高档轿车用CC-SiC制动材料的摩擦磨损性能研究.doc

附件2中南大学大学生创新训练项目项 目 申 请 书(理工类)项目名称： 高档轿车用C/C-SiC制动材料的摩擦磨损性能研究 申 请 人： 刘卫来 所在班级： 材化0901 指导教师： 肖鹏 教授 学科专业： 材料科学与工程 所在单位： 粉末冶金研究院 联系电话：E - MAIL： 1070156873 申请日期： 中 南 大 学2011年6月填 写 说 明1本申请书所列各项内容均须实事求是，认真填写，表达明确严谨，简明扼要。2本申请书为大十六开本（A4），左侧装订成册。可网上下载、自行复印或加页，但格式、内容、大小均须与原件一致。3申请人所在学院认真审核，签署意见后，将申请书（一式两份）报送本科生院特色教育办公室。一、简况项目名称高档轿车用C/C-SiC制动材料的摩擦磨损性能研究所属学科材料科学与工程批准经费起止年月年 月至 年 月申请人姓名刘卫来性别男民族汉出生年月1990.2身份证号0703090210指导教师职务职称电话项目参与人性别出生年月班级学院学号电话李宏然1990.7材化0901粉冶院070309021115574364941熊婷1990.1粉体0903粉冶院070309061915200863440马闻达1990.11材化0901粉冶院070309020815084968597邱成滨1990.3材化0901粉冶院070309020715580030264申请人曾参与和本项目相关科研的情况指导教师承担本项目相关科研课题情况项目情况简介炭纤维增强C-SiC双基体(C/C-SiC)制动材料是二十世纪末发展起来的新一代高性能制动材料。具有密度低(2.0gcm3)、抗腐蚀、摩擦系数高而且稳定，湿态摩擦系数衰减小，磨损小，刹车比大等一系列优异性能，尤其能克服C/C复合材料静态和湿态摩擦系数低等缺点。申请者课题组综合考虑制备C/C-SiC制动材料的方法，一般为化学气相渗透+熔Si浸渗法和温压-原位反应法，化学气相渗透+熔Si浸渗法制备的C/C-SiC致密度高、摩擦磨损性能优异，但工艺复杂，生产周期约为500h，成本高。而温压-原位反应法制备周期短，成本低，但部件力学性能较低、韧性较差，材料致密度较低。本课题在综合课题组前期两种C/C-SiC制备工艺优点的基础上，采用温压+熔Si浸渗相结合的工艺制备C/C-SiC制动材料。研究C/C-SiC制动材料的成分、组织结构以及SiC、基体炭和炭纤维间界面特性的优化设计;C/C-SiC制动材料的热物理性能;炭纤维含量及熔Si浸渗时间和温度以及不同制动速度对C/C-SiC制动材料力学性能和摩擦磨损性能的影响。C/C-SiC制动材料摩擦磨损性能的研究主要包括摩擦表面和亚表面成分、组织结构的影响;制动条件与环境的影响;以及摩擦面摩擦膜的再生和自修复行为特征，同时揭示C/C-SiC制动材料的摩擦磨损机理。通过对温压+熔Si浸渗法制备C/C-SiC制动材料的研究，开发出具有自主知识产权的高性能C/C-SiC制动材料制备新技术，对解决现有工艺制备C/C-SiC制动材料时低成本与高性能不可兼得的难题具有重要的意义。二、课题论证（一）立项依据与研究内容（4000-8000字）1 立项依据(研究意义、国内外研究现状及发展动态分析，需结合科学研究意义、国内外研究现状及发展动态分析，需结合科学研究发展趋势来论述科学意义；或结合国民经济和社会发展中迫切需要解决的关键科技问题来论述其应用前景。附主要参考文献目录)随着科学技术的发展，汽车朝高速、高效、节能、轻型化方向发展，因此，汽车制动系统对制动材料提出了更高的要求：在广泛的温度范围内(-40600)磨损小、有足够而稳定的摩擦系数(0.30.5)、抗热衰退性、无噪声、不污染环境、热容量大、导热性高、经济性好、原料来源充裕、价格便宜、生产制造工艺简单等。根据材料基体的不同，当前使用的制动材料有树脂基(石棉型、半金属型、无石棉有机物型)、金属基(灰铸铁、粉末冶金摩擦材料)、C/C、C/C-SiC 四类。石棉已被医学界证实是致癌物质，半金属型存在着钢纤维易生锈、易损伤对偶件的缺点，金属基制动材料存在密度大(大于72 gcm3)、易腐蚀、摩擦系数随温度和滑动速度的升高而明显下降、高温易粘结、湿态下摩擦系数低的缺点，粉末冶金摩擦材料主要缺点为高温高压制作过程复杂，原料成本高，噪音和脆性大以及对偶件的擦伤和磨损大。C/C-SiC复合材料作为制动材料，具有密度低(2.0gcm3)、强度高、抗腐蚀、抗氧化和耐高温等一系列优异性能，尤其能克服C/C复合材料静态和湿态摩擦系数低等缺点，具有摩擦系数高而且稳定，湿态摩擦系数衰减小，磨损小，刹车比大，刹车系统体积小等优点。能保障动力机械在高速度、大功率时的刹车安全性，能大幅度提高刹车效率及刹车片的使用寿命，在摩擦材料领域有着越来越多的应用。20世纪90年代早期，C/C-SiC 复合材料开始应用于摩擦领域，成为最新一代高性能制动材料而引起了研究者的广泛关注，美、德、日等工业发达国家正逐步展开理论和应用研究，美国橡树岭国家实验室正与Honeywell Advanced Composites公司、Honeywell Aircraft Landing Systems公司、Honeywell Commercial Vehicle Systems公司合作，研制低成本的C/C-SiC复合材料刹车片。德国宇航天院(DLR)的KrenkelD等人率先开展研究并已有较成熟的技术，制备的C/C-SiC制动材料已成功应用到保时捷(Porsche 911 Turbo)和新款奥迪A8L等高档汽车上，但其制备技术一直处于严格保密状态。在国内，对C/C-SiC复合材料的制备工艺和摩擦性能也只进行了初步研究，制备C/C-SiC复合材料主要有热压烧结法(HPS)、化学气相浸渗法(CVI)、先驱体转化法(LPI)、模压法和熔硅浸渗法( I) 。改革开放以来，通过吸收外资，我国引进了大量车型的汽车制造技术，轿车、镦型车、轻型车迅速发展。我国的汽车工业正处于一个高速发展的起步时期，除了产品数量上的迅速增长外，对汽车性能包括刹车材料的要求，也将会日益苛刻。巨大的市场潜力和产品性能及制造技术上的差距，给我国的汽车材料工作者提出了一系列新的课题。目前我国有些刹车材料的研制和生产。虽取得了一些成果，但在连续、大量、高速及优质生产方面，仍存在着很大差距。具体表现：a生产配料及称量：国外是机械化、自动化配料和称量，而我国大都是人工操作；b生产过程中工艺参数的控制：国外对其温度、压力、时间等工艺参数采用自动控制，我们大都是人工控制这些参数；c制品外形足寸精度：国外是小于0.05mm，而我们的剐小于0.35mm d制品表面烧灼处理：国外采用自动化表面烧灼处理，而国内对其基本上未烧灼处理；e产品防噪声、防锈蚀及打印商标等工艺操作：国外采用自动化或机械化，而我们在这方面亦是落后。产品性能方面也存在巨大差距，我国汽车用刹车材料一直沿用石棉制品，现今对制动材料的研制和生产虽取得了重大进展，但产品的品种系列性差，性能等级不分明，稳定性及热衰退性差，以及其它性能上亦较差。具体表现在：a无石棉刹车材料所占比重尚很小，现在国外已占其刹车材料总量的90 ，而我国是刚起步；b产品热衰退率高，国外为2530，而我国的则高选4050；c磨损率高，我国的同类产品现比国外的低l位以上；d硬度高，国外的硬度为HB25，而我国的为HB3540；e密度大，国外的是17008gcm 3，而我国的均在20gcm3 以上；f使用寿命短，如制动片，国外高达(45)104km，我国的仅(23)104km；离合器片，国外高达(1015)104km，我国的仅(35)104 km；g产品力学强度低，如制动片，国外的达392 490kPa，我国的为343441kPa；离舍器片，国外的大于l0000rmin，而我国的仅为50006000rmin。 通过调查研究汽车行业的发展状况，可知从全球各主要国家近两年汽车销售情况看，2008年中国的汽车销量达到938万辆，已经超过了日本和韩国成为世界第二，2009年汽车销量仍保持增长的国家主要有中国、德国、巴西、法国和韩国。其中增长最快的是中国市场，增长率达到46%以上。2010年，在经济和居民收入持续增长带动下，在购置税优惠、以旧换新、汽车下乡、节能惠民产品补贴等鼓励性消费政策刺激下，我国汽车销售延续了2009年快速增长态势，全年销售汽车1806万辆，同比增长32.37%，年销量刷新全球历史记录，稳居世界第一汽车销售大国。无疑，这是一个巨大的市场，汽车行业的发展将会带动其他各个领域的飞速发展，对推动国民经济增长和提高人民生活水平具有重大作用，作为新世纪大学生的我们有责任为此做出自己的贡献。而作为汽车主要部件之一的汽车摩擦片既是保安件又是易损件，其社会维修配件需用量很大，前景极其广阔。随着我国汽车行业的发展，将产生几个百万辆生产企业，对汽车刹车材料的需求，尤其是对于新型的、现代汽车刹车材料的需求也将会剧增 。无论是社会发展的必然趋势，还是国民经济增长的迫切需要，还是关键技术落后的无限鞭策，C/C-SiC制动材料在汽车行业的发展前景都非常广阔，为缩小与发达国家的差距，掌握C/C-SiC制动材料的核心技术，提高人民的生活水平，促进我国的经济增长，振兴我国的民族工业，研究C/C-SiC制动材料的摩擦磨损性能具有重要的社会和经济意义。参考文献1. 肖鹏, 熊翔, 张红波, 黄伯云. C/C-SiC陶瓷制动材料的研究现状与应用J. 中国有色金属学报, 2005. 15(5).667- 674.2. 李专, 肖鹏, 熊翔. 温压-原位反应法制备C/C-SiC 材料的压缩性能及其破坏机理J.中国有色金属学报. 18(1), 2008:1-63. 肖鹏, 付美荣, 熊翔. 刹车速度对RMI-C/C-SiC复合材料摩擦磨损行为的影响. 中南大学学报(自然科学版),2007,38(4):602-607.4. LI Zhuan, XIAO Peng, XIONG Xiang. Tribological characteristics of C/C-SiC braking composites on dry and wet conditionsJ. The Chinese Journal of Nonferrous Metals. 18(5),2008,: 1071-10755. 王林山，熊翔，肖鹏，闫志巧，张红波，刘根山 .高温热处理对C/C-SiC复合材料制备与力学性能的影响.新型碳材料，2005，20（3）:0078227.6. Krenkel W, Henke T. Design of high performance CMC brake disksJ. Key Eng Mater,1999,164165: 421424.7. 杨 阳，熊 翔，刘伯威.我国汽车制动材料的研究现状及发展趋势.2008年青年摩擦学与表面学术会议.8. 刘震云，黄伯云，苏 堤，李度成. 增强纤维含量对汽车摩擦材料性能的影响J. 摩擦学学报，1999，19（4）：322-326. LIU Zhen-yun，HUANG Bai-yun，SU Di，LI Du-cheng. Relationship between fiber content and properties of automotive friction materials. Tribology，1999，19（4）：322-326.2 研究的主要内容、研究目标、拟解决的关键问题（1）用温压+熔Si浸渗法制备C/C-SiC制动材料。（2）C/C-SiC制动材料力学性能及热物理性能的研究。（3）选取不同的汽车常用偶合金属材料及C/C-SiC自身偶合组成摩擦副，控制不同刹车速度，不同刹车载荷及不同刹车气氛环境，进行摩擦制动试验，测试C/C-SiC的摩擦磨损性能。(4) 综合运用光学显微镜、三维数字视频显微镜、扫描电镜、X射线衍射及电子能谱、表面轮廓仪等现代测试分析手段，研究摩擦材料及对偶件表面及磨屑的摩擦表面、亚表面及磨屑的形貌、结构、表面轮廓形貌及表面应力分布，成分等的变化。(5) 分析不同制动条件下C/C-SiC制动材料的摩擦磨损机理。主要研究不同制动状态下制动材料C/C-SiC，磨屑，以及对偶材料，摩擦表面和亚表面成分、形貌特征及组织结构的变化对摩擦磨损性能的影响规律，制动条件与环境对材料摩擦磨损性能影响，以及摩擦面摩擦膜的再生和自修复行为特征，揭示C/C-SiC制动材料的摩擦磨损机理。研究目标：以寻求与C/C-SiC组成最佳对偶组对偶件为目标，研究温压+熔Si浸渗法制备工艺中与炭纤维表面防护、SiC反应、界面扩散等相关的热力学和动力学等问题，探明C/C-SiC材料的组织结构、力学性能、热物理性能和摩擦磨损性能等，揭示C/C-SiC制动材料在不同制动条件下的摩擦磨损行为及其机理，选择最佳汽车用制动偶合件。拟解决的关键科学问题:(1)在熔Si浸渗过程中控制Si与基体炭、炭纤维的反应过程，保持炭纤维的强度，获得较高强度和韧性的C/C-SiC制动材料。(2)在模拟汽车制动进行试验时，对不同现实生活中可能出现的制动环境（速度，载荷，天气路面状况）的控制如何最大限度的接近事实。3采取的研究方案及可行性分析（包括有关方法、技术路线、实验手段、关键技术等说明）研究方法：采用短炭纤维、Si粉、炭粉、树脂、C3H6和N2等为原材料。流态化化学气相沉积(CVD)法制备炭纤维表面热解炭涂层，沉积温度9001000、N2/C3H6为22.5。采用温压原位反应法制备C/C-SiC制动材料。采用排水法测试试样的密度和开孔率。在MM-1000型惯性试验机上模拟高级汽车制动条件及不同环境气氛进行摩擦制动实验。采用金相显微镜、SEM 、TEM和XRD等现代测试分析设备，观察(测试)试样中炭纤维、SiC、炭等各相的分布状态、组织结构和形貌以及摩擦(亚)表面、磨屑等的特征。实施方案：(1) 以树脂为粘结剂，将短炭纤维与Si粉、炭粉等按一定配比混合后温压(T200, P10MPa)成形；(2)采用流态化CVD在短纤维表面沉积粗糙层结构热解炭涂层，随后进行高温处理，以提高炭纤维的防Si化损伤能力 (3)测试分析C/C-SiC制动材料的强度、冲击韧性、断裂韧性、表面硬度和导热性能等，微观分析材料的成分与组织结构。(4)以铸钢为对偶件，在MM-1000型惯性试验机上模拟高级制动条件及不同环境气氛（水蒸气、水浸渍、雪淹埋、盐雾等）进行摩擦制动实验，研究C/C-SiC制动材料的摩擦磨损性能，用以指导材料的成分对性能的影响。关键技术：(2)将短炭纤维、炭粉、Si粉、树脂等原材料均匀混合，采用低温(150)低压成型、高温(1450)原位反应工艺近尺寸制备C/C-SiC制动材料。系统研究温度、气氛等主要工艺参数和炭纤维、炭基体、SiC基体含量、分布和形貌等对C/C-SiC材料力学性能、热物理性能和摩擦磨损性能等的影响及其规律。综合运用光学显微镜、扫描电镜、X射线衍射及电子能谱、表面轮廓仪等现代测试分析手段，观察试样的摩擦表面、亚表面及磨屑的形貌、结构、表面轮廓形貌及表面应力分布等的变化。研究摩擦表面和亚表面成分、组织结构的变化对摩擦磨损性能的影响规律，以及摩擦面摩擦膜的再生和自修复行为特征，揭示C/C-SiC制动材料的摩擦磨损机理。技术路线 4 本项目的特色与创新之处(1) 以温压/炭化的方法使C/C多孔体，C/C-SiC材料的成本大幅度降低，生产周期显著缩短。(2) C/C-SiC摩擦材料具有密度低、强度高、耐高温、热物理性能好等性能，尤其具有摩擦系数高且稳定，对环境的影响不敏感等优点（3）21000型摩擦试验机上进行研究真空条件下不同金属对偶材料对C/ C2SiC复合材料摩擦磨损性能的影响，以C/C-SiC复合材料作为动试验环，方便实验5 年度研究计划及预期研究成果（发表论文、申请专利等）2011年612月 在不同制动速度下，C/C-SiC复合材料采用模拟汽车惯性台架试验制动方法进行摩擦磨损性能测试。2012年16月 选取不同的汽车常用偶合金属材料及其自身与C/C-SiC偶合组成摩擦副，同样采用模拟惯性汽车台架实验制动方法进行摩擦磨损性能测试。2012年712月 C/C-SiC制动材料在不同工况条件下的摩擦磨损行为及其机理研究预期成果 (1)形C/C-SiC制动材料与不同金属对偶的摩擦磨损性能研究资料。(2)在课题结束时(2022年12月)提供“碳碳碳化硅制动材料与不同金属对偶的摩擦磨损性能研究”报告1份。（3）在学术期刊上发表论文一篇，争取获“湖南省优秀论文” （二） 研究基础与工作条件1 工作基础（相关的研究积累，已取得的相关学术成果）（1）本项目相关的研究积累申请者所在课题组于2001年在国内率先开展了C/C-SiC制动材料的研究，先后承担了国家高新技术研究发展计划资助项目(863)项目“新型C/C-SiC摩擦材料低成本制备技术的研究” (2006AA03Z560)、教育部科学技术研究重点项目“C/C-SiC制动复合材料的研制”、湖南省杰出青年科学基金资助项目“高速列车C/C-SiC制动材料低成本制备技术的研究”(06JJ10007)和多项军工课题。发明了快速化学气相沉积+熔融渗硅和温压-原位反应法两种制备C/C-SiC制动材料的核心技术，并申请了5项国家发明专利(200510000624.4，200510000623.X)。本课题组采用“化学气相渗透法”和“温压-原位反应法”制备的C/C-SiC制动材料已进行装甲车装车试跑，性能优异，磁悬浮列车滑撬正准备装车试验。这为本课题的开展奠定了良好的研究基础。申请者已对“温压+熔Si浸渗法” 制备C/C-SiC制动材料进行了初步的探索性研究，结果表明该工艺具有一次成形、周期短、成本低等特点。（2）已取得的相关学术成果 近年已发表与本项目有关的主要论著目录和取得的其他研究成果及奖励情况序号第一、二作者论文题目(类别)刊物名称/会议名称卷(年)期,页码/会议主办单位影响因子/会议等级代码肖鹏李专Effect of Braking Speed on Tribology Properties of C/C-SiC Composites(SCI期刊)WEAR2008,312,16,14251.18肖鹏李专Tribological characteristics of C/C-SiC braking composites with different components volume fraction(SCI期刊)JOURNAL OF MATERIALS SCIENCE & TECHNOLOGY2009,24,0.3840肖鹏李专Manufacture and characterisation of C/C-SiC composites fabricated by warm compacted-in situ reacted process(SCI期刊)PROCEEDINGS OF THE INSTITUTION OF MECHANICAL ENGINEERS PART J-JOURNAL OF ENGINEERING TRIBOLOGY2008,31,J6,0.5230李专肖鹏热处理温度对C/C-SiC摩擦材料组织结构的影响(CSCD期刊)材料导报2008,22,5,123李专肖鹏压-原位反应法制备C/C-SiC 材料过程中裂纹的形成机制(CSCD期刊)中南大学学报. 自然科学版2008,39,3,506李专肖鹏连续纤维增强陶瓷基复合材料的研究进展(其他期刊)粉末冶金材料科学与工程2008,12,1,13-190.50李专肖鹏Tribological characteristics of C/C-SiC braking composites on dry and wet condition(CSCD期刊)Transactions of Nonferrous Metals Society of China2008,18,5,10710.2640李专肖鹏温压-原位反应法制备C/C-SiC 材料的压缩性能及其破坏机理(EI期刊)中国有色金属学报2008,18,1,1-60.7630李专肖鹏不同制动速度下C/C-SiC-Fe材料的摩擦磨损行为及机理(EI期刊)中国有色金属学报2008,20,2,6030.7630Tribological characteristics of C/C-SiC braking composites5th China Interational Symposium on Triboloy清华大学1温压-原位反应法制C/C-SiC制动材料2006年全国有色金属粉末冶金产业技术创新大会中国有色金属工业加工协会3温压-原位反应法制备C/C-SiC制动材料的力学性能研究第四届海内外中华青年材料科学技术研讨会中国材料研究学会青年委员会1湿态条件下C/C-SiC制动材料的摩擦磨损行为研究第八届摩擦、减摩、耐磨材料和技术学术年会中国机械工程学会摩擦学分会3熔Si浸渗法制C/C-SiC材料的摩擦磨损性能研究全国青年摩擦学与表面保护学术会议中国机械工程学会摩擦学分会3C/C-SiC制动材料摩擦磨损性能研究第四届海内外中华青年材料科学技术研讨会中国材料研究学会青年委员会1 其他形式的成果：序号角色成果名称出版社/授奖单位/专利证书编号出版/授奖/鉴定日期1第二作者炭/炭-碳化硅复合材料刹车闸瓦闸片的制备方法2