反应熔渗法制备C/C-SiC材料的组织结构及性能

时间：2024-04-23

湛方翊

上海大学材料研究所

湛方翊

上海大学材料研究所

通过分析合成材料粉末冶金材料,C/C-SiC材料等复合材料的摩擦系数。C/C-SiC复合材料是一种能够满足高速,高性能的陶瓷制动材料。我们要对C/C-SiC复合材料制动材料的结构特点、力学特性、摩擦性能等进行分析。C/C-SiC复合材料具有抗热震,抗氧化,耐磨损的优势，具有较为稳定的摩擦系数。碳化硅特种复合材料的制备方法有很多，反应熔渗法就是常用的方法中的一种。

反应熔渗法；C/C-SiC材料；复合材料；碳化硅

一、制备C/C-SiC材料的方法

1、聚合物渗透法制备制备C/C-SiC材料

C/C-SiC材料这种复合材料的制备方法有三种,每种方法都有各自的优点和缺点,在实际操作的过程中，操作者要根据具体的实际情况，选用不同的方法。聚合物渗透法制备炭化硅化合物,具有以下优点,基体成分均匀，能够制备出形状复杂，加工量少的零部件。但是在利用该方法制备碳化硅化合物具有一定的缺陷，其主要表现在于在热解过程中，该方法会产生大量的气体，降低了碳化硅化合物的生成量，不利于企业节约制作成本。

2、反应熔渗法制备C/C-SiC材料

反应熔渗法产生在二十世纪八十年代。德国人人采用这种方法制碳化硅这种复合材料。C/C-SiC复合材料最初被用来作为刹车盘。通过这种方法制造出来的碳化硅复合材料，具有抗热冲击性强,具有中等强度，具有强烈的抗氧化性，在低温下摩擦性能很好，不受环境湿度的影响，摩擦系数比较稳定。采用这种方法制备C/C-SiC材料复合材料，制备周期短，生产成本低，在市场上具有很强的竞争能力。

二、制约碳化硅复合材料性能的影响因素

1、液态硅和固态碳化学反应的影响因素

C/C-SiC复合材料的反应取决于碳的微观结构,孔隙度和孔比表面积。碳能够与硅反应生成碳化硅。炭黑的核心高级有较大的表面积，与硅溶液反应生成C/C-SiC复合材料。石墨化的程度越高越难与硅反应，石墨化的程度越低，越容易与硅反应。

2、孔比表面积对反应速率的影响

孔比表面积，对液态的硅和碳直接的反应速率有着重要的影响作用。孔径越小，孔比表面积就越大,活性就越高，生成的碳化硅就越多,因此孔比表面积，是影响碳和硅反应的主要因素。

3、温度对碳化硅反应生成的影响

随着温度的增加，C/C-SiC复合材料的生产也越来越多。如果温度过高，就会使碳涂层才完全反应掉，碳纤维的强度会严重衰退。如果温度太低，C/C-SiC复合材料的量就会很少，参与的规矩会很多，影响材料的性能和使用条件。随着时间的增加，碳化硅的厚度是逐渐变厚的。如果反应的时间过长,碳纤维的强度就会衰退，如果反应时间太短，就没有完全反应，生成的碳化硅又太少,达不到使用的要求。

三、反应熔渗法制备C/C-SiC材料的组织结构

1、坏结构及碳纤维类型的影响

坏结构不仅影响到复合材料的断裂机制，而且影响到了复合材料的制备过程。不同的碳纤维具有不同的强度和模量。坏体结构会限制孔径的形状和大小，影响液态硅和固态的碳进行化学反应。

2、不同的碳涂层对化学反应过程的影响

在制备C/C-SiC复合材料的过程中，要避免碳纤维和机体间发生化学反应。可以用来融化的化合物进行阻挡，也可以采用碳层进行保护。

3、随着碳多孔体密度的增加，碳的含量也在增加

C/C-SiC式样的XRD衍射图谱中可以看出液态的硅与碳反应生成了C/C-SiC材料，在这个试样中还含有未参加反应的硅和碳。随着碳多孔体密度的增加，C/C-SiC中碳的衍射峰强度不断升高，这也表明碳的含量也在增加。

四、反应熔渗法制备C/C-SiC材料的组织性能

1、碳化硅复合材料的摩擦磨损性能

摩擦磨损性能是C/C-SiC复合材料的一种重要特性，在日常生产生活中的应用非常的广泛。摩擦系数是随着时间的延长，在增大的。机件磨损量是随着时间的延长而增大的，但增大的幅度逐渐减小。一般来讲软碳和硬碳的差别很大。在压力的作用下，容易在摩擦,的表面形成一层摩擦膜，摩擦膜的存在使摩擦力系数降低，再重复摩擦滑动的时候，会导致摩擦磨破裂和新的磨损碎片形成。

2、碳化硅的力学性能

C/C-SiC复合材料的弯曲强度一般在150兆帕到275兆帕。具有较高的弯曲强度。如果沉积碳层较薄。硅就与纤维碳发生反应。使C/C-SiC复合材料的弯曲强度降低。如果碳涂层涂得较厚,硅没有与碳纤维反应。碳纤维得以完整的保存，生成的C/C-SiC复合材料强度较高。

3、C/C-SiC是这一种理想的水润滑轴承材料

C/C-SiC作为一种陶瓷基复合材料，综合了纤维增强体优越的力学性能和陶瓷良好的热稳定性，具有较强的抗氧化性，还具有较强的抗热震性、耐磨性，以及优异的高温力学性能。C/C-SiC是这一种理想的水润滑轴承材料。目前，制备C/C-SiC复合材料常用的方法有很多，通常采用化学气相渗透法，热压法，先驱体裂解法，反应熔渗法。采用适宜的方法制备C/C-SiC，可以大大降低生产的成本，缩短生产的周期，使生产出来的材料具有较好的性能。在生产C/C-SiC的过程中要选择具有竞争力的生产工艺。

4、C/C-SiC材料的摩擦系数随着时间的变化而变化的

通过大量的研究和总结发现：采用反应熔渗法制备C/C-SiC，制备出来的C/C-SiC材料力学性能良好，具有较强的耐磨性能。大量的实验表明，采用石墨化处理方法使得C/C-SiC材料的弯曲强度和压缩强度降低了，但是提高了材料的断裂韧性。采用石墨化处理方法使C/C-SiC材料的摩擦系数降低了，增加了磨损的速率。C/C-SiC材料的摩擦系数随着时间的变化而变化的。随着时间的延长，摩擦系数逐渐增大，“跑合”结束后，摩擦系数逐渐减少并且逐渐趋于稳定。对未石墨化的样品进行研究发现，其机体碳为乱层结构，硬度较高，在摩擦过程中其摩擦的系数较大，磨损量较小，经过石墨化处理的式样，由于纤维中的碳不易石墨化。因此，材料中的软碳和硬碳的差别较大。即摩屑在正压力下会形成一层较厚的摩擦膜；这层摩擦膜的存在大大降低了摩擦系数。重复的滑动将会导致摩擦膜破裂，使新的磨损碎片形成。