短碳纤维增强C/C-SiC制动材料结构及性能研究

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本文采用温压-熔渗工艺(Warm Pressing-Liquid Silicon Infiltration,WP-LSI)制备短碳纤维增强C/C-SiC复合材料,结合国外某炭陶复合材料,以材料组成及显微结构为主线,以制动应用为背景,在研究了材料的组成及结构的基础上,进一步研究了材料的力学性能及摩擦磨损性能,并讨论了纤维含量对材料的性能的影响。通过对比分析,明确了适合制动用短碳纤维增强C/C-SiC复合材料的组成、结构和性能,为进一步低成本制备性能优异的C/C-SiC制动材料明确了方向。研究成果及结论如下:  (1)研究了C/C-SiC制动材料的组成、纤维分布和取向特点、纤维形貌、基体形貌及纤维/基体界面形貌等组织结构特征并探讨了复合材料中基体形成机制。研究结果表明:WP-LSI工艺制备的C/C-SiC制动材料主要由C、β-SiC、单质Si等组成,制动材料中短碳纤维择优排布,SiC基体呈三维网状。  (2)研究了C/C-SiC制动材料的力学性能及其失效机制并重点分析了碳纤维含量对自制材料力学性能的影响。研究结果表明:WP-LSI工艺制备的C/C-SiC制动材料,纤维体积含量在20%~30%时,随着含量的增加材料的力学性能提高,当纤维含量为30%时,材料的抗弯强度达104.63MPa,垂直和平行抗压强度分别为167.99MPa和90.03MPa;纤维含量的增加材料的失效形式由假塑性破坏转为韧性破坏。  (3)研究了C/C-SiC制动材料定速摩擦试验下的摩擦磨损性能并讨论了不同制动速度及纤维含量对材料摩擦磨损性能的影响。研究结果表明:WP-LSI工艺制备的C/C-SiC制动材料在不同速度下材料摩擦系数在0.30~0.55之间,磨损量在0.01~0.04cm3/MJ之间;速度为16m/s时,摩擦系数为0.41,磨损量仅0.0214cm3/MJ;低速时,材料主要表现为磨粒磨损,高速时,试样表面出现摩擦膜,材料主要表现为磨粒磨损和疲劳磨损;纤维含量为30%的C/C-SiC制动材料具有最优的摩擦磨损性能。  (4)研究了C/C-SiC制动材料惯性摩擦磨损性能并讨论了不同制动速度对材料摩擦磨损性能的影响。研究结果表明:WP-LSI工艺制备的C/C-SiC制动材料随着制动速度的增加摩擦系数降低,在0.30~0.40之间,稳定系数增加,在0.65~0.70之间;模拟制动曲线随着速度增加波动减小;制动材料自身以及钢对偶的磨损量随着制动速度增加而增加,材料的磨损也由磨粒磨损转为磨粒磨损、氧化磨损及疲劳磨损等综合作用。  (5)通过改进WP-LSI工艺能实现短碳纤维增强C/C-SiC制动材料制备的低成本化。
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