潘廣鎮(zhèn)，齊樂華，付業(yè)偉，李慎飛，李賀軍

(1.西北工業(yè)大學機電學院，陜西 西安 710072)(2.西北工業(yè)大學材料學院，陜西 西安 710072)

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第一作者：潘廣鎮(zhèn)，男，1986年生，博士研究生

碳纖維布復合材料摩擦性能研究進展

潘廣鎮(zhèn)1，齊樂華1，付業(yè)偉2，李慎飛2，李賀軍2

(1.西北工業(yè)大學機電學院，陜西 西安 710072)(2.西北工業(yè)大學材料學院，陜西 西安 710072)

摘要：高性能纖維織物增強樹脂基復合材料是一種獨特的先進復合材料，與短切纖維或長纖維等增強形式相比，其整體式結構更利于纖維間的載荷傳遞，具有承載能力高、耐沖擊、不易破裂與剝離等特點，并且可以貼覆在復雜曲面不發(fā)生褶皺。摩擦學方面最早被應用于航空航天等高科技領域的關節(jié)軸承，提高了其承載能力、耐磨性能和免維護服役性能。隨著技術發(fā)展和工藝進步，成本不斷降低，此類復合材料的摩擦特性在民用領域得到重視。其中，碳纖維布復合材料承載能力、耐熱性能和摩擦磨損性能更加優(yōu)異，在重載滑動軸承、濕式離合器和汽車同步器齒環(huán)等領域得到了廣泛關注和研究。介紹了近年來國內外碳纖維布復合材料組分構成、制備工藝和摩擦磨損機理方面的研究現狀，并對其發(fā)展方向進行了展望。

關鍵詞：碳纖維布；復合材料；摩擦性能；磨損；納米填料

1前言

碳纖維、Kevlar纖維、高強玻璃纖維和超高分子量聚乙烯纖維等一系列高性能纖維的出現，使得復合材料技術得到了迅速的發(fā)展[1]。高性能纖維的增強作用賦予了新型復合材料高比強度、高比模量、低密度、抗疲勞和熱穩(wěn)定性良好等傳統(tǒng)復合材料不具備的優(yōu)點，采用高性能纖維增強的新型復合材料也因此被稱為先進復合材料[2-3]。先進復合材料的出現滿足了航空、航天等高科技領域對新材料的需求，促進了相關領域的跨越發(fā)展[4-5]。

采用高性能纖維織物作為增強體的樹脂基復合材料(簡稱纖維織物復合材料)是一種特殊的先進復合材料，也是最具有發(fā)展?jié)摿Φ囊环N纖維增強復合材料[6]。纖維織物的紡織結構與其他纖維增強形式(短切纖維或長纖維)相比，結構更加規(guī)律有序，整體式結構更利于纖維之間的力的傳遞和承載，從而賦予其獨特的增強效果。纖維織物復合材料承載能力高、耐沖擊、不易破裂與剝離，并且容易模壓成型，可以貼合在復雜曲面而不發(fā)生褶皺。正是由于以上各方面的優(yōu)點，美英法德等發(fā)達國家20世紀60年代相繼開發(fā)出了應用于航空用關節(jié)軸承上的具有減摩特性的纖維織物復合材料[7]。纖維織物減摩復合材料的應用提高了關節(jié)軸承的承載能力、耐磨性能和免維護服役性能。但由于技術難度和制備成本等原因，該技術長期被限制應用于航空航天等高科技領域。隨著技術發(fā)展和工藝進步，纖維織物復合材料的成本不斷降低，纖維織物復合材料的摩擦學應用開始向民用領域轉移。近年來纖維織物復合材料在民用領域的摩擦學應用吸引了廣泛的關注和研究，碳纖維布復合材料(簡稱碳布復合材料)更因碳纖維高比強、自潤滑和耐溫高等優(yōu)點，成為各個摩擦材料廠家爭相開發(fā)的一種可用于極端苛刻工況的新型高性能摩擦材料。目前，采用碳布復合材料開發(fā)的高性能汽車同步器齒環(huán)、重載離合器摩擦片和重載滑動軸承等產品已經見諸報道，極大提高了產品的承載和熱負荷性能[8]。

本文將重點評述近年來碳布復合材料摩擦特性的研究進展，并對碳布復合材料摩擦特性研究的發(fā)展方向進行了展望。

2碳布復合材料的組分

碳布復合材料通常包含碳纖維織物、樹脂粘接劑和填料等3種組分，3種組分對復合材料的綜合性能都有著重要影響。研究碳布復合材料組分構成是優(yōu)化摩擦性能的基礎，也是針對不同應用場合和工況條件開發(fā)對應產品的需要。

2.1碳布編織結構及含量

碳布的編織種類繁多，按照碳布中紗線的取向，可分為單向編織碳布、雙向編織碳布和多軸向編織碳布。雙向編織碳布在摩擦領域的應用最為廣泛，按其編織結構又可分為平紋、斜紋和緞紋3 種，3種編織結構(圖1)的碳布的各項物理性能對比詳見表1[9]。平紋碳布的經紗和緯紗每隔一根紗交織一次，其特點是交織點多，質地堅牢、挺刮、布面勻整且正反面相同，較為輕薄，耐磨性好。斜紋碳布相鄰經(緯)紗上連續(xù)的經(緯)組織點排列成斜線、表面呈現連續(xù)斜線織紋。構成斜紋的一個循環(huán)組織至少要有3根經紗和3根緯紗，因此織制斜紋碳布比平紋碳布復雜。斜紋碳布經緯交織比平紋碳布少，所以斜紋碳布不及平紋碳布堅牢，但柔韌性和表面的光滑程度更好。緞紋碳布經線(或緯線)浮線較長，交織點較少，它們雖形成斜線，但不是連續(xù)的，相互間隔距離有規(guī)律而均勻。緞紋碳布相比于平紋碳布和斜紋碳布，更光滑，更美觀，缺點在于容易剮絲。根據纖維單束中碳纖維的單絲數量，其規(guī)格又可以進一步區(qū)分為1K、3K、6K、12K和24K及以上大絲束碳布。小絲束(12K以下)平紋碳布織造簡單、強度可靠和耐磨性好，在摩擦領域中的應用較為常見。

圖1　3種碳布編織結構示意圖：(a)平紋，(b)斜紋，(c) 緞紋[9]Fig.1　Schematic diagrams showing different weave patterns:(a) plain,(b) twill and (c) satin[9]

PropertyPlainTwillSatinStabilityGoodAcceptablePoorDrapePoorGoodExcellentPorosityAcceptableGoodExcellentSmoothnessPoorAcceptableExcellentBalanceGoodGoodPoorSymmetricalExcellentAcceptableVerypoorCrimpPoorAcceptableExcellent

纖維絲束的單絲數量和編織密度會對碳布表面的紋理、纖維的強度利用率和樹脂的浸漬效果等產生影響[9]，進而對碳布復合材料的摩擦性能造成影響。隨著纖維束內單絲數量的增加， 復合材料表面凸起區(qū)域減少，導致粗糙峰的機械接觸減少，引起動摩擦系數降低。同時單絲數量會影響潤滑油膜的形成和材料散熱，隨著單絲數量的增加摩擦材料的瞬時制動穩(wěn)定性降低，摩擦系數的壓力穩(wěn)定性降低，轉速穩(wěn)定性略有提高，耐磨性能提高[10]。隨著碳布編織密度的增大，復合材料的動靜摩擦系數均減小，制動壓力對動摩擦因數的影響減弱，循環(huán)制動過程中的摩擦穩(wěn)定性增強[11]。

碳布的編織結構對復合材料的力學性能和摩擦性能都有明顯的影響，Bijwe J等[9,12-13]的研究表明，斜紋碳布對于復合材料的強度、模量和層間剪切強度的增強效果都最佳，緞紋第二，平紋第三，但增強之后復合材料的硬度和斷裂延伸率3者的排序正好反過來。單向干式磨料磨損試驗結果表明，低載荷(10 N)工況條件下斜紋的耐磨性能最佳、緞紋次之，平紋的最差，載荷增加編織結構對耐磨性能的影響減小，高載荷(40 N)工況條件下3種復合材料的磨損率一致。干式多種磨損模式(粘著磨損、微動磨損、磨料磨損和氣體沖蝕磨損)試驗表明，編織結構對磨損的影響沒有一致的規(guī)律，沒有一種編織結構在所有工況下都具有最好的耐磨性能，這與不同磨損模式下的磨損機理有關。

另外，碳布的含量對于復合材料的力學和物理特性以及摩擦磨損性能也有著重要的影響。材料的磨損和材料的層間剪切強度密切相關[12]，纖維和樹脂的比例合適時纖維和基體的界面結合好，纖維在磨損過程中僅被磨薄，起到很好的提高耐磨性的作用。碳布的含量過高時，樹脂含量不足，纖維得不到很好浸潤和粘接，摩擦過程中纖維會發(fā)生大量的脫粘、斷裂和粉碎，進而充當磨粒造成材料的嚴重磨損。碳布含量過少時，復合材料的基體得不到很好的增強，降低了復合材料摩擦承載能力，而且摩擦過程中容易發(fā)生基體的撕裂和脫粘，因而復合材料的磨損率較高。綜合考慮復合材料的摩擦承載能力和耐磨性能，碳布疊層復合材料的最佳樹脂含量為55%～65%(體積分數)[6,14]。

2.2樹脂粘接劑

碳布是碳布復合材料的骨架，是復合材料高比強度、高比模量等一系列優(yōu)異機械性能的來源基礎。但是，研究表明單純的纖維和織物并不能發(fā)揮出纖維的固有強力[15]。樹脂固化后成為碳布復合材料的基體，將各個組分連接成一個緊密的整體，各種材料在性能上互相取長補短，產生協(xié)同效應，使復合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料。

樹脂對碳布復合材料的摩擦性能、耐熱性能、成型工藝和產品價格都具有直接影響。對樹脂的性能要求主要有：①良好的組分相容性，能夠與碳布復合材料中的各組分形成良好的界面結合，能夠與碳纖維形成完整界面是需要考慮的重要因素。②穩(wěn)定的摩擦系數和低磨損率，并具有良好的耐溫性能。③適宜的模量和硬度，保證摩擦面形成穩(wěn)定的接觸并且摩擦過程中不產生噪音。

碳布復合材料在摩擦學應用研究中所涉及的樹脂包括聚四氟乙烯、聚醚酰亞胺、聚醚醚酮、聚酰胺(尼龍)、聚乙烯、酚醛、乙烯酯、不飽和聚酯和環(huán)氧等。其中聚四氟乙烯、聚醚酰亞胺、超高分子聚乙烯和聚醚醚酮等樹脂不僅耐溫性能優(yōu)異，而且具有非常好的自潤滑性能，研究主要集中在減摩潤滑材料，而限于價格高的原因，所針對的研究背景通常是航空航天等高科技領域的滑動軸承和關節(jié)軸承。環(huán)氧樹脂和酚醛樹脂作為最早開發(fā)出來的傳統(tǒng)樹脂，具有成型工藝成熟可靠、機械性能好以及成本低等優(yōu)點，因此是民用領域研究中采用最多的樹脂粘接劑，針對兩種樹脂的改性技術對摩擦性能的影響也是研究的熱點之一。

2.3填料

填料能夠改變復合材料的熱性能、力學性能和阻尼性能等機械物理性能，對于碳布復合材料，填料還能夠顯著改善摩擦過程中碳纖維的脆斷引起的劇烈磨損問題，針對填料對碳布復合材料摩擦性能的影響研究也是研究熱點之一。

石墨、MoS2粉和PTFE粉等填料，具有良好的自潤滑作用，摩擦過程中有助于在對偶表面形成低摩擦系數轉移膜，從而降低復合材料的摩擦系數和磨損率，是碳布復合材料研究中最常用的填料。蘇峰華等[16]研究了輻照PTFE粉和MoS2粉改性碳布復合材料的摩擦磨損性能，發(fā)現MoS2可以明顯改善碳布復合材料的摩擦磨損性能，而PTFE的加入則不利于其摩擦磨損性能的改善；當MoS2質量分數在5%～15%之間時，MoS2可以有效降低碳布復合材料的摩擦系數；當MoS2質量分數為10%時，MoS2改性碳布復合材料的綜合摩擦磨損性能最佳。周先輝等[17]研究了鋼背襯碳纖維織物/環(huán)氧復合材料在環(huán)-環(huán)端面干摩擦狀態(tài)下的摩擦學特性，發(fā)現MoS2粉在降低襯層摩擦因數的同時能夠抑制環(huán)氧樹脂向對偶鋼環(huán)表面的粘結；石墨對襯層的減摩效果優(yōu)于MoS2粉，但摩擦溫升引起樹脂向偶件表面轉移增多使得減摩效果大大降低。齊樂華等[18]研究了石墨含量對表面形貌和摩擦磨損性能的影響，發(fā)現石墨的固體潤滑作用，主要造成了中間動摩擦系數的下降，而對鎖止靜摩擦系數的影響卻很小(圖2)；石墨可以明顯降低復合材料的動摩擦系數，并有助于提高動摩擦系數的穩(wěn)定性。Suresha B等[19]研究了硅烷偶聯(lián)劑處理的石墨對碳布復合材料的改性作用，發(fā)現石墨能夠顯著提高復合材料的拉伸強度、拉伸模量和硬度等力學性能，并能夠提高復合材料干式條件下的耐磨料磨損性能，10%含量的復合材料的磨損率最低，綜合力學性能最優(yōu)。二體摩擦試驗發(fā)現，石墨加入后均勻分散在復合材料基體中，能夠和其他組分形成良好的協(xié)同作用，有效改善纖維拔出、纖維剝離和基體撕裂等劇烈磨損問題。

圖2　不同石墨含量試樣的摩擦力矩曲線：(a)0%,(b)5%,(c)10%,(d)15%,(e)20%,μi-起始動摩擦系數; μd-中間動摩擦系數; μo -鎖止靜摩擦系數[18]Fig.2　Friction torque curves of samples with different graphite content: (a) 0%, (b) 5 %, (c) 10 %, (d) 15 % and (e) 20 %, μi -initial dynamic friction coefficient; μd- medial dynamic friction coefficient; μo-lock-up static friction coefficient[18]

Al2O3和SiC等莫氏硬度超過7的填料屬于高硬度填料，具有良好的耐磨損性能，但會在制動噪聲和損傷對偶表面方面產生副作用，因此使用時粒徑宜細，且用量不宜過大。Kumaresan K等[20]研究了SiC填料對碳布復合材料摩擦磨損性能的影響規(guī)律。研究發(fā)現，SiC填料的加入能夠提高復合材料的楊氏模量、表面硬度，但會減少斷裂延伸率。SiC使得磨損時材料的破壞發(fā)生在固體顆粒的界面，減少了復合材料表面的犁溝磨損和兩個摩擦原件間的粘著，并能在摩擦面形成穩(wěn)定的轉移膜，添加后復合材料的耐磨損性能提高了21%～35%。Subbaya K M等[21]采用正交設計法研究了SiC改性碳布復合材料的三體磨損行為，發(fā)現SiC能夠提高碳布復合材料的耐磨性能，方差分析結果表明，負載對SiC改性碳布復合材料的磨損具有顯著影響。Ramesh B N等[22]研究了硅烷偶聯(lián)劑處理的Al2O3對碳布復合材料三體磨損模式下摩擦磨損性能的影響規(guī)律。研究結果表明，Al2O3有效提高了碳布復合材料的耐磨性能，隨著拖磨距離的增大復合材料的磨損量增大了，但是磨損率減小了。

納米粒子具有“小尺寸效應”、“界面效應”、“量子尺寸效應”和“宏觀量子隧道效應”等一系列特殊性能，出現后立即引起各國科技界的高度重視，近年來隨著其特殊摩擦學性能的發(fā)現，也成了碳布復合材料增強改性材料的研究熱點。碳布復合材料中常用的納米粒子有碳納米材料、層狀粘土礦物，以及納米顆粒的金屬或他們的有機和無機化合物。張招柱等[23-25]對多種納米粒子對碳布復合材料的摩擦性能的影響展開了研究，發(fā)現不同納米粒子與樹脂間相互作用存在差異，并影響摩擦面轉移膜的形成，納米CaCO3、納米TiO2和納米SiO2加入都能夠提高碳布與粘接樹脂間的結合強度從而提高復合材料的拉伸強度，同時有利于復合材料在對偶面形成均勻的轉移膜，明顯改善了碳布復合材料的摩擦磨損性能。納米CaCO3對于提高耐磨性最有效，納米SiO2對于減小摩擦系數和提高復合材料的強度最有效。張新瑞等[26]研究了表面改性碳納米管對碳布復合材料的摩擦性能的影響，發(fā)現改性碳納米管能夠顯著提高碳布復合材料的摩擦學性能，提高壓力承載能力和高速承載能力。表面改性有助于改善碳納米管的分散性能，提高碳納米管與樹脂的界面結合能力。改性后的復合材料在多種工況條件下的摩擦性能都表現最優(yōu)，碳納米管的最佳質量分數為6%。Park D C等[27]研究了納米炭黑對碳布復合材料的摩擦性能的影響，發(fā)現只采用納米炭黑改性的復合材料在干式條件下的摩擦系數最低，但是濕式條件下納米炭黑和PTFE共同改性的復合材料的摩擦性能最優(yōu)。

已有研究表明，填料的加入能夠改善碳布復合材料的物理機械性能，并提高碳布復合材料的摩擦承載能力；高硬度填料的加入有利于減小對偶面的粗糙度，從而減小摩擦面的應力集中；具有自潤滑性能的填料的加入能夠在摩擦表面形成一層轉移膜，起到減小摩擦系數提高耐磨性的作用；填料的加入有利于形成連續(xù)、均勻且牢固的轉移膜；高強度填料的加入使復合材料結晶度提高；填料的加入能夠阻止次表面層的變形和裂紋傳遞[28]。

3碳布復合材料的制備工藝

碳布復合材料通常采用樹脂浸漬技術和模壓固化的方式進行生產，一般采用的浸漬方法為真空浸漬工藝。碳布復合材料的制備過程包括碳布預處理、浸漬樹脂、模壓固化和剪裁等工序。具體制備工藝根據碳布的表面處理方法和材料配方的差異以及實際使用過程中的應用場所和性能要求的不同而變化。隨著工程應用對摩擦性能要求的不斷提高，碳布復合材料的制備工藝也有了進一步的發(fā)展。

3.1碳布的表面處理

碳纖維表面具有較低的表面活性，未經處理碳纖維表面與樹脂的結合力小，影響了碳布復合材料的整體力學性能的發(fā)揮。而且，纖維強度與石墨化度密切相關，高強度纖維的石墨化度高，表面惰性更大[29]。碳纖維經過適當的表面處理能增加纖維表面的粗糙度并且改變表面的化學組成，改善纖維與基體樹脂之間的界面粘接，充分發(fā)揮增強纖維的高強度和高模量特性，使其強度利用率達到80%～90%；而未經表面處理碳纖維的強度利用率僅為55%～60%[29]。因此，對碳布進行表面處理，是碳布使用過程中需要重視的問題。常用的碳纖維的表面處理方法有濃酸氧化、等離子處理、陽極氧化、硅烷偶聯(lián)劑處理、納米SiO2沉積以及聯(lián)合濃硝酸氧化和硅烷偶聯(lián)劑處理等。

蘇峰華等[30]研究了等離子處理碳布復合材料的摩擦學性能，發(fā)現經過等離子體處理后，在碳布的表面產生了許多活性基團，表面活性元素的含量明顯增多；碳布的浸潤性增大，提高了其與粘結劑的結合強度和結合量，增強了織物纖維束間的結合力，從而提高了碳布復合材料的摩擦學性能和力學性能。

門學虎等[31]研究指出采用混合酸氧化改性使碳纖維表面生成了活性含氧基團，并對纖維表面產生刻蝕，增加碳纖維織物的比表面積，提高了膠粘劑的浸潤性和粘結性，明顯提高了碳布復合材料的減摩耐磨性能和承載能力，使碳布復合材料的承載能力提高了60%、磨損率降低了65.9%。

Tiwari S等[32-38]研究了等離子處理、伽瑪輻射、氧化處理和納米YbF3表面處理對碳布復合材料摩擦性能的影響，發(fā)現低溫氮氧等離子體能夠改變纖維的表面形貌并且引入很多極性基團，從而提高了纖維與樹脂的粘接力，增強了復合材料的力學性能和耐磨性，氧氣的加入優(yōu)于純氮氣的效果；伽瑪輻射能夠增加碳纖維表面的粗糙度和引入活性基團，并且降低了碳纖維的結晶度和石墨結構的扭曲；納米YbF3表面處理能夠減小碳布復合材料的摩擦系數降低其磨損率，層間剪切強度的實驗結果和耐磨損性能存在線性相關，0.3%(質量分數)劑量YbF3處理的復合材料的層間剪切強度和耐磨損性能都最好。

張新瑞等[39-40]通過HNO3氧化法對碳纖維布進行了表面改性，制備了聚酰亞胺復合材料，并在干式條件下研究了表面改性對復合材料摩擦磨損性能的影響。研究表明表面改性增加了纖維表面的粗糙程度并顯著增加了氧元素含量，從而提高了碳布與樹脂間的界面結合力，提高了復合材料的摩擦磨損性能。另外，該團隊還采用溶膠凝膠法在碳纖維布表面制備了納米尺度的SiO2薄膜對碳纖維布進行表面改性，發(fā)現該方法提高了纖維和樹脂的表面結合強度，減少了摩擦過程中纖維脫落造成的磨粒磨損，從而極大地提高了復合材料的摩擦磨損性能。

3.2成型工藝

碳布復合材料的成型工藝主要包括手糊成型工藝、傳遞模工藝和真空浸漬工藝等，由于相關工業(yè)技術的成熟度比較高，碳布復合材料在成型時通常遵循現有成熟工藝，針對碳布復合材料成型工藝的研究較少。

Bijwe J等[14]研究表明，手糊成型工藝制備的復合材料相比浸漬工藝制備的復合材料具有較高的韌性，但具有較低的強度。趙普等[41]研究了不同壓制成型溫度對碳纖維織物增強PES-C/PTFE復合材料力學性能的影響。發(fā)現提高壓制成型溫度有助于提高復合材料的彎曲強度和層間剪切強度。

4摩擦磨損機理

碳布復合材料磨損表面形貌及變化的研究是目前分析其摩擦及磨損機理的主要手段。碳布復合材料表面受纖維束編織紋理的影響凹凸不平，實際接觸面積與表觀接觸面積有很大的差別。碳布復合材料的摩擦性能和纖維束與樹脂基體的結合強度密切相關。摩擦過程中，在壓力和剪切力作用下，碳布復合材料的凸起纖維束最先承力，纖維束與樹脂基體結合強度好的情況下，纖維主要被磨損減薄，復合材料的摩擦性能穩(wěn)定、耐磨性能好；纖維束與樹脂基體結合強度差的情況下，纖維發(fā)生大量的斷裂、拔出和粉碎，復合材料摩擦穩(wěn)定性差、磨損嚴重。

Bijwe J等[6,9,14]研究指出碳布復合材料的磨損和材料的層間剪切強度密切相關，纖維和基體結合好的情況下，纖維在磨損過程中僅被磨薄，碳布復合材料的耐磨性能好；纖維和基體結合不好的情況下，摩擦過程中纖維會發(fā)生大量的斷裂和粉碎，造成磨損的增加。

Sharma M等[42]指出，層間剪切強度和模量是影響碳布復合材料磨粒磨損性能的兩個最重要因素。以聚醚醚酮為基體的碳布復合材料的主要磨損機理是疲勞失效造成的微犁溝、微切削和微裂紋，以聚醚砜為基體的碳布復合材料的主要磨損機理是塑性區(qū)的橫向裂紋(圖3)。

圖3　不同壓力下純聚醚砜基體碳布復合材料SiC磨粒磨損后SEM照片：(a)10N和(b)40N(標記1和2的裂紋帶表明損傷機制為橫向脆性破壞),磨損機理示意圖(c)：當尖銳的凸起滑過脆性材料的平坦表面時塑性區(qū)會有橫向裂縫[42]Fig.3　SEM images of pure PES polymer carbon fabric composites surface abraded against SiC paper under: (a) 10 N and (b) 40 N, marker 1 and 2 for array of cracks supporting lateral brittle failure; Schematic illustration of wear mechanism when sharp asperities slide over a flat surface of a brittle material,indicating the lateral cracks under plastic zone (c)[42]

Sharma A等[43]研究指出，粘著磨損形式下，載荷的增加會增大碳布的所承受的應力同時增加摩擦熱，從而造成纖維破壞的程度加劇，破壞形式包括纖維微裂紋、微切削和纖維的粉碎，隨后纖維碎片被剝離或拔出。

蘇峰華等[30,44]研究指出碳纖維織物復合材料摩擦過程中纖維脆斷和纖維與樹脂的結合性差是造成磨損嚴重的原因，碳纖維織物的磨損分為嚴重磨損和穩(wěn)定磨損兩個階段，其中嚴重磨損階段的磨損量占了總磨損量的87%。

周先輝等[45]研究指出，浸油潤滑條件下，輕載高速啟動可顯著提高單向碳織物/環(huán)氧復合材料的摩擦磨損性能，邊界潤滑狀態(tài)下的碳織物/環(huán)氧復合材料主要表現出黏著磨損特性，對偶摩擦表面形成的網狀轉移膜能夠改善材料的摩擦學性能；平紋碳布復合材料的表面織物紋理利于潤滑油深入到摩擦表面各區(qū)域，在重載下表現出較低的摩擦系數。

5結語

國內外學者在碳布復合材料組分構成、制備工藝和摩擦磨損機理方面做了大量的理論和實驗研究，并取得了一系列成果。但就目前的研究成果來看，摩擦磨損機理方面的理論不夠系統(tǒng)深入，有待通過多學科交叉研究和摩擦過程中表面物理化學變化的研究提出更具指導意義的新理論。碳布表面處理方法和納米顆粒改性是近年來的研究熱點，相關研究工作使碳布復合材料的物理機械性能和摩擦磨損性能不斷提高。探索更科學高效的碳布表面處理方法，多種納米顆粒協(xié)同改性，以及物理/力學性能和摩擦磨損性能的協(xié)同研究是碳布復合材料未來研究的重要方向。

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(編輯惠瓊)

專欄特約編輯李賀軍

特約撰稿人李志強

特約撰稿人付前剛

特約撰稿人武高輝

特約撰稿人成來飛

李賀軍：男，1957年生，工學博士、教授、博士生導師。西北工業(yè)大學材料學院院長，超高溫結構復合材料重點實驗室副主任，陜西省碳/碳復合材料工程技術研究中心主任。中國材料研究學會常務理事，中國復合材料學會常務理事，陜西省材料研究學會副理事長，陜西省復合材料學會副理事長，中國電工學會碳-石墨材料委員會委員，中國金屬學會炭素材料專業(yè)委員會委員；《無機材料學報》、《新型炭材料》、《航空學報》、《Journal of Aeronautics》、《Carbon Letters》、《功能材料與器件學報》、《中國材料進展》等期刊編委。2002年獲國家杰出青年基金，曾先后被評為陜西省“三五人才”、國防科工委“511人才”、國防科技工業(yè)有突出貢獻的中青年專家、全國模范教師、“三秦”學者；獲國家技術發(fā)明二等獎2項，國家教學成果二等獎1項，省部級科技獎勵12項；發(fā)表論文400余篇，被他人引用3 500余篇次，出版專著1部，授權發(fā)明專利70余項。

李志強:男，1973年生，研究員，博士生導師。中國復合材料學會會員，上海市有色金屬學會理事。2004年起在上海交通大學金屬基復合材料國家重點實驗室工作至今，期間2011～2012年在大阪大學訪問研究。主要從事金屬基復合材料制備科學研究，以粉末冶金為手段制備金屬基納米復合材料，近年來基于貝殼等生物材料的多尺度復合構型特點，致力于金屬材料仿生復合及強韌化的前沿探索研究，先后主持兩項國家自然科學基金及國家“863”計劃、總裝預研、上海市科委納米專項和重點基礎研究、航天和航空基金等10余項科研項目。已發(fā)表學術論文40余篇，授權發(fā)明專利10余項。

特約撰稿人朱美芳

付前剛:男，1979年生，工學博士，西北工業(yè)大學材料學院教授、博士生導師。博士論文被評為2009年全國百篇優(yōu)秀博士論文，教育部新世紀優(yōu)秀人才，獲第八屆陜西省青年科技獎，被評為首屆陜西省青年科技新星，獲首批國家優(yōu)秀青年科學基金，入選首批“萬人計劃”青年拔尖人才。獲2008年陜西省科學技術一等獎和2013年教育部技術發(fā)明一等獎(排名第二)。中國硅酸鹽學會測試技術分會理事，中國材料研究學會青年工作委員會理事，中國復合材料研究學會高級會員。在《Carbon》、《Journal of American Ceramics Society》、《Corrosion Science》、《Surface & Coatings Technology》等國際學術刊物上發(fā)表論文200余篇， SCI收錄180余篇，他人引用900余篇次。獲授權發(fā)明專利21項。 主要研究方向：高溫抗氧化涂層技術；碳/碳復合材料基體改性技術；碳和碳化硅納米材料的制備、表征與應用。

特約撰稿人齊樂華

武高輝:男，1955年生，教授、博士生導師。哈爾濱工業(yè)大學金屬復合材料與工程研究所所長，享受國務院政府特殊津貼。長期研究金屬基復合材料低成本制備技術和復合材料性能設計理論與應用技術。詳細解析了金屬基復合材料壓力浸滲的基本原理，發(fā)明了我國獨有的自排氣壓力浸滲方法，解決了顆粒、纖維、納米粒子等不同性質增強體的高品質復合問題；在顆粒增強復合材料尺寸穩(wěn)定性設計原理、C-Al界面反應與控制理論及技術、耗散防熱新理念新技術等方面獲得重要的突破，促進了諸如石墨烯/鋁復合材料等新型材料的研發(fā)。獲國家技術發(fā)明二等獎、國家科技進步特等獎、國防科技進步一、二、三等獎各一項。授權國家發(fā)明專利56項。近10年在金屬基復合材料方向發(fā)表的SCI論文總數位列國際前3～5位，論著被國內外他引2 500余次。專著《金屬基復合材料設計原理》將于近期出版。

成來飛:男，1962年生，教授，博士生導師，超高溫結構復合材料國家級重點實驗室主任。長江學者特聘教授，國家杰出青年科學基金獲得者，教育部新世紀首批“長江學者和創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃項目” 超高溫結構復合材料創(chuàng)新團隊帶頭人，國防科技工業(yè)首個優(yōu)秀科技創(chuàng)新團隊核心骨干，國防科技工業(yè)有突出貢獻中青年專家，入選國家“新世紀百千萬人才工程” 。任國務院學位委員會材料學科評議組成員、中國復合材料學會副理事長、國家自然科學基金委工程與材料學部評審專家。主持了“973”、“863”、國家自然科學基金重點項目、國防重點預研、國家專項工程、國家攻關等10余項國家級重點課題，是國防973項目首席專家，帶領團隊在自主發(fā)展我國陶瓷基復合材料制造技術、環(huán)境性能考核技術的基礎和應用研究方面取得了多項創(chuàng)新性成果。獲國家技術發(fā)明一等獎1項、省部級一等獎3項、二等獎3項。近5年發(fā)表學術論文355篇，其中SCI 220篇，獲授權國家發(fā)明專利63項。

朱美芳:女，1965年生，教授，博士生導師；國家杰出青年基金獲得者，教育部長江學者特聘教授，東華大學材料科學與工程學院院長，纖維材料改性國家重點實驗室主任，“材料學”國家重點學科帶頭人，教育部高等學校材料科學與工程教學指導委員會委員，“高分子材料與工程專業(yè)教學指導分委員會”副主任委員，全國工程專業(yè)學位研究生教育指導委員會委員，科技部“十五”“863”計劃新材料領域納米材料專項總體組專家成員；擔任中國材料研究學會常務理事、中國化學會高分子學科委員會委員、上海市新材料學會副會長等；擔任《Progress in Natural Science: Materials International》、《Journal of Fiber Bioengineering and Informatics》、《高分子學報》等12個期刊編委；長期從事高聚物纖維、有機/無機雜化材料及其生物醫(yī)學應用研究，發(fā)表論文220余篇，獲授權專利100余項；近5年承擔完成國家科技部、教育部、國家自然科學基金委、工信部、上海市等項目30余項；先后獲國家科技進步二等獎(2006)、國家有突出貢獻中青年專家(1998)、中國青年科技獎、國家百千萬人才國家級人選(2004)、何梁何利科學技術創(chuàng)新獎(2009)、中國青年女科學家獎(2010)、上海市十大科技精英、寶鋼優(yōu)秀教師特等獎等榮譽。

齊樂華:女，1957年生，博士，西北工業(yè)大學機電學院教授、博士生導師，陜西省教學名師。主要從事半固態(tài)成形工藝及理論、制造(成形)過程仿真與智能控制、微制造系統(tǒng)與納米技術、碳纖維增強濕式摩擦材料制備技術及應用等方面的研究工作。先后主持國家自然科學基金、“863”重點項目、國防預研基金等多項研究課題。在國內外期刊發(fā)表學術論文200余篇，獲國家發(fā)明專利40項、軟件著作權7項，主編教材和電子教材3部。獲國家技術發(fā)明二等獎1項，省部級科技進步獎5項，國家教學成果二等獎1項，陜西省優(yōu)秀教學成果特等獎和二等獎各1項。榮獲全國模范教師、全國三八紅旗手、陜西省師德楷模、陜西省高校優(yōu)秀共產黨員等多項榮譽。

Progress in Tribological Properties of CarbonFabric Composites

PAN Guangzhen1, QI Lehua1, FU Yewei2, LI Shenfei2, LI Hejun2

(1. School of Mechanical and Electrical Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China)

(2. School of Materials Science and Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072 , China)

Abstract：Resin based high performance fabric reinforced composites is a unique advanced composite material, compared with composites reinforced by chopped fiber or filament, which is more conducive to transfer load between fibers because of the overall structure. It has many advantages such as high load capacity, excellent impact resistance, and excellent tear resistance, etc. Besides, it can drape or conform to curved surfaces without wrinkling. As to tribological applications, it was first used for bearing joints in aerospace and other high-tech fields, which increased their carrying capacity, wear resistance and maintenance-free service performance. With technology development and process improvement, the composites prices continue to decline and its friction properties start to be valued in civilian areas. Amongst these composites, carbon fabric composites have attracted overwhelming interest in tribology, due to their superior load capacity, heat resistance, and friction properties. Progress of research on constituents, processing technology and friction and wear mechanisms of carbon fabric composites are reviewed. The development prospect is also discussed.

Key words：carbon fabric; composites; tribological property; wear; nano-filler

中圖分類號：TH117.1

文獻標識碼：A

文章編號：1674-3962(2015)06-0453-08

DOI:10.7502/j.issn.1674-3962.2015.06.06

通訊作者：齊樂華，女，1957年生，教授，博士生導師，Email: qilehua@nwpu.edu.cn

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51221001,51472203)

收稿日期：2015-04-12