纳米碳管改性C/C-SiC材料与金属配对摩擦副的摩擦磨损行为及机理研究

The carbon fiber reinforced carbon and silicon carbide dual matrix composites (C/C-SiC) are a type of excellent self dual brake materials. But the friction pair of C/C-SiC composites with metal dual material show lower dynamic friction coefficient, higher wear rate and bad stability coefficient. The urgent demand for high-speed and high-energy braking system with high strength metallic brake disc to the modified C/C-SiC friction composites. This project design of carbon nanotubes basis on nano-materials science, which is to improve the tribological properties of the friction pair of C/C-SiC with metal dual material. The carbon nano-tubes were fabricated by catalytic chemical vapor deposition, and carbon matrix were prepared by chemical vapor infiltration, and finally made use of liquid silicon infiltration to prepared the silicon carbide and obtained the modified C/C-SiC composites. The components, microstructure, and the design and optimization of interface of modified C/C-SiC composites have been investigated. The friction behavior and mechanism of the friction pair of C/C-SiC with metal dual material in different braking conditions have been investigated, and the wear failure mechanism and preventive measures have been explored. Design the structure and content of the carbon nanotubes, and optimize the preparation process to lay the theoretical and methodological basis, which for the design C/C-SiC composites which with good matching performance of metal.

C/C-SiC摩擦材料是一种以炭纤维为增强增韧相、以炭和碳化硅为双基体的优异自对偶摩擦材料，但与金属对偶件配对摩擦副时动摩擦系数低、磨损大和制动不平稳。以高强金属材料为制动盘的高速高能载制动系统对改性C/C-SiC摩擦材料提出了迫切需求。本项目依据纳米材料学理论设计纳米碳管(CNT)新组元，改善C/C-SiC材料与金属配对摩擦副的摩擦磨损性能。采用催化化学气相沉积法制备纳米碳管，然后分别用化学气相渗透和熔融渗硅法制备炭基体和碳化硅基体，得到CNT改性C/C-SiC摩擦材料。研究改性C/C-SiC材料成分、微结构和界面特性的设计与优化；研究不同制动条件、对偶件和环境下改性C/C-SiC材料与金属对偶件配对摩擦副的摩擦磨损行为及机理；并探讨摩擦副的失效机制及预防措施。通过材料设计，优化制备工艺，获得摩擦磨损机理，为制备与金属对偶具有良好摩擦匹配性的C/C-SiC材料及其应用奠定理论和方法基础。

碳陶(C/C-SiC)摩擦材料是一种以碳纤维为增强增韧相，以碳和碳化硅为双基体的先进复合材料，具有密度低(~2.0g/cm3)、耐高温(≥1600℃)、能载水平高、寿命长和全环境适用等优点，被公认为是极具竞争力的新一代制动材料。本项目依据纳米材料学理论设计纳米碳管(CNT)新组元，改善了C/C-SiC材料与金属配对摩擦副的摩擦磨损性能。研究了改性C/C-SiC材料成分、微结构和界面特性的设计与优化；采用MM-1000摩擦磨损试验机研究了改性C/C-SiC材料与金属对偶件配对摩擦副的摩擦磨损行为及机理，并探讨摩擦副的失效机制。研究结果表明：纳米碳管改性C/C-SiC材料中热解炭为粗糙层结构，SiC基体的晶面间距为0.25 nm，同时存在有栾晶结构。纳米碳管改性C/C-SiC与金属对偶件配对摩擦副静摩擦系数为0.38，动摩擦系数为0.29；分别较未改性C/C-SiC配对金属对偶件摩擦副静摩擦系数提高了0.1，动摩擦系数提高了0.04；摩擦次表面温度为396℃，较未改性C/C-SiC摩擦副降低了近50℃；纳米碳管改性C/C-SiC与金属对偶件的线性磨损率分别是2.23μm•cycle-1和1.24μm•cycle-1。摩擦表面形貌，纳米碳管改性C/C-SiC在制动过程中，纳米碳管起到了一个“桥接”的作用，使得纤维和基体不会轻易被剪切破坏，进而减少了纳米碳管改性C/C-SiC摩擦副的线性磨损率。相关的研究成果以10余篇论文的形式在国内外著名学术期刊发表，其中SCI收录4篇，EI收录9篇；申请国家发明专利3项、国家实用新型发明专利2项，获得授权国家发明专利4项、国家实用新型发明专利2项。依托本项目的工作基础及研究成果，项目主持人入选了2015年度湖南省“湖湘青年英才”支持计划和中南大学首批531人才队伍建设工程；获得国家留学基金委国家公派访问学者项目全额资助并于2014年11月赴美国乔治亚理工做为期一年的访学研究。依托本项目，本项目申请人获得国家自然科学基金面上项目、湖南省自然科学基金青年基金、中国博士后科学基金特别资助项目和中南大学教师研究基金各一项。本项目为后续制备与金属对偶具有良好摩擦匹配性的C/C-SiC材料及其应用奠定了理论和方法基础。