C/C復合材料表面SiC涂層摩擦磨損性能研究

王錦陽

（湖南工學院機械工程學院，湖南 衡陽 421000）

1 研究背景

安全，穩定和舒適的制動系統是人們一直以來的追求，尤其是近年來發展迅速。銅基金屬復合材料，再加上鑄鋼盤，可被用作時速超過250 km/h的火車的剎車片。它顯示出許多優異的性能，例如穩定的摩擦系數(COF)，高韌性和良好的導熱性，這使其有希望成為摩擦材料。但是，其具有相對較低的耐磨性，高的密度，并且基體在高溫下會軟化，尤其是較短的壽命周期，限制了其長期用作為摩擦材料來使用。本文將主要針對C/C復合材料表面SiC涂層摩擦磨損性能進行深入研究，為拓寬C/C復合材料的應用范圍提供行之有效的方法。

2 C/C復合材料的研究進展及應用

C/C復合材料，是基于碳或石墨纖維和織物增強的材料，是以碳(或石墨)為基質，通過加工和處理所有由碳化物以制成的碳復合材料。C/C復合材料具有質量輕，良好的抗侵蝕和熱沖擊性能，高的耐損傷性以及高的強度和剛度，使其成為一種特殊的新興結構材料，可用于航空，航天等應用。其獨特的特點和先進的制造技術，最終導致產生了更便宜的生產工藝，使得這種材料越來越多地用于工業應用。其在機械、冶金化工和生物醫學等多個領域也具有巨大的應用潛力。例如，C/C復合材料可用于制作渦輪機葉片、剎車片、內燃機活塞、人造骨及人造關節等。

目前，由于C/C復合材料具有低密度、高的強度-重量比和優異的力學性能。可用于減輕戰斗機的重量，從而實現了加速快、耗油量少、轉彎靈活、航程遠、有效荷載增大的目標。此外由于 C/C 復合材料的摩擦系數穩定適中熱容大，也用作剎車裝置的材料，如美國一些軍用和民用飛機、波音、空中客車等都使用 C/C 復合材料作為剎車裝置。然而，目前限制C/C復合材料使用的最重要因素是它們在723K以上溫度下的氧化以及高溫下的氧化磨損。

3 C/C復合材料的抗摩擦磨損技術的研究進展

材料的摩擦磨損涉及到了機械、物理、化學和力學等多種學科。其中，影響C/C復合材料摩擦學性能的因素主要包括施加在試樣上的載荷、滑動速度、吸收能量和潤滑劑（水或油）等外部條件，以及材料本身的內在特性，如其微觀結構特性、硬度、粗糙度、界面剪切強度和彈性模量。2005年，叢紅梅等人指出C/C復合材料的摩擦磨損機理為機械磨損和氧化磨損，在高溫下C/C復合材料的磨損是機械磨損和氧化磨損共同作用的結果，其中氧化是高溫下C/C復合材料磨損的根本原因。2006年，葛毅成等人重點討論了時間、載荷、速度對C/C復合材料摩擦磨損行為的影響。2010年，耿黎明等人研究了低能載條件下C/C復合材料滑動摩擦磨損性能，主要討論了載荷、轉速和預成型體纖維取向對C/C復合材料的摩擦系數和磨損率的影響。總之，C/C復合材料的摩擦磨損是一個相當復雜的過程。

目前，C/C復合材料的抗摩擦磨損技術主要包括C/C復合材料的改性技術以及C/C復合材料的涂層技術，接下來，我們將對這兩部分進行分別簡述。

為了提高C/C復合材料的摩擦性能，在過去的幾十年里已經做了許多關于基體改性的工作。例如，通過引入SiC、TiC和Si基合金來取代C/C復合材料的一些碳基體而使其COF得到增強。

在粉末冶金材料和C/C復合材料之后，碳纖維增強的碳和碳化硅復合材料(C/C-SiC)已成為新一代高性能的制動材料，其具有優異的性能，例如低密度，高比強度和高溫下良好的機械性能穩定性，以及出色的摩擦學性能(低磨損率；高而穩定的摩擦系數)和低的環境敏感性。

此外，由于純銅和銅基合金具有良好的導熱性和摩擦性能，大量學者還對純銅和銅基合金的滲入進行了研究，以改善C/C復合材料的摩擦學性能。

盡管這些改性C/C復合材料在跑車、高速電梯、建筑機械的高性能制動系統中顯示出巨大的潛力。然而，在C/C復合材料中引入高硬度的陶瓷通常會導致較高的陶瓷率，并且容易對金屬配件進行磨損。因此很多學者開始探索其他保護C/C復合材料的有效方法。

4 C/C復合材料表面的SiC涂層的研究

C/C復合材料因其所需的特性（例如低密度，良好的加工性能和出色的高溫機械特性）而成為航空航天和航天應用中熱結構部件的誘人材料。但不幸的是，C/C復合材料在暴露于450℃以上的氧化氣氛中時顯示出明顯的氧化降解和較差的耐磨性。它極大地限制了它們在高級發動機的摩擦學部件上的應用，例如活塞，氣門，密封圈和軸承。這些組件要求結合出色的性能，例如，高溫(500-1000℃)抗氧化，高比強度和出色的耐磨性。

在C/C復合材料上制備耐磨、防氧化涂層被認為是解決這類問題的有效方法。在這些涂層中，SiC涂層被認為是理想的候選材料。

C/C復合材料在2273 K以上的溫度下具有出色的超高強度，使其成為具有高級熱保護功能的高溫結構應用的最有希望的候選材料。然而，它們在673 K以上的氧化限制了它們在高溫含氧氣氛中的應用，這導致人們進行了研究以嘗試改善其抗氧化性以改善其抗氧化磨損性能。目前，已經提出了使用改進的SiC涂層，或者以SiC涂層為粘結層和緩沖層來制備復合涂層。

早在1994年，Satoshi等人研究了SiC陶瓷的摩擦學特性，并指出SiC在室溫下的比磨損率非常小，并且與滑動速度的關系不大。2007年，Jian-feng Huang等人探索了使用不同添加劑的新型兩步填充膠結工藝，以獲得致密的Si-SiC復合涂層。結果表明，高溫下涂層的效率降低，并且在長時間氧化后涂層樣品發生失重。在1773K下氧化200h后Si-SiC涂層的表面產生了一些孔。其主要原因是由于SiO2玻璃膜的汽化和排氣，以及不能提供足夠的玻璃相來密封孔。

并且SiC具有良好的生物相容性，SiC涂覆的C/C復合材料在生物應用中具有一定的應用價值。2009年，LEI-LEI ZHANG等人通過填充膠結在C/C復合材料表面制備了致密且均勻的SiC涂層。與未涂覆的C/C復合材料表面相比，人成骨細胞樣MG63細胞在涂層上的擴散和增殖得到促進。SiC涂層無害，且可以有效增強C/C復合材料的抗摩擦磨損性能，可用于涂覆C/C復合材料以應用于整形外科植入物。

隨后，為了解決SiC和碳材料之間的熱膨脹系數不匹配而導致的性能失效問題，開始利用SiC涂層與C/C復合材料之間良好的相容性使其作為粘結層和緩沖層在碳材料表面引入復合涂層。

5 SiC涂層的的選擇及性能

磨損通常會在極端條件下(例如高溫等)對工作表面造成嚴重損壞，增加C/C復合材料在高溫下對空氣氧化的抵抗力以降低高溫磨損帶來的損失是十分重要的。目前，制備涂層則被認為是在高溫下保護C/C復合材料的極其有效的方法。

涂層最基本的功能是要把C/C復合材料和氧化環境隔離開來，因此，一個涂層必須滿足下述要求：

（1）可以有效的阻止碳向外擴散以及氧的侵入；

（2）涂層需要均勻平整且無裂紋，并具有自愈能力；

（3）涂層與基材之間具有較好的機械化學相容性和較高的結合強度；

（4）高溫下不發生揮發和流失；

（5）具有良好的機械性能和耐磨損，耐腐蝕性能。

SiC涂層具有優異的抗氧化性和耐磨性，低的熱膨脹系數，高溫下氧化形成的SiO2玻璃質保護膜能有效阻止氧的擴散滲透，且與C/C復合材料基體化學相容性好。此外，由于碳化硅具有高硬度和良好的耐磨性，它被廣泛用于軸承，氣缸套和機械密封等應用中。因此，在C/C復合材料表面形成SiC涂層受到人們廣泛的關注，且對其進行進一步的了解及改進是相當有意義的。

6 結論

在過去的幾十年中，C/C復合材料的開發使許多航空和航天應用受益。這種材料的優異性能，例如低密度，高溫機械穩定性，抗熱震性和高比強度，證明了它們在眾多領域的應用中的合理性，包括車輛保護裝置或飛機制動盤。但是，C/C復合材料的應用受到氧化磨損的嚴重限制。并且氧化過程最終會導致纖維/基體脫粘，從而導致其優異的材料性能喪失。目前，C/C復合材料的抗摩擦磨損技術主要包括C/C復合材料的改性技術以及C/C復合材料的涂層技術。然而，在C/C復合材料的改性技術中，引入高硬度的陶瓷通常會導致較高的陶瓷率，并且容易對金屬配件進行磨損。并且由于基體改性法在C/C復合材料基體中需加入抑制劑，會導致材料力學和熱學性能的下降。因此，要實現高于1273 K的抗氧化保護，涂層技術是最佳的選擇。

目前，很多學者開發出了許多用于C/C復合材料的涂層體系。其中，由于SiC涂層具有出色的耐腐蝕性、與C/C基質的良好化學相容性、高硬度和良好的耐磨性，被認為是最理想的候選材料。并且由于SiC涂層對C/C復合材料具有良好的高溫物理和化學適應性，還被廣泛用作多層涂層（例如SiC / Al2O3 /莫來石和SiC /氧化釔硅酸鹽涂層）中粘結層和緩沖層。而對C/C復合材料表面SiC涂層的摩擦磨損性能進行進一步的研究，有望開辟出一條提高C/C復合材料抗氧化磨損性能的新途徑，使得C/C復合材料有更加廣泛的應用。