焦標(biāo)強(qiáng)

（1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所，北京 100081；2.北京縱橫機(jī)電技術(shù)開(kāi)發(fā)公司，北京 100094）

0 引言

碳纖維增強(qiáng)碳化硅基（C/C-SiC）復(fù)合材料（簡(jiǎn)稱碳/陶材料）是繼傳統(tǒng)鐵基材料、鋁基復(fù)合材料、碳/碳復(fù)合材料后，另一個(gè)引人關(guān)注的新型摩擦制動(dòng)材料[1]。20世紀(jì)90年代初，德國(guó)宇航局（DLR）Krenkel 等[2]首次將其應(yīng)用在制動(dòng)領(lǐng)域。與傳統(tǒng)摩擦制動(dòng)材料相比，C/C-SiC復(fù)合材料具有低密度、低磨損、高強(qiáng)度、高壽命、摩擦性能穩(wěn)定、高服役溫度等特性[3-4]。該材料首先在汽車等低速運(yùn)載工具領(lǐng)域得到應(yīng)用，其使用壽命比傳統(tǒng)鋼質(zhì)制動(dòng)盤延長(zhǎng)4倍以上[5]。

碳/陶材料相比其他傳統(tǒng)材料引入了硬質(zhì)顆粒SiC，由于SiC的高溫穩(wěn)定性較好，因此提升了摩擦副的摩擦系數(shù)穩(wěn)定性[6]、材料的抗氧化性及對(duì)環(huán)境因素的敏感性[7]。目前碳/陶材料制動(dòng)摩擦副三維針刺C/C-SiC復(fù)合材料已在飛機(jī)制動(dòng)領(lǐng)域以及多家知名車企的新型轎車上使用。在軌道交通領(lǐng)域，鑒于高速動(dòng)車組列車對(duì)大功率制動(dòng)摩擦副有更高需求，三維針刺C/C-SiC復(fù)合材料也成為近年來(lái)動(dòng)車組新型盤形制動(dòng)摩擦副的研究熱點(diǎn)。C/C-SiC摩擦材料中通常會(huì)存在約8wt.%的殘余硅，殘余硅會(huì)使材料在高速制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生抖動(dòng)進(jìn)而影響制動(dòng)平穩(wěn)性[6-7]，目前解決辦法是向材料中添加合金相以取代殘余硅[6]。在陶瓷基復(fù)合材料中，合金一般是以韌性相的角色存在且相比于其他相更不易發(fā)生斷裂，因此通過(guò)在陶瓷基材料中加入合金能夠顯著提高材料在摩擦過(guò)程中的穩(wěn)定性并降低磨損率。中南大學(xué)肖鵬等[8-9]對(duì)C/C-SiC中引入銅等金屬，改性的碳/陶剎車能夠有效改善摩擦性能的穩(wěn)定性。西北工業(yè)大學(xué)殷小偉等[10]向C/C引入TiC，最后液硅浸滲（LSI）過(guò)程使液Si與TiC原位反應(yīng)生成Ti3SiC2，試驗(yàn)表明材料中殘余硅大量減少、摩擦穩(wěn)定系數(shù)有效提高，且材料的抗磨損性能明顯提升。

高速動(dòng)車組摩擦制動(dòng)材料是結(jié)構(gòu)-功能一體化材料，不僅要求具有良好的力學(xué)承載能力，還要求具有良好的摩擦磨損性能和熱力學(xué)性能。目前對(duì)合金改性C/C-SiC復(fù)合材料在摩擦制動(dòng)特性上的研究主要集中在力學(xué)性能和干態(tài)摩擦性能上，而關(guān)于合金改性C/C-SiC復(fù)合材料在熱物理性能以及濕態(tài)環(huán)境的摩擦性能研究較少。因此，通過(guò)化學(xué)氣相滲透（CVI）結(jié)合RMI工藝制備FeSi2改性C/C-SiC復(fù)合材料，系統(tǒng)研究了干態(tài)摩擦過(guò)程后與未改性前C/C-SiC復(fù)合材料在摩擦性能上的區(qū)別，以及不同濕態(tài)環(huán)境下摩擦性能的區(qū)別。同時(shí)研究了C/C-SiC-FeSi2復(fù)合材料熱物理性能隨溫度變化的規(guī)律。

1 試驗(yàn)過(guò)程

1.1 三維針刺C/C-SiC-FeSi2摩擦制動(dòng)材料制備

三維針刺C/C-SiC-FeSi2高速動(dòng)車組摩擦制動(dòng)材料的制備流程見(jiàn)圖1。

采用日本東麗（Toray）公司生產(chǎn)的PAN型T-300（12K）碳纖維在三維針刺編織技術(shù)下將單層0°無(wú)維布、胎網(wǎng)、90°無(wú)維布、胎網(wǎng)依次循環(huán)，用帶倒鉤的針對(duì)無(wú)維布和胎網(wǎng)進(jìn)行針刺（見(jiàn)圖2），形成三維針刺結(jié)構(gòu)后以天然氣和丙烷作為前驅(qū)體，采用CVI法在三維針刺預(yù)制體內(nèi)沉積熱解碳（Pyrolytic Carbon，PyC），最后對(duì)C/C預(yù)制體進(jìn)行1 800～2 500 ℃高溫?zé)崽幚?。隨后將成型的三維針刺C/C多孔預(yù)制體分別以FeSi75合金粉和Si粉采用反應(yīng)熔體浸滲（RMI-FeSi75）、液硅浸滲制備C/C-SiC-FeSi2復(fù)合材料和C/C-SiC復(fù)合材料。

1.2 熱物理性能測(cè)試

采用阿基米德排水法測(cè)試材料的體密度和開(kāi)氣孔率，試樣尺寸為（10×10×20）mm。稱量設(shè)備為精度1×10-4g的電子分析天平（Mettler Teledo，AG204），采用稱重法測(cè)量試樣密度。試樣制備前后的密度和開(kāi)氣孔率變化見(jiàn)表1。

采用激光閃爍法測(cè)量試樣的熱擴(kuò)散系數(shù)與比熱容，所用設(shè)備為德國(guó)Netzsch公司LFA 427熱擴(kuò)散儀。試樣尺寸為（12.7×2.0）mm，取平行于摩擦面與垂直于摩擦面2種試樣，分別表征垂直摩擦面方向（⊥）與平行摩擦面方向（∥）導(dǎo)熱率與熱容。測(cè)試過(guò)程中以Ar為保護(hù)氣體，測(cè)量溫度范圍為20～1 200 ℃，升溫速率為5 ℃/min。采用德國(guó)Netzsch公司DIL 402C型熱膨脹儀測(cè)量試樣的線膨脹系數(shù)。取平行于摩擦面方向（∥）與垂直于摩擦面方向（⊥）2種試樣，試樣尺寸為（25×4×3）mm。測(cè)試過(guò)程中以Ar為保護(hù)氣體，測(cè)量溫度范圍為20～1 200 ℃，升溫速率為 5 ℃ /min。

圖1 三維針刺C/C-SiC-FeSi2摩擦制動(dòng)材料的制備流程

圖2 C/C-SiC-FeSi2結(jié)構(gòu)示意圖

表1 RMI前后的密度、氣孔率

制動(dòng)摩擦磨損測(cè)試設(shè)備示意見(jiàn)圖3，其中慣量為0.235 kg·m2，剎車比壓為0.8 MPa。試驗(yàn)前首先在1 440～7 200 r/min制動(dòng)速度下進(jìn)行磨合試驗(yàn)，使摩擦面接觸面積達(dá)80%以上。試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)計(jì)算機(jī)記錄制動(dòng)力矩、速度、壓力、摩擦系數(shù)和制動(dòng)時(shí)間曲線。其中摩擦系數(shù)μ計(jì)算公式為：

式中：M為制動(dòng)力矩，kN·m；P為制動(dòng)壓力，MPa；R為制動(dòng)盤摩擦半徑，mm。

圖3 MM-1000-Ⅱ型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)示意圖

潮濕工況制動(dòng)試驗(yàn)參考UIC 541-3試驗(yàn)程序，在此僅進(jìn)行中低速制動(dòng)試驗(yàn)。

1.3 組成與結(jié)構(gòu)分析

采用日本日立公司生產(chǎn)的S-4700型掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）分析材料微結(jié)構(gòu)。采用背散射電子（BSE）顯微圖像觀察試樣的物相分布。能譜分析（Energy Dispersive Spectrometer,EDS）用于對(duì)材料表面元素進(jìn)行分析，所用設(shè)備為美國(guó)伊達(dá)克斯公司Genesis型能譜分析儀。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 FeSi75合金粉對(duì)C/C-SiC相組成和結(jié)構(gòu)的影響

圖4（a）、（b）顯示了C/C-SiC和C/C-SiC-FeSi2的相分布情況，可以看出C/C-SiC-FeSi2相對(duì)于C/C-SiC在RMI處理后胎網(wǎng)區(qū)域和針刺區(qū)域中存在FeSi2相。通過(guò)BSE可以看出C/C-SiC-FeSi2復(fù)合材料中共存在4種不同顏色的相，結(jié)合EDS分析可知，圖（b）中白色相是FeSi2，灰色相是Si，深灰色相是SiC，黑色相是C。由于C與Si的潤(rùn)濕性很好，所以在反應(yīng)熔體浸滲過(guò)程中Si和C能夠快速反應(yīng)生成SiC，外殼將殘余Si與FeSi2包裹其中。從X射線衍射（XRD）曲線（見(jiàn)圖5）可以看出，與C/C-SiC相比，改性后的C/C-SiC-FeSi2并沒(méi)有新物質(zhì)生成，只是引入了FeSi2。

2.2 C/C-SiC-FeSi2摩擦材料干燥工況的摩擦性能

C/C-SiC和C/C-SiC-FeSi2在干態(tài)不同轉(zhuǎn)速下的摩擦系數(shù)曲線見(jiàn)圖6，可以看出，C/C-SiC-FeSi2比C/C-SiC在干燥工況的摩擦系數(shù)低，隨著轉(zhuǎn)速增加摩擦系數(shù)差異也逐漸增加。整體而言C/C-SiC-FeSi2的剎車曲線較平穩(wěn)，尤其在高速制動(dòng)過(guò)程中期曲線較平穩(wěn)，有利于提高在制動(dòng)過(guò)程中的乘坐舒適度。

C/C-SiC和C/C-SiC-FeSi2在干態(tài)不同速度下的線磨損率見(jiàn)圖7，可以看出，C/C-SiC-FeSi2在干燥工況高速制動(dòng)時(shí)有明顯的抗磨損優(yōu)勢(shì)，相比于C/C-SiC，C/C-SiC-FeSi2在高速情況下線磨損率甚至能夠下降1個(gè)數(shù)量級(jí)。主要因?yàn)镕eSi2相對(duì)于SiC和Si是較軟質(zhì)的，在摩擦過(guò)程中FeSi2可以減少硬質(zhì)顆粒對(duì)材料的磨損，并且在制動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的高溫使FeSi2發(fā)生塑性延展平鋪在材料表面，在摩擦過(guò)程中對(duì)材料起到了保護(hù)作用。

圖4 FeSi合金粉對(duì)C/C-SiC相組成和結(jié)構(gòu)的影響

圖 5 C/C-SiC和C/C-SiC-FeSi2的XRD曲線

C/C-SiC-FeSi2摩擦材料在制動(dòng)過(guò)程中的磨屑分析見(jiàn)圖8。磨屑是材料在剎車過(guò)程中由于材料相互嚙合、擠壓、硬質(zhì)顆粒碰撞所剝落下來(lái)的物質(zhì)。低轉(zhuǎn)速時(shí)磨屑大多是材料本體剝落的；高轉(zhuǎn)速時(shí)由于制動(dòng)能量較大，對(duì)剝落下的大顆粒磨屑有充分研磨作用，使高速下的磨屑顆粒粒徑變小。同時(shí)高能載剎車時(shí)產(chǎn)生的高溫使小顆粒磨屑產(chǎn)生尺寸效應(yīng)引起高活性反應(yīng)生成新物質(zhì)。從圖8（a）和（b）可以看出，低速下磨屑主要是本體材料相互擠壓碰撞所剝落下的物質(zhì)，其中分布的大顆粒磨屑能夠達(dá)到微米級(jí)（約6 μm），但同時(shí)存在納米級(jí)小顆粒磨屑；隨著制動(dòng)速度增加，大尺寸微米級(jí)磨屑逐漸減少且尺寸變?。s3 μm），磨屑整體尺寸呈現(xiàn)均一化趨勢(shì)；制動(dòng)能量達(dá)到一定程度時(shí)，磨屑全部轉(zhuǎn)化為納米級(jí)尺寸（約500 nm），主要由于高速制動(dòng)能量大，對(duì)大尺寸剝落下的磨屑有充分碾壓、研磨作用。EDS結(jié)果顯示，不同制動(dòng)速度下均有C、Si、O、Fe元素分布，中低速度下O元素含量沒(méi)有隨制動(dòng)速度增加而增加，表明磨屑并未發(fā)生氧化。EDS結(jié)果中存在的O元素是因?yàn)槟バ籍a(chǎn)生的小尺寸效應(yīng)中C元素對(duì)O的吸附作用，形成C-O和O-C=O懸掛鍵。圖8（d）和（e）中O元素在高轉(zhuǎn)速下明顯增多，說(shuō)明磨屑發(fā)生氧化。在制動(dòng)過(guò)程中由于磨屑尺寸較小，因此小尺寸效應(yīng)帶來(lái)的高反應(yīng)活性往往使磨屑優(yōu)先于摩擦面發(fā)生氧化。此外，從圖中可以看出在20 m/s制動(dòng)之后磨屑中出現(xiàn)了晶粒物質(zhì)，在25 m/s制動(dòng)之后磨屑中出現(xiàn)了直徑約500 nm的棒狀物質(zhì)，這些新物相可能是在Fe的高溫催化作用下產(chǎn)生的新物質(zhì)，有待進(jìn)一步鑒定。

圖7 C/C-SiC和C/C-SiC-FeSi2在干態(tài)不同轉(zhuǎn)速下的線磨損率

圖6 C/C-SiC和C/C-SiC-FeSi2在干態(tài)不同轉(zhuǎn)速下的摩擦系數(shù)曲線

圖8 C/C-SiC-FeSi2材料在制動(dòng)過(guò)程中的磨屑分析

2.3 C/C-SiC-FeSi2摩擦材料潮濕工況的摩擦特性

作為高速動(dòng)車組摩擦制動(dòng)材料，必須克服不同的極端使用環(huán)境。在沿海城市潮濕氣候以及暴雨天氣環(huán)境中運(yùn)用時(shí)，要求濕態(tài)摩擦性能不能出現(xiàn)明顯衰減。以往C/C剎車材料在潮濕環(huán)境中的摩擦衰減比為30%～50%，性能從濕態(tài)恢復(fù)到干態(tài)需要進(jìn)行多次制動(dòng)，因此C/C摩擦制動(dòng)材料不能使用在目前軌道交通車輛制動(dòng)摩擦副產(chǎn)品中，所以研究摩擦材料在潮濕環(huán)境中的制動(dòng)性能尤其重要。

C/C-SiC-FeSi2和C/C-SiC材料在潮濕工況下的摩擦系數(shù)以及多次制動(dòng)恢復(fù)后的摩擦系數(shù)見(jiàn)表2，結(jié)果顯示C/C-SiC-FeSi2材料均未出現(xiàn)明顯摩擦系數(shù)衰減趨勢(shì)，且只需1次恢復(fù)便可達(dá)到干態(tài)的穩(wěn)定狀態(tài)。

表2 潮濕制動(dòng)試驗(yàn)及干燥恢復(fù)制動(dòng)試驗(yàn)?zāi)Σ料禂?shù)（淡水）

C/C-SiC-FeSi2和C/C-SiC材料在潮濕制動(dòng)工況下的摩擦系數(shù)特性曲線以及多次恢復(fù)過(guò)程中的摩擦系數(shù)特性曲線見(jiàn)圖9。結(jié)果表明，C/C-SiC的摩擦曲線波動(dòng)較大，但只需要1次干燥恢復(fù)制動(dòng)也可達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。而C/C-SiC-FeSi2摩擦系數(shù)未出現(xiàn)明顯波動(dòng)，在制動(dòng)過(guò)程中整體表現(xiàn)出狀態(tài)平穩(wěn)。

圖9 潮濕工況制動(dòng)試驗(yàn)曲線

3 結(jié)論

（1）C/C-SiC-FeSi2在干燥工況制動(dòng)時(shí)，摩擦系數(shù)低于C/C-SiC，更接近既有高速動(dòng)車組鋼質(zhì)盤形制動(dòng)摩擦副摩擦系數(shù)特性，易于實(shí)現(xiàn)與既有摩擦副進(jìn)行互換。

（2）C/C-SiC-FeSi2表現(xiàn)出較好的抗磨損性，線磨損率在7 200 r/min高速制動(dòng)時(shí)比C/C-SiC約低1個(gè)數(shù)量級(jí)；在干燥工況制動(dòng)時(shí)磨屑尺寸先變小后變大；在高速制動(dòng)時(shí)觀測(cè)到磨屑中存在被氧化的現(xiàn)象。

（3）C/C-SiC-FeSi2在潮濕試驗(yàn)條件下其摩擦性能未出現(xiàn)衰減，主要由于C/C-SiC-FeSi2通過(guò)機(jī)械作用提供了摩擦力。