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          炭/炭復合材料摩擦磨損機理
          發布時間: 2022/5/9 17:50:51
                    炭/炭復合材料摩擦磨損機理
            炭剎車過程涉及受力、能量轉換和質量損失等,炭盤的摩擦磨損機理建立在質量和能量守恒的基礎上,C/C復合材料剎車過程的摩擦磨損機理。
            摩擦雨形成致密摩擦膜,由予密損,次表面逐漸變成摩攘面,摩擦面和次表面形成動態平衡體系。
            c/c復合材料剎車盤的剎車過程可分為三個階段:
           ?、賱x車開始階段。動盤由于外部因素具有一定的慣量和轉速(即動能),靜盤則固定在基座上(即飛機的起落架),剎車開始后,動盤和靜盤在液壓活塞的壓力作用下緊緊貼合,由于摩擦面含有大量不平整的微凸體和孔隙,在貼合過程中,動、靜盤摩擦面借助動盤的動能,表面的微凸體相互剪切,形成大量的磨屑,同時由于炭盤材料的整體性,切向力也會造成炭盤次表面織體和炭纖維分離,產生織體裂紋,這樣會降低摩擦面和次表面的相互作用力,加快微凸體相互剪切。磨屑一方面由于動、靜盤的緊密貼合,借助炭盤旋轉滑移到孔隙中;另一方面炭盤表面不平整、成膜性不好,在剛開始剎車的時候處于調整階段,炭盤振動較劇烈,磨屑也會由于炭盤貼合的不夠緊密,在動盤高速旋轉產生的離心力作用下,從摩擦面飛出。微凸體的相互剪切將動盤的動能轉化為動、靜盤的內能,炭盤表面溫度迅速升高。
           ?、趧x車中期。磨屑在壓力和切向力的共同作用下被磨碎,形成細小磨粒,磨粒一方面進一步填充孔隙,這樣在摩擦面又會形成一些新的微凸體,微凸體又會由于相互剪切而形成磨屑,磨屑再被磨碎,不斷重復直至形成較為均一、致密的摩擦膜;另一方面細小的磨粒也會由于離心力作用從摩擦面甩出。隨著剎車的進行,動盤的轉速和動能會迅速減小,切向力會減小而壓力不變,這些都會有利于摩擦面形成致密摩攘膜,增大真實摩擦面積,根據公式(3.42),有利于剎車末期摩擦系數逐漸增大(即形成翹尾)。炭盤的動能轉換的熱能一方面通過炭盤本身的熱導散發到空氣中,另一方面會促使次表面的碳和孔隙中的氧發生氧化反應生成CO或C02,使得炭盤進一步失重。在剎車過程中摩擦膜的破壞和形成以及次表面轉換為摩擦膜形成一個動態的平衡體系。
           ?、蹌x車后期。動盤的轉速迅速減小,這樣施加在炭盤上的壓力會卸載,動盤和靜盤分離,表面成膜不好的磨粒會從摩擦面脫落,且此時摩擦面的溫度最高,炭盤分離后表面與空氣的接觸會加劇炭盤表面的氧化,導致表面均一整體的摩擦膜遭到破壞,這樣一次剎車過程結束。
            C/C復合材料在摩擦過程中發生的質量損失主要來自兩個方面:一是磨粒磨損;二是高溫氧化。
            研究發現炭/炭剎車盤在空氣中的磨損率是惰性氣氛的4.5倍。有60%的重量損失是由氧化磨損引起的。剎車過程中機械能轉換為熱能,引起材料表面溫度升高。如果在垂直摩擦面方向上材料的熱導率高、相對密度大(單位質量的比熱容大),產生的熱量就能相對均勻地傳遞到材料整體中,降低摩擦面和次表面的溫度,從而減小空氣氧化引起的質量損失。反之,材料的熱導率小、相對密度低(單位質量的比熱容tb),摩擦產生熱量的積累就會引起摩擦面和次表面溫度驟然升高,氧化速率加快,失重量加大,且低熱導率材料的抗熱震能力差,很大的溫度梯度就有可能導致材料破壞,甚至損壞機輪。由于高織構熱解炭基體構成的復合材料,熱導率好,自身的抗氧化能力也好,在摩擦過程中容易形成連續的自潤滑膜,不但能夠減小空氣氧化造成的質量損失,同時也減小離心力甩出的磨粒引起的質量損失。另外,摩擦系數隨著溫度的升高而減小,制動扭矩下降,使剎車過程不平穩,剎車時間和距離相應延長。所以盡可能地減小c/c復合材料對磨面溫度的升高,不但是抗氧化的需求,也可以實現有效、平穩剎車。
           
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