复合材料对刹车改革的重要性论文

一、基体改性。

　　1、摩擦性能的影响因素。

　　摩擦性能是摩擦副系统的综合特性,受滑动过程中各种因素的影响,如摩擦副材料性质、正压力大小、刹车速度、温度状况,摩擦副材料的显微结构特征及其导致的材料性能,摩擦表面接触几何特性和表面层物理性质,以及环境介质的化学作用等[4]。为获得要求的刹车性能,刹车材料绝非单一的组分或化合物,而是由许多材料复合而成,超过2000种不同的材料及其变体应用于刹车成分[10]。刹车材料的成分与结构设计影响热流、可靠性、噪音特征及服役寿命[10]。给定的C纤维增强复合材料,其摩擦磨损性能、力学特性和热性能将主要取决于增强C纤维的强度和结构(尤其Z向纤维的体积含量),同样也取决于基体的成分、密度和晶粒结构。为了分析添加剂在摩擦磨损控制中的作用,仅仅知道添加剂的化学组成是不够的,因为它们的形态、分布及颗粒尺寸将影响摩擦和磨损行为。如圆球状和棱角分明的粒状材料对控制刹车行为的摩擦表面膜的形成及稳定性的影响不同。研磨剂的作用是帮助维护摩擦副的摩擦表面清洁和控制摩擦膜的建立,还可以增加摩擦,尤其在刹车初期,研磨剂能增加咬合力。摩擦改性剂可作润滑剂,或与氧气反应,帮助控制界面膜。填料用于协调摩擦材料的整个组成,有的填料还有其它作用如增强剂、抗氧化剂。填料可以是金属、合金、陶瓷和有机材料。

　　2、基体改性在C纤维增强复合材料中的应用。

　　3DC/SiC复合刹车材料通常以化学气相浸渍(Chemical vapor infiltration,CVI)或聚合物浸渍-热解(Polymer infiltration-pyrolysis,PIP)法结合液态硅浸渗(Liquidsiliconinfiltration,LSI)法来制备。通常以树脂作为PIP法的C基体先驱体,若以石墨作为改性填料,则可弥补树脂C难以石墨化的缺陷。树脂C是玻璃C,易导致材料脆性和氧化。石墨较之树脂C具有较好的抗氧化性和较高的热传导性。而且,石墨具有玻璃C与SiC所不具有的良好的延展性和润滑性。M.K.Stanford[11]认为石墨的润滑性提供了刹车材料稳定的摩擦性能和可控的磨损。笔者的研究[8-9,12]亦表明,石墨改性SiC陶瓷基体由于形成均匀连续而稳定的摩擦膜,使C/SiC复合材料在高能条件下刹车曲线远较未改性C/SiC平稳,摩擦因数亦较高且随刹车能量提高而衰减的程度显着降低,抗磨损性成倍提高;而且,由于石墨的延展性,且C/C亚结构间的SiC基体被石墨填料分隔开,而非富集成团[8-9],使C/SiC复合材料的力学特性提高。由此,碳陶可优势互补,以满足更高更苛刻的刹车条件,使交通运输工具更为安全可靠。

　　Soo-JinPark等[13~14]以MoSi2作填料制备C/C复合层压材料,MoSi2的添加有效提高了C/C复合材料的密度、石墨化度和力学特性。StevenSeghi等[15-16]以液态浸渍法将BN先驱体引入低密度短切纤维增强C基复合材料,获得BN改性C基体,所制备的C/C-BN双基复合材料显示了较C/C单基复合材料优异的抗磨损性,在整个测试范围内接近零磨损,且摩擦因数相对更稳定。除提高材料性能外,在基体中加入填料还可降低成本。酚醛树脂的碳化收缩率可达20%,严重影响增强体为二维的C/C复合材料的性能,亦影响增强体为三维的复合材料性能。可采用添加填料解决先驱体裂解过程中收缩变形和孔隙率大的不足[9,12,17-22]。在酚醛树脂先驱体中引入石墨填料后,一次浸渍-热解可使3DC/C多孔预制体的开气孔率降低24%,密度提高13%[9,12]。添加的填料按是否与先驱体反应,分为惰性填料和活性填料。常用惰性填料有SiC、Si3N4、BN、Al2O3等,可以抑制先驱体裂解过程的收缩,减少气孔率,但不发生化学反应。活性填料主要有单质(B,Si,Al,Ti,Mo等)、金属间化合物(CrSi2,MoSi2等)或陶瓷化合物(AlN,B4C等),它与先驱体裂解产物发生一系列的化学反应,生成碳化物、氮化物或氧化物等网状产物,从而增加陶瓷产率。G.Stantschev等[22]制备C布叠层增强陶瓷基复合材料,活性填料Al和Ti微粉通过散播并涂刷在各层之间弥散分布,活性填料与基体前驱体的热解产物发生反应,该反应的膨胀效应减小基体收缩,降低了重复的浸渍-热解步骤,经5次浸渍-热解获得较致密的陶瓷基体,材料成本降低且力学特性提高。

　　R.Gadow等[23]将颗粒陶瓷、陶瓷晶须及片晶引入多层C/SiC复合材料,既可补足热解聚合物提供的基体,又减少和破坏了聚合物前驱体收缩时所形成规律的基体裂纹,并可使基体增强和增韧,从而改善性能。W.Kowbel等[24]采用PAN基2D平纹织物为增强体,以碳填料/热固性树脂浆料经一次浸渍-热解,在1d内制备了密度为1.45~1.60g/cm3的C/C复合材料,这种C/C复合材料不仅彻底消除了传统C/C致密化工艺的多次重复进行的浸渍-热解步骤,且抗弯强度是传统C/C复合材料的两倍。LSI法尽管是在C纤维增强体中制备SiC基体的低成本工艺,然而SiC基体制备过程中,纤维易受Si熔体的侵蚀,且不可避免地导致残留Si。因此,一些改进LSI工艺的文献屡见报道。采用合金化处理可减小Si对C纤维的侵蚀损伤及残留Si对复合材料高温性能的影响。如FeSi75合金代替纯Si浸渍获得的C/SiC-Fe复合材料具有比C/SiC复合材料更稳定的摩擦性能,其摩擦因数随刹车次数增多的衰减降低,同时纤维损伤减小[25];以Si-Mo合金熔体代替纯Si熔体,在反应浸渍后生成MoSi2,减少了残留Si[26-27]。然而,合金化处理因降低了Si熔体对C基体的润湿性,将降低复合材料的致密度。JulianeMentz等[28]采用在聚合物先驱体中添加Si粉,在Si—C反应前Si已均匀地分布在基体中,因而Si—C反应大部分被限于基体中,减少了C纤维受损,因而所制备的短切纤维模压增强SiC基复合材料具有良好的损伤容限性,但基体材料的气孔率高。