编织陶瓷基复合材料磨削表面微结构特征与其摩擦学特性

Woven ceramic matrix composites (CMC) have excellent corrosion resistance, high temperature resistance and mechanical properties. This project focus on the application of CMC in the high temperature friction field. The research object is 2.5 D CMC material. Based on the important discoveries of micro convex and micro groove on grinding surface, which is closely related to the fiber weaving pattern, the relationship between the microstructure of composites' grinding surface and the use performance is studied in this project. The main research contents include three parts. Firstly the surface quality evaluation methods which can effectively characterize the surface microscopic morphology characteristics are studied. Secondly the mapping relation model between processing parameters and surface microscopic morphology is studied and established. Then the wear resistance, bearing capability and lubricant retention property of composites' grinding surface are studied for explaining the wear mechanism. Finally the goal for predicting and controling material use performance will be achieved. According to these research, it is expected to provide a useful guideline for surface processing quality control and tribological performance optimization of CMC. It will provide theoretical basis and technical support for CMC extended application in tribology field.

编织陶瓷基复合材料(CMC)具有极好的耐腐蚀、耐高温和力学特性。本课题面向编织陶瓷基复合材料(CMC)在摩擦学领域中应用问题，以2.5D CMC材料为研究对象，基于该类材料磨削表面微凸起与微凹槽特征及其与增强纤维编织模式密切相关特性的重大发现，研究该类材料磨削表面微结构特征、加工工艺参数及该材料摩擦学使役性能三者之间的映射关系。主要研究内容包括：研究能够有效表征编织陶瓷基复合材料(CMC)表面微观形貌特性的表面质量评价方法；建立磨削加工参数与表面微观形貌特征参数的映射关系模型；研究材料微凸起和微凹槽特性表面承载、储油和摩擦磨损性能和磨损机理，实现对材料摩擦学使役性能的预测和控制。以上研究成果对编织陶瓷基复合材料(CMC)表面加工质量控制及其摩擦学使役性能优化具有重要指导意义，为CMC材料在摩擦磨损领域的扩展应用提供理论依据和技术支持。

纤维增强陶瓷基复合材料因其优异的耐高温、耐腐蚀、耐磨损及良好的力学特性在航空航天、军用及民用领域显示出越来越大的应用潜力。但由于材料本身的各向异性和非均质性，给材料二次加工表面质量的控制和加工机理的研究带来了很大困难，造成复合材料加工问题日益凸显。针对这一问题，本课题以2.5维编织石英纤维增强二氧化硅陶瓷基复合材料（2.5D SiO2/SiO2）和3维碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料（3D C/SiC）为研究对象，研究了材料的磨削特性、磨削表面特征、磨削机理、复合材料表面评价体系、摩擦磨损特性及磨损机理。这一研究为编织陶瓷基复合材料的高精度、高效率、高质量加工及广泛应用提供了理论基础和科学依据。.本项目是基于编织陶瓷基复合材料微结构的磨削表面特征与其摩擦学特性的研究。在项目实行期间，已提出一种新的适用于纤维增强编织复合材料的表面评价体系——多尺度表面评价，并在每一个尺度上进行了测量参数及评价参数选择的研究；根据材料损伤裂纹的产生与扩展理论分析建立了适应该种复合材料的磨削力数学模型，通过声发射实验研究了磨削加工过程中声发射信号的特性；从介观波纹度层面研究了复合材料表面质量和纤维方向角的关系，发现在一定磨削条件下，材料的磨削表面呈现清晰的编织纹理，具有明显的微凹槽和微凸起的表面微结构特性，同时还研究了不同切削面的表面特性与使役性能的关系；采用正交实验法研究了磨削加工各工艺参数对复合材料表面微观结构和特性的影响，分析了材料表面形貌幅值、表面波纹度分布和表面支撑性能与磨削参数变化的映射关系；最后研究了复合材料与陶瓷摩擦配副的摩擦磨损机理。本研究共在国内外学术刊物和会议上发表论文9篇（其中SCI检索5篇，SCI投稿中1篇，EI检索2篇，核心期刊1篇，任务书要求SCI/EI检索8篇），申请专利4项（其中已授权1项，任务书要求申请发明专利2-3项）；项目相关论文还会在一年之内发表。所有预期工作均已完成，为复合材料的加工、应用、表面损伤的控制和预测提供了可能。