呂寶佳

(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)電科技有限公司， 北京 100094)

盤形制動(dòng)是高速列車的關(guān)鍵技術(shù)之一，是確保高速列車安全的重要措施，尤其是在列車其他制動(dòng)措施出現(xiàn)故障時(shí)，只能依靠盤形制動(dòng)作為安全可靠制動(dòng)的最后保障。作為盤形制動(dòng)的兩大關(guān)鍵元件——制動(dòng)盤和閘片，其最基本的功能是吸收制動(dòng)動(dòng)能并將之轉(zhuǎn)化為熱能散發(fā)到空氣中，在這個(gè)過程中，制動(dòng)盤和閘片的材料、結(jié)構(gòu)和性能不能被破壞。隨著列車速度的提升，創(chuàng)新和優(yōu)化制動(dòng)盤/閘片結(jié)構(gòu)、提高制動(dòng)盤材料耐熱性能和減重是該領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

碳纖維增強(qiáng)碳陶雙基復(fù)合材料 (C/C-SiC) 是繼粉末冶金制動(dòng)材料和碳/碳復(fù)合材料 (C/C) 之后的新一代高性能制動(dòng)材料，擁有密度低，比強(qiáng)度高，高溫力學(xué)性能優(yōu)異，耐磨性好，對(duì)環(huán)境不敏感等特點(diǎn)[1-7]。目前已廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、高檔轎車、高層電梯等制動(dòng)系統(tǒng)中。隨著軌道交通行業(yè)的不斷發(fā)展，C/C-SiC摩擦材料在高速列車、特種車輛、重載機(jī)械等領(lǐng)域中擁有廣闊的應(yīng)用前景[8-11]。

摩擦材料作用將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能達(dá)到減速的目的，制動(dòng)過程中產(chǎn)生的熱量使摩擦面局部溫度超過1 000 ℃[9,12,13]。如果摩擦材料的比熱容較小，將導(dǎo)致摩擦材料整體溫度過高，摩擦界面易出現(xiàn)過熱點(diǎn)，進(jìn)而影響摩擦磨損性能[14]。通過向材料中引入高比熱成分，可以在一定程度上有效降低摩擦面溫度，提高制動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性[15,16]。碳化硼(B4C)擁有密度低、熔點(diǎn)高、硬度高、比熱及導(dǎo)熱系數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)，是一種理想的改性材料。同時(shí)，B4C在高溫有氧環(huán)境中易被氧化生成流動(dòng)性好的B2O3，可以防止碳纖維及熱解碳 (PyC) 的氧化，降低材料的氧化磨損[17,18]。

文中采用B4C作基體改性材料，通過真空壓力浸漬結(jié)合化學(xué)氣相滲透(CVI)及液硅滲透(LSI)工藝制備B4C改性C/C-SiC制動(dòng)材料，分析其組成與微結(jié)構(gòu)特征，研究不同B4C含量對(duì)C/C-SiC摩擦材料摩擦磨損性能的影響。

1 試驗(yàn)材料制備及摩擦磨損試驗(yàn)方法

1.1 材料制備

文中采用的碳纖維型號(hào)為T300。采用針刺技術(shù)制備三維針刺碳纖維預(yù)制體，針刺孔密度為8～12 個(gè)/cm2，預(yù)制體密度約為0.55 g/cm3，碳纖維體積含量約為40%。B4C改性C/C-SiC制動(dòng)材料采用如下3個(gè)步驟制備：(1) 采用羧甲基纖維素鈉 ([C6H7O2(OH)2CH2COONa]n) 作分散劑，加入蒸餾水中混合均勻并以氨水 (NH3·H2O) 和鹽酸調(diào)節(jié)PH值至11～12，加入B4C粉料 (粉末粒徑0.5～1 μm，純度99%) ，球磨48 h后得到濃度為100 g/L、200 g/L和400 g/L的3種B4C漿料。將三維針刺碳纖維預(yù)制體放入浸漬罐中，抽真空后注入B4C漿料，通過惰性氣體加壓0.5～1 h后取出，在烘箱中150 ℃條件下干燥3 h得到含B4C粉料的三維針刺碳纖維預(yù)制體；(2) 以丙烷和天然氣為前驅(qū)體，氫氣作為載氣，采用CVI工藝在含有B4C粉料的三維針刺碳纖維預(yù)制體內(nèi)部沉積PyC，沉積溫度為900 ℃～1 200 ℃，沉積時(shí)間為400～500 h，所制備的多孔C/C-B4C預(yù)制體的密度為1.3～1.6 g/cm3；(3) 在真空條件下，采用LSI工藝制備B4C改性C/C-SiC制動(dòng)材料，反應(yīng)熔體為硅粉 (粉末粒徑40～50 μm，純度99.3%) ，反應(yīng)溫度為1 450 ℃～1 700 ℃，保溫時(shí)間為1～2 h。對(duì)獲得的3種B4C含量的C/C-B4C-SiC制動(dòng)材料分布標(biāo)記為B1、B2、B3，分別對(duì)應(yīng)第 (1) 步的B4C漿料濃度為100 g/L、200 g/L、400 g/L。未改性的C/C-SiC制動(dòng)材料作為對(duì)照組，標(biāo)記為SI。

1.2 摩擦磨損試驗(yàn)測(cè)試

材料的摩擦磨損性能采用MM-1000-Ⅱ型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)試。在干燥工況下，材料的摩擦磨損性能測(cè)試參數(shù)如表1所示。其中轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為0.235 kg·m2，制動(dòng)比壓為0.8 MPa。試驗(yàn)前，從低速到高速依次進(jìn)行磨合試驗(yàn)，以保證摩擦副之間的接觸面積達(dá)80%以上。試驗(yàn)過程中制動(dòng)力矩、轉(zhuǎn)速、制動(dòng)比壓和對(duì)應(yīng)的制動(dòng)時(shí)間由電腦記錄，并計(jì)算出相應(yīng)的摩擦系數(shù)。其中摩擦系數(shù)μ的計(jì)算公式如下：

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。摩擦界面溫度通過制動(dòng)盤上距摩擦表面約1 mm的測(cè)溫孔進(jìn)行測(cè)量。試驗(yàn)時(shí)，通過熱電偶實(shí)時(shí)記錄制動(dòng)過程中摩擦次界面溫度。試樣的磨損性通過線磨損率表征，計(jì)算公式如下：

L=(L1-L2)/2n

式中L代表線磨損率，μm/cycle;L1代表試驗(yàn)前制動(dòng)盤的厚度，μm;L2代表試驗(yàn)后制動(dòng)盤的厚度，μm;n代表制動(dòng)次數(shù)。采用真實(shí)色激光共聚焦顯微鏡 (Lasertec C130) 表征摩擦面形貌。

表1 制動(dòng)試驗(yàn)參數(shù)

2 材料的摩擦磨損性能分析

B4C含量和制動(dòng)初速度對(duì)摩擦面溫度的影響如圖1所示，從圖中可以看出，摩擦面溫度隨制動(dòng)初速度的增大而增大，且隨著B4C含量的增加而降低，表明B4C的引入提高了C/C-SiC制動(dòng)材料的熱庫容量，可以有效降低摩擦面溫度，尤其在高速狀態(tài)下，摩擦面溫度最高可降低100 ℃以上。這是因?yàn)锽4C的適量引入，在不降低材料導(dǎo)熱性能的前提下，提高了材料的比熱容。同時(shí)，B4C具有催化石墨化的作用[19]，可以將比熱較低并具有大量堆垛缺陷的PyC轉(zhuǎn)變?yōu)楸葻岣呷毕萆俚挠行蚴?。因此，在能量相同的情況下，材料熱容量提高，摩擦面溫度降低。

圖1 B4C 含量和初始制動(dòng)速度對(duì)摩擦界面溫度的影響

不同B4C含量和制動(dòng)初速度對(duì)摩擦材料的摩擦系數(shù)的影響如圖2所示，摩擦系數(shù)隨著制動(dòng)速度的增大呈逐漸下降的趨勢(shì)。按制動(dòng)速度的大小，分為低速 (5～10 m/s)、中速 (15～20 m/s)和高速 (25～28 m/s)進(jìn)行分析。在低速狀態(tài)下，B1、B2和B3的摩擦系數(shù)相近但略低于C/C-SiC的摩擦系數(shù)。這是因?yàn)橄虿牧现幸隑4C后，B4C與PyC形成混合區(qū)域，將C/C-SiC中的C/C亞結(jié)構(gòu)單元轉(zhuǎn)變?yōu)镃/C-B4C亞結(jié)構(gòu)單元，而B4C的硬度明顯高于碳相，因此C/C-B4C亞結(jié)構(gòu)單元的硬度更高，對(duì)磨面硬質(zhì)微凸體在該區(qū)域的犁削作用減弱，導(dǎo)致材料的摩擦系數(shù)降低。中速制動(dòng)時(shí)，C/C-B4C-SiC和C/C-SiC的摩擦系數(shù)相差不大。高速制動(dòng)時(shí)，隨著B4C含量的增加，C/C-B4C-SiC制動(dòng)材料的摩擦系數(shù)顯著降低，表明在高能載制動(dòng)時(shí)B4C的引入量對(duì)制動(dòng)材料摩擦性能有著顯著的影響。

圖2 B4C含量和制動(dòng)初速度對(duì)摩擦系數(shù)的影響

在不同制動(dòng)速度下，B4C改性C/C-SiC制動(dòng)材料的典型摩擦系數(shù)曲線如圖3所示?？梢钥闯?，四種材料的摩擦系數(shù)曲線圖3(a)是C/C-SiC曲線；圖3(b)是B1含量曲線；圖3(c)是B2含量曲線；圖3(d)是B4含量曲線)在不同制動(dòng)速度下呈現(xiàn)出相似的趨勢(shì)表明B4C的引入對(duì)摩擦系數(shù)曲線的變化趨勢(shì)影響不大。隨著制動(dòng)速度的提高，摩擦系數(shù)曲線由倒梯形向馬鞍形轉(zhuǎn)變。當(dāng)制動(dòng)速度為5～15 m/s時(shí)，摩擦系數(shù)曲線呈倒梯形；當(dāng)制動(dòng)速度為20～28 m/s時(shí)，摩擦系數(shù)曲線呈馬鞍形。此外，隨著B4C含量的增加，可以發(fā)現(xiàn)高速狀態(tài)下的摩擦系數(shù)曲線更加平滑，表明制動(dòng)過程更加穩(wěn)定，B4C的引入有利于穩(wěn)定摩擦系數(shù)。

B4C含量和初始制動(dòng)速度對(duì)制動(dòng)材料磨損率的影響規(guī)律如圖4所示。向C/C-SiC中引入B4C改性后，材料的磨損率明顯降低，特別是在高速制動(dòng)時(shí)，磨損率可降低50%以上，表明通過B4C改性后可明顯提高C/C-SiC制動(dòng)盤材料的抗磨損性能。與B2和B3相比，B1的磨損率最低，這是因?yàn)锽1的多孔C/C-B4C 預(yù)制體密度較高，其中PyC相含量較高，而適當(dāng)提高C/C-SiC中的PyC含量可以有效降低材料的磨損率[20]。

圖3 B4C含量和初始制動(dòng)速度對(duì)制動(dòng)曲線的影響

圖4 B4C含量和初始制動(dòng)速度對(duì)摩擦系數(shù)的影響

C/C-B4C-SiC制動(dòng)材料在不同速度條件下的典型摩擦面形貌如圖5所示。在低速制動(dòng)后，摩擦界面粗糙，在C/C-B4C區(qū)域和SiC區(qū)域均存在微凸體，但C/C-B4C區(qū)域微凸體的數(shù)量明顯少于SiC區(qū)域，表明該狀態(tài)下制動(dòng)時(shí)主要磨損區(qū)域?yàn)镃/C-B4C區(qū)域。低速制動(dòng)時(shí)，對(duì)磨面中的硬質(zhì)顆粒如SiC很容易嵌入軟質(zhì)C相中，在剪應(yīng)力的作用下對(duì)C/C-B4C區(qū)域產(chǎn)生犁削作用，造成磨損，因此低速制動(dòng)的磨損機(jī)理主要為磨粒磨損，這正是低速狀態(tài)下摩擦系數(shù)相對(duì)較高的原因。但由于B4C的存在提高了C/C區(qū)域的硬度，減弱了SiC 等硬質(zhì)微凸體的犁溝作用，提高了該區(qū)域抵抗磨損的能力。在中速制動(dòng)后，可以看出摩擦面上的微凸體數(shù)量明顯減少，摩擦面粗糙度有所降低，不僅C/C-B4C區(qū)域發(fā)生磨損，SiC區(qū)域也發(fā)生磨損，局部區(qū)域形成不連續(xù)的摩擦膜。制動(dòng)速度增大后，微凸體間的機(jī)械嚙合作用增強(qiáng)，導(dǎo)致部分硬質(zhì)SiC微凸體被壓碎形成磨屑，脫落的SiC和B4C可以作為磨料促進(jìn)磨屑在摩擦面間的充分研磨，細(xì)小的磨屑由于分子間作用力增加而趨向于形成摩擦膜。在高速制動(dòng)后，可以看出，摩擦面幾乎被完全磨平，大量微凸體消失，表面孔隙被磨屑填充，摩擦面形成均勻而連續(xù)的摩擦膜。高速制動(dòng)時(shí)，摩擦面溫度大幅提升，部分C相被氧化，同時(shí)B4C也發(fā)生氧化。生成的B2O3在450 ℃以上為液態(tài)，另一方面可以作為粘結(jié)劑促進(jìn)磨屑的聚集，團(tuán)聚的磨屑在正壓力和切向力的作用下很容易被碾平鋪展在摩擦面上，形成光滑而連續(xù)的摩擦膜，促進(jìn)制動(dòng)過程的穩(wěn)定。另一方面可以覆蓋在C相表面防止其被繼續(xù)氧化，降低材料的氧化磨損，因此B4C改性C/C-SiC制動(dòng)材料的磨損率明顯低于未C/C-SiC的磨損率，尤其在大載荷狀態(tài)下。

圖5 C/C-B4C-SiC制動(dòng)材料在不同速度條件下的典型摩擦面形貌

3 結(jié) 論

(1)采用真空壓力浸漬結(jié)合CVI及LSI工藝制備了不同B4C含量的C/C-B4C-SiC復(fù)合材料，利用MM-1000-Ⅱ型試驗(yàn)機(jī)對(duì)不同B4C含量的C/C-B4C-SiC復(fù)合材料摩擦副進(jìn)行了摩擦磨損試驗(yàn)對(duì)比。

(2)B4C的引入使C/C-SiC制動(dòng)材料的熱容量增大，在制動(dòng)能量相同時(shí)，可明顯降低摩擦面溫度，高速制動(dòng)時(shí)，B4C改性C/C-SiC制動(dòng)材料的磨損率可降低50%以上。

(3)隨著B4C含量的增加，高速狀態(tài)下的摩擦系數(shù)曲線更加平滑，表明制動(dòng)過程更加穩(wěn)定，B4C的引入有利于穩(wěn)定摩擦系數(shù)。