反應(yīng)熔滲法制備C/C-SiC材料的組織結(jié)構(gòu)及性能

湛方翊

上海大學(xué)材料研究所

反應(yīng)熔滲法制備C/C-SiC材料的組織結(jié)構(gòu)及性能

湛方翊

上海大學(xué)材料研究所

通過分析合成材料粉末冶金材料,C/C-SiC材料等復(fù)合材料的摩擦系數(shù)。C/C-SiC復(fù)合材料是一種能夠滿足高速,高性能的陶瓷制動(dòng)材料。我們要對C/C-SiC復(fù)合材料制動(dòng)材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、力學(xué)特性、摩擦性能等進(jìn)行分析。C/C-SiC復(fù)合材料具有抗熱震,抗氧化,耐磨損的優(yōu)勢，具有較為穩(wěn)定的摩擦系數(shù)。碳化硅特種復(fù)合材料的制備方法有很多，反應(yīng)熔滲法就是常用的方法中的一種。

反應(yīng)熔滲法；C/C-SiC材料；復(fù)合材料；碳化硅

一、制備C/C-SiC材料的方法

1、聚合物滲透法制備制備C/C-SiC材料

C/C-SiC材料這種復(fù)合材料的制備方法有三種,每種方法都有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn),在實(shí)際操作的過程中，操作者要根據(jù)具體的實(shí)際情況，選用不同的方法。聚合物滲透法制備炭化硅化合物,具有以下優(yōu)點(diǎn),基體成分均勻，能夠制備出形狀復(fù)雜，加工量少的零部件。但是在利用該方法制備碳化硅化合物具有一定的缺陷，其主要表現(xiàn)在于在熱解過程中，該方法會(huì)產(chǎn)生大量的氣體，降低了碳化硅化合物的生成量，不利于企業(yè)節(jié)約制作成本。

2、反應(yīng)熔滲法制備C/C-SiC材料

反應(yīng)熔滲法產(chǎn)生在二十世紀(jì)八十年代。德國人人采用這種方法制碳化硅這種復(fù)合材料。C/C-SiC復(fù)合材料最初被用來作為剎車盤。通過這種方法制造出來的碳化硅復(fù)合材料，具有抗熱沖擊性強(qiáng),具有中等強(qiáng)度，具有強(qiáng)烈的抗氧化性，在低溫下摩擦性能很好，不受環(huán)境濕度的影響，摩擦系數(shù)比較穩(wěn)定。采用這種方法制備C/C-SiC材料復(fù)合材料，制備周期短，生產(chǎn)成本低，在市場上具有很強(qiáng)的競爭能力。

二、制約碳化硅復(fù)合材料性能的影響因素

1、液態(tài)硅和固態(tài)碳化學(xué)反應(yīng)的影響因素

C/C-SiC復(fù)合材料的反應(yīng)取決于碳的微觀結(jié)構(gòu),孔隙度和孔比表面積。碳能夠與硅反應(yīng)生成碳化硅。炭黑的核心高級有較大的表面積，與硅溶液反應(yīng)生成C/C-SiC復(fù)合材料。石墨化的程度越高越難與硅反應(yīng)，石墨化的程度越低，越容易與硅反應(yīng)。

2、孔比表面積對反應(yīng)速率的影響

孔比表面積，對液態(tài)的硅和碳直接的反應(yīng)速率有著重要的影響作用?？讖皆叫?，孔比表面積就越大,活性就越高，生成的碳化硅就越多,因此孔比表面積，是影響碳和硅反應(yīng)的主要因素。

3、溫度對碳化硅反應(yīng)生成的影響

隨著溫度的增加，C/C-SiC復(fù)合材料的生產(chǎn)也越來越多。如果溫度過高，就會(huì)使碳涂層才完全反應(yīng)掉，碳纖維的強(qiáng)度會(huì)嚴(yán)重衰退。如果溫度太低，C/C-SiC復(fù)合材料的量就會(huì)很少，參與的規(guī)矩會(huì)很多，影響材料的性能和使用條件。隨著時(shí)間的增加，碳化硅的厚度是逐漸變厚的。如果反應(yīng)的時(shí)間過長,碳纖維的強(qiáng)度就會(huì)衰退，如果反應(yīng)時(shí)間太短，就沒有完全反應(yīng)，生成的碳化硅又太少,達(dá)不到使用的要求。

三、反應(yīng)熔滲法制備C/C-SiC材料的組織結(jié)構(gòu)

1、壞結(jié)構(gòu)及碳纖維類型的影響

壞結(jié)構(gòu)不僅影響到復(fù)合材料的斷裂機(jī)制，而且影響到了復(fù)合材料的制備過程。不同的碳纖維具有不同的強(qiáng)度和模量。壞體結(jié)構(gòu)會(huì)限制孔徑的形狀和大小，影響液態(tài)硅和固態(tài)的碳進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。

2、不同的碳涂層對化學(xué)反應(yīng)過程的影響

在制備C/C-SiC復(fù)合材料的過程中，要避免碳纖維和機(jī)體間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。可以用來融化的化合物進(jìn)行阻擋，也可以采用碳層進(jìn)行保護(hù)。

3、隨著碳多孔體密度的增加，碳的含量也在增加

C/C-SiC式樣的XRD衍射圖譜中可以看出液態(tài)的硅與碳反應(yīng)生成了C/C-SiC材料，在這個(gè)試樣中還含有未參加反應(yīng)的硅和碳。隨著碳多孔體密度的增加，C/C-SiC中碳的衍射峰強(qiáng)度不斷升高，這也表明碳的含量也在增加。

四、反應(yīng)熔滲法制備C/C-SiC材料的組織性能

1、碳化硅復(fù)合材料的摩擦磨損性能

摩擦磨損性能是C/C-SiC復(fù)合材料的一種重要特性，在日常生產(chǎn)生活中的應(yīng)用非常的廣泛。摩擦系數(shù)是隨著時(shí)間的延長，在增大的。機(jī)件磨損量是隨著時(shí)間的延長而增大的，但增大的幅度逐漸減小。一般來講軟碳和硬碳的差別很大。在壓力的作用下，容易在摩擦,的表面形成一層摩擦膜，摩擦膜的存在使摩擦力系數(shù)降低，再重復(fù)摩擦滑動(dòng)的時(shí)候，會(huì)導(dǎo)致摩擦磨破裂和新的磨損碎片形成。

2、碳化硅的力學(xué)性能

C/C-SiC復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度一般在150兆帕到275兆帕。具有較高的彎曲強(qiáng)度。如果沉積碳層較薄。硅就與纖維碳發(fā)生反應(yīng)。使C/C-SiC復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度降低。如果碳涂層涂得較厚,硅沒有與碳纖維反應(yīng)。碳纖維得以完整的保存，生成的C/C-SiC復(fù)合材料強(qiáng)度較高。

3、C/C-SiC是這一種理想的水潤滑軸承材料

C/C-SiC作為一種陶瓷基復(fù)合材料，綜合了纖維增強(qiáng)體優(yōu)越的力學(xué)性能和陶瓷良好的熱穩(wěn)定性，具有較強(qiáng)的抗氧化性，還具有較強(qiáng)的抗熱震性、耐磨性，以及優(yōu)異的高溫力學(xué)性能。C/C-SiC是這一種理想的水潤滑軸承材料。目前，制備C/C-SiC復(fù)合材料常用的方法有很多，通常采用化學(xué)氣相滲透法，熱壓法，先驅(qū)體裂解法，反應(yīng)熔滲法。采用適宜的方法制備C/C-SiC，可以大大降低生產(chǎn)的成本，縮短生產(chǎn)的周期，使生產(chǎn)出來的材料具有較好的性能。在生產(chǎn)C/C-SiC的過程中要選擇具有競爭力的生產(chǎn)工藝。

4、C/C-SiC材料的摩擦系數(shù)隨著時(shí)間的變化而變化的

通過大量的研究和總結(jié)發(fā)現(xiàn)：采用反應(yīng)熔滲法制備C/C-SiC，制備出來的C/C-SiC材料力學(xué)性能良好，具有較強(qiáng)的耐磨性能。大量的實(shí)驗(yàn)表明，采用石墨化處理方法使得C/C-SiC材料的彎曲強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度降低了，但是提高了材料的斷裂韌性。采用石墨化處理方法使C/C-SiC材料的摩擦系數(shù)降低了，增加了磨損的速率。C/C-SiC材料的摩擦系數(shù)隨著時(shí)間的變化而變化的。隨著時(shí)間的延長，摩擦系數(shù)逐漸增大，“跑合”結(jié)束后，摩擦系數(shù)逐漸減少并且逐漸趨于穩(wěn)定。對未石墨化的樣品進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，其機(jī)體碳為亂層結(jié)構(gòu)，硬度較高，在摩擦過程中其摩擦的系數(shù)較大，磨損量較小，經(jīng)過石墨化處理的式樣，由于纖維中的碳不易石墨化。因此，材料中的軟碳和硬碳的差別較大。即摩屑在正壓力下會(huì)形成一層較厚的摩擦膜；這層摩擦膜的存在大大降低了摩擦系數(shù)。重復(fù)的滑動(dòng)將會(huì)導(dǎo)致摩擦膜破裂，使新的磨損碎片形成。

結(jié)束語

C/C-SiC陶瓷材料，密度低,摩擦因數(shù)高。性能平穩(wěn)，可以接受更多的制動(dòng)摩擦沖擊，耐磨性能好，在機(jī)械中的應(yīng)用非常廣泛，制動(dòng)噪音低,沒有火花。抗氧化來環(huán)境能力強(qiáng)。在潮濕的環(huán)境中不發(fā)生腐蝕，也不會(huì)發(fā)生力學(xué)強(qiáng)度和摩擦性衰減，能夠適應(yīng)各種氣候。主要用來做車輛重要的零部件，耐磨性能比較好，摩擦因數(shù)比較高。

[1]劉躍,付前剛,李賀軍,李關(guān)美.反應(yīng)熔體滲透法制備C/C-SiC復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)及抗氧化性能[J].中國材料進(jìn)展,2016,02:128-135.

[2]張永喜.CFRP界面強(qiáng)度對C/C-SiC復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)和性能的影響[D].大連理工大學(xué),2013.