C/SiC復合材料摩擦性能及儲油性能分析

隋天一 林彬 魏金花 王皓吉 閆帥

摘 要：復合材料因性能獨特而備受關注，但其自身結構復雜且受到諸多因素的影響，因而對其摩擦學性能的研究仍有待進一步加強。為了對比不同摩擦配副對C/SiC復合材料摩擦性能及儲油性能的影響，以C/SiC復合材料為研究對象，運用銷盤摩擦學試驗方法，研究了C/SiC復合材料與45#鋼以及C/SiC復合材料與ZrO2材料摩擦配副的摩擦學性能，采用三維形貌儀等儀器對C/SiC復合材料摩擦后的表面進行表征分析，研究其摩擦后的表面質量及其儲油性能。結果表明，C/SiC復合材料與45#鋼磨損劇烈，摩擦后表面儲油性能嚴重下降；其與ZrO2對磨則摩擦系數(shù)較低，磨損量較小，摩擦后的表面仍保持了較好的承載性能及儲油性能，是一種良好的摩擦配副。研究結果為拓展C/SiC復合材料的應用及揭示其摩擦學特性提供了有力支撐。

關鍵詞：摩擦學；C/SiC；復合材料；儲油性能；摩擦性能

中圖分類號：TK172 文獻標志碼：A

文章編號：1008-1542（2018）03-0191-07

隨著科學技術的高速發(fā)展，生產過程向連續(xù)化、自動化方向發(fā)展，機器向高速、重載方向發(fā)展[1]，新型復合材料具有比強度和比剛度高、尺寸穩(wěn)定性好、透波、電絕緣、耐磨、抗沖擊、高阻尼、抗疲勞等諸多優(yōu)良特性[2]，廣泛應用于生產生活中。但是復合材料結構復雜，具有各向異性、非均勻性、脆性大、耐熱沖擊性差等特點，其加工后的表面質量不易控制，直接影響了摩擦磨損性能。國內外學者對復合材料的摩擦學性能進行了一系列研究：中南大學王秀飛等[3]、華南理工大學陳東[4]以及中國海洋大學韓野[5]針對復合材料的制備及摩擦行為進行了系統(tǒng)研究；東南大學謝亞飛[6]研究發(fā)現(xiàn)，三維編織復合材料具有良好的抗剪切性能；尹彩流等[7]指出，C/C-SiC復合材料與鐵基粉末冶金材料組成的摩擦副的摩擦性能優(yōu)異；茹紅強等[8]研究了三維網絡SiC陶瓷/金屬復合材料的摩擦性能，指出材料表面摩擦形成的氧化層硬度較高，是該材料耐磨性能優(yōu)良的主要原因；MANABU等[9]、KRUPKA等[10]、HHN等[11]以及MOURIER等[12]通過試驗研究了彈流接觸條件下微凹坑陣列的摩擦學行為，指出表面微結構對油膜成形的影響顯著；REN等[13]及HU等[14]建立了分析點接觸的統(tǒng)一3D 混合彈流潤滑模型；CHEN等[15]設計了用來研究粗糙表面線接觸混合彈流潤滑問題的3D線接觸型彈流模型；WANG等[16]發(fā)現(xiàn)微凹坑直徑較小時具有良好的減摩效果；DOBRICA等[17]通過對織構表面流體動力性能的影響進行研究，得出了優(yōu)化的紋理區(qū)范圍和凹坑方位；ETSION[18]通過試驗得出單一表面激光造型的機械密封，無論是在承載能力還是摩擦特性方面都優(yōu)于未造型表面；COSTA等[19]研究發(fā)現(xiàn)凹坑中儲存的潤滑劑體積太小，不能減小摩擦力和改善潤滑；日本大阪大學花崎伸作[20]研究得出復合材料中纖維被切斷是由于垂直于纖維自身軸線的剪切應力超過了纖維的剪切強度極限所致；沈新民等[21]發(fā)現(xiàn)碳化硅零件在等離子體氧化輔助軟磨粒拋光下可以實現(xiàn)較高的表面質量；LI等[22]研究發(fā)現(xiàn)，C/C-SiC與金屬配副摩擦在低速狀態(tài)時摩擦與磨損都較小，但是在高速時會出現(xiàn)嚴重的磨損；GOOBYEONG等[23]則發(fā)現(xiàn)C/SiC復合材料摩擦系數(shù)受溫度的影響顯著。

由以上的分析可以看出，復合材料因其獨特的表面結構，表現(xiàn)出了不同于其他材料的摩擦學性能，但目前對C/SiC復合材料的表面結構及其摩擦學性能的研究尚不深入。本研究以C/SiC復合材料為研究對象，研究其與45#鋼及ZrO2配副的摩擦性能，并對C/SiC復合材料的摩擦表面進行分析，研究其承載性能及儲油性能。實驗發(fā)現(xiàn)，C/SiC復合材料與45#鋼對磨出現(xiàn)了嚴重的磨損，其承載性能和儲油性能下降；C/SiC復合材料與ZrO2對磨則表現(xiàn)出良好的摩擦學性能，且C/SiC復合材料表面的承載及儲油性能較好。

1 試驗方法

1.1 試驗材料及摩擦學試驗方法

碳化硅陶瓷因具有高強度、高硬度、抗腐蝕、耐高溫等特點而被廣泛用于高溫和某些苛刻的環(huán)境中，尤其是在航空航天飛行器需要承受極高溫度的特殊部位，具有很大的應用潛力。為了對比不同摩擦配副對C/SiC復合材料摩擦性能及儲油性能的影響，本次摩擦試驗選用C/SiC復合材料與ZrO2以及C/SiC復合材料與45#鋼2種摩擦配副。試驗配副選用銷盤配副，提前將不同纖維朝向的C/SiC復合材料加工成銷，并準備ZrO2及45#鋼2種圓盤以備使用，試驗前均將試件置于乙醇中超聲震蕩2 min，以去除表面污染物。纖維增韌陶瓷基復合材料的性能取決于各組分的性能、比例以及纖維結構。相同摩擦副，因纖維方向不同，摩擦性能會有很大差異。本研究用三維非接觸式表面形貌儀和成都勵揚超景深顯微測量系統(tǒng)進行全程觀察，對比C/SiC復合材料纖維疊層方向和垂直纖維疊層方向的摩擦磨損性能及儲油性能。圖1示出了C/SiC試件、ZrO2試件以及45#鋼試件。

研究中所有摩擦磨損試驗均在 MMW-1 型立式萬能摩擦磨損試驗機上完成。該試驗機在一定的接觸壓力下，以滾動、滑動及復合摩擦的形式完成點、線、面的磨損模擬試驗，可用于評價潤滑劑、金屬、涂層、陶瓷等工程材料及表面改性處理后的摩擦磨損性能。摩擦試驗時長為7 200 s，試驗力為50 N，主軸速度為400 r/min。

滑動速度及接觸壓力計算如式（1）和式（2）所示。

1.2 表征分析方法

在試驗完成后取下摩擦副，用丙酮清洗摩擦副，隨后進行30 min水浴清洗，在恒溫干燥箱內進行干燥，摩擦磨損前后材料表面定量和定性分析分別采用NANOVEA三維非接觸式表面形貌儀和成都勵揚LY-WN-YH超景深測量系統(tǒng)進行觀察。采用精度為 0.1 mg 的分析天平，對對磨工件的磨損量進行表征分析。

2 結果與討論

2.1 C/SiC摩擦性能分析

C/SiC復合材料與45#鋼進行摩擦磨損試驗記錄的摩擦系數(shù)曲線如圖2 a）所示。試驗開始后，摩擦系數(shù)出現(xiàn)小幅的波動，原因是初期摩擦使摩擦副表面較大凸起磨平，在經歷短暫的磨合過程后，摩擦系數(shù)逐漸增大并在700 s左右進入相對平穩(wěn)的階段，摩擦系數(shù)保持在0.8左右，試驗過程伴隨著較大的噪聲和振動。而從3 400 s開始，摩擦系數(shù)突然出現(xiàn)劇烈震蕩，C/SiC復合材料出現(xiàn)微小崩碎，45#鋼表面出現(xiàn)顯著劃痕，平均摩擦系數(shù)急劇增大至5，試件磨損劇烈，試驗停止。該現(xiàn)象可能是由于摩擦過程中伴隨著接觸表面的磨損，接觸區(qū)域內磨屑積累形成嚴重的磨粒磨損，并且伴隨著摩擦熱的積累，在3 500 s左右出現(xiàn)了摩擦系數(shù)大幅上升的現(xiàn)象。

C/SiC復合材料與ZrO2進行摩擦磨損試驗記錄的摩擦系數(shù)曲線如圖2 b）所示。試驗開始后進入磨合期，摩擦系數(shù)出現(xiàn)快速上升，在1 000 s左右達到0.62，之后出現(xiàn)快速下降，到6 000 s左右進入平穩(wěn)期，摩擦系數(shù)穩(wěn)定于0.2左右，試驗過程中震蕩和噪聲較小，C/SiC復合材料以及ZrO2未出現(xiàn)剝落及崩碎現(xiàn)象，直至到達設定試驗時間停止。

C/SiC復合材料與45#鋼及ZrO2摩擦后的摩擦表面如圖3所示。由摩擦表面可以看出，經過與45#鋼對磨后表面非常平整，但出現(xiàn)了較大的裂紋，表面同時出現(xiàn)了一定的轉移膜以及表面氧化。分析其原因是由于摩擦試驗中磨損非常嚴重，導致C/SiC表面出現(xiàn)了嚴重的剝落。在觀察C/SiC復合材料與ZrO2對磨后的表面可以看出，C/SiC復合材料表面出現(xiàn)較多的凹坑，且表面劃痕較為嚴重，在摩擦表面可以看出明顯的纖維結構，能夠對摩擦表面進行支撐。

2.2 C/SiC表面儲油性能分析

C/SiC復合材料與45#鋼進行摩擦后出現(xiàn)表面銹蝕，且粗糙度嚴重變大，導致表面三維形貌只能通過高斯濾波才能看清；而C/SiC復合材料與ZrO2對磨過程較為平順，摩擦試驗后的表面比較平滑。使用非接觸式三維形貌儀對摩擦表面進行檢測，與摩擦前表面形貌進行比較發(fā)現(xiàn)，C/SiC復合材料與45#鋼摩擦后的表面變得更加粗糙，而其與ZrO2對磨后的表面則較試驗前光滑，詳見圖4。

從圖4可以看出，C/SiC復合材料與45#鋼進行摩擦后表面的核心區(qū)空隙面積較小，谷底區(qū)空隙面積也減小，尖峰增多，可以推斷其表面承載和儲油性能均下降。但可以看到，C/SiC復合材料與ZrO2對磨后表面的核心區(qū)空隙面積增大，谷底區(qū)空隙面積也增大，從而承載和儲油性能均有所提高。表1列出了摩擦試驗前后C/SiC復合材料的表面參數(shù)。

由表1可以看出，經過摩擦試驗后，C/SiC復合材料表面結構參數(shù)均比摩擦試驗之前出現(xiàn)了大幅的提升，這說明表面粗糙度明顯增大，但同時可以看出，C/SiC復合材料與ZrO2進行摩擦后的表面結構參數(shù)明顯比C/SiC復合材料與45#鋼進行摩擦后的表面低一個數(shù)量級。

圖5為表面支承長度曲線，如圖5所示2條平行線，一條在5%支承長度處，另一條在85%支承長度處，這樣曲線就被分成3個區(qū)域：峰頂區(qū)（0～5%）、核心區(qū)（5%～85%）和谷底區(qū)（85%～100%）。對于表面的支承特性，表面支承長度率從0增加到一個給定值（通常取5%）越快，則該表面的支承性能就會越好。谷底區(qū)空隙面積越大，其儲油性能越好。可以看出，C/SiC復合材料與ZrO2進行摩擦后表面在核心區(qū)比較平穩(wěn)，空隙面積較大，支承性能較好。而與45#鋼對磨后的表面對比可以看出，其表面出現(xiàn)了嚴重的磨損，表面參數(shù)出現(xiàn)嚴重分化，材料因為小塊剝落而出現(xiàn)嚴重的凸峰和凹坑，承載性能及儲油性能較差。

圖6為摩擦后的45#鋼以及ZrO2摩擦表面的形貌圖，可以清晰地看出，45#鋼在摩擦試驗后表面出現(xiàn)了嚴重的劃痕，犁溝現(xiàn)象明顯；而對比ZrO2摩擦后的表面可以看出，ZrO2表面整體較為平整，未出現(xiàn)嚴重的劃痕，部分區(qū)域出現(xiàn)小塊凹坑，可能是由于材料自身缺陷而導致的。整體來說，ZrO2表面的磨損情況要明顯低于45#鋼表面。

3 結 語

針對C/SiC復合材料與45#鋼、C/SiC復合材料與ZrO2的摩擦性能進行了研究，運用非接觸式三維形貌儀及超景深測量儀，對摩擦后的C/SiC復合材料表面進行了分析，研究了其承載性能及儲油性能。試驗發(fā)現(xiàn)，C/SiC復合材料與45#鋼材料對磨后產生的磨損非常劇烈，摩擦表面出現(xiàn)嚴重的犁溝現(xiàn)象，并伴隨表面剝落的發(fā)生，降低了材料的儲油性能；而C/SiC復合材料與ZrO2材料對磨后表現(xiàn)出良好的摩擦學性能，表面較為平整，未出現(xiàn)嚴重的犁溝及剝落現(xiàn)象，表面儲油性能良好。C/SiC復合材料與ZrO2摩擦后表面承載和儲油性能提高，而與45#鋼摩擦后表面承載和儲油性能出現(xiàn)嚴重下降。摩擦后ZrO2表面明顯優(yōu)于45#鋼表面，C/SiC復合材料與ZrO2配副更適宜作為摩擦副材料。

本研究目前只針對較為常見的45#鋼配副以及ZrO2配副進行了摩擦性能研究，所研究的配副種類有限，今后可針對更多種類摩擦配副以及表面磨損機理進行深入研究。

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