C/C复合材料表面SiC涂层摩擦磨损性能研究

王锦阳

（湖南工学院机械工程学院，湖南 衡阳 421000）

1 研究背景

安全，稳定和舒适的制动系统是人们一直以来的追求，尤其是近年来发展迅速。铜基金属复合材料，再加上铸钢盘，可被用作时速超过250 km/h的火车的刹车片。它显示出许多优异的性能，例如稳定的摩擦系数(COF)，高韧性和良好的导热性，这使其有希望成为摩擦材料。但是，其具有相对较低的耐磨性，高的密度，并且基体在高温下会软化，尤其是较短的寿命周期，限制了其长期用作为摩擦材料来使用。本文将主要针对C/C复合材料表面SiC涂层摩擦磨损性能进行深入研究，为拓宽C/C复合材料的应用范围提供行之有效的方法。

2 C/C复合材料的研究进展及应用

C/C复合材料，是基于碳或石墨纤维和织物增强的材料，是以碳(或石墨)为基质，通过加工和处理所有由碳化物以制成的碳复合材料。C/C复合材料具有质量轻，良好的抗侵蚀和热冲击性能，高的耐损伤性以及高的强度和刚度，使其成为一种特殊的新兴结构材料，可用于航空，航天等应用。其独特的特点和先进的制造技术，最终导致产生了更便宜的生产工艺，使得这种材料越来越多地用于工业应用。其在机械、冶金化工和生物医学等多个领域也具有巨大的应用潜力。例如，C/C复合材料可用于制作涡轮机叶片、刹车片、内燃机活塞、人造骨及人造关节等。

目前，由于C/C复合材料具有低密度、高的强度-重量比和优异的力学性能。可用于减轻战斗机的重量，从而实现了加速快、耗油量少、转弯灵活、航程远、有效荷载增大的目标。此外由于 C/C 复合材料的摩擦系数稳定适中热容大，也用作刹车装置的材料，如美国一些军用和民用飞机、波音、空中客车等都使用 C/C 复合材料作为刹车装置。然而，目前限制C/C复合材料使用的最重要因素是它们在723K以上温度下的氧化以及高温下的氧化磨损。

3 C/C复合材料的抗摩擦磨损技术的研究进展

材料的摩擦磨损涉及到了机械、物理、化学和力学等多种学科。其中，影响C/C复合材料摩擦学性能的因素主要包括施加在试样上的载荷、滑动速度、吸收能量和润滑剂（水或油）等外部条件，以及材料本身的内在特性，如其微观结构特性、硬度、粗糙度、界面剪切强度和弹性模量。2005年，丛红梅等人指出C/C复合材料的摩擦磨损机理为机械磨损和氧化磨损，在高温下C/C复合材料的磨损是机械磨损和氧化磨损共同作用的结果，其中氧化是高温下C/C复合材料磨损的根本原因。2006年，葛毅成等人重点讨论了时间、载荷、速度对C/C复合材料摩擦磨损行为的影响。2010年，耿黎明等人研究了低能载条件下C/C复合材料滑动摩擦磨损性能，主要讨论了载荷、转速和预成型体纤维取向对C/C复合材料的摩擦系数和磨损率的影响。总之，C/C复合材料的摩擦磨损是一个相当复杂的过程。

目前，C/C复合材料的抗摩擦磨损技术主要包括C/C复合材料的改性技术以及C/C复合材料的涂层技术，接下来，我们将对这两部分进行分别简述。

为了提高C/C复合材料的摩擦性能，在过去的几十年里已经做了许多关于基体改性的工作。例如，通过引入SiC、TiC和Si基合金来取代C/C复合材料的一些碳基体而使其COF得到增强。

在粉末冶金材料和C/C复合材料之后，碳纤维增强的碳和碳化硅复合材料(C/C-SiC)已成为新一代高性能的制动材料，其具有优异的性能，例如低密度，高比强度和高温下良好的机械性能稳定性，以及出色的摩擦学性能(低磨损率；高而稳定的摩擦系数)和低的环境敏感性。

此外，由于纯铜和铜基合金具有良好的导热性和摩擦性能，大量学者还对纯铜和铜基合金的渗入进行了研究，以改善C/C复合材料的摩擦学性能。

尽管这些改性C/C复合材料在跑车、高速电梯、建筑机械的高性能制动系统中显示出巨大的潜力。然而，在C/C复合材料中引入高硬度的陶瓷通常会导致较高的陶瓷率，并且容易对金属配件进行磨损。因此很多学者开始探索其他保护C/C复合材料的有效方法。

4 C/C复合材料表面的SiC涂层的研究

C/C复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温机械特性）而成为航空航天和航天应用中热结构部件的诱人材料。但不幸的是，C/C复合材料在暴露于450℃以上的氧化气氛中时显示出明显的氧化降解和较差的耐磨性。它极大地限制了它们在高级发动机的摩擦学部件上的应用，例如活塞，气门，密封圈和轴承。这些组件要求结合出色的性能，例如，高温(500-1000℃)抗氧化，高比强度和出色的耐磨性。

在C/C复合材料上制备耐磨、防氧化涂层被认为是解决这类问题的有效方法。在这些涂层中，SiC涂层被认为是理想的候选材料。

C/C复合材料在2273 K以上的温度下具有出色的超高强度，使其成为具有高级热保护功能的高温结构应用的最有希望的候选材料。然而，它们在673 K以上的氧化限制了它们在高温含氧气氛中的应用，这导致人们进行了研究以尝试改善其抗氧化性以改善其抗氧化磨损性能。目前，已经提出了使用改进的SiC涂层，或者以SiC涂层为粘结层和缓冲层来制备复合涂层。

早在1994年，Satoshi等人研究了SiC陶瓷的摩擦学特性，并指出SiC在室温下的比磨损率非常小，并且与滑动速度的关系不大。2007年，Jian-feng Huang等人探索了使用不同添加剂的新型两步填充胶结工艺，以获得致密的Si-SiC复合涂层。结果表明，高温下涂层的效率降低，并且在长时间氧化后涂层样品发生失重。在1773K下氧化200h后Si-SiC涂层的表面产生了一些孔。其主要原因是由于SiO2玻璃膜的汽化和排气，以及不能提供足够的玻璃相来密封孔。

并且SiC具有良好的生物相容性，SiC涂覆的C/C复合材料在生物应用中具有一定的应用价值。2009年，LEI-LEI ZHANG等人通过填充胶结在C/C复合材料表面制备了致密且均匀的SiC涂层。与未涂覆的C/C复合材料表面相比，人成骨细胞样MG63细胞在涂层上的扩散和增殖得到促进。SiC涂层无害，且可以有效增强C/C复合材料的抗摩擦磨损性能，可用于涂覆C/C复合材料以应用于整形外科植入物。

随后，为了解决SiC和碳材料之间的热膨胀系数不匹配而导致的性能失效问题，开始利用SiC涂层与C/C复合材料之间良好的相容性使其作为粘结层和缓冲层在碳材料表面引入复合涂层。

5 SiC涂层的的选择及性能

磨损通常会在极端条件下(例如高温等)对工作表面造成严重损坏，增加C/C复合材料在高温下对空气氧化的抵抗力以降低高温磨损带来的损失是十分重要的。目前，制备涂层则被认为是在高温下保护C/C复合材料的极其有效的方法。

涂层最基本的功能是要把C/C复合材料和氧化环境隔离开来，因此，一个涂层必须满足下述要求：

（1）可以有效的阻止碳向外扩散以及氧的侵入；

（2）涂层需要均匀平整且无裂纹，并具有自愈能力；

（3）涂层与基材之间具有较好的机械化学相容性和较高的结合强度；

（4）高温下不发生挥发和流失；

（5）具有良好的机械性能和耐磨损，耐腐蚀性能。

SiC涂层具有优异的抗氧化性和耐磨性，低的热膨胀系数，高温下氧化形成的SiO2玻璃质保护膜能有效阻止氧的扩散渗透，且与C/C复合材料基体化学相容性好。此外，由于碳化硅具有高硬度和良好的耐磨性，它被广泛用于轴承，气缸套和机械密封等应用中。因此，在C/C复合材料表面形成SiC涂层受到人们广泛的关注，且对其进行进一步的了解及改进是相当有意义的。

6 结论

在过去的几十年中，C/C复合材料的开发使许多航空和航天应用受益。这种材料的优异性能，例如低密度，高温机械稳定性，抗热震性和高比强度，证明了它们在众多领域的应用中的合理性，包括车辆保护装置或飞机制动盘。但是，C/C复合材料的应用受到氧化磨损的严重限制。并且氧化过程最终会导致纤维/基体脱粘，从而导致其优异的材料性能丧失。目前，C/C复合材料的抗摩擦磨损技术主要包括C/C复合材料的改性技术以及C/C复合材料的涂层技术。然而，在C/C复合材料的改性技术中，引入高硬度的陶瓷通常会导致较高的陶瓷率，并且容易对金属配件进行磨损。并且由于基体改性法在C/C复合材料基体中需加入抑制剂，会导致材料力学和热学性能的下降。因此，要实现高于1273 K的抗氧化保护，涂层技术是最佳的选择。

目前，很多学者开发出了许多用于C/C复合材料的涂层体系。其中，由于SiC涂层具有出色的耐腐蚀性、与C/C基质的良好化学相容性、高硬度和良好的耐磨性，被认为是最理想的候选材料。并且由于SiC涂层对C/C复合材料具有良好的高温物理和化学适应性，还被广泛用作多层涂层（例如SiC / Al2O3 /莫来石和SiC /氧化钇硅酸盐涂层）中粘结层和缓冲层。而对C/C复合材料表面SiC涂层的摩擦磨损性能进行进一步的研究，有望开辟出一条提高C/C复合材料抗氧化磨损性能的新途径，使得C/C复合材料有更加广泛的应用。