到了機(jī)械、物理、化學(xué)和力學(xué)等多種學(xué)科。其中，影響C/C復(fù)合材料摩擦學(xué)性能的因素主要包括施加在試樣上的載荷、滑動速度、吸收能量和潤滑劑（水或油）等外部條件，以及材料本身的內(nèi)在特性，如其微觀結(jié)構(gòu)特性、硬度、粗糙度、界面剪切強(qiáng)度和彈性模量。2005年，叢紅梅等人指出C/C復(fù)合材料的摩擦磨損機(jī)理為機(jī)械磨損和氧化磨損，在高溫下C/C復(fù)合材料的磨損是機(jī)械磨損和氧化磨損共同作用的結(jié)果，其中氧化是高溫下C/C復(fù)合材料磨損的根本原因。2006年，葛毅成等人重點(diǎn)討論了時間、載荷、速度對C/C復(fù)合材料摩擦磨損行為的影響。2010年，耿黎明等人研究了低能載條件下C/C復(fù)合材料滑動摩擦磨損性能，主要討論了載荷、轉(zhuǎn)速和預(yù)成型體纖維取向?qū)/C復(fù)合材料的摩擦系數(shù)和磨損率的影響。總之，C/C復(fù)合材料的摩擦磨損是一個相當(dāng)復(fù)雜的過程。

目前，C/C復(fù)合材料的抗摩擦磨損技術(shù)主要包括C/C復(fù)合材料的改性技術(shù)以及C/C復(fù)合材料的涂層技術(shù)，接下來，我們將對這兩部分進(jìn)行分別簡述。

為了提高C/C復(fù)合材料的摩擦性能，在過去的幾十年里已經(jīng)做了許多關(guān)于基體改性的工作。例如，通過引入SiC、TiC和Si基合金來取代C/C復(fù)合材料的一些碳基體而使其COF得到增強(qiáng)。

在粉末冶金材料和C/C復(fù)合材料之后，碳纖維增強(qiáng)的碳和碳化硅復(fù)合材料(C/C-SiC)已成為新一代高性能的制動材料，其具有優(yōu)異的性能，例如低密度，高比強(qiáng)度和高溫下良好的機(jī)械性能穩(wěn)定性，以及出色的摩擦學(xué)性能(低磨損率；高而穩(wěn)定的摩擦系數(shù))和低的環(huán)境敏感性。

此外，由于純銅和銅基合金具有良好的導(dǎo)熱性和摩擦性能，大量學(xué)者還對純銅和銅基合金的滲入進(jìn)行了研究，以改善C/C復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能。

盡管這些改性C/C復(fù)合材料在跑車、高速電梯、建筑機(jī)械的高性能制動系統(tǒng)中顯示出巨大的潛力。然而，在C/C復(fù)合材料中引入高硬度的陶瓷通常會導(dǎo)致較高的陶瓷率，并且容易對金屬配件進(jìn)行磨損。因此很多學(xué)者開始探索其他保護(hù)C/C復(fù)合材料的有效方法。

4 C/C復(fù)合材料表面的SiC涂層的研究

C/C復(fù)合材料因其所需的特性（例如低密度，良好的加工性能和出色的高溫機(jī)械特性）而成為航空航天和航天應(yīng)用中熱結(jié)構(gòu)部件的誘人材料。但不幸的是，C/C復(fù)合材料在暴露于450℃以上的氧化氣氛中時顯示出明顯的氧化降解和較差的耐磨性。它極大地限制了它們在高級發(fā)動機(jī)的摩擦學(xué)部件上的應(yīng)用，例如活塞，氣門，密封圈和軸承。這些組件要求結(jié)合出色的性能，例如，高溫(500-1000℃)抗氧化，高比強(qiáng)度和出色的耐磨性。

在C/C復(fù)合材料上制備耐磨、防氧化涂層被認(rèn)為是解決這類問題的有效方法。在這些涂層中，SiC涂層被認(rèn)為是理想的候選材料。

C/C復(fù)合材料在2273 K以上的溫度下具有出色的超高強(qiáng)度，使其成為具有高級熱保護(hù)功能的高溫結(jié)構(gòu)應(yīng)用的最有希望的候選材料。然而，它們在673 K以上的氧化限制了它們在高溫含氧氣氛中的應(yīng)用，這導(dǎo)致人們進(jìn)行了研究以嘗試改善其抗氧化性以改善其抗氧化磨損性能。目前，已經(jīng)提出了使用改進(jìn)的SiC涂層，或者以SiC涂層為粘結(jié)層和緩沖層來制備復(fù)合涂層。

早在1994年，Satoshi等人研究了SiC陶瓷的摩擦學(xué)特性，并指出SiC在室溫下的比磨損率非常小，并且與滑動速度的關(guān)系不大。2007年，Jian-feng Huang等人探索了使用不同添加劑的新型兩步填充膠結(jié)工藝，以獲得致密的Si-SiC復(fù)合涂層。結(jié)果表明，高溫下涂層的效率降低，并且在長時間氧化后涂層樣品發(fā)生失重。在1773K下氧化200h后Si-SiC涂層的表面產(chǎn)生了一些孔。其主要原因是由于SiO2玻璃膜的汽化和排氣，以及不能提供足夠的玻璃相來密封孔。

并且SiC具有良好的生物相容性，SiC涂覆的C/C復(fù)合材料在生物應(yīng)用中具有一定的應(yīng)用價值。2009年，LEI-LEI ZHANG等人通過填充膠結(jié)在C/C復(fù)合材料表面制備了致密且均勻的SiC涂層。與未涂覆的C/C復(fù)合材料表面相比，人成骨細(xì)胞樣MG63細(xì)胞在涂層上的擴(kuò)散和增殖得到促進(jìn)。SiC涂層無害，且可以有效增強(qiáng)C/C復(fù)合材料的抗摩擦磨損性能，可用于涂覆C/C復(fù)合材料以應(yīng)用于整形外科植入物。

隨后，為了解決SiC和碳材料之間的熱膨脹系數(shù)不匹配而導(dǎo)致的性能失效問題，開始利用SiC涂層與C/C復(fù)合材料之間良好的相容性使其作為粘結(jié)層和緩沖層在碳材料表面引入復(fù)合涂層。

5 SiC涂層的的選擇及性能

磨損通常會在極端條件下(例如高溫等)對工作表面造成嚴(yán)重?fù)p壞，增加C/C復(fù)合材料在高溫下對空氣氧化的抵抗力以降低高溫磨損帶來的損失是十分重要的。目前，制備涂層則被認(rèn)為是在高溫下保護(hù)C/C復(fù)合材料的極其有效的方法。

涂層最基本的功能是要把C/C復(fù)合材料和氧化環(huán)境隔離開來，因此，一個涂層必須滿足下述要求：

（1）可以有效的阻止碳向外擴(kuò)散以及氧的侵入；

（2）涂層需要均勻平整且無裂紋，并具有自愈能力；

（3）涂層與基材之間具有較好的機(jī)械化學(xué)相容性和較高的結(jié)合強(qiáng)度；

（4）高溫下不發(fā)生揮發(fā)和流失；

（5）具有良好的機(jī)械性能和耐磨損，耐腐蝕性能。

SiC涂層具有優(yōu)異的抗氧化性和耐磨性，低的熱膨脹系數(shù)，高溫下氧化形成的SiO2玻璃質(zhì)保護(hù)膜能有效阻止氧的擴(kuò)散滲透，且與C/C復(fù)合材料基體化學(xué)相容性好。此外，由于碳化硅具有高硬度和良好的耐磨性，它被廣泛用于軸承，氣缸套和機(jī)械密封等應(yīng)用中。因此，在C/C復(fù)合材料表面形成SiC涂層受到人們廣泛的關(guān)注，且對其進(jìn)行進(jìn)一步的了解及改進(jìn)是相當(dāng)有意義的。

6 結(jié)論

在過去的幾十年中，C/C復(fù)合材料的開發(fā)使許多航空和航天應(yīng)用受益。這種材料的優(yōu)異性能，例如低密度，高溫機(jī)械穩(wěn)定性，抗熱震性和高比強(qiáng)度，證明了它們在眾多領(lǐng)域的應(yīng)用中的合理性，包括車輛保護(hù)裝置或飛機(jī)制動盤。但是，C/C復(fù)合材料的應(yīng)用受到氧化磨損的嚴(yán)重限制。并且氧化過程最終會導(dǎo)致纖維/基體脫粘，從而導(dǎo)致其優(yōu)異的材料性能喪失。目前，C/C復(fù)合材料的抗摩擦磨損技術(shù)主要包括C/C復(fù)合材料的改性技術(shù)以及C/C復(fù)合材料的涂層技術(shù)。然而，在C/C復(fù)合材料的改性技術(shù)中，引入高硬度的陶瓷通常會導(dǎo)致較高的陶瓷率，并且容易對金屬配件進(jìn)行磨損。并且由于基體改性法在C/C復(fù)合材料基體中需加入抑制劑，會導(dǎo)致材料力學(xué)和熱學(xué)性能的下降。因此，要實(shí)現(xiàn)高于1273 K的抗氧化保護(hù)，涂層技術(shù)是最佳的選擇。

目前，很多學(xué)者開發(fā)出了許多用于C/C復(fù)合材料的涂層體系。其中，由于SiC涂層具有出色的耐腐蝕性、與C/C基質(zhì)的良好化學(xué)相容性、高硬度和良好的耐磨性，被認(rèn)為是最理想的候選材料。并且由于SiC涂層對C/C復(fù)合材料具有良好的高溫物理和化學(xué)適應(yīng)性，還被廣泛用作多層涂層（例如SiC / Al2O3 /莫來石和SiC /氧化釔硅酸鹽涂層）中粘結(jié)層和緩沖層。而對C/C復(fù)合材料表面SiC涂層的摩擦磨損性能進(jìn)行進(jìn)一步的研究，有望開辟出一條提高C/C復(fù)合材料抗氧化磨損性能的新途徑，使得C/C復(fù)合材料有更加廣泛的應(yīng)用。