C/C-SiC-Cu5Si复合材料的制备及性能

摘要

本文采用RMI法，制备了C/C-SiC-Cu5Si复合材料，研究了C/C-SiC-Cu5Si复合材料的微观结构、力学性能和失效机制以及摩擦磨损性能。主要研究内容和结果如下:
　　(1)以全网胎为预制体，采用RMI方法制备了密度为3.66 g·cm-3，开孔率为5.8％的C/C-SiC-Cu5Si复合材料。该复合材料由质量分数分别为19.87％C、11.91％β-SiC、14.99％TiC和53.23％Cu5Si组成。TiC截面呈长方形，集中分布在热解炭周围，其晶粒长大受Ti原子扩散控制。Cu5Si分布在TiC周围，β-SiC弥散分布在Cu5Si基体内。
　　(2) C/C-SiC-Cu5Si复合材料垂直方向的弯曲强度、压缩强度及冲击韧性依次为110.4Mpa、354.8MPa和7.9 kJ·m-2，分别是C/C-SiC复合材料的2.3倍、1.2倍和2.8倍。平行方向的弯曲强度、压缩强度和冲击韧性分别是垂直方向的89％、59％和141％。C/C-SiC-Cu5Si复合材料中存在三种界面:TiC与热解炭、不同道次的热解炭以及热解炭与炭纤维之间的界面。缓慢加载时，这三种界面依次开裂，对材料力学性能有重要的影响。Cu5Si断口呈韧窝状，是典型的韧性相。
　　(3) C/C-SiC-Cu5Si复合材料弯曲加载过程表现出良好的“假塑性”:裂纹沿着三种界面迅速扩展造成平行方向失效，裂纹沿着厚度方向贯穿造成垂直方向失效。平行方向的压缩破坏表现为裂纹在三种界面处的扩展和在少量Cu5Si基体上的穿晶断裂。垂直方向的压缩破坏表现为裂纹在三种界面处的扩展，在少量Cu5Si基体上的穿晶断裂以及在大量Cu5Si基体上的沿晶断裂。冲击载荷作用快，导致裂纹来不及扩展。垂直方向纤维沿径向断裂导致冲击韧性低于平行方向。
　　(4)研究了制动速率对C/C-SiC-Cu5Si复合材料与30CrMnSiVA钢组成摩擦副的摩擦磨损特性的影响。该摩擦副的摩擦系数在0.16～0.23之间变化，显著低于C/C-SiC复合材料与30CrMnSiVA钢组成摩擦副的摩擦系数0.23～0.37。且前者30CrMnSiVA钢的线性磨损率在0.17～1.113μm·side-1·cycle-1之间变化，约是后者30CrMnSiVA钢线性磨损率的五分之一。
　　(5)揭示了C/C-SiC-Cu5Si复合材料与30CrMnSiVA钢的摩擦磨损机理。摩擦力产生于犁沟效应和黏着效应，磨损机制表现为四种形式:磨粒磨损、粘着磨损、氧化磨损和疲劳磨损。实际摩擦过程中，往往是多种磨损形式共存，一种类型的磨损往往诱发其他形式的磨损。