C/ C com posites, frict ion and w ear behav ior , mater ial char act er 提高石墨化度的 有效途径 是石墨 化处理, 石墨 化处理 工艺 中对材料性能起决定 作用的是 热处理 温度 [ 12] 。黄荔 海等 [ 13] 研 究了不同热处理温度 下 2. 5D 炭/ 炭复 合材料 的制动 摩擦性能, 发现石墨化的程度以 及石墨化的均匀程度都对材料的摩擦磨损 性能有很大影响。 冯志荣 等 [ 14] 对不 同温 度热处 理的 短纤 维成 型刹车盘进行刹车试 验, 发现处理温度高( 石墨化度高) , 其摩擦 系数增 加, 表 面吸收功 率增加, 稳定系数 提高, 并且随着石 墨化 温度的升高, 各组元的石墨化度都有提高。 对于合 适的热处理温度, 看法略有不 同。徐惠娟 [ 16] 研究了 针刺毡结构炭/ 炭复合材料, 结 果表明, 热处理温度升高, 材料的 石墨 化 度 增 高, 2000 仅 为 24. 4% , 2500 时 石 墨 化 度 达 到 46. 4% , 2300 处理的摩 擦系数出现一峰值, 高达 0. 37, 见 图 1。 L uo[ 17] 认为采用 RDD( 快速定向流沉 积) 法 制得的炭/ 炭复 合材 料, 热处理路径对摩擦性能无明显影响, 并认为最合适的热处理 温度为 2000 , 此时, 材料 有高的摩擦系数和低的磨损率。

　　纤维, 纤维断裂发 生在 摩擦 面的 接触 区及 表面 区, 磨粒 不断 地 犁、 刮出 来的碳纤 维及热解炭 基体, 其犁、 刮作用增大 了相 对滑动的阻抑作用, 从而 增大了 炭刹车 盘材料 的摩擦系 数。至 于 P 取向纤维排 布的角 度与 摩擦 性能的 内在 联系 还有 待进 一 步验证。 摩擦面的碳纤维 取向不改 变材料 的磨损机 理, 纤维的 取向 平行于磨损面时, 通过 石墨 化 CV D 基体 的剪 切变 形形 成摩 擦 膜。连续纤维的体积分 数高时, 平行 磨擦面 的材料 更容易 形成 摩擦膜, 摩擦面纤维末端暴露在外的纤维抑制了摩擦膜的形成, 导致了高的磨损率。刹 车速度 高时, 摩擦面 的剪切 力足够 克服 不利的纤维取向, 有利于膜的形成 [ 31] 。 目前炭/ 炭刹车盘预制体成型有 3 种典型的方式: # 炭布叠 层; ∃ 短纤维模压; % 纤维针 刺薄毡 叠层。碳纤 维针刺 网胎、 无 纬布交替叠层的准三向整体毡 结构也得到大量的应用。考虑结 构力学、 热导性和温度对摩擦磨损的影响, 三向连续纤维编织结 构是最理想的, 但 其成本 太高。在 2D 炭/ 炭复 合材 料中, 裂 纹 尖端在纤维/ 基体界面处发生偏转, 而在 3D 炭/ 炭复 合材料中, 裂纹偏转主要发生在 CV D 炭中, 3D 的韧性明显好 于 2D 。通常 认为磨损的大小与 硬度的 大小相 反 [ 8] 。研究发 现, 沥 青碳 纤维 制得的 2D 炭/ 炭的硬度为 3D 炭/ 炭的 2 倍, 低能 时, 硬度 大的 2D 磨 损较 低, 但 高能 时, 高 韧性 的 3D 材料 有更 低 的磨 损率。 因此, 同种制备工 艺, 3D 炭/ 炭复 合材 料 具有 比 2D 炭/ 炭复 合 材料更低的磨损率、 更高的摩擦系数和稳定性。 在恶劣的工 作条 件下, 如 重载 荷、 高速 度飞 行 的紧 急制 动 ( 中止起飞) , 摩擦面的最高 温度取决 于产生 热量的 速度和 热扩 散速率, 因为炭/ 炭复合 材料的摩 擦效率 受温度 影响明 显, 增大 材料的热导率是最为有效的方 法。热导 率的提高能降低复合材 料表面的温度, 进而降低摩擦系数, 可行 的途径是控制纤维的方 向使其垂直 于摩 擦表 面 [ 3] 。3D 炭/ 炭复 合材 料有 比 2D 炭/ 炭 复合材料更低的磨 损量也 要归结 于 Z 向纤 维的加 入。Byrne[ 5] 对 Z 向纤维与摩擦性能的影响进行了研究, 结果表明, Z 向 纤维

　　炭/ 炭复合材料密 度增 大, 摩擦 稳定 性增 加 。 高密 度的 炭/ 炭复合材料孔隙率低及高度的整体性, 具有较佳的摩擦磨损 行为 。密度大, 体积磨损小 , 并 能提高 材料 的热导 率与 石墨化度, 进而影响 摩擦性能, 因为 密度小的材 料中孔隙 较多, 而孔隙的存在能引起声子的 散射, 故孔隙 内的气 体导热 系数很 低, 但是密度太大或太小都 不利于 生成稳 定的磨损 表面。Chen L H [ 27] 通过研究得出, P A N CF/ Pitch 基 体炭/ 炭 复合材 料中合 适的密度和 孔 隙 率 的 存 在 易使 材 料 形 成 具 有 润 滑 效果 的 摩 擦膜。 Kuo H H [ 28] 对 P AN CF/ 酚醛 基炭/ 炭复 合材 料进 行 了大 量研究, 结果发现, 不同炭化升温速度且未石墨化处理的复合材 料的摩擦系数与升温速度无 关, 但 是升温 速度会 影响材 料的磨 损率, 升温越快, 磨损越大。这 一现象 与密度/ 孔隙 率的比 值有 关, 炭化速度越快, 材料密 度小, 孔隙率 大, 密 度/ 孔 隙率的 比值 越小, 磨损率就越大。观察摩擦表面发现, 碳纤维或热解炭摩擦 掉后, 在 材料表面形 成孔隙, 磨屑存在 于材料的 孔隙处, 摩擦过 程中不断有新的孔隙产生, 第三相 被压入 的磨屑 填充在 这些孔 隙中 [ 29] 。

　　图 1 不同热处理温度下摩擦因数 与石墨化度的关系曲线 摩擦因素的这种 随石墨化 变化的 趋势同材 质有关, 不 同材 质的炭/ 炭复合材料在相同的处理温度下, 摩擦特性有异。处理 温度低时, 具有较低石墨化度的复合材料, 其炭结构大部分为乱 T el: 029 83601239 1015 E mail: chen0298487212@

　　炭/ 炭复合材料应用 非常广 泛。最初 作为航天 用高温 结构 材料和耐烧蚀材料, 用于固体火箭发动机喷管和喉衬、 火箭重返 大气层系统的保护罩。自 1973 年第 1 次用于飞机刹车 以来 [ 1] , 全世界已有 40 种以上的民用机和 22 种以上的军用机采用了炭 刹车盘, 其 年 产 量 占 世 界 炭/ 炭 复 合 材 料 总 产 量 的 90% 以 上 [ 2~ 4] 。与金属材料相比 , 炭/ 炭具 有低密度、 使用寿命、 长 低噪 音、 高平稳性和大热容等突出优点 [ 2~ 6] 。 影响炭/ 炭复合材料摩 擦性能 的因素 很多, 如材 料的性 质、 摩擦参数( 载荷、 刹车速 度、 量) 、 能 环境 ( 温 度、 度、 湿 气氛) 和材 [ 5] 料的表面状况等 。在此, 本文总结了国内外大量的研 究, 就材 料性质对炭/ 炭复合材料摩擦性能的影响进行 了阐述。

　　( 西安航天复 合材料研究所超码科技有限公司, 西安 710025) 摘要 影响炭/ 炭复合材料摩擦 性能的因素很多, 综述了国内外的研究现状, 评价了材料的性质对炭/ 炭复合材 料摩擦磨损性能的影响, 阐述了模量、 石墨化度、 密度、 预制体的类型、 基体类型、 热解炭结构等因素。 关键词 炭/ 炭复合材料 摩擦磨损性能 材料的性质

　　T rf ier[ 7] 认为对炭/ 炭复合材料摩擦磨损性能影响最大的是 纤维的弹性模量。Soydan[ 8] 对不 同碳纤 维和 不同基 体的 炭/ 炭 复合材料进行了研究, 结果发现, 高各向异性热解炭中出现密集 的裂纹, 而在中织构中很少有裂纹的出现, 碳纤维的弹性模量对 裂纹形成和磨损的微观机理没有太大的影响。复合材料弹性模 量的变化导致热扩散性能的 改变, 从而改 变摩擦 接触处 的温度 与受力状况, 影响摩擦磨损性能 [ 7, 9] 。 Kimur a 等 [ 10] 研究发现, 热处 理温度 影响炭/ 炭复合 材料的 弹性模量。一般认为, 弹性模量随热处理温度的升高而 增加, 碳 基面较易形成润滑层而降低摩擦系数, 磨损也 较小。 石墨化程度越高, 炭/ 炭复合 材料的 力学性 能越 低, 韧 性增 加, 抗热震性能增加。有研究认为石墨化度与炭/ 炭复合材料摩 擦磨损性能有很大关系 [ 11] 。另有研究 表明, 石墨化度 的提高能 使摩擦曲线变得平稳, 其稳定系数增大 [ 12] 。

　　层结构, 硬度较高, 摩擦系数低; 到达 一定温度后, CV D 炭 和 CF 的石墨化度的 差异, 使材料中 软硬炭差别 较大, 摩擦系数 上升, 磨屑层较厚, 使材料 的磨损有所 下降; 温度进一 步升高时, 材料 中的大部分 CVD 炭发生了石墨化转变, 且 CF 也发生 一定程度 的石墨化转变, 即炭基面层间劈裂更加容易, 炭刹车盘材料剪切 强度降低, 减少了剥 蚀, 摩 擦表面形成 了一层较 薄的磨屑层, 使 摩擦系数下降, 磨损率 变小。试 验发现, 只要 摩擦系 数足够 高, 氧化就一直存 在, 氧 化 过程 经 常伴 随 着 高的 摩 擦系 数 和 磨损 率 [ 18] 。炭基面随材料石墨化度的增加 其排列更 加完整, 而含有 少量数目的活性位, 可降低氧化程度, 即氧化磨损随着热处理温 度升高而降低。 除热处理温度外, 刹车压力也改变表面的石墨化度 , 这要归 因于摩擦膜的特殊结构及其 中碳原 子高的活 性, 容易出 现应力 石墨化现象 [ 19] 。A ladekom J B 等 [ 20] 认为 局部热 应力促 进石墨 化。T anabe Y[ 21] 也发现对呋喃树脂基炭/ 炭复合材料 的这一现 象, 认为这是由自由表 面效应 引起的。日 本进藤 等证实 了应力 石墨化的存在, 认为界面处 不同材 料的热 膨胀系 数差异 导致的 剪切应力是动力 [ 22] 。T oby[ 23] 认为高密度的 摩擦屑和表 面温度 形成摩擦膜, 刹车过程导致剪切应力石墨化。

　　的摩擦系数大于 P 取向的摩擦 系数, 但 体积磨损 量却小于 P 取 向, 这是由于 N 取向 中摩 擦力垂 直于 纤维的 排列 方向, 纤 维末 端被切削或剪断, 而纤 维被 剪断需 要的 能量大, 所 以 N 取 向的 摩擦系数大。而 P 取向摩擦面 上有成 束的碳 纤维暴 露在外, 纤 维的相对柔性及纤维/ CVD 炭的不良结合使摩 擦中形成的 磨粒 很容易将纤维从 周围基 体中 脱出, 所 以其体 积磨 损量较 大 [ 26] 。 研究发现, 当碳纤维与摩擦面成 45∀夹 角时, 摩擦系 数和磨 损量 最大 [ 30] 。此外, 以 N 取向碳纤维为核心, 包裹着热解炭 基体, 打 通了炭刹车盘垂直方向的导热 通路, 提高了材料的导热系数, 使 摩擦面产生的热能迅速传导离 开界面, 从而降低了界面温度, 缓 解了温度对界面剪切 强度的剧 烈影响, 可保 持较高 的摩擦 系数 和提高刹车装置的可 靠性。 炭/ 炭刹车 材料 中 P 取 向纤 维的 排布情 况较 复杂, 如英 国 Dunlo p 公司 B757 预制体 结构, 是一 层纤 维薄毡, 一 层纤 维布, 再一层纤维薄毡针刺 而成, 每层 纤维布 之间的 夹角为 90∀; 而法 国炭 工业公司 A 320 预制 体结构 是针刺无 纬布, 其夹 角为 60 ∀; 韩国 DACC 公司汽车刹车盘预制体 结构也是 针刺无 纬布, 其夹 角为 60 ; 国产 B757 炭刹车盘的预 制体结构 是一层 薄纤维 网胎 ∀ 一层无纬布针刺 而成, 无 纬布之 间的 夹角 为 90∀。对于 P 取 向