【畢業(yè)學(xué)位論文】汽車制動(dòng)用CC-SiC 復(fù)合材料的制備及性能研究-材料學(xué)

分類號(hào) 密級(jí) 編號(hào) 士學(xué)位論文 論文題目 汽車制動(dòng)用 C/合材料 的制備及性能研究 學(xué)科、專業(yè) 材 料 學(xué) 研究生姓名 吳 慶 軍 導(dǎo)師姓名 熊 翔 教 授 副導(dǎo)師姓名 肖 鵬 教 授 2005 年 3 月 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 要 C/合材料是國(guó)際新材料領(lǐng)域重點(diǎn)發(fā)展的一種新型材料，兼具功能和結(jié)構(gòu)特性，綜合性能優(yōu)異，作為摩擦材料，極具應(yīng)用前景。將其用作汽車制動(dòng)材料，制備成本是主要制約因素。為了突破價(jià)格瓶頸，同時(shí)又能充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢(shì)，可從原材料和制備工藝兩個(gè)方面展開工作。本研究在綜述汽車制動(dòng)材料研究進(jìn)展及 C/合材料主要制備工藝的基礎(chǔ)上，以短纖維替代連續(xù)纖維編制體，通過(guò)模壓成型反應(yīng)燒結(jié)制備了 C/合材料，并對(duì) 應(yīng)機(jī)理和材料性能進(jìn)行了較深入的研究和探討。本研究的主要內(nèi)容和結(jié)論如下： 1）以短炭纖維、石墨粉、硅粉及粘結(jié)劑為原料均勻混合，經(jīng)低溫?zé)釅撼尚停?00炭化處理， 1500反應(yīng)燒結(jié)制得 C/合材料，再通過(guò)增密處理制備除了致密度達(dá)到 80以上，密度大于 。同時(shí)借助掃描電鏡 （ 、 X 射線能譜 （ 、 X 射線衍射 （ 、 金相顯微鏡 （ 測(cè)試手段，研究分析了材料的組成、形貌及纖維與基體界面，探討了熱處理時(shí)應(yīng)機(jī)理。 2）對(duì)復(fù)合材料在制動(dòng)受載過(guò)程中涉及到 的壓縮、剪切和彎曲等力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試，討論了材料的破壞機(jī)理，研究了纖維分布狀況、增密效果及 量等因素對(duì)材料力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：纖維的分布狀況決定材料的彎曲失效模式；材料致密度對(duì)壓縮、剪切性能的影響呈相似的變化趨勢(shì)。 3）借助 1000 型摩擦試驗(yàn)機(jī)對(duì) C/合材料進(jìn)行了摩擦磨損性能測(cè)試，考察了干態(tài)和濕態(tài)兩種狀態(tài)下的摩擦磨損性能，研究了基體致密度、 果表明：基體致密度越大，復(fù)合材料磨損率越低；隨 量的增加，摩擦系數(shù)增加；材料在濕態(tài)下仍然能維持 高摩擦系數(shù)。 4）依據(jù)汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 582 進(jìn)行汽車模擬制動(dòng)實(shí)驗(yàn)，考察了復(fù)合材料的摩擦磨損性能。研究發(fā)現(xiàn)材料具有較高的摩擦系數(shù)（ 優(yōu)異的抗衰退性能，衰退率低于 15，衰退恢復(fù)差率接近 0；高 量（ 27能夠在單位摩擦面上提供更多的硬質(zhì)支撐點(diǎn)， 因此有利于提高材料的摩擦系數(shù)及其穩(wěn)定性。 5）在汽車模擬制動(dòng)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選擇 綜合性能較好的試樣，考察了定速狀態(tài)下，其摩擦系數(shù)維持恒定的能力。結(jié)果表明：在 100350的相同溫度下，材料的摩擦系數(shù)在 間波動(dòng)，較為穩(wěn)定；摩擦系數(shù)對(duì)溫度變化不很敏感，不同溫度下的摩擦系數(shù)基本沒有發(fā)生變化（小于 ；磨損率隨溫度的升高而降低。 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 C/合材料， 反應(yīng)燒結(jié)， 摩擦磨損， 臺(tái)架實(shí)驗(yàn)， 定速實(shí)驗(yàn)中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 ) is a in in to , in to it as be of MI(. In on of on , on as 1、 C/ 500 . 0% or of M. 2、 or of to of It to iC is to 3、 C/an iC 南大學(xué)碩士學(xué)位論文 is to a 4、 In to of in t a to a at a 5、 of as is to of of iC C/ 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 文獻(xiàn)綜述 V 目 錄 摘 要 . I . 錄 .一章 文獻(xiàn)綜述 .言 .汽車制動(dòng)器及制動(dòng)性能1. 鼓式制動(dòng)器 . 盤式制動(dòng)器 . 汽車制動(dòng)性能 .汽車摩擦材料的發(fā)展?fàn)顩r . 國(guó)外汽車摩擦材料的發(fā)展現(xiàn)狀 . 國(guó)內(nèi)汽車摩擦材料的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì) . 半金屬制動(dòng)材料的性能特點(diǎn) . 陶瓷制動(dòng)材料的發(fā)展 .C/合材料及其主要制備方法 . 粉漿熱壓法26. 化學(xué)氣相滲透法（. 液態(tài)聚合物浸滲法（. 反應(yīng)熔滲工藝（. 綜合工藝 .研究背景 .研究?jī)?nèi)容 .二章 C/合材料的制備及性能檢測(cè) .材料和實(shí)驗(yàn)設(shè)備 . 實(shí)驗(yàn)設(shè)備 .料制備 . 材料成份設(shè)計(jì) . 制備工藝設(shè)計(jì) .料的性能測(cè)試方法 . 體積密度和開孔率的測(cè)定 . X 射線衍射分析 . 摩擦磨損性能測(cè)試 . 力學(xué)性能測(cè)試 . 掃描電子顯微鏡（察 . 金相觀察 .三章 C/合材料的組織結(jié)構(gòu)及形成機(jī)理 .織結(jié)構(gòu) . 基體形貌 .南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 文獻(xiàn)綜述 維形貌 . 纖維/基體界面形貌 .應(yīng)過(guò)程特征 .論 .四章 C/合材料的力學(xué)性能 .言 .樣概況 . 試樣制備 . 取樣 .曲性能 . 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 . 材料失效機(jī)理分析 . 應(yīng)力應(yīng)變曲線分析 .縮性能 . 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 . 材料失效機(jī)理分析 .切強(qiáng)度 . 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 .章小結(jié) .五章 C/合材料的摩擦性能 .言 .擦磨損性能測(cè)試 . 檢測(cè)分析 . 結(jié)果與討論 . 結(jié)論 .車模擬制動(dòng) . 實(shí)驗(yàn)條件 . 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 . 分析討論 . 結(jié)論 .速摩擦實(shí)驗(yàn) . 實(shí)驗(yàn)條件 . 結(jié)果與討論 . 結(jié)論 .六章 結(jié) 論 .考文獻(xiàn) . 謝 .讀學(xué)位期間碩士期間發(fā)表論文 .南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 文獻(xiàn)綜述 1 第一章 文獻(xiàn)綜述 言 制動(dòng)系統(tǒng)是汽車行車安全的重要保障， 汽車的制動(dòng)是通過(guò)摩擦材料與制動(dòng)盤之間的摩擦力，把動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能或者其他形式的能量散失來(lái)實(shí)現(xiàn)的。顯然，汽車能否及時(shí)有效的剎車與摩擦材料的摩擦磨損性能緊密相關(guān)。 制動(dòng)摩擦材料吸收汽車動(dòng)能而使本身溫度升高， 這就要求材料在不同的溫度下保持足夠、穩(wěn)定或者變化很小的摩擦系數(shù)，以保證安全和乘坐舒適度；從經(jīng)濟(jì)的角度考慮，又要求小的磨損值以確保持久耐用。因此，制動(dòng)摩擦材料性能的好壞直接關(guān)系到汽車系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。 中國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2004 國(guó)產(chǎn)汽車產(chǎn)銷量分別達(dá)到 輛和 輛，同比分別增長(zhǎng)了 根據(jù)國(guó)家經(jīng)貿(mào)委發(fā)布的汽車工業(yè)“十五”（20012005 年）規(guī)劃，到 2005年，汽車工業(yè)增加值將達(dá) 1300 億元，占國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值的 1。其中，轎車的發(fā)展速度將大大高于汽車工業(yè)的平均增長(zhǎng)率。到 2005 年，中國(guó)的轎車產(chǎn)量將突破110 萬(wàn)輛，比去年增長(zhǎng)八成多。汽車行業(yè)繼續(xù)成為拉動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)、快速、健康成長(zhǎng)的“火車頭”。 中國(guó)國(guó)務(wù)院發(fā)展研究中心產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)研究部提供的 “中國(guó)汽車市場(chǎng)需求預(yù)測(cè)”顯示,中國(guó)汽車市場(chǎng)需求完全可能保持 20 年，甚至更長(zhǎng)時(shí)間的持續(xù)、穩(wěn)定、快速增長(zhǎng)。 汽車工業(yè)是當(dāng)今世界上產(chǎn)品零部件構(gòu)成以萬(wàn)計(jì)、 產(chǎn)量以千萬(wàn)計(jì)的技術(shù)復(fù)雜的綜合性大批量高質(zhì)量生產(chǎn)的部門，有著其他行業(yè)無(wú)法比擬的龐大關(guān)聯(lián)作用，它的上游可帶動(dòng)原材料、電子、機(jī)械設(shè)備制造、管理技術(shù)等的發(fā)展，其下游可以推動(dòng)道路、運(yùn)輸、旅游、停車場(chǎng)、維修點(diǎn)、加油站、金融保險(xiǎn)等服務(wù)業(yè)的發(fā)展，總之， 汽車工業(yè)對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展有著巨大的帶動(dòng)作用這一客觀事實(shí)得到了發(fā)達(dá)國(guó)家(美、日、德、法)的實(shí)踐證明。汽車工業(yè)在一定意義上也是衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)化水平、經(jīng)濟(jì)實(shí)力和科技水準(zhǔn)高低的重要標(biāo)志之一 。 汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展給汽車零部件產(chǎn)業(yè)帶來(lái)了廣闊的發(fā)展空間和廣大的市場(chǎng)需求量。制動(dòng)摩擦材料作為汽車的主要零配件之一，其發(fā)展與汽車工業(yè)的發(fā)展緊密相關(guān)并同步發(fā)展。因此，汽車工業(yè)的發(fā)展態(tài)勢(shì)給汽車制動(dòng)材料產(chǎn)業(yè)帶來(lái)了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。目前，汽車朝高速、高效、節(jié)能、輕型化方向發(fā)展。汽車制動(dòng)系統(tǒng)也從四輪鼓式轉(zhuǎn)變?yōu)榍氨P后鼓式或四輪盤式制動(dòng)， 制動(dòng)材料必須緊密配合汽車制動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展變化而不斷提高性能以滿足要求。 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 文獻(xiàn)綜述 2 汽車制動(dòng)器及制動(dòng)性能1 目前汽車制動(dòng)器有兩種形式，鼓式制動(dòng)器和盤式制動(dòng)器。二者各有千秋，但隨著轎車車速的不斷提高，近年來(lái)采取盤式制動(dòng)器的轎車日益增多，尤其是中高級(jí)轎車，一般都采用盤式制動(dòng)器。 式制動(dòng)器 鼓式制動(dòng)器是最早形式的汽車制動(dòng)器，在盤式制動(dòng)器還沒有出現(xiàn)之前，它已經(jīng)廣泛用于各類汽車上，但由于結(jié)構(gòu)問(wèn)題使它在制動(dòng)過(guò)程中散熱和排水性能差，容易導(dǎo)致制動(dòng)效率下降。因此，在轎車領(lǐng)域上已逐漸退出讓位給盤式制動(dòng)器。但由于成本較低，仍然在一些經(jīng)濟(jì)型轎車中使用，主要用于制動(dòng)負(fù)荷較小的后輪。 何駐車制動(dòng)。 （a）鼓式制動(dòng)器 （b）盤式制動(dòng)器 圖1汽車制動(dòng)器 典型的鼓式制動(dòng)器主要由底板、制動(dòng)鼓、制動(dòng)蹄、輪缸（制動(dòng)分泵）、回位彈簧、定位銷等部件組成（如圖 1示）。底板安裝在車軸的固定位置上，它是固定不動(dòng)的，上面裝有制動(dòng)蹄、輪缸、回位彈簧、定位銷，承受制動(dòng)時(shí)的旋轉(zhuǎn)扭力。 每個(gè)鼓有一對(duì)制動(dòng)蹄， 制動(dòng)蹄上有摩擦襯片。 制動(dòng)鼓則是安裝在輪轂上，是隨車輪一起旋轉(zhuǎn)的部件，它由鑄鐵做成，形狀為圓鼓狀。當(dāng)制動(dòng)時(shí)，輪缸活塞推動(dòng)制動(dòng)蹄壓迫制動(dòng)鼓，制動(dòng)鼓受到摩擦減速，迫使車輪停止轉(zhuǎn)動(dòng)。 現(xiàn)在的轎車一般將鼓式制動(dòng)器用于后輪（前輪用盤式制動(dòng)器）。鼓式制動(dòng)器除了成本較低之外，還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，就是便于與駐車制動(dòng)組合在一起。凡是后輪為鼓式制動(dòng)器的轎車，其駐車制動(dòng)器也組合在后輪制動(dòng)器上。這是個(gè)機(jī)械系統(tǒng)，它與車上的制動(dòng)液壓系統(tǒng)完全分離。利用手操作桿或駐車踏板拉緊鋼拉索，操縱鼓式制動(dòng)器的杠桿擴(kuò)展制動(dòng)蹄恢復(fù)原位，制動(dòng)力消失。 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 文獻(xiàn)綜述 3 盤式制動(dòng)器 簡(jiǎn)單來(lái)講，汽車制動(dòng)就是利用摩擦將動(dòng)能轉(zhuǎn)換成熱能，使汽車失去動(dòng)能而停止下來(lái)。 因此， 散熱對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)是十分重要的。 如果制動(dòng)系統(tǒng)經(jīng)常處于高溫狀態(tài)，就會(huì)阻礙能量的有效轉(zhuǎn)化，造成制動(dòng)性能下降。行車速度越快，制動(dòng)所產(chǎn)生的熱量就越多，對(duì)制動(dòng)性能的影響也就越大。解決好散熱問(wèn)題，對(duì)提高汽車的制動(dòng)性能可以起到事半功倍的作用。所以，現(xiàn)代轎車的車輪除了使用鋁合金車來(lái)降低運(yùn)行溫度外，還傾向于采用散熱性能好的盤式制動(dòng)器。 盤式制動(dòng)器又稱碟式制動(dòng)器（如圖 1-1 b 所示），顧名思義是根據(jù)其形狀而命名的。它由液壓控制，主要零部件有制動(dòng)盤、分泵、制動(dòng)鉗、油管等。制動(dòng)盤用合金鋼制造并固定在車輪上，隨車輪轉(zhuǎn)動(dòng)。分泵固定在制動(dòng)器的底盤上。制動(dòng)鉗上的兩個(gè)摩擦片分別裝在制動(dòng)盤的兩側(cè)。分泵的活塞受油壓的作用，推動(dòng)摩擦片壓向制動(dòng)盤而產(chǎn)生摩擦制動(dòng)，制動(dòng)時(shí)就像用鉗子鉗住旋轉(zhuǎn)中的盤子，迫使它停下來(lái)一樣。這種制動(dòng)器散熱快、重量輕、構(gòu)造簡(jiǎn)單、調(diào)整方便，特別是高負(fù)載時(shí)耐熱性能好、制動(dòng)效果穩(wěn)定，而且不怕泥水侵襲。在冬季和惡劣路況下行車，盤式制動(dòng)比鼓式制動(dòng)更能在較短時(shí)間內(nèi)剎車。 有些盤式制動(dòng)器的制動(dòng)盤上還開了許多小孔，以加速通風(fēng)散熱，提高制動(dòng)效率。當(dāng)然，盤式制動(dòng)器也有自身的缺陷。例如對(duì)制動(dòng)器和制動(dòng)管路的制造要求很高，摩擦片的耗損量較大，成本高，而且由于摩擦片的面積小，相對(duì)于摩擦的工作面積也較小，需要制動(dòng)液壓高，必須要有助力裝置的車輛才能使用。而鼓式制動(dòng)器成本相對(duì)較低廉，比較經(jīng)濟(jì)。所以汽車設(shè)計(jì)者從經(jīng)濟(jì)與實(shí)用角度出發(fā)， 一般轎車兼用兩種制動(dòng)形式， 前輪為盤式制動(dòng)，后輪為鼓式制動(dòng)。四輪轎車在制動(dòng)過(guò)程中，由于慣性作用，前輪的負(fù)荷通常占汽車總負(fù)荷的 7080，因此前輪制動(dòng)力要比后輪盤的大。轎車生產(chǎn)廠家為了節(jié)省成本，就采用前輪盤式制動(dòng)、后輪鼓式制動(dòng)的方式。 四輪盤式制動(dòng)的中高級(jí)轎車采用前輪通風(fēng)盤式制動(dòng)是為了更好的散熱， 至于后輪采用非通風(fēng)盤式同樣也是造成成本高的原因。 畢竟通風(fēng)盤式的制造工藝要復(fù)雜得多，價(jià)格也相對(duì)昂貴。隨著材料科學(xué)的發(fā)展及生產(chǎn)成本的降低，在汽車領(lǐng)域中，盤式制動(dòng)有逐將取代鼓式制動(dòng)的趨勢(shì)。 顯然， 盤式制動(dòng)器是制動(dòng)器的發(fā)展方向， 同時(shí)， 由于盤式制動(dòng)器制動(dòng)壓力大，受力面積小，必將給摩擦片提出了具有更高的強(qiáng)度和更耐磨損等要求。制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)及造價(jià)在很大程度上取決于摩擦襯片的性能和成本。因此追求性能優(yōu)異、成本低廉的汽車制動(dòng)材料是永恒的話題。 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 文獻(xiàn)綜述 4 汽車制動(dòng)性能 穩(wěn)定有效的制動(dòng)系統(tǒng)是汽車行車安全的重要保障。 汽車事故往往與制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)距離過(guò)長(zhǎng)、緊急制動(dòng)時(shí)發(fā)生側(cè)滑等情況有關(guān)。汽車制動(dòng)性能的優(yōu)劣主要從以下三個(gè)方面評(píng)價(jià)： （1) 制動(dòng)效能：即制動(dòng)距離與制動(dòng)減速度。 （2) 制動(dòng)效能的恒定性：即抗熱衰退或抗水衰退的性能。 （3) 制動(dòng)時(shí)汽車方向的穩(wěn)定性： 即制動(dòng)時(shí)汽車不能跑偏、側(cè)滑及失去轉(zhuǎn)向性能的能力。 汽車的制動(dòng)性能是汽車迅速降低車速直至停車的能力， 它是制動(dòng)性能最基本的評(píng)價(jià)指標(biāo)。這個(gè)指標(biāo)即是制動(dòng)距離和制動(dòng)減速度。 制動(dòng)距離是指在一定車速下， 汽車從駕駛員踩下制動(dòng)踏板開始到停車時(shí)所駛過(guò)的距離，它與制動(dòng)踏板力及路面附著狀況有關(guān)。 制動(dòng)減速度指制動(dòng)過(guò)程中的最大減速度。它與制動(dòng)器制動(dòng)力（車輪滾動(dòng)時(shí)）及道路輪抱死拖滑時(shí)）有關(guān)。 汽車制動(dòng)效能的恒定性主要是抗熱衰退性能。 抗熱衰退性能是指汽車在高速行駛或在下長(zhǎng)坡連續(xù)制動(dòng)時(shí)制動(dòng)效能保持的程度。 因?yàn)橹苿?dòng)過(guò)程實(shí)際上是把汽車行駛的動(dòng)能通過(guò)制動(dòng)器吸收轉(zhuǎn)換為熱能， 在制動(dòng)器溫度升高后制動(dòng)系統(tǒng)能否保持在冷狀態(tài)時(shí)的制動(dòng)效能已成為設(shè)計(jì)制動(dòng)器時(shí)要考慮的一個(gè)重要問(wèn)題。此外，涉水行駛時(shí)制動(dòng)器還存在水衰退問(wèn)題，制動(dòng)器浸水后仍應(yīng)保持其制動(dòng)效能。 制動(dòng)時(shí)汽車方向的穩(wěn)定性是指汽車在制動(dòng)過(guò)程中維持直線行駛或預(yù)定的彎道行駛的能力。制動(dòng)時(shí)汽車自動(dòng)向左向右偏駛稱為制動(dòng)跑偏。側(cè)滑是指制動(dòng)時(shí)汽車的某一軸或兩軸發(fā)生橫向移動(dòng)。失去轉(zhuǎn)向能力是指彎道制動(dòng)時(shí)，汽車不再按原來(lái)的彎道行駛而沿彎道切線方向駛出和直線行駛制動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤汽車仍按直線方向行駛的現(xiàn)象。 制動(dòng)跑偏、 側(cè)滑和失去轉(zhuǎn)向能力是造成交通事故的重要原因。 因此，通常所說(shuō)的汽車制動(dòng)性能好是指其制距離短、制動(dòng)減速度大、抗熱衰退、抗水衰退性能好，且在制動(dòng)過(guò)程中不發(fā)生跑偏、側(cè)滑以及不失去轉(zhuǎn)向能力。 對(duì)制動(dòng)性能的各項(xiàng)指標(biāo)都可以相應(yīng)的轉(zhuǎn)化為對(duì)摩擦材料的具體要求： 足夠的減速度和防止抱死即可認(rèn)為要求摩擦材料有適中的摩擦系數(shù)； 制動(dòng)器的持續(xù)耐久性即可理解為要求摩擦材料具備優(yōu)良的抗衰退性； 汽車不能側(cè)滑和跑偏即要求摩擦材料有均勻、穩(wěn)定的摩擦系數(shù)。 汽車摩擦材料的發(fā)展?fàn)顩r 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 文獻(xiàn)綜述 5 汽車制動(dòng)材料的發(fā)展始終和汽車工業(yè)的發(fā)展密切相關(guān)并同步發(fā)展。近 30 多年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，汽車的功率、速度和載荷日益提高，其運(yùn)行條件愈發(fā)嚴(yán)峻