【摘 要】
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随着汽车工业的不断发展,车辆的行驶速度得到了很大提升,对摩擦材料的制动性能的要求也越来越高。ZrB2-SiC基陶瓷材料具有耐高温、耐腐蚀、高强度和低密度等优异性能,作为轻量化高温耐摩材料具有很大优势。但是陶瓷材料的本征脆性限制了其广泛应用,对陶瓷材料进行增韧一直是学者们研究的重难点。目前陶瓷材料的增韧方式可分为添加相增韧和结构增韧,本课题将两种增韧方式结合:（1）以碳纤维作为增韧添加相,在陶瓷基体
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随着汽车工业的不断发展,车辆的行驶速度得到了很大提升,对摩擦材料的制动性能的要求也越来越高。ZrB2-SiC基陶瓷材料具有耐高温、耐腐蚀、高强度和低密度等优异性能,作为轻量化高温耐摩材料具有很大优势。但是陶瓷材料的本征脆性限制了其广泛应用,对陶瓷材料进行增韧一直是学者们研究的重难点。目前陶瓷材料的增韧方式可分为添加相增韧和结构增韧,本课题将两种增韧方式结合:（1）以碳纤维作为增韧添加相,在陶瓷基体中引入碳纤维以改变材料的断裂模式,将脆性断裂转变为非脆性断裂;（2）以Bouligand结构作为增韧结构,该结构与碳纤维增韧陶瓷复合材料都属于强纤维与弱基质的组合,具有一定的相似性。本文设计了在碳纤维增强ZrB2-SiC材料中实现Bouligand结构的实验方案,确定了实验参数,成功制备了仿生Bouligand结构碳纤维/ZrB2-SiC复合材料,并研究了材料的力学性能和摩擦性能。首先,设计了利用碳纤维在陶瓷基复合材料中构筑Bouligand结构的方案。以二维碳纤维-陶瓷薄膜螺旋排列堆叠得到仿生Bouligand结构碳纤维/陶瓷胚体,再以热压方式实现致密化烧结。同时针对制备连续碳纤维增强陶瓷材料的工艺中的两个基本问题采用了对应的方案:采用聚碳硅烷（Polycarbosilane,PCS）-陶瓷浆料浸渍碳纤维薄膜的方法以解决陶瓷基体在碳纤维间的分布问题;采用高烧结活性的纳米ZrB2粉末作为陶瓷基体降低烧结温度,以解决高温下陶瓷基体与碳纤维的反应降解问题。然后,研究并确定了材料制备实验过程中的具体实验参数。包括PCS的裂解曲线;PCS及其裂解产物的主要成分、PCS-ZrB2陶瓷浆料的组分比例;研究了温度参数对PCS-ZrB2-SiC/Cf薄膜裂纹生长的影响,并设计了挂浆工艺弥合裂纹缺陷。最终确定了制备仿生Bouligand结构Cf/ZrB2-SiC材料的具体实验参数和工艺流程。最后,研究了仿生Bouligand结构Cf/ZrB2-SiC材料力学性能和摩擦性能。研究了碳纤维体积分数与仿生Bouligand结构Cf/ZrB2-SiC材料力学性能的关系。随着碳纤维体积分数的提高,断裂功单调递增,弯曲强度先减小后增大,当碳纤维体积分数≥25vol.%时,材料发生非脆性断裂,当碳纤维体积分数为30 vol.%时,断裂功达到了1272±131 J·m-2,主要原因是Bouligand结构和碳纤维含量提升产生了更多的裂纹偏转、纤维拔出以及纤维桥联;研究了仿生Bouligand结构Cf/ZrB2-SiC材料的摩擦性能,摩擦过程存在多种磨损机制同时作用,其中碳纤维体积分数为20 vol.%的仿生Bouligand结构Cf/ZrB2-SiC材料的摩擦性能稳定,摩擦系数基本满足高性能摩擦材料的要求。
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