熱解炭涂層對C/C-SiC復合材料性能的影響

雷 玥 李瑞珍 解惠貞

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熱解炭涂層對C/C-SiC復合材料性能的影響

雷 玥 李瑞珍 解惠貞

（西安航天復合材料研究所，西安 710025）

采用反應熔滲法（RMI）將不同密度的C/C坯體制備成C/C-SiC復合材料，利用化學氣相沉積法（CVD）在C/C-SiC復合材料表面進行炭沉積形成熱解炭涂層，選用HS-19A型肖氏硬度計測試其硬度，利用MM1000-II 型摩擦磨損實驗機測試摩擦性能，研究熱解炭涂層對C/C-SiC復合材料孔隙率、硬度及摩擦性能的影響。結果表明：熱解炭涂層可以有效地降低孔隙率，提高硬度，減小摩擦系數。

C/C-SiC復合材料；熱解炭涂層；硬度；摩擦性能

1 引言

C/C-SiC復合材料是由炭纖維增強的炭基體與碳化硅基體兩種基體組成的雙基復合材料，不僅擁有C/C復合材料高比強、高比模、高熱導率、低的熱膨脹等一系列優良性能，同時還具備了碳化硅基體致密度高、抗燒蝕、耐熱震、適應苛刻環境能力強、抗氧化性和低磨損性能等一系列C/C復合材料不具備的性能[1～3]，基于這些優異性能，C/C-SiC復合材料在空間光機結構件、航天熱結構件、飛機和高速列車的剎車件等領域有著廣泛的應用前景[4～8]。

近年來，國內外對SiC陶瓷及其密封件研究也相當活躍[9，10]，SiC材料抗壓強度很高，可承受很大的端面應力，作為密封材料使用時承受的端面應力過大會導致摩擦熱顯著增大，粘著磨損加劇，而SiC材料抗粘著磨損能力強，有利于作為高壓密封材料使用；其次SiC材料是一種高比強的材料，其彈性模量很高，在高壓下不易發生變形，應用高速密封環境下產生較小離心力，引起的振動也小，從而保持密封端面之間穩定貼合；此外還具有良好的熱學性能，有利于降低摩擦溫度減少磨損量，同時可避免熱變形和熱裂紋[11]。從SiC材料性能可推斷出C/C-SiC復合材料也是一種非常有應用前景的摩擦密封材料，但對其密封方面的性能研究較少。在摩擦密封領域中的液體火箭發動機渦輪泵密封要求材料具有摩擦系數低，致密性好，與金屬對磨面有好的相容性，不能磨出劃痕，另外空氣壓縮機中要求刮片與軸承及缸體之間有一定的密封作用，而且在機器運行時刮片靠離心力甩出在氣缸內壁摩擦，同時還要做徑向運動，這就要求刮片材料具有低的摩擦系數，較好的耐磨性，強度及硬度。從密封領域對材料性能要求來看，C/C-SiC復合材料存在摩擦系數較高，脆性大等問題。本文通過在C/C-SiC復合材料表面CVD炭涂層，探究熱解炭涂層對C/C-SiC復合材料孔隙率、硬度及摩擦性能的影響。

2 實驗

2.1 試樣制備

選用針刺網胎/無緯布疊層預制體為增強體，通過化學氣相沉積（CVD）結合樹脂浸漬（PIP）工藝致密成不同密度的C/C坯體，按照密度由小到大的順序依次編號為1、2、3、4，然后采用反應熔滲法（RMI）制備得到C/C-SiC復合材料，加工成試樣，取出一半試樣在表面通過CVD法沉積炭形成熱解炭涂層，以作比較。

2.2 孔隙率測試

孔隙率是指材料中孔隙所占的體積與材料總體積之比，孔隙率可相應地分為開孔孔隙率和閉孔孔隙率，本文的孔隙率指的是開孔孔隙率，采用真空排水法測量試樣的孔隙率。將試樣表面清理干凈，使用電子天平稱量試樣質量記為1，然后將試樣放入蒸餾水中抽真空，時長約為90min，待蒸餾水將材料的孔隙充分填滿后取出試樣，將表面的蒸餾水擦拭干凈，用電子天平稱其質量記為2，最后采用排水法測出試樣的體積。由此可得試樣的孔隙率為：

式中：——材料的開孔孔隙率；——蒸餾水的密度。

2.3 硬度制備

依據JB/T 8133.4—1999標準，選取尺寸為20mm×20mm×10mm的試樣使用HS-19A型肖氏硬度計測量硬度，方向為針刺方向。

2.4 摩擦性能測試

采用MM1000-II 型摩擦磨損實驗機測試試樣的摩擦性能。實驗用動盤為無熱解炭涂層的C/C-SiC復合材料一個，靜盤為無熱解炭涂層的C/C-SiC復合材料和有熱解炭涂層的C/C-SiC復合材料各一個。測試時在一定壓力下動盤與靜盤相互接觸，動盤被主軸帶動轉動，與靜盤開始摩擦，同時記錄力矩、轉速、摩擦系數等數據，直至達到規定轉速停止。進行摩擦試驗時，先在程序上設定好壓力或轉速，將摩擦動靜盤裝到試驗機上，然后使用扳手緩慢加力使試驗機主軸旋轉促使摩擦盤產生相對滑動停止，通過電腦啟動電機進行摩擦測試，達到規定轉速后停止，同時記錄從靜到動再到停止整個過程中摩擦系數的變化，得到動摩擦系數[12]，選擇摩擦試驗的條件參數為慣量0.235kg·m2、壓力0.7MPa、轉速4000r/min，摩擦試樣如圖1所示。

圖1 摩擦試樣

3 結果與討論

3.1 熱解炭涂層對孔隙率的影響

采用真空排水法測量有無熱解炭涂層兩種狀態下C/C-SiC復合材料的孔隙率，得到孔隙率的變化規律如圖2所示，可以看出在選定C/C坯體密度范圍內C/C-SiC復合材料孔隙率隨密度升高而增大，與曹宇等人的結果一致[13]，有熱解炭涂層的C/C-SiC復合材料孔隙率比無熱解炭涂層的降低了15%左右。

圖2 有無熱解炭涂層下C/C-SiC復合材料孔隙率的變化規律

當C/C坯體密度較大時孔隙較少，網胎及纖維束之間的間隙小致使滲硅通道較狹窄，液態Si與基體炭反應生成SiC體積膨脹，滲硅通道很快被阻塞，導致最終制備的C/C-SiC復合材料內部閉孔較多且大，孔隙率大，通過CVD炭涂層在C/C-SiC復合材料表面，相當于封孔處理，丙烯作為碳源氣體一方面可以沉積到材料內部狹小空隙中，另一方面可以將材料表面微坑填補平整，光潔度提高，如圖3所示，所以熱解炭涂層可以有效的降低C/C-SiC復合材料的孔隙率。

圖3 有無熱解炭涂層下C/C-SiC復合材料的表面圖

3.2 炭涂層對硬度的影響

顯示材料局部抵抗硬物壓入其表面能力的硬度指標，是炭基復合材料作為密封材料室溫關鍵性能參數之一，主要與C/C-SiC復合材料的孔隙率和基體組成有關。采用HS-19A型肖氏硬度計測試無熱解炭涂層C/C-SiC復合材料的硬度與有熱解炭涂層的作比較，結果如圖4所示，可以看出C/C-SiC復合材料硬度隨C/C坯體密度升高而降低，熱解炭涂層可以提高C/C-SiC復合材料的硬度。

圖4 有無熱解炭涂層下C/C-SiC復合材料硬度的變化規律

一方面，在C/C坯體制備成C/C-SiC復合材料過程中，Si與基體炭反應生成SiC填充在纖維與纖維交織的網格中，改善了纖維與基體之間的界面結合，提高了材料的整體強度，而且SiC是強度和剛度很高的材料，其彈性模量很高，在高壓下不易發生變形，然而反應生成的SiC隨C/C坯體密度增大而減少，降低了材料的抵抗能力；另一方面，有熱解炭涂層的C/C-SiC復合材料的孔隙率較小，可以改善Si與炭纖維反應形成的微裂紋，在肖氏硬度試驗中，試樣表面被壓部位周圍承受拉伸變形以及被壓部位承受壓力，表面致密孔隙少，不易變形，而材料內部受到壓力，可變形范圍小，抵抗破壞的能力強，因此熱解炭涂層可以有效的提高C/C-SiC復合材料的硬度，同時這也就解釋了硬度隨C/C坯體密度增大而降低的原因。

3.3 炭涂層對摩擦性能的影響

采用MM1000-II 型摩擦磨損實驗機在慣量0.235kg·m2、壓力0.7MPa、轉速4000rad/min的測試條件下進行測試，得到有無熱解炭涂層C/C-SiC復合材料的摩擦系數變化曲線如圖5所示，可以看出C/C-SiC復合材料摩擦系數隨C/C坯體密度升高而降低，有熱解炭涂層的C/C-SiC復合材料摩擦系數相較于無熱解炭涂層的有所降低。

圖5 有無熱解炭涂層下C/C-SiC復合材料摩擦系數的變化規律

C/C-SiC試樣表面存在大量硬度較大的微凸體，在壓力作用下，表面微凸體與動盤材料相互嵌入、嚙合，需要較大的剪切力才能使其斷裂或者變形，因而能夠提供較大的滑動阻力，摩擦系數較高。當C/C坯體密度較低時，反應生成的SiC較多，且具有一定厚度，無定形炭較少，材料表層趨于均質SiC，硬度高，在摩擦過程中大量磨屑在摩擦面不容易形成摩擦膜，其摩擦系數較高，隨著C/C坯體密度升高，無定形炭增加，生成的SiC比例降低，容易形成摩擦膜，摩擦系數降低，而在C/C-SiC試樣表面CVD炭涂層，相當于表層SiC含量減少，能譜分析如圖6所示，且沉積了大量炭，表面較為均勻，摩擦時熱解炭相對SiC較軟，易于剝落，降低了摩擦時實際接觸面積，容易被壓制成潤滑膜，因此摩擦系數降低。

圖6 有無熱解炭涂層的能譜分析

4 結束語

a.在C/C-SiC復合材料表面CVD炭形成熱解炭涂層，可以改善表面光潔度，填補微坑，同時部分炭源氣體進入材料內部沉積在空隙里，有效降低孔隙率。

b. 熱解炭涂層可以修復一部分C/C-SiC復合材料在反應熔滲過程中形成的微裂紋，增強了抵抗破壞的能力，從而使得硬度提高。

c. 熱解炭涂層改變了材料表面相的組成，降低了SiC的比例，在壓力作用下摩擦面的大量磨屑更易形成摩擦膜，因此可以降低摩擦系數。

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Influences of PyrocarbonCoating on Properties of C/C-SiC Composite Materials

Lei Yue Li Ruizhen Xie Huizhen

(Xi’an Aerospace Composites Research Institute, Xi’an 710025)

By reactive melt infiltration (RMI), C/C-SiC composite materials were prepared from different densities of C/C composites. The pyrocarbon coating on C/C-SiC composite surface was formed by chemical vapor deposition (CVD). HS-19A type hardness tester was used to test its hardness, and the friction performance was tested by MM1000-II friction and wear tester. The effects of the carbon coating on the porosity, the hardness and friction properties of C/C-SiC composites were investigated. The results indicate that the pyrocarbon coating can effectively reduce the porosity, improve the hardness and reduce the friction coefficient.

C/C-SiC composite materials；pyrocarbon coating；hardness；friction behaviour

雷玥（1993），碩士在讀，材料科學與工程專業；研究方向：高溫材料及制造。

2017-11-30