石墨含量對碳化硅復合材料機械性能及摩擦性能的影響

韓永軍，燕青芝，劉維良，李縣輝

（1.北京科技大學核能與新能源系統材料研究所， 北京 100083；2.景德鎮陶瓷學院，江西 景德鎮 333403）

石墨含量對碳化硅復合材料機械性能及摩擦性能的影響

韓永軍1，燕青芝1，劉維良2，李縣輝1

（1.北京科技大學核能與新能源系統材料研究所， 北京 100083；2.景德鎮陶瓷學院，江西 景德鎮 333403）

以碳化硅為主要原料，氧化鋁和氧化釔為液相燒結助劑，天然鱗片石墨為添加劑，采用粉末冶金工藝，在1900 ℃熱壓燒結制備不同石墨含量的碳化硅基復合材料，研究了不同石墨含量對復合材料性能的影響，分別采用X射線衍射儀和精細陶瓷試驗機測試其物相組成和力學性能，采用摩擦磨損試驗機進行摩擦實驗，結果表明，隨著石墨含量的增加，復合材料的孔隙度增加，密度及彎曲強度降低，材料的摩擦性能得到了提高。

SiC；石墨；機械性能；摩擦性能

DOI：10.13957/j.cnki.tcxb.2015.02.005

0　引 言

作為功能陶瓷，碳化硅具有硬度高、耐磨損、耐化學腐蝕、優良的高溫性能和抗熱震性能，是理想的高溫材料，可以在特殊環境下作為滑動和轉動接觸等機械密封材料［1-4］。但是，碳化硅和其他陶瓷材料一樣摩擦性能很差，在沒有潤滑劑的情況下摩擦系數很高。研究表明，材料的摩擦磨損特性不僅和材料本身有關，與工作狀況也具有密切的相關性。液體潤滑劑能夠有效降低碳化硅材料的摩擦系數，但是在高溫和真空環境下使用受到限制［5-11］。在碳化硅基體中引入石墨作為固體潤滑劑可以有效降低材料的摩擦系數，能適應于高溫環境。Sakaguchi等研究了在碳化硅基體中添加石墨的摩擦磨損行為，由于石墨的層狀結構易產生相對滑移降低了復合材料的摩擦系數，但是由于硬度的降低增加了復合材料的磨耗［12］。周采用碳化硼和碳化鋁作為燒結助劑制備石墨增強碳化硅復合材料，認為不同工藝制備的碳化硅制品具有不同的物理、機械性能，同時也影響到復合材料的摩擦性能［13］。

本文以商用碳化硅粉末為主要原料，氧化鋁和氧化釔為燒結助劑，天然鱗片石墨為添加劑，采用粉末冶金工藝制備石墨/碳化硅復合材料，考察了不同石墨含量對于復合材料的機械性能和摩擦性能的影響。

1　實 驗

1.1實驗原料實驗采用純度大于98.7%的商品α-碳化硅做為原料，碳化硅顆粒為等軸狀，平均粒徑為0.5 μm左右，氧化鋁（α-Al2O3， d50=2.02 μm）和氧化釔（d50=5 μm）作為液相燒結助劑，純度大于99.9%的天然鱗片石墨作為增強組分，鱗片大小為10 μm，厚度約0.5 μm。

1.2試樣制備

將含有0.6wt.%氧化鋁及0.3wt.%氧化釔的碳化硅料粉末和石墨粉末按比例混合，以無水乙醇為混合介質，用二氧化鋯球在行星球磨機中球磨5 h。石墨在復合材料的比例分別為0vol.%，10vol.%，30vol.% 到50vol.%（分別以G0、G10、G30、G50表示各個樣品）。混合漿料在烘箱以120 ℃烘干，過100目篩子后裝入石墨模具，置入真空熱壓燒結爐中（ZT-60-23Y3，上海晨華電爐廠）進行真空熱壓燒結，升溫速度15 ℃/min，1900 ℃保溫1 h，在保溫階段施加40 MP壓力進行單向壓縮，然后隨爐溫冷卻至室溫。

1.3性能測試

采用阿基米德法以去離子水為介質在室溫下測試樣品體積密度和開孔率。用TTRⅢ X射線衍射儀（XRD）進行相分析。采用三點彎曲法（CDW-5微機控制精細陶瓷試驗機）測試樣品的彎曲強度，樣品尺寸為3 mm×4 mm×36 mm。樣品拋光后用LEO-1450掃描電子顯微鏡觀察表面微觀形貌，采用ZEISS ULTRA 55熱場發射掃描電鏡觀察樣品斷口形貌。通過Plint TE-92多功能摩擦磨損試驗機進行盤盤摩擦測試，摩擦副采用304L不銹鋼材質，外徑為33 mm、內徑為25 mm，硬度為40 HRc ，粗糙度為Ra0.2，摩擦樣品的直徑為40 mm、厚度為5 mm，施加100N（0.28 MPa）載荷，轉動速度為655 rpm（線速度為1 m/s），滑動距離為600 m。

圖1　復合材料拋光面微觀結構 （a）G0；（b）G10；（c）G30；（d）G50Fig.1 Microstructure of the polished composite surface： （a） G0； （b） G10； （c） G30； （d） G50

2　結果與討論

2.1微觀結構及相分析

圖1為不同石墨含量復合材料垂直于熱壓方向拋光平面的SEM微觀形貌圖片，可以看到石墨粉末均勻分布碳化硅基體之中，保持了原有的鱗片結構。樣品G0到G50隨著石墨含量的增大，氣孔增多，同時相應的碳化硅顆粒周圍空間縮小，限制了顆粒長大，造成顆粒細化，樣品G30（圖1c）中石墨形成了網絡結構，會影響材料的彎曲強度和摩擦性能。

圖2顯示了各樣品拋光面的X射線衍射圖樣，G0樣品中α-相碳化硅是唯一的晶相，其余樣品除了α-相碳化硅衍射峰，可以看到石墨相的002晶面和004晶面衍射峰的存在，沒有其他峰存在，說明燒結過程中沒有新相生成，碳化硅在燒結過程中沒有發生相轉變，樣品G0到G50石墨峰相對強度逐漸增加，說明石墨含量提高，這和復合材料的平面SEM照片分析相一致。

2.2石墨含量對復合材料致密度及彎曲強度的影響

從圖3可以清楚的看到看到復合材料的相對密度隨石墨含量的增加而降低的變化趨勢，這是由于石墨的密度（2.26 g/cm3）小于碳化硅（3.21g/cm3）的密度。石墨是難燒結物質，難以致密化，碳化硅燒結致密化相對容易，因此隨著石墨含量從0vol.%，10vol.%， 30vol.%增加到50vol.%，樣品的相對密度從98.5%， 97.5%， 96.6%下降到了95.4%，與前述的微觀組織分析中氣孔含量增加相一致，燒結過程中在熱壓的作用下材料中的大氣孔逐漸變小，致密度逐步增加，由于碳化硅和石墨塑性流動能力很低，造成部分氣孔不能完全消失，樣品中石墨含量越大，殘留的氣孔就越多，因此致密度會隨著石墨含量增加而下降。孔隙的存在會減少材料承載面積造成材料的表觀強度下降，同時會產生應力集中現象，對材料的強度具有更大的影響［14， 15］。圖3可以看到樣品G10的彎曲強度從純碳化硅樣品的557 MPa下降到461 MPa，降幅為13%，而樣品G30彎曲強度從G10的461 MPa下降到290 MPa，降幅達到了37%，彎曲強度只有純碳化硅樣品的54.5%，從圖1中樣品的微觀形貌可以看到當樣品中石墨含量達到30vol.%時，形成了石墨網絡結構，明顯的降低了材料的彎曲強度。

圖4顯示了純碳化硅材料G0和復合材料G10，G30，G50的斷口微觀結構。G10、G30和G50樣品石墨鱗片在碳化硅基體中分布非常均勻，隨著石墨含量的增加，G0，G10，G30，G50樣品中的碳化硅顆粒平均尺寸依次減小，這是由于在燒結過程中碳化硅晶粒的生長受石墨包含物的制約效應。純碳化硅樣品G0和石墨含量較低的樣品G10顆粒結合力很強，有部分穿晶斷裂現象出現（圖4a和b），而G30 和G50由于石墨含量較高，石墨已經形成了連續結構，界面結合力大大下降，斷裂均為沿晶斷裂，和材料的彎曲強度測試相一致。同時在熱壓過程中由于施加的壓力為單向分布，顆粒擇優取向顯現層狀結構，層面和壓力方向相垂直（圖4d），碳化硅晶粒生長的真實形狀是層狀的。石墨顆粒也保持了片狀結構，和初始情況相似。片狀石墨結構容易剪切有助于滑動中的潤滑效果。當樣品中石墨含量達到了50vol.%，基體由碳化硅占主導向石墨占主導轉換，影響材料的摩擦磨損性能。

圖2　復合材料材料XRD圖譜Fig.2 The XRD patterns of the composites

圖3　石墨含量對復合材料的密度和彎曲強度的影響Fig.3 Bending strength and density of the composites with different graphite content

2.3樣品摩擦性能測試

圖5顯示了各樣品在水潤滑狀態下對不銹鋼摩擦的摩擦曲線。在摩擦試驗中，滑動距離為600 m，滑動速度為1 m/s，施加載荷為100 N，樣品G0摩擦系數從起始的0.45滑動50 m迅速下降到0.3，后逐步降低并穩定到0.31。復合材料樣品G10，G30和G50具有相似的變化趨勢，摩擦系數最后分別穩定在0.28，0.26和0.23，這些現象是由于滑動過程中磨合造成的。在滑動摩擦過程中，表面粗糙度發生了改變，同時在摩擦接觸面產生了磨屑并重新分布。可以看出隨著石墨含量的增加，樣品的摩擦系數逐步降低。樣品G30摩擦系數波動較大，是由于復合材料中顆粒結合力較弱，部分碳化硅顆粒和石墨顆粒在摩擦過程中從基體脫落，形成磨粒磨損，摩擦面為殘膜磨損。樣品G50由于石墨在基體中含量已經達到了50vol.%，基體已經由碳化硅占主導轉換為石墨占主導，脫落的石墨很容易形成轉移膜，因此摩擦系數最低，而且波動較小。

3　結 論

圖4　樣品斷口微觀結構（a）G0；（b）G10；（c）G30；（d）G50Fig.4 Microstructure of the composite fracture surface： （a） G0； （b） G10； （c） G30； （d） G50

圖5　石墨含量對復合材料摩擦系數的影響Fig.5 Friction traces of the disk specimens sliding against steel disk

以碳化硅為原料，天然鱗片石墨為添加劑，采用固相熱壓燒結方法制備碳化硅/石墨復合材料；石墨均勻分散在碳化硅基體中，在燒結助劑的作用下得到致密的復合材料；石墨的引入降低了復合材料的彎曲強度，顯著改善了復合材料的摩擦性能，石墨含量為30vol.%時形成了石墨網絡結構，材料平均摩擦系數為0.26，但是波動較大，石墨含量達到50vol.%，由于復合材料基體由碳化硅主導轉變為石墨主導，摩擦系數降低到0.23，而且較為穩定。

［1］ 姜自旺， 林文松， 王婕麗， 等. 碳化硅陶瓷水基漿料的流變性研究［J］. 陶瓷學報， 2012， 33（3）： 289-294.

JIANG Ziwang， et al. Journal of Ceramics， 2012， 33（3）： 289-294.

［2］周玉. 陶瓷材料學［M］. 科學出版社， 2004.

［3］ 周松青， 肖漢寧， 楊巧勤. SiC 和 SiC-WC 復相陶瓷高溫自潤滑特性及其機理［J］. 硅酸鹽學報， 2005， 32（12）： 1470-1475.

ZHOU Songqing， et al. Journal of the Chinese Ceramic Society，2005， 32（12）： 1470-1475.，

［4］ 水淼， 方錫成， 舒杰， 等. 低溫高致密度碳化硅陶瓷制備工藝研究——機械攪拌與高能球磨［J］. 陶瓷學報， 2009， 30（4）： 468-473.

SHUI Miao， et al. Journal of Ceramics， 2009， 30（4）： 468-473.

［5］ WOYDT M， HABIG K. High temperature tribology of ceramics. Tribology International， 1989， 22（2）： 75-88.

［6］ 桑可正， 金志浩. 反應燒結碳化硅復合材料的磨損機理研究［J］. 摩擦學學報， 2000， 20（5）： 352-355.

SANG Zhengke， et al. Tribology， 2000， 20（5）： 352-355.

［7］CHAWLA K K. Ceramic Matrix Composites. Springer， 1998.

［8］ CARRAPICHANO J M， GOMES J R， SILVA R F. Tribological behaviour of S3N4-BN ceramic materials for dry sliding applications. Wear， 2002， 253（9）： 1070-1076.

［9］ ANDERSSON P. Water-lubricated pin-on-disc tests withceramics. Wear， 1992， 154（1）： 37-47.

［10］ CHEN C， WU B， CHUNG C， et al. Low-friction characteristics of nanostructured surfaces on silicon carbide for waterlubricated seals. Tribology Letters， 2013， 51（1）： 127-133.

［11］ ZHAO X， LIU Y， WEN Q， et al. Frictional performance of silicon carbide under different lubrication conditions. Friction，2014， 2（1）： 58-63.

［12］ SAKAGUCHI M， OTSUKA K. Ceramics sliding materials：Ceramic solid lubricant composites. New Ceram.， 1992， 5： 51.

［13］ ZHOU Y， HIRAO K， YAMAUCHI Y， et al. Tribological properties of silicon carbide and silicon carbide-graphite composite ceramics in sliding contact. Journal of the American Ceramic Society， 2003， 86（6）： 991-1002.

［14］ 正芳. 碳石墨制品的性能及其應用［M］. 機械工業出版社，1987.

［15］ 葉飛， 潘麗吉， 劉亞， 等. 反應燒結制備輕質高強 Si3N4/SiC 材料［J］. 陶瓷學報， 2012， 33（4）： 451-456.

YE Fei， et al. Journal of Ceramics， 2012， 33（4）： 451-456.

Effects of Graphite Addition on the Mechanical Property and Tribological Property of SiC Composites

HAN Yongjun1， YAN Qingzhi1， LIU Weiliang2， LI Xianhui1
（1. University of Science and Technology Beijing， Beijing 100083， China； 2. Jingdezhen Ceramic Institute，Jingdezhen 333403， Jiangxi， China）

Graphite reinforced SiC composites were prepared via introducing natural graphite fakes into SiC matrix by liquid phase sintering. Their mechanical and tribological properties， including density， fexural strength and densifcation behavior were investigated. The fexural strength and relative density of the composites decreased with the increase of graphite， and the excellent tribological performance of the graphite improved the tribological properties of SiC composites.

SiC； graphite； mechanical property； tribological property

date: 2014-10-28. Revised date: 2014-10-03.

TQ174.75

A

1000-2278（2015）02-0138-05

2014-10-28。

2014-12-03。

國家自然科學基金（編號：U1134102）。

通信聯系人：燕青芝（1966-），女，博士，教授。

Correspondent author:YAN Qingzhi（1966-）， female， Doc.， Professor.

E-mail:qzyan@ustb.edu.cn