制动速度对C-C-SiC复合材料摩擦磨损性能的影响

制动速度对C.C.SiC复合材料

摩擦磨损性能的影响（完整版）

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第26卷第1期摩擦学学报Vo126,Nol2006年1月TRIBOLOGYJan,2006制

动速度对C/C-SiC复合材料

摩擦磨损性能的影响

肖鹏，熊翔,任芸芸

（中南大学粉末冶金国家重点实验室.湖南长沙410083

摘要:采用模拟刹车制动方法研究“温压-原位反应法”制备的C/C-SiC复合材料

在不同制动速度下的摩擦磨损性能，分别用光学显微镜和扫描电子显微镜对摩擦表

面及其磨屑形貌进行观察，用X射线衍射仪分析磨屑成分.结果表明:摩擦系数随制动

速度提高先升高而后降低,在制动速度为10m/s时达到最大值0.46,且当制动速度超

过20m/s时产生高频振动;随着制动速度提高，磨屑愈被碾磨变细，且磨损量随之噌大,

在制动速度为28m/s时线性磨损量急剧升至8.75m;C/C-SiC复合材料在中等能载

（1.5kJ/cm2条件下具有优良的摩擦磨损性能.

关键词:C/C-SiC复合材料;制动速度;摩擦磨损性能;高速列车

中图分类号:TB331,TH117.3文献标识码:A文章编号:1004-0595（200601-0012-

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列车刹车材料已从铸铁、铸钢、合成材料、粉末冶金材料和C/C复合材

料发展到了C/C-SiC复合材料[1~4].其中合成材料闸片一般用于小于200km/h的准

高速列车上;粉末冶金材料刹车片应用广泛，但存在密度较高（＞4.5g/cm3、易于氧化

锈蚀、寿命短和高速制动产生强噪音等缺点;C/C复合材料刹车片成本高,摩擦系数

随制动能载增加变化较大，以及潮湿环境下摩擦系数产生衰减等.西方工业发达国家

正在研制低密度、高耐磨性和高温稳定的炭纤维增韧陶瓷基刹车材料[5~7].如德国

Stultgart大学与SGLCarbon公司合作研制的炭纤维增韧S】C（主要成分基复合材料

刹车片已用于保时捷（Porsche旗舰系列轿车，美国橡树岭国家实验室与Honeywell

AircraftLandingSystems公司等合作，正在研制低成本的C/C-SiC复合材料刹车片，

以替代用于重载汽车的铸铁和铸钢刹车片⑻.C/C-SiC复合材料作为刹车材料具有

低密度、低磨损、抗腐性及比铸铁高的摩擦系数,能适应各种路况和各种气候的优

点[9].但是国外对C/C-SiC复合材料摩擦磨损行为及其机理的研究刚起步，国

内相关研究报道还很少见.本文作者采用“温压-原位反应”法制备C/C-SiC复合材料，

模拟高速列车制动，研究在不同制动速度下C/C-SiC材料的摩擦磨损性能，并探讨其

摩擦磨损行为与机理.

1实验部分

1.1C/C-SiC材料制备

采用短切的东丽T700炭纤维作为增强相,长度为370mm之间;基体成分来源

于石墨粉（粒度SO.O75mm、吠喃树脂、含99.3%Si的硅粉（粒度00.053mm.将Si

粉、石墨粉、树脂和短炭纤维均匀混合，在150℃和4MPa下成形，将坯体在1500℃

下原位反应生成SiC相得到C/C-SiC复合材料.其主要成分为（体积分数计15.6%炭

纤维,33.0%SiC,19.4%石墨粉和6.3%树脂炭（由味喃树脂炭化得到,密度为1.81g/cm3.

1.2摩擦磨损性能测试

在MM-1000型摩擦磨损试验机上进行摩擦磨损性能测试，以C/C-SiC复合材料

作为静盘,30CrMoSiVA钢为偶件动盘.试样和偶件选用外径75mm、内径53mm、

厚度16mm的圆盘.

采用摩擦热冲击法，将动环通过键槽与驱动主轴相连并随驱动主轴和惯性飞轮

一同加速到规定的制动速度下，施加一定的压力使静环和旋转的动环发生摩擦而实

现制动刹车,通过测量制动力矩可以计算制动摩擦系数113].模拟时速160km/h的列

车制动过

基金项目:教育部科学技术研究重点项目资助（02148.

收稿日期:2005-02-23;修回日期:2005-06-25/联系人肖鹏,e-maikxiaopen

g@mail.csu.edu作者简介:肖鹏，男,1971年生，教授，博士生导师，目前主要从事炭基和

陶瓷基复合材料的研究.

Fig1Relationshipbetweenenergyorpower

andbrakingspeed

图1能载和功率随制动速度变化的关系曲线

所示为在不同制动线速度下测出的C/C-SiC试样所承受的单位面积能载和制动

功率.在惯量一定的条件下，能量与速度的平方成正匕，因此单位面积能载随制动速度

的提高快速上升，转化为摩擦热后试环摩擦表面温度也相应提高.图2所示为不同制

动线速度下C/C-SiC试环摩擦次表面的最高瞬时温度.可见其低于2个试环摩擦表

面的实际瞬时最高温度.单位面积制动功率与刹车所需的时间有关，为单位面积能载

与刹车时间的比值,对比图I和图2的数值变化可知，试环摩擦表面最高瞬时温度的

变化趋势更接近于制

动功率的变化.

图3示出了摩擦磨损性能随制动速度变化的关

Fig2Instantanousternperaturesoffrictionsub-surfaceatdifferentbraking

speed

图2摩擦次表面瞬时温度随制动速度变化的关系曲线

Fig3Relationshipbetweenfrictionpropertiesandbrakingspeeds

图3摩擦磨损性能随制动速度变化的关系曲线

系曲线.可以看出:随着制动速度提高，摩擦系数先升高而后降低，而线磨损率呈

直线上升;当制动速度较低（5m/s时,摩擦系数达到0.36,没有出现C/C复合材料因摩

擦表面存在水膜而呈现出的低速（5m/s低摩擦系数（0.18现象[14],每次平均线磨损量

仅为0.20m;当制动速度升至10m/s时,摩擦系数达到最大值0.46,每次平均线磨损量

也增至0.43m;当制动速度升至15m/s时，摩擦系数略有下降（0.45,平均线磨损量升

至2.13m.这是由于在制动速度小于15m/s时,。CSiC试环摩擦表面只有少量的微

突体在制动过程中断裂脱落而成为磨屑,大量的微突体在低速转动的摩擦表面间产

生犁沟作用，从而使摩擦系数升高.

随着制动速度的提高，制动功率呈直线增加，摩擦表面温度急剧上升，在制动速度

为20m/s时，摩擦

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第1期

肖鹏等：制动速度对c/C-SiC复合材料摩擦磨损性能的影响

次表面最高瞬时温度达5570c（见图2,摩擦表面最高瞬时温度则更高.此时偶件

钢的摩擦表面发生瞬时软化,C/C-SiC试环摩擦表面的微突体与钢的摩擦表面接触面

积增大;同时，随着制动速度提高,微突体受到更大的冲击力，由C和SiC脆性相组成

的微突体易发生脆性断裂而从摩擦表面脱落为磨屑，并在相对高速转动的两摩擦面

间碾磨变细,使得能够形成犁沟而增大摩擦系数的表面微突体和断裂的大块磨屑大

幅

度减少，导致制动速度为20m/s和25m/s时摩擦系数大幅度下降,而微突体的大

量断裂直接导致材料的线磨损量增大.当制动速度大28m/s时，微突休的断裂量与

25m/s时相当，摩擦系数趋于平缓（0.29,但在高速制动过程中磨屑被反复剪切碾磨变

得更加细小而更易于脱落，导致磨损急剧上升（8.75m.2.2制动力矩曲线

所

Fig4Frictioncoefficient-timccurvesatdifferentbrakingspeeds

图4不同速度下的摩擦系数-时间曲线

示.可以看出:在制动速度为5m/s、10m/s、15m/s和20m/s时，摩擦系数较高，

磨损量少，力矩曲线只

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摩擦学学今第26卷

有稍许波动;在制动速度达到25m/s和28m/s时，力矩曲线振动居烈，制动不平

稳.由于试样中硬质相SiC含量达33%,在低速摩擦过程中，试样表面的SiC以硬质微

突体的形式存在，并以犁沟形式作用于偶件而产生摩擦力.随着制动速度提高，硬质微

突体

断裂并被反复碾磨成磨屑.两摩擦表面间的非连续硬质磨屑最终导致制动过程

产生高频振动和不平稳23摩擦表面及其磨屑分析

图5所示为不同制动速度下摩擦表面形貌的金相显微照片.可见在制动速度为

5m/s时,

(b)10m/s

由于摩擦

Fig5Morphologiesofwornsurfaces图5摩擦表面形貌的金相显微照片

表面的剪切力较小，微突体断裂量少且在低能下难以进一步磨细,断裂的大块微

突体在摩擦表面留下许多犁沟划痕［如图5(a所示］，较强的犁沟作用使材料具有较高

的摩擦系数(0.36,材料磨损较小.当刹车速度增至lOm/s时，断裂的微突体增加，由图

5(b所示的摩擦表面金相显微照片显示形成了大量型沟,此时材料的摩擦系数增大，

磨损量也明显增加.当刹车速度为15m/s时，能量增加导致试样表面的微突体进一步

断裂，并使磨屑研磨变细，导致磨损量增加.在高速制动过程中，大量的能量消耗于微突

硬质相SiC的断裂上，且所产生的磨粒被进一步碾碎,成为更加细小的磨粒，使摩擦系

数下降.由图5(c和d可以看出,当刹车速度为15m/s和20m/s时.摩擦表面形成了细

小磨屑的聚集.由图6所示的磨屑形貌显示，在低速制动时所形成的磨屑为毫米级，而

在高速制动时磨屑为微米级.

在制动过程中，机械能转化为热能而使摩擦表面温度升高,表现为刹车时出现较

多火花，试样发红，摩擦表面闪点温度可达locxrc以上C在350℃以上即开始氧化生

成CO2,SiC在800~1140C之间抗氧化性能较差，易氧化生成SiO2.对20m/s制动速

度下形成的磨屑进行XRD分析表明（如图7所示,除了摩擦材料中的C和SiC外，磨

屑中还存在由SiC氧化生成的SiO2,以及由磨屑中C和偶件钢中脱落的Fe反应形

成的Fe3c周松青等[15]

指出，氧化生成的SiO2可导致材料摩擦系数下降,磨损量增大.

3结论

a.“温压-原位反应''法制备的C/C-SiC复合材料在中等能载（L5kJ/cm2条件

下摩擦系数较高，磨损量较低，具有优良的摩擦磨损性能.

b.在本试验制动条件下，摩擦系数随制动速

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第1期

肖鹏等：制动速度对C/C-SiC复合材料摩擦磨损性能的影响

/uigu)

(b20m/s

Fig6SEMmorphologiesofweardebris

图6磨屑形貌的SEM

照片

Fig7XRDpatternofofweardebris

图7磨屑成分的XRD谱图

度提高先升高而后降低,在制动速度为10m/s时达到最大值0.46,且高速制动过

程中产生高频振动和不平稳.

c.磨屑随制动速度的提高而愈被碾磨变细，且磨损量随之增大.参考文献:

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