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1、固体润 滑,?,?收 稿日期?。?。?碳一碳复合材料的某些摩擦特性浦保健?兰州炭素厂研究所?【摘要】用碳一布叠层进行 化学气相沉积制备的碳一碳复合材杆环 状 样品,在摩擦试验机上做的自身对摩试验,获得了线速度、压 力和吸收能量 时摩擦系数及磨损的 关系。当刹车开始时样品 的线速度 在?、?范 围内,具有一 个摩擦系数的转折区,在低这和高速 时的摩擦系数均比中速 时小。在低制动能刹车时的磨损比高制动能刹车时的磨损大?个数量级,这和碳一碳复合材杆的制 备工艺、材料特性以及刹车时 在摩擦界面上形成石墨薄膜 有关。?厂取?一?尹“?五?五杯?】?。?一?!?一?。?,?。怜?“?“?二?二?,?,?!
2、#!%!&?#%?#?%()!?+?+,+.(&?&,?/0!?1?1?0#?!#00%(#/1?01?+023一Ceompositesandtothegraphitefi l mformationonthefrietioninterfaeeatbraking.前言以碳纤维为骨架用树脂碳或化学气相沉积(C V D)碳作填充而形成的碳一碳 复合材料,其初始发展阶段主要致力于宇航方面抗烧蚀性能的研究和应用。一七十年代以来,国外将碳一碳复合材料应用在军用和民用飞机的刹车装置中,制 成全 碳飞机刹车盘1、幻。这种碳质刹车材料由于质地轻、磨损小,能在极苛刻的制动条件下工作且经济效益 可观,已日益为应用部
3、门所接受。不论是碳一碳复合材料飞机刹车盘的研林可见参考文献3。表1摩擦试验时选 用的条件现行条件从前条件转速.线速m r几二/,压106线速m/s一速/”一转rm一6一6默究和制造工艺,或者是它的摩擦磨损数据,具体的报道都极少。碳一碳复合材料的制造,原则上有三种方法:(1)在碳纤维或碳纤维布中加入热固性或热塑性树脂后,固 化。碳化、石墨化,(2)将碳纤维或碳纤维布用C V D碳加以致密化和热处理;(3)将上述(1)和(2)两种方法合起来制造复合材料。我们用碳布叠 层一C V D碳的工艺来制备碳一碳复合材料,用MM一100。型摩擦试验机作评价,考察了在不同试验条件下,该材料的压力、线速度、能量吸
4、收、摩擦系数和磨损方面的情况。,“41 650 667。o。!2。6,7,770028。08,8,:。,“11“698“4 892“8“8“0,13 2 36n J Q U口山巴J1.1闷上,白淤!r r.I.r.几几.,.-J.!8薰试验方法日之粱只试样:用聚 丙烯睛基碳纤维束织成八缎纹布,碳纤维为中强型,每束纤 维 为1000根,布厚o.2 5m m。将碳布切成圆环状布 片并逐片叠厚、压紧,放入C V D炉中,采用等温法工 艺沉积碳。试样中的碳纤维体积 为3 5%沉积碳后样品的比重 为1.5 5、1.6 0。试样上的摩擦面外径 为 7 8.5mm,内径60.5m m,一组试样共四个样品,两
5、 个动片,两个静片,构成三 个摩擦面做摩擦试 验。试验设备和方法:M M一1000型摩 擦试验机 可无级 调速,最大转速 为95oor/m in。当装有一定惯量 盘的主轴(轴上有凸键与动片相配合)达 到预定转速时,由气缸加 载(压力可调)使装在试验机固定套上的试样静片靠紧动片产生摩擦力矩。试验过程中的转速、压力、力矩和温升变化均由相应的仪表指出并记录。每一试验条件做2 0次刹车试验。试验前后将试样称重并测量摩擦面的厚度,用来计算磨损的大小。为便于总体比较,将本次试验的条件(单位摩擦面上的制动能量 Q=13.2、745)/。m“)同以前进行过的若干试验条件(Q二10 9 5、3236)/em“)
6、一并列于表1,有关以往的试验方法和情况结果和讨论1.力 矩曲线材料的刹车力矩曲线可显示制动时的摩擦特性。一般来说,碳一碳复合材料 的摩擦力矩曲线的形态 平直,反映刹车过程平稳可靠。我们的材料在试验过程 中,典型的力矩曲线形态如图1所示。在木村惰七等人发表的报告中4,碳一碳材料在刹车开始的一瞬间,有较陡的力矩峰。而在我们的所有试验条件下,力 矩曲线的形态有时前低后高,有时前高后低,但用力矩曲线上的最大和 最小力矩的比来衡量,峰比不超过1.3 0。当线速度在超过2 8m/s的高能载下刹车时,则力矩曲线有明显的“俯冲”形态,但发现只要将刹车压力略为提高,这种现象即告减缓或消失。我们认 为摩擦面上的压
7、力和温 度,在一定的工作条件下对材料的摩擦系数影响较大。时间(s)图1典型的力矩曲线形态摩擦系数和磨损本文中的摩擦系数是根据摩擦力矩 曲线的平均值进行计算的,故为常用的 摩 擦系数。碳一碳复合材料的动摩擦系数,随不同的材料和工艺条件、刹车开始时的线速度和刹车压力等条件的不一而有不同程度的 变化。在线速度大于1 5m/熟单位摩擦面上的制动能量大于l000)/。m“时,材料的摩擦系数和磨损率,随刹车条件的逐渐苛刻 而降低,也就是说在高制动能量刹车时材料的摩擦系数和磨损率降低;并且磨损的多少取决于摩擦系数的大小3。当线速度V在26m/s时(样品 和以往的试验相同),材料的摩擦系数林随压力P、线速度V
8、和单位摩擦面上的制动能量Q的增高而降低;当V4、6m/s时,林又随之而增高。在2 1 5m/s 的范围内,协随V和P的变化情况见 图2。0.3。当V25:sm/s时,则在所有 的 试验条件下,卜均小于0.3。这种摩擦系数 随压力、线速度和单位摩擦面上的制动能量的变化情况,我们认为与碳一碳材料 的材质和热处理温度有关。磨损指标是刹车材料的主要特征之一。为了使之同国际常用的比磨损量相比较,本文中的磨损指标一律用单位刹车功所 消耗的材料磨损体积来表示(m m“/J)。根据我 们以往的工作,碳一碳复合材料的磨损量随件的降低而降低,它们同单位摩擦面上的制动能量的关系见图3。但进 一步的试验表明,根据不同
9、的刹车条件,相同的摩擦系数可以在低制动能量 的条件下 同 时出现,但磨损量随摩擦系数的变化规律则不一(见图4)。图4的上半部为低制动能量 刹车试验时的摩擦系数对磨损量的关系。每一数据点代表6 010,O。6O。4乒,-谈K10Pa气全、,.闷2 030,尹(/.日日)曰洲rs、月产碑.SJ碑.,JJ,哎Ji卜一匕O哥班璐滑动速度(m/s)图2不同压力下的摩擦系数曲线由图2可见,尽管不同压力下的摩擦系数在2、1 0m/s时有转折,但压力较高时 的件仍较低,而且在V变化较小的范围内即完成这种转折。完成这种转折后的摩擦系数与,0压力的关系大体保持不变。Lan。aste r的报告指出6,碳一碳 复合材
10、料在Vsm/s时,协0.3,这和 我们的试验相符。但从图2的曲线可见,我们的材料在P二5x1 05Pa和8x105Pa时,V分别 应为7m/s和s m/s,这时的林才大于10002000了0 0 0单位面上 的制动能tJ/cmZ图3摩擦系数、磨损量与单位摩擦面上的制动能量的关系次试验的平均值,括号中的数字为单位摩擦面上的制动能量(J/cm“)。参照图2可以看出,在V=6m/s、Q=53)/em“时,由于协的降低使得磨损较小外,在其它试验条件下,一直 到Q二4 7 8)/cm“的阶段内,虽然协在不断提高,但比磨损量 并 不随之增加。因 此,我们认为对于碳一碳复合材料来说,仅根据摩擦系数的大小并不
11、能判定材料在摩擦过程中磨损量的大小。此外,碳一碳材料的静摩擦系数一般低于动摩擦系数,在线速度很低时动摩擦系数也不大。结合飞机在跑道上作低速运行而又需经常刹车时碳质刹车盘磨损量较大的事实,也同时证明上述情况的存在。我们认为这种现象的机理,可能与摩擦界面上的石 墨薄膜仅在刹车制动能量大、界 面温度高的时候才易附着有关。16,(布;.2(1户。)(2,多)(多 多 2)总结对织纹为八缎纹的聚丙烯腊碳布叠层,用气相沉积碳法制备碳一碳复合材料并经热处理后在摩擦试验机上进行试验,明确了以下几个问题:1.碳一碳复合材料在自身对摩时,当Vlom/s时,林会 出现较剧烈的转折 性变化,2.在2、3 0m/s的速
12、度范围内,低速 和高速区的林都比中速区要小;3.材料的件对压力比较敏感,4.仅凭摩擦系数的大小不能判定材料磨损量的大小;5.低速低制动能量刹车时的磨损比高速高制动能量刹车时的磨损要高12个数量级。一飞一-一一-止一又 4 7 3)7 4 5)致谢本研究课题在冶金部军工办支 持下进行。本文得到本所高级工程师董启震同志的审阅和修改,对此表示感谢。对卢丽芳、张竞安、曹秀珍等同志在摩擦试验工作中做了大量工作也表示谢意。之。日日并玛翻参考文献O,2乙.乡0.图4磨损随摩擦系数的变化规律1 We ave r,J。V.。Aeronaut ioaJour nal,76(1972),744:695。2 Kirk ha rt,F.P。,Pr oe。zZthBienn。Conf.Carbon,x975,P.27 9。8浦保健、卢 丽芳,第三 届全 国复合材料学术会议 论文集,s,67r。4木村惰七、安田荣一、成田畅彦,润滑(日),28(1983),3忿1 851 9105 La n e a ster,J。K。,ASLETrans.,1分(1975),187,