C/SiC复合材料摩擦性能及储油性能分析

隋天一 林彬 魏金花 王皓吉 闫帅

摘 要：复合材料因性能独特而备受关注，但其自身结构复杂且受到诸多因素的影响，因而对其摩擦学性能的研究仍有待进一步加强。为了对比不同摩擦配副对C/SiC复合材料摩擦性能及储油性能的影响，以C/SiC复合材料为研究对象，运用销盘摩擦学试验方法，研究了C/SiC复合材料与45#钢以及C/SiC复合材料与ZrO2材料摩擦配副的摩擦学性能，采用三维形貌仪等仪器对C/SiC复合材料摩擦后的表面进行表征分析，研究其摩擦后的表面质量及其储油性能。结果表明，C/SiC复合材料与45#钢磨损剧烈，摩擦后表面储油性能严重下降；其与ZrO2对磨则摩擦系数较低，磨损量较小，摩擦后的表面仍保持了较好的承载性能及储油性能，是一种良好的摩擦配副。研究结果为拓展C/SiC复合材料的应用及揭示其摩擦学特性提供了有力支撑。

关键词：摩擦学；C/SiC；复合材料；储油性能；摩擦性能

中图分类号：TK172 文献标志码：A

文章编号：1008-1542（2018）03-0191-07

随着科学技术的高速发展，生产过程向连续化、自动化方向发展，机器向高速、重载方向发展[1]，新型复合材料具有比强度和比刚度高、尺寸稳定性好、透波、电绝缘、耐磨、抗冲击、高阻尼、抗疲劳等诸多优良特性[2]，广泛应用于生产生活中。但是复合材料结构复杂，具有各向异性、非均匀性、脆性大、耐热冲击性差等特点，其加工后的表面质量不易控制，直接影响了摩擦磨损性能。国内外学者对复合材料的摩擦学性能进行了一系列研究：中南大学王秀飞等[3]、华南理工大学陈东[4]以及中国海洋大学韩野[5]针对复合材料的制备及摩擦行为进行了系统研究；东南大学谢亚飞[6]研究发现，三维编织复合材料具有良好的抗剪切性能；尹彩流等[7]指出，C/C-SiC复合材料与铁基粉末冶金材料组成的摩擦副的摩擦性能优异；茹红强等[8]研究了三维网络SiC陶瓷/金属复合材料的摩擦性能，指出材料表面摩擦形成的氧化层硬度较高，是该材料耐磨性能优良的主要原因；MANABU等[9]、KRUPKA等[10]、HHN等[11]以及MOURIER等[12]通过试验研究了弹流接触条件下微凹坑阵列的摩擦学行为，指出表面微结构对油膜成形的影响显著；REN等[13]及HU等[14]建立了分析点接触的统一3D 混合弹流润滑模型；CHEN等[15]设计了用来研究粗糙表面线接触混合弹流润滑问题的3D线接触型弹流模型；WANG等[16]发现微凹坑直径较小时具有良好的减摩效果；DOBRICA等[17]通过对织构表面流体动力性能的影响进行研究，得出了优化的纹理区范围和凹坑方位；ETSION[18]通过试验得出单一表面激光造型的机械密封，无论是在承载能力还是摩擦特性方面都優于未造型表面；COSTA等[19]研究发现凹坑中储存的润滑剂体积太小，不能减小摩擦力和改善润滑；日本大阪大学花崎伸作[20]研究得出复合材料中纤维被切断是由于垂直于纤维自身轴线的剪切应力超过了纤维的剪切强度极限所致；沈新民等[21]发现碳化硅零件在等离子体氧化辅助软磨粒抛光下可以实现较高的表面质量；LI等[22]研究发现，C/C-SiC与金属配副摩擦在低速状态时摩擦与磨损都较小，但是在高速时会出现严重的磨损；GOOBYEONG等[23]则发现C/SiC复合材料摩擦系数受温度的影响显著。

由以上的分析可以看出，复合材料因其独特的表面结构，表现出了不同于其他材料的摩擦学性能，但目前对C/SiC复合材料的表面结构及其摩擦学性能的研究尚不深入。本研究以C/SiC复合材料为研究对象，研究其与45#钢及ZrO2配副的摩擦性能，并对C/SiC复合材料的摩擦表面进行分析，研究其承载性能及储油性能。实验发现，C/SiC复合材料与45#钢对磨出现了严重的磨损，其承载性能和储油性能下降；C/SiC复合材料与ZrO2对磨则表现出良好的摩擦学性能，且C/SiC复合材料表面的承载及储油性能较好。

1 试验方法

1.1 试验材料及摩擦学试验方法

碳化硅陶瓷因具有高强度、高硬度、抗腐蚀、耐高温等特点而被广泛用于高温和某些苛刻的环境中，尤其是在航空航天飞行器需要承受极高温度的特殊部位，具有很大的应用潜力。为了对比不同摩擦配副对C/SiC复合材料摩擦性能及储油性能的影响，本次摩擦试验选用C/SiC复合材料与ZrO2以及C/SiC复合材料与45#钢2种摩擦配副。试验配副选用销盘配副，提前将不同纤维朝向的C/SiC复合材料加工成销，并准备ZrO2及45#钢2种圆盘以备使用，试验前均将试件置于乙醇中超声震荡2 min，以去除表面污染物。纤维增韧陶瓷基复合材料的性能取决于各组分的性能、比例以及纤维结构。相同摩擦副，因纤维方向不同，摩擦性能会有很大差异。本研究用三维非接触式表面形貌仪和成都励扬超景深显微测量系统进行全程观察，对比C/SiC复合材料纤维叠层方向和垂直纤维叠层方向的摩擦磨损性能及储油性能。图1示出了C/SiC试件、ZrO2试件以及45#钢试件。

研究中所有摩擦磨损试验均在 MMW-1 型立式万能摩擦磨损试验机上完成。该试验机在一定的接触压力下，以滚动、滑动及复合摩擦的形式完成点、线、面的磨损模拟试验，可用于评价润滑剂、金属、涂层、陶瓷等工程材料及表面改性处理后的摩擦磨损性能。摩擦试验时长为7 200 s，试验力为50 N，主轴速度为400 r/min。

滑动速度及接触压力计算如式（1）和式（2）所示。

1.2 表征分析方法

在试验完成后取下摩擦副，用丙酮清洗摩擦副，随后进行30 min水浴清洗，在恒温干燥箱内进行干燥，摩擦磨损前后材料表面定量和定性分析分别采用NANOVEA三维非接触式表面形貌仪和成都励扬LY-WN-YH超景深测量系统进行观察。采用精度为 0.1 mg 的分析天平，对对磨工件的磨损量进行表征分析。

2 结果与讨论

2.1 C/SiC摩擦性能分析

C/SiC复合材料与45#钢进行摩擦磨损试验记录的摩擦系数曲线如图2 a）所示。试验开始后，摩擦系数出现小幅的波动，原因是初期摩擦使摩擦副表面较大凸起磨平，在经历短暂的磨合过程后，摩擦系数逐渐增大并在700 s左右进入相对平稳的阶段，摩擦系数保持在0.8左右，试验过程伴随着较大的噪声和振动。而从3 400 s开始，摩擦系数突然出现剧烈震荡，C/SiC复合材料出现微小崩碎，45#钢表面出现显著划痕，平均摩擦系数急剧增大至5，试件磨损剧烈，试验停止。该现象可能是由于摩擦过程中伴随着接触表面的磨损，接触区域内磨屑积累形成严重的磨粒磨损，并且伴随着摩擦热的积累，在3 500 s左右出现了摩擦系数大幅上升的现象。

C/SiC复合材料与ZrO2进行摩擦磨损试验记录的摩擦系数曲线如图2 b）所示。试验开始后进入磨合期，摩擦系数出现快速上升，在1 000 s左右达到0.62，之后出现快速下降，到6 000 s左右进入平稳期，摩擦系数稳定于0.2左右，试验过程中震荡和噪声较小，C/SiC复合材料以及ZrO2未出现剥落及崩碎现象，直至到达设定试验时间停止。

C/SiC复合材料与45#钢及ZrO2摩擦后的摩擦表面如图3所示。由摩擦表面可以看出，经过与45#钢对磨后表面非常平整，但出现了较大的裂纹，表面同时出现了一定的转移膜以及表面氧化。分析其原因是由于摩擦试验中磨损非常严重，导致C/SiC表面出现了严重的剥落。在观察C/SiC复合材料与ZrO2对磨后的表面可以看出，C/SiC复合材料表面出现较多的凹坑，且表面划痕较为严重，在摩擦表面可以看出明显的纤维结构，能够对摩擦表面进行支撑。

2.2 C/SiC表面储油性能分析

C/SiC复合材料与45#钢进行摩擦后出现表面锈蚀，且粗糙度严重变大，导致表面三维形貌只能通过高斯滤波才能看清；而C/SiC复合材料与ZrO2对磨过程较为平顺，摩擦试验后的表面比较平滑。使用非接触式三维形貌仪对摩擦表面进行检测，与摩擦前表面形貌进行比较发现，C/SiC复合材料与45#钢摩擦后的表面变得更加粗糙，而其与ZrO2对磨后的表面则较试验前光滑，详见图4。

从图4可以看出，C/SiC复合材料与45#钢进行摩擦后表面的核心区空隙面积较小，谷底区空隙面积也减小，尖峰增多，可以推断其表面承载和储油性能均下降。但可以看到，C/SiC复合材料与ZrO2对磨后表面的核心区空隙面积增大，谷底区空隙面积也增大，从而承载和储油性能均有所提高。表1列出了摩擦试验前后C/SiC复合材料的表面参数。

由表1可以看出，经过摩擦试验后，C/SiC复合材料表面结构参数均比摩擦试验之前出现了大幅的提升，这说明表面粗糙度明显增大，但同时可以看出，C/SiC复合材料与ZrO2进行摩擦后的表面结构参数明显比C/SiC复合材料与45#鋼进行摩擦后的表面低一个数量级。

图5为表面支承长度曲线，如图5所示2条平行线，一条在5%支承长度处，另一条在85%支承长度处，这样曲线就被分成3个区域：峰顶区（0～5%）、核心区（5%～85%）和谷底区（85%～100%）。对于表面的支承特性，表面支承长度率从0增加到一个给定值（通常取5%）越快，则该表面的支承性能就会越好。谷底区空隙面积越大，其储油性能越好。可以看出，C/SiC复合材料与ZrO2进行摩擦后表面在核心区比较平稳，空隙面积较大，支承性能较好。而与45#钢对磨后的表面对比可以看出，其表面出现了严重的磨损，表面参数出现严重分化，材料因为小块剥落而出现严重的凸峰和凹坑，承载性能及储油性能较差。

图6为摩擦后的45#钢以及ZrO2摩擦表面的形貌图，可以清晰地看出，45#钢在摩擦试验后表面出现了严重的划痕，犁沟现象明显；而对比ZrO2摩擦后的表面可以看出，ZrO2表面整体较为平整，未出现严重的划痕，部分区域出现小块凹坑，可能是由于材料自身缺陷而导致的。整体来说，ZrO2表面的磨损情况要明显低于45#钢表面。

3 结 语

针对C/SiC复合材料与45#钢、C/SiC复合材料与ZrO2的摩擦性能进行了研究，运用非接触式三维形貌仪及超景深测量仪，对摩擦后的C/SiC复合材料表面进行了分析，研究了其承载性能及储油性能。试验发现，C/SiC复合材料与45#钢材料对磨后产生的磨损非常剧烈，摩擦表面出现严重的犁沟现象，并伴随表面剥落的发生，降低了材料的储油性能；而C/SiC复合材料与ZrO2材料对磨后表现出良好的摩擦学性能，表面较为平整，未出现严重的犁沟及剥落现象，表面储油性能良好。C/SiC复合材料与ZrO2摩擦后表面承载和储油性能提高，而与45#钢摩擦后表面承载和储油性能出现严重下降。摩擦后ZrO2表面明显优于45#钢表面，C/SiC复合材料与ZrO2配副更适宜作为摩擦副材料。

本研究目前只针对较为常见的45#钢配副以及ZrO2配副进行了摩擦性能研究，所研究的配副种类有限，今后可针对更多种类摩擦配副以及表面磨损机理进行深入研究。

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