（材料加工工程专业论文）反应熔体浸渗法制备csic摩阻材料的结构与性能.pdf

摘要纽. 里 生 旦 旦 里 旦 旦 旦 旦 旦 旦 里旦 旦旦 旦 旦旦 里只旦 里 里 旦旦 旦 旦 互 旦 旦 旦 旦旦 旦 旦 旦 旦 旦 旦 旦 里旦 目 目 旦 旦 豆.日 巴 巴 巴目 口 巴县巴 毕 毕 曰 巴口巨 . . .国 . 巨 口口 口豆 口 口困 口 口摘要 c / s i c复合材料具有低密度、耐高温、耐磨损等突出优点，是一种新型的摩阻材料。反应熔体浸渗法是制造低成本 c / s i c摩阻材料最有发展潜力的工艺方法。本文以短切纤维为主，碳布叠层、针刺毡作为对比，通过反应熔体浸渗法制备三种不同预制体结构的c / s i c摩阻材料，研究各种因素对 c / s i c摩阻材料结构和性能的影响，得到如下结论: ( 1 )制备了高致密度的c / s i c 摩阻材料，其中开气孔率为 3 . 4 %-4 . 8 %,体 积 密 度 为1 .8 2 一 2 .2 6 g /c m 3 0 ( 2 ) 揭示了c / s i c摩阻材料两类缺陷的产生原因。在热压过程中有大量氨气放出，由此导致试样中产生孔洞，甚至试样中心部位鼓起。在 r mi 工艺过程中，一些因素尤其是液态 s i 凝固时8 . 1 %的体积膨胀易使试样产生裂纹。 ( 3 )测试了由r mi 制备的短切纤维 c / s i c摩阻材料的力学性能。其中压缩强度:1 0 7 - 2 5 7 mp a ,弯曲强度:5 6 -8 6 mp a ，层间剪切强度:2 1 -3 5 mp a ,拉伸强度:2 6 mp a ，材料强度己满足飞机刹车时对力学性能的要求。经多次模拟刹车试验后结构仍保持完整性，能抵抗刹车试验时的巨大热冲击。 ( 4 )揭示了c / s i c 摩阻材料热扩散率的变化规律。随温度增加热扩散率降低: 短切纤维和 2 d 碳布叠层结构的摩阻材料平行方向的热扩散率为垂直方向的两 倍;高 密度碳毡预 制体 制成的摩阻 材料热 扩散 率最高 ( 室温时为0 . 3 4 c m 2 / s ) ,远 大于低 密度碳毡预制体 ( 室温时为 。 . 1 c m 2 / s; 石墨 化和 加入s i c 对于短切纤维预制体摩阻材料的热扩散率影响显著。 ( 5 ) 揭示了c / s i c摩阻材料摩擦磨损性能的变化规律。 增加压力和能载均使材料的摩擦系数及其稳定性有不同程度的下降;渗硅前石墨化处理使材料的摩擦性能大幅提高，其中摩擦系数从 0 .2 6 提高到 。 .3 7 ，摩擦系数稳定性因数从0 . 4 6 提高到0 .5 6 。加入 s i c填料对材料的摩擦系数及其稳定性影响不大，但磨 西北工业大学硕士学位论文里里 里里 里 目. 日巴 巴 巴里 绝巴 里 巴损率增大;不同预制体对摩擦性能有一定影响，碳布叠层预制体材料的摩擦系数稳定性小于短切纤维。关键词:c / s i c摩阻材料:反应熔体浸渗法:显微结构:力学性能;热扩散率;摩擦性能ab s t r a c t d u e t o l o w d e n s i t y , h i g h s e r v i c e t e m p e r a t u r e a n d g o o d a b r a s i v i ty c / s i c c o m p o s i t e i s a n e w k i n d o f b r a k i n g m a t e r i a l s . r e a c t i v e m e lt in f i l t r a t i o n i s t h e mo s tp r o m i s i n g w a y t o m a n u f a c t u r e c / s i c b r a k in g m a t e r i a l w i t h l o w c o s t . i n t h i s p a p e r ,s h o r t fi b e r p r e f o r m c / s i c b r a k i n g m a t e r i a l s a r e m a n u f a c t u r e d b y r mi a n d c c l o t hl a mi n a t i o n a n d n e e d l e - p u n c h e d f e l t p e r f o r m a r e c o n t r a s t s t o s h o rt f i b e r p e r f o r m.e f f e c t s o f d i ff e r e n t p r o c e s s i n g p a r a m e t e r s o n s t r u c t u r e a n d p r o p e rt i e s c / s i c b r a k i n gma t e r i a l a r e d i s c u s s e d . t he r e s u l t s a r e a s f o l l o ws : ( 1 ) c / s i c b r a k i n g m a t e r i a l s w it h l o w p o r o s ity a r e m a n u f a c t u r e d . o p e n p o r o s i tyi s b e t w e e n 3 .4 % - 4 .8 % , a n d b u lk d e n s ity is b e tw e e n 1 .8 2 一 2 .2 6 g /c m 3 ( 2 ) t w o k i n d s o f d r a w b a c k s o f c / s i c b r a k i n g m a t e r i a l a r e s t u d i e d . d u e t o l o t so f n h 3 e m i s s i o n in h o t p r e s s i n g s t a g e , p o r e s w i t h d i f f e r e n t s i z e s a r e c r e a t e d i ns a m p l e s . i n r mi p r o c e s s i n g s t a g e , c r a c k s a r e p o s s i b l y c r e a t e d b e c a u s e o f s o m ef a c t o r s e s p e c ia l l y 8 . 1 % v o l u m e e x p a n s i o n o f l i q u i d s i d u r i n g f r e e z i n g . ( 3 ) me c h n i c a l p r o p e rt i e s o f s h o r t f i b e r r e i n f o r c e d c / s i c m a t e r i a l m a d e b y r mia r e t e s t e d . c o m p r e s s i v e s t r e n g t h s a r e b e t w e e n 1 0 7 - 2 5 7 mp a . f l e x u a l s t r e n g t h s a r eb e t w e e n 5 6 一8 6 mp a . i n t e r l a m i n a r s h e a r s t r e n g t h s a r e b e t w e e n 2 1 一3 5 mp a . t e n s i l es t r e n g t h i s 2 6 mp a . r e q u i r e m e n t s o f m e c h n ic a l p r o p e rt i e s d u r i n g b r a k i n g o f a i r c r a f ta r e m e t . c / s i c s a m p l e s d o n o t s u ff e r a r u p t u r e a f t e r ma n y s i m u l a t i o n b r a k i n g t e s t sa n d c a n r e s i s t h u g e t h e r m a l s h o c k d u r i n g b r a k i n g ( 4 ) t h e t h e r m a l d i f f u s i v i ty o f c / s i c b r a k i n g m a t e r i a l s i s i n v e s t i g a t e d . t h e r m a ld i ff u s i v i ty d e c r e a s e s w h e n t e m p e r a t u r e i n c r e a s e s . a x i a l t h e r m a l d i f f u s i v i ty o f s h o rtf i b e r a n d 2 d f a b r i c i s t w i c e a s l a r g e a s l o n g i t u d e t h e r m a l d i f f u s i v i ty . t h e t h e r m a ld if fu s iv ity o f h ig h d e n s ity c f e l t (0 .3 4 c m z/ s a t r o o m te m p e r a t u r e ) is t h e h ig h e s t a n d西 北 工业 大 学硕 士 学 位 论 文c o n s id e r a b l y h i g h e r t h a n t h a t o f t h e l o w d e n s i t y c f e l t ( 0 . 1 c m z / s a t r o o mt e mp e r a t u r e ) . g r a p h i t a t i o n a n d s i c f i l l e r h a v e o b v i o u s e f f e c t s o n t h e r ma l d iff u s i v i t yo f s h o r t f i b e r p e r f o r m c / s i c b r a k i n g m a t e r i a l s . ( 5 ) f r i c t i o n p r o p e rt y a n d w e a r p r o p e r ty o f c / s i c f r i c t i o n m a t e r i a l a r ei n v e s t i g a t e d . c o e f f i c i e n t o f f r i c t i o n ( c o f ) a n d i t s s t a b i l i t y d e c r e a s e i n v a r i o u s r a n g ew h e n f o r c e o r e n e r g y i n c r e a s e . g r a p h i t a t i o n b e f o r e s i i n f i l t r a t i o n c a n i m p r o v ef r i c t i o n p r o p e r ty i n m m e n s l y w h e n c o f i n c r e a s e s f r o m 0 . 2 6 t o 0 . 3 7 a n d s t a b il i t y o fc o f i n c r e a s e s f r o m 0 . 4 6 t o 0 . 5 6 . s i c f i l l e r h a s l i t t l e i n p a c t o n f r i c t i o n p r o p e r ty b u to b v i o u s e f f e c t o n we a rp r o p e r tya ffe c t e ds i c f i l l e r c a n i n c r e a s e we a r o f c/ s i cf r i c t i o n p r o p e r t y c a n b eb y d i ff e r e n t p r e f o r m c / s i c m a t e r i a l s . t h e s ta b i l i tyo f c o e f f i c i e n t o f f r i c t i o n o f c c l o t h l a mi n a t i o n p r e f o r m c / s i c m a t e r i a l i s i n t e r i o r t ot h a t o f s h o r t f i b e r c / si c ma t e r i a l .w o r ds ! c / s i cm e c h n i c a l p r o p e rt y;b r a k i n g m a t e r i a l ; r e a c t i v e m e l t i n f i l t r a t i o n ; m i c r o s t r u c t u r e ;t h e r ma l d i f f u s i v i t y ; f r i c t i o n p r o p e rt y第 1 章 绪 论第 1 章 绪论摩阻材料的特点及性能要求 摩阻材料又称为制动摩擦材料或刹车材料，它是现代各种机器设备的制动器、离合器和摩擦传动装置中不可缺少的材料之一。制动系统失灵或摩擦传动失效，都直接涉及到机器设备和生产者的安全;尤其对各类飞机、火车、汽车等运输工具来说，显得更为重要，并且随着机器向着高速、重载方向的发展，制动系统的可靠性与耐久性是首先要解决的问题，对摩阻材料的要求也就越来越高。 制动器、 离合器及摩擦传动装置中的摩擦副， 其工作原理是利用摩擦力，装置本身就是个能量转换器，即将转动的动能转化为热能和其他形式的能 ( 振动、声能)。因此，摩阻材料最主要的特点是能够吸收动能并转化为热能，进一步将热能传入空气中，材料本身无剧烈磨损也不破坏摩擦副，在反复使用过程中能保持一定的制动和传动效率。为了保证制动系统和摩擦传动的可靠性，摩阻材料应满足以下几点要求: ( 1 )材料应有足够而稳定的 摩擦系 数， 外界条件 ( 速 度、载 荷、 温度、 环 境介质)改变时的影响小，且动、静摩擦系数之差要小; ( z )材料应有 良 好的耐磨性; ( 3 )有良 好的 热物理性能、 导 热性好， 热容量大; ( 4 )良 好的机械 性能，有 定的 高温机械强 度; 对摩擦配偶件的 表面不易 划伤及严重粘着，磨合性好; ( 5 ) 摩擦过程中 不易产生噪 音、 振动等 ; ( 6 )经 济性好， 原料来源充 裕， 价格 便宜，生产 制造工艺简单。 要满足上述各点要求是困难的，但基本上应依据工况条件，满足所需要的摩擦系数及其在摩擦过程中允许的变化范围和预定的寿命，即应有足够的耐磨第 1 章 绪 论第 1 章 绪论摩阻材料的特点及性能要求 摩阻材料又称为制动摩擦材料或刹车材料，它是现代各种机器设备的制动器、离合器和摩擦传动装置中不可缺少的材料之一。制动系统失灵或摩擦传动失效，都直接涉及到机器设备和生产者的安全;尤其对各类飞机、火车、汽车等运输工具来说，显得更为重要，并且随着机器向着高速、重载方向的发展，制动系统的可靠性与耐久性是首先要解决的问题，对摩阻材料的要求也就越来越高。 制动器、 离合器及摩擦传动装置中的摩擦副， 其工作原理是利用摩擦力，装置本身就是个能量转换器，即将转动的动能转化为热能和其他形式的能 ( 振动、声能)。因此，摩阻材料最主要的特点是能够吸收动能并转化为热能，进一步将热能传入空气中，材料本身无剧烈磨损也不破坏摩擦副，在反复使用过程中能保持一定的制动和传动效率。为了保证制动系统和摩擦传动的可靠性，摩阻材料应满足以下几点要求: ( 1 )材料应有足够而稳定的 摩擦系 数， 外界条件 ( 速 度、载 荷、 温度、 环 境介质)改变时的影响小，且动、静摩擦系数之差要小; ( z )材料应有 良 好的耐磨性; ( 3 )有良 好的 热物理性能、 导 热性好， 热容量大; ( 4 )良 好的机械 性能，有 定的 高温机械强 度; 对摩擦配偶件的 表面不易 划伤及严重粘着，磨合性好; ( 5 ) 摩擦过程中 不易产生噪 音、 振动等 ; ( 6 )经 济性好， 原料来源充 裕， 价格 便宜，生产 制造工艺简单。 要满足上述各点要求是困难的，但基本上应依据工况条件，满足所需要的摩擦系数及其在摩擦过程中允许的变化范围和预定的寿命，即应有足够的耐磨西北工业大学硕士学位论文性 1 ,2 12摩阻材料的种类 日 前摩阻材料的种类繁多，但根据摩阻材料基体的不同，大致可把摩阻材料分为树脂基 ( 有机基)、金属基、陶瓷基、 及c / 等四大类。 其中陶瓷基摩阻材料的典型代表是c / s i c 摩阻材料。 树脂基摩阻材料根据其增强纤维 ( 石棉、 玻璃纤维、芳纶纤维、钢纤维、碳纤维、陶瓷纤维及各种矿物纤维)不同，又可分为 许多种3 ,4 1 ，如下图1 - 1 所示。 图1 一 i摩阻材料分类f i g .1 - 1 c l a s s if i c a t io n o f b r a k i n g m a t e ri a ls. 2 . 1树脂基摩阻材料 树脂基摩阻材料由粘合剂 ( 树脂)、增强剂 ( 石棉、玻璃纤维、 金属纤维、有机纤维等)、摩擦性能调节剂 ( 各种矿物质、无机盐等)以及其他辅助材料( 如树脂固化剂、成型工艺改良剂等)组成。这种材料广泛应用于各种车辆及各种机械上的制动器衬片 ( 刹车片)或离合器面片。 石棉是在树脂基摩阻材料工业生产中应用最早， 用量最大的增强纤维组分，它对于树脂基体的摩擦系数、抗磨损性、耐热性 、强度、模量、硬度等各方面西北工业大学硕士学位论文性 1 ,2 12摩阻材料的种类 日 前摩阻材料的种类繁多，但根据摩阻材料基体的不同，大致可把摩阻材料分为树脂基 ( 有机基)、金属基、陶瓷基、 及c / 等四大类。 其中陶瓷基摩阻材料的典型代表是c / s i c 摩阻材料。 树脂基摩阻材料根据其增强纤维 ( 石棉、 玻璃纤维、芳纶纤维、钢纤维、碳纤维、陶瓷纤维及各种矿物纤维)不同，又可分为 许多种3 ,4 1 ，如下图1 - 1 所示。 图1 一 i摩阻材料分类f i g .1 - 1 c l a s s if i c a t io n o f b r a k i n g m a t e ri a ls. 2 . 1树脂基摩阻材料 树脂基摩阻材料由粘合剂 ( 树脂)、增强剂 ( 石棉、玻璃纤维、 金属纤维、有机纤维等)、摩擦性能调节剂 ( 各种矿物质、无机盐等)以及其他辅助材料( 如树脂固化剂、成型工艺改良剂等)组成。这种材料广泛应用于各种车辆及各种机械上的制动器衬片 ( 刹车片)或离合器面片。 石棉是在树脂基摩阻材料工业生产中应用最早， 用量最大的增强纤维组分，它对于树脂基体的摩擦系数、抗磨损性、耐热性 、强度、模量、硬度等各方面西北工业大学硕士学位论文性 1 ,2 12摩阻材料的种类 日 前摩阻材料的种类繁多，但根据摩阻材料基体的不同，大致可把摩阻材料分为树脂基 ( 有机基)、金属基、陶瓷基、 及c / 等四大类。 其中陶瓷基摩阻材料的典型代表是c / s i c 摩阻材料。 树脂基摩阻材料根据其增强纤维 ( 石棉、 玻璃纤维、芳纶纤维、钢纤维、碳纤维、陶瓷纤维及各种矿物纤维)不同，又可分为 许多种3 ,4 1 ，如下图1 - 1 所示。 图1 一 i摩阻材料分类f i g .1 - 1 c l a s s if i c a t io n o f b r a k i n g m a t e ri a ls. 2 . 1树脂基摩阻材料 树脂基摩阻材料由粘合剂 ( 树脂)、增强剂 ( 石棉、玻璃纤维、 金属纤维、有机纤维等)、摩擦性能调节剂 ( 各种矿物质、无机盐等)以及其他辅助材料( 如树脂固化剂、成型工艺改良剂等)组成。这种材料广泛应用于各种车辆及各种机械上的制动器衬片 ( 刹车片)或离合器面片。 石棉是在树脂基摩阻材料工业生产中应用最早， 用量最大的增强纤维组分，它对于树脂基体的摩擦系数、抗磨损性、耐热性 、强度、模量、硬度等各方面 第 i 章绪 沦. . . . . . . . . . . . .日. 国鱼鱼 . . .国口.鱼 口. . .曰. . .口 叹. 鱼国鱼 鱼， . . .性能都起到了一定的改良作用，且原料来源广泛，价格较低。此外，它与酚醛类树脂的浸润性好，与摩阻配方中其他粉粒物料拌和性好 ( 有促进其他物料分散的作用)。它也存在一些缺点。首先热稳定性欠佳，因而导致其所增强的树脂基摩阻材料的坑热衰退性不良， 一 般来说，在 2 5 0 开始明显衰退，在 3 5 0可能出现失效。其次是它对人体的伤害，石棉纤维被大量吸入肺部可能会造成石棉 肺， 肺 癌等 疾病。 目 前国际 上虽 然己 经取消了 关于使用石 棉的 全面禁令，不认为微量吸入石棉必然会导致上述疾病，但在生产及应用环境中，适当控制是必须 的。 玻璃纤维是代替石棉纤维用于树脂基摩阻材料的一类极广泛的增强剂。其优点是:强度高、 摩擦系数高、 热稳定性好、对人体危害低于石棉;其缺点是:硬度高、所制得摩阻材料磨损率大、 超过 8 0 0 后形成玻璃纤维微珠，易损伤对偶、与树脂亲和性差，需要偶联剂处理，价格高于石棉。 钢纤维用作树脂基摩阻材料始于2 0 世纪 6 0 年代，所制材料称为半金属摩阻材料。目前，钢纤维是代替石棉纤维的最重要的增强材料之一。半金属摩阻材料也最重要的一类无石棉树脂基摩阻材料。 与非金属纤维相比，钢纤维有许多优点: ( 1 )韧性好，因而可提高复合材料的韧性; ( 2 )耐磨性好，因而适宜用于制造树脂基摩阻材料，并使使用寿命延长; ( 3 )耐热性好，所制摩阻材料抗热衰退性优良，因而摩擦系数等稳定; ( 4 )导热性好， 所制摩阻材料散热 ( 摩擦热) 快，温升低; ( 5 )附着性好，与树脂基体界面粘结牢固，材料强度高; ( 6 ) 振动特性与非 金属差异较大， 因而当 它们混 用时， 有利于消振和 消声: ( 7 )几何特征任意选取 ( 纤维长度、直径、长径比、横断面及表面形态) 可任意选择，很容易适应各种类型、各种工况下摩阻制品的制造要求; ( 8 ) 原料充 足， 组成及 性能 可调性好， 使所增强的树脂 基摩阻材料多 样化。 但钢纤维也存在 一 些重大缺点: f l )密度大，使得半金属摩阻材料 的密度通常高于石棉增强摩阻材料密19西北工业大学硕士学位论文 的 3 0 %-5 0 yo; ( 2 ) 易腐蚀， 使得半金属摩阻制品 摩擦表 面极易 生锈， 严重影响 使用安 全 1性; ( 3 ) 导热性过好，以 致半金属 摩阻 制品刹 车时 产生高温容易 传至整个刹车 系统，导致系统失效; ( 4 ) 硬度较 大， 所制摩阻制品 易刮 伤对偶和 产生摩 擦噪 音; ( 5 )导电 性好， 使得制品不 能用于 要求电绝 缘的制 动系统。 芳纶纤维具有优良的耐热性、高强度、高模量、抗冲击、高尺寸稳定以及不熔不燃、 低密度等特性使其很适宜用作树脂基摩阻材料的增强剂。 至 1 9 9 8 年，芳纶用于摩阻材料领域已占其市场份额的 4 5 %, 2 0 世纪 9 0 年代芳纶在摩阻材料中的 应用呈现了 最快的年增 长率。 但是， 芳纶 纤维价格高， 在我国的 应用还十分有限。 此外还有一些用其他纤维增强的 树脂基摩阻材料，如碳纤维及预氧化丝、陶瓷纤维、硅灰石纤维、海泡石纤维、玄武岩纤维、 钦酸钾纤维、纤维素纤维等 3 -7 1 。由 于 各种原因， 它们的 使用较少， 这里 就不再 赘述。 综上所述，以各种纤维增强的树脂基摩阻材料具有各自不同的优点，它们是当前应用最广泛的一类摩阻材料。然而，无论采用那种纤维增强，这种摩阻材料受高温下树脂热解的影响都有一个共同的缺点，即工作温度不能过高 一般在 4 0 0 以下)。2 .2金属基摩阻材料 金属基摩阻材料可分为粉末冶金摩阻材料及铸铁摩阻材料两种。 粉末冶金摩阻材料是以金属 ( 铁或铜粉)为基体，加入起润滑作用的减摩组分 ( 石墨、 m0 5 2 .硫化物、 低熔点合金等)和增摩组分 ( 金属氧化物、 石棉、碳化物、氧化硅)，经混合、压制成型和加压烧结而成。粉末冶金摩阻材料主要分为铁基和铜基两类。与 传统的有机粘结的材料相比，它具有以下优点: ( 1 )能在相当高的温度和压力下工作;西北工业大学硕士学位论文 的 3 0 %-5 0 yo; ( 2 ) 易腐蚀， 使得半金属摩阻制品 摩擦表 面极易 生锈， 严重影响 使用安 全 1性; ( 3 ) 导热性过好，以 致半金属 摩阻 制品刹 车时 产生高温容易 传至整个刹车 系统，导致系统失效; ( 4 ) 硬度较 大， 所制摩阻制品 易刮 伤对偶和 产生摩 擦噪 音; ( 5 )导电 性好， 使得制品不 能用于 要求电绝 缘的制 动系统。 芳纶纤维具有优良的耐热性、高强度、高模量、抗冲击、高尺寸稳定以及不熔不燃、 低密度等特性使其很适宜用作树脂基摩阻材料的增强剂。 至 1 9 9 8 年，芳纶用于摩阻材料领域已占其市场份额的 4 5 %, 2 0 世纪 9 0 年代芳纶在摩阻材料中的 应用呈现了 最快的年增 长率。 但是， 芳纶 纤维价格高， 在我国的 应用还十分有限。 此外还有一些用其他纤维增强的 树脂基摩阻材料，如碳纤维及预氧化丝、陶瓷纤维、硅灰石纤维、海泡石纤维、玄武岩纤维、 钦酸钾纤维、纤维素纤维等 3 -7 1 。由 于 各种原因， 它们的 使用较少， 这里 就不再 赘述。 综上所述，以各种纤维增强的树脂基摩阻材料具有各自不同的优点，它们是当前应用最广泛的一类摩阻材料。然而，无论采用那种纤维增强，这种摩阻材料受高温下树脂热解的影响都有一个共同的缺点，即工作温度不能过高 一般在 4 0 0 以下)。2 .2金属基摩阻材料 金属基摩阻材料可分为粉末冶金摩阻材料及铸铁摩阻材料两种。 粉末冶金摩阻材料是以金属 ( 铁或铜粉)为基体，加入起润滑作用的减摩组分 ( 石墨、 m0 5 2 .硫化物、 低熔点合金等)和增摩组分 ( 金属氧化物、 石棉、碳化物、氧化硅)，经混合、压制成型和加压烧结而成。粉末冶金摩阻材料主要分为铁基和铜基两类。与 传统的有机粘结的材料相比，它具有以下优点: ( 1 )能在相当高的温度和压力下工作; 第 i 章 绪沦里 ， 旦 旦 绝 ， ， ， ， 旦 旦 旦 旦 旦 ， 里 旦 . 旦 旦 巴 ， 组 旦 旦 旦 ， 里 巴 旦 组 ， ( 2 )有较高的耐磨性; ( 3 )有油或水存在时性能稳定; ( 4 )能抗冲击载荷; ( 5 )受气温、大气湿度变化的影响小等。 但是粉末冶 金摩阻 材料也存在一 些缺点，如 铁基摩阻材料 对偶 件表面 易粘着， 铜基摩阻材料的 摩擦系 数较小。另 外这类 摩阻 材料的 密度大，所以它已 较少应 用在飞机上， 而被c / c 摩阻 材料 所取代。 铸铁摩阻 材料 是以 铸铁为 主要组 分， 加入铝、 铭等少量 其他元 素的 摩阻材料， 这种材料 成本 低， 有稳定的 摩擦性能。 但是它存在密 度大、 抗腐蚀性差的缺点，并且机械性能受温度的影响比较大。 ，v 。1 .2 .3 c / c 摩阻 材料 随着现代飞机的发展， 对摩阻材料提出更高的要求。 现代高速飞机刹车时，刹车盘摩擦表面温度高达 1 0 0 0 -1 3 0 0 1c，己达到传统的粉末冶金摩阻材料 金属钢或被) 的极限使用温度。 由碳纤维增强碳基体的c / c复合材料具有低密度、耐高温、抗腐蚀、良好的化学稳定性、抗热震性好及不易发生突发灾难性破坏等一 系列 优点，目 前在 航空 航天领域得到了 广泛的应 用， 尤其是作为 摩阻 材料用在飞机的刹车系统上。c / c刹车材料用在飞机上，不仅可以大幅提高刹车盘的服役温度，而且可以显著减少飞 机的质量。 例如，同粉末冶金摩阻材料相比，它可以使 波音7 5 7 减重3 0 0 k g ， 波音7 4 7 减重6 0 0 k g 以 上， 因而 在飞 机上得 到了 广泛的应用。以民用飞机为例，截至 1 9 9 4 年世界上大型客机中，有 2 0 % 架使用了c / c刹车材料。 主要使用的飞机有空中客车系列a 3 0 0 , a 3 0 0 - 6 0 0 , a 3 1 0 ,a 3 2 0 t , a 3 2 0 b , a 3 2 1 - b , a 3 3 0 - 3 4 0 ,波音系列的b 7 5 7 , b 7 5 7 - 3 0 0 , b 7 4 7 - 4 0 0 ,b 7 7 7 ， 麦道系列md 9 0 , md 1 1 及福克尔f 1 0 0 , b a e 1 4 6 - 2 0 0 等机种。因此 c / c刹车材料被认为是刹车材料发展史上的一次重大的技术进步，它的采用已成为衡量航空机轮水平的重要标志之一。自c / c刹车盘问世以来，国际航空刹车市场 基本被 法国m e s s i e r 、 美国b f g o o d r i c h , b e n d i x , g o o d y e a r ， 英国d u n l o p 等 第 i 章 绪沦里 ， 旦 旦 绝 ， ， ， ， 旦 旦 旦 旦 旦 ， 里 旦 . 旦 旦 巴 ， 组 旦 旦 旦 ， 里 巴 旦 组 ， ( 2 )有较高的耐磨性; ( 3 )有油或水存在时性能稳定; ( 4 )能抗冲击载荷; ( 5 )受气温、大气湿度变化的影响小等。 但是粉末冶 金摩阻 材料也存在一 些缺点，如 铁基摩阻材料 对偶 件表面 易粘着， 铜基摩阻材料的 摩擦系 数较小。另 外这类 摩阻 材料的 密度大，所以它已 较少应 用在飞机上， 而被c / c 摩阻 材料 所取代。 铸铁摩阻 材料 是以 铸铁为 主要组 分， 加入铝、 铭等少量 其他元 素的 摩阻材料， 这种材料 成本 低， 有稳定的 摩擦性能。 但是它存在密 度大、 抗腐蚀性差的缺点，并且机械性能受温度的影响比较大。 ，v 。1 .2 .3 c / c 摩阻 材料 随着现代飞机的发展， 对摩阻材料提出更高的要求。 现代高速飞机刹车时，刹车盘摩擦表面温度高达 1 0 0 0 -1 3 0 0 1c，己达到传统的粉末冶金摩阻材料 金属钢或被) 的极限使用温度。 由碳纤维增强碳基体的c / c复合材料具有低密度、耐高温、抗腐蚀、良好的化学稳定性、抗热震性好及不易发生突发灾难性破坏等一 系列 优点，目 前在 航空 航天领域得到了 广泛的应 用， 尤其是作为 摩阻 材料用在飞机的刹车系统上。c / c刹车材料用在飞机上，不仅可以大幅提高刹车盘的服役温度，而且可以显著减少飞 机的质量。 例如，同粉末冶金摩阻材料相比，它可以使 波音7 5 7 减重3 0 0 k g ， 波音7 4 7 减重6 0 0 k g 以 上， 因而 在飞 机上得 到了 广泛的应用。以民用飞机为例，截至 1 9 9 4 年世界上大型客机中，有 2 0 % 架使用了c / c刹车材料。 主要使用的飞机有空中客车系列a 3 0 0 , a 3 0 0 - 6 0 0 , a 3 1 0 ,a 3 2 0 t , a 3 2 0 b , a 3 2 1 - b , a 3 3 0 - 3 4 0 ,波音系列的b 7 5 7 , b 7 5 7 - 3 0 0 , b 7 4 7 - 4 0 0 ,b 7 7 7 ， 麦道系列md 9 0 , md 1 1 及福克尔f 1 0 0 , b a e 1 4 6 - 2 0 0 等机种。因此 c / c刹车材料被认为是刹车材料发展史上的一次重大的技术进步，它的采用已成为衡量航空机轮水平的重要标志之一。自c / c刹车盘问世以来，国际航空刹车市场 基本被 法国m e s s i e r 、 美国b f g o o d r i c h , b e n d i x , g o o d y e a r ， 英国d u n l o p 等西 北 工业 大学 硕 士 学 位 论 文五家公司垄断。 但是c / c刹车材料同样存在着以下一些缺点: ( 1 ) 摩擦系数不稳定， 受湿度的影响很大， 存在着 “ 早晨病”。 这是由 于 c / c刹车材料存在 5- 1 0 % 作用的气孔率，在夜间的潮湿空气中停放会 吸收大量水分，所以早晨出现首次刹车时减速率下降而刹不住车的现 象; ( 2 ) 抗氧化性能 较差， 从而导 致刹车 热库使 用寿命短; ( 3 ) 抗磨损性较 差; ( 4 ) 成本太高，限 制了 它的 应用范围 8 . 9 1 . 2 . 4 c / s i c摩阻材料 碳纤维增强碳化硅基体的 c / s i c复合材料具有下述一系列的优 良 性能:低密度、耐高温、高强度、高韧性、高耐磨性、高导热率、高设计容限、优良的化学稳定性、低热膨胀系数等。 最初，这种材料应用于高温短期应用的部件中，例如飞机的引擎部件或航天飞机的热防护装置。自9 0 年代初期， 人们已经意识到这种材料在摩擦领域中广阔的应用前景。表 1 - 1 是以上四种不同摩阻材料的综合比较。同 c / c摩阻材料相比， c / s i c摩阻材料的优点是耐磨损，抗氧化性好，能克服潮湿环境下摩擦系数不稳定的现象。而且采用合理的工艺，可使工艺时间大幅缩短，成本大幅降低。 表 1 - 1 不同 摩阻 材料的比较t a b . 1 - 1 c o m p a r i s o n s o f d iff e r e n t f r ic t i o n a l ma t e r i a l s)(000姆0(3(4(代，产摩阻材料 种类 树 脂基 金属基 碳/ 碳碳/ 碳化硅 密度( g / c m , )最大工作温度 ( )抗磨损性应用领域一般一般稍差好普通汽车飞机 ( 早期)匕 机、重载汽车跑车飞机( 未来)、跑车、高速列车西 北 工业 大学 硕 士 学 位 论 文五家公司垄断。 但是c / c刹车材料同样存在着以下一些缺点: ( 1 ) 摩擦系数不稳定， 受湿度的影响很大， 存在着 “ 早晨病”。 这是由 于 c / c刹车材料存在 5- 1 0 % 作用的气孔率，在夜间的潮湿空气中停放会 吸收大量水分，所以早晨出现首次刹车时减速率下降而刹不住车的现 象; ( 2 ) 抗氧化性能 较差， 从而导 致刹车 热库使 用寿命短; ( 3 ) 抗磨损性较 差; ( 4 ) 成本太高，限 制了 它的 应用范围 8 . 9 1 . 2 . 4 c / s i c摩阻材料 碳纤维增强碳化硅基体的 c / s i c复合材料具有下述一系列的优 良 性能:低密度、耐高温、高强度、高韧性、高耐磨性、高导热率、高设计容限、优良的化学稳定性、低热膨胀系数等。 最初，这种材料应用于高温短期应用的部件中，例如飞机的引擎部件或航天飞机的热防护装置。自9 0 年代初期， 人们已经意识到这种材料在摩擦领域中广阔的应用前景。表 1 - 1 是以上四种不同摩阻材料的综合比较。同 c / c摩阻材料相比， c / s i c摩阻材料的优点是耐磨损，抗氧化性好，能克服潮湿环境下摩擦系数不稳定的现象。而且采用合理的工艺，可使工艺时间大幅缩短，成本大幅降低。 表 1 - 1 不同 摩阻 材料的比较t a b . 1 - 1 c o m p a r i s o n s o f d iff e r e n t f r ic t i o n a l ma t e r i a l s)(000姆0(3(4(代，产摩阻材料 种类 树 脂基 金属基 碳/ 碳碳/ 碳化硅 密度( g / c m , )最大工作温度 ( )抗磨损性应用领域一般一般稍差好普通汽车飞机 ( 早期)匕 机、重载汽车跑车飞机( 未来)、跑车、高速列车第 1 章绪 论 德国宇航院 ( d l r)在这方面己进行了七年的研究，取得了一些突破性的进展。 s g l c a r b o n g r o u p 采用反应熔体浸渗法已 生产出具有优异性能的c / s ic 复合材料， 并成功的用在 p o r s c h e r 跑 车及一 些高 速列车的刹 车系 统上p 0 - 1 2 1我国目前还无此方面的研究报道。1 .3 c / s i c复合材料的制备方法 c / s i c复合材料可以通过气相、液相及陶瓷等三种途径来制备。气相途径一 般指化学气相渗透法 ( c v i ) ，液相途径包括聚合物浸渗热解法 ( p i p )和反应熔体浸渗法 ( m) ,陶瓷途径通常是把用陶瓷料浆浸渍过的增强体在高温高压下热压制得 c / s i c复合材料， 所以也常称为热压烧结法。每一种方法都有各自的优缺点，下面分别对其讨论。31 化学气相渗透法 化学 气相渗透法 ( c h e m i c a l v a p o r i n f i l t r a t i o n , 简称c v i )是日 前 生产陶瓷基复合材料应用最广泛的一种方法。它的基本原理是，将气态先驱体送达多孔隙的纤维预制体中的纤维表面，在其上发生化学反应，生成不挥发的产物并沉积，形成s i c陶瓷基体。 c v i 法的主要优点是: ( 1 )工艺温度低。c v i 工艺可以实现较低的反应温度下形成高熔点的陶瓷基体，从而避免了纤维在高温下的性能下降; ( 2 ) 适用面广。能制备硅化物，碳化物，硼化物，氮化物和氧化物等多种陶瓷材料，并可实现微观尺度上的成分设计;( 3 )近净尺寸成型。 制品不需加工或只需很少机械加工即可达到要求的尺寸与形状; ( 4 )对纤维机械损伤小。c v i 过程中基本上不需要对预成型体施加压力，输入气态先驱体和排除挥发性产物均在低压下进行， 因此纤维在c v i 过程中不承受或极少承受机械应力。 但是c v i 法存在以下问题: ( 1 ) s i c 基体致密化速度低，生成周期长 ( 1 0 0 h 以上)，制造成本很高:( 2 ) 复合材料不可避免的存在 1 0- 1 5 %的孔隙，以作为大分子量沉积副产物的逸 出通道 ， 从 而影响 了复合材料 的力学性能 、导热性能及抗氧化性能:( 3 )第 1 章绪 论 德国宇航院 ( d l r)在这方面己进行了七年的研究，取得了一些突破性的进展。 s g l c a r b o n g r o u p 采用反应熔体浸渗法已 生产出具有优异性能的c / s ic 复合材料， 并成功的用在 p o r s c h e r 跑 车及一 些高 速列车的刹 车系 统上p 0 - 1 2 1我国目前还无此方面的研究报道。1 .3 c / s i c复合材料的制备方法 c / s i c复合材料可以通过气相、液相及陶瓷等三种途径来制备。气相途径一 般指化学气相渗透法 ( c v i ) ，液相途径包括聚合物浸渗热解法 ( p i p )和反应熔体浸渗法 ( m) ,陶瓷途径通常是把用陶瓷料浆浸渍过的增强体在高温高压下热压制得 c / s i c复合材料， 所以也常称为热压烧结法。每一种方法都有各自的优缺点，下面分别对其讨论。31 化学气相渗透法 化学 气相渗透法 ( c h e m i c a l v a p o r i n f i l t r a t i o n , 简称c v i )是日 前 生产陶瓷基复合材料应用最广泛的一种方法。它的基本原理是，将气态先驱体送达多孔隙的纤维预制体中的纤维表面，在其上发生化学反应，生成不挥发的产物并沉积，形成s i c陶瓷基体。 c v i 法的主要优点是: ( 1 )工艺温度低。c v i 工艺可以实现较低的反应温度下形成高熔点的陶瓷基体，从而避免了纤维在高温下的性能下降; ( 2 ) 适用面广。能制备硅化物，碳化物，硼化物，氮化物和氧化物等多种陶瓷材料，并可实现微观尺度上的成分设计;( 3 )近净尺寸成型。 制品不需加工或只需很少机械加工即可达到要求的尺寸与形状; ( 4 )对纤维机械损伤小。c v i 过程中基本上不需要对预成型体施加压力，输入气态先驱体和排除挥发性产物均在低压下进行， 因此纤维在c v i 过程中不承受或极少承受机械应力。 但是c v i 法存在以下问题: ( 1 ) s i c 基体致密化速度低，生成周期长 ( 1 0 0 h 以上)，制造成本很高:( 2 ) 复合材料不可避免的存在 1 0- 1 5 %的孔隙，以作为大分子量沉积副产物的逸 出通道 ， 从 而影响 了复合材料 的力学性能 、导热性能及抗氧化性能:( 3 )第 1 章绪 论 德国宇航院 ( d l r)在这方面己进行了七年的研究，取得了一些突破性的进展。 s g l c a r b o n g r o u p 采用反应熔体浸渗法已 生产出具有优异性能的c / s ic 复合材料， 并成功的用在 p o r s c h e r 跑 车及一 些高 速列车的刹 车系 统上p 0 - 1 2 1我国目前还无此方面的研究报道。1 .3 c / s i c复合材料的制备方法 c / s i c复合材料可以通过气相、液相及陶瓷等三种途径来制备。气相途径一 般指化学气相渗透法 ( c v i ) ，液相途径包括聚合物浸渗热解法 ( p i p )和反应熔体浸渗法 ( m) ,陶瓷途径通常是把用陶瓷料浆浸渍过的增强体在高温高压下热压制得 c / s i c复合材料， 所以也常称为热压烧结法。每一种方法都有各自的优缺点，下面分别对其讨论。31 化学气相渗透法 化学 气相渗透法 ( c h e m i c a l v a p o r i n f i l t r a t i o n , 简称c v i )是日 前 生产陶瓷基复合材料应用最广泛的一种方法。它的基本原理是，将气态先驱体送达多孔隙的纤维预制体中的纤维表面，在其上发生化学反应，生成不挥发的产物并沉积，形成s i c陶瓷基体。 c v i 法的主要优点是: ( 1 )工艺温度低。c v i 工艺可以实现较低的反应温度下形成高熔点的陶瓷基体，从而避免了纤维在高温下的性能下降; ( 2 ) 适用面广。能制备硅化物，碳化物，硼化物，氮化物和氧化物等多种陶瓷材料，并可实现微观尺度上的成分设计;( 3 )