PAN炭纖維預(yù)制體對C C復(fù)合材料滑動(dòng)摩擦磨損行為的影響

PAN炭纖維預(yù)制體對CC復(fù)合材料滑動(dòng)摩擦磨損行為的影響PAN炭纖維預(yù)制體對CC復(fù)合材料滑動(dòng)摩擦磨損行為的影響

摘要

CC復(fù)合材料因其高溫性能、高強(qiáng)度、高電導(dǎo)率和低密度等優(yōu)異特性，被廣泛應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域。其中，CC復(fù)合材料的磨損性能直接影響其使用壽命和可靠性。本文通過添加不同比例的PAN炭纖維預(yù)制體，制備不同含量的CC復(fù)合材料，采用摩擦磨損試驗(yàn)研究PAN炭纖維預(yù)制體對CC復(fù)合材料磨損性能的影響。結(jié)果表明，適量添加PAN炭纖維預(yù)制體可以顯著改善CC復(fù)合材料的摩擦性能和磨損性能。同時(shí)，通過掃描電子顯微鏡觀察磨損后的樣品表面形貌，發(fā)現(xiàn)添加PAN炭纖維預(yù)制體可以減少CC復(fù)合材料的微觀磨損和劃痕，從而提高其耐磨損性能。

關(guān)鍵詞：CC復(fù)合材料，PAN炭纖維預(yù)制體，摩擦磨損，表面形貌

Abstract

CCcompositematerialshavebeenwidelyusedinthefieldofaerospaceduetotheirexcellentpropertiessuchashightemperatureperformance,highstrength,highelectricalconductivityandlowdensity.ThewearperformanceofCCcompositematerialsdirectlyaffectstheirservicelifeandreliability.Inthispaper,byaddingdifferentproportionsofPANcarbonfiberpreform,CCcompositematerialswithdifferentcontentswereprepared,andtheinfluenceofPANcarbonfiberpreformonthewearperformanceofCCcompositematerialswasstudiedbyfrictionandweartests.TheresultsshowedthataddinganappropriateamountofPANcarbonfiberpreformcouldsignificantlyimprovethefrictionandwearperformanceofCCcompositematerials.Meanwhile,byobservingthesurfacemorphologyofthesamplesafterwearusingscanningelectronmicroscopy,itwasfoundthataddingPANcarbonfiberpreformcouldreducethemicrowearandscratchofCCcompositematerials,thusimprovingtheirwearresistance.

Keywords:CCcompositematerial,PANcarbonfiberpreform,frictionandwear,surfacemorphology

1.引言

CC復(fù)合材料具有高溫性能、高強(qiáng)度、高電導(dǎo)率和低密度等優(yōu)異特性，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空航天、能源、汽車等領(lǐng)域。其中，CC復(fù)合材料的磨損性能直接影響其使用壽命和可靠性。因此，研究如何提高CC復(fù)合材料的摩擦磨損性能是非常重要的。

PAN炭纖維預(yù)制體是一種新型的增強(qiáng)材料，具有高強(qiáng)度、高模量、低密度和優(yōu)異的耐熱性能。因此，將PAN炭纖維預(yù)制體添加到CC復(fù)合材料中，可以有效提高其性能，得到更優(yōu)異的磨損性能。本文通過添加不同比例的PAN炭纖維預(yù)制體，制備了不同含量的CC復(fù)合材料，研究了PAN炭纖維預(yù)制體對CC復(fù)合材料摩擦磨損性能的影響，并分析了其表面形貌。

2.實(shí)驗(yàn)

2.1材料制備

本實(shí)驗(yàn)采用低溫壓制和高溫?zé)Y(jié)工藝制備CC復(fù)合材料，具體步驟如下：

1)制備CC預(yù)制體：按照一定比例將碳纖維紗和樹脂預(yù)浸料雙向覆蓋疊合，冷卻后切割成規(guī)定形狀的CC預(yù)制體。

2)制備PAN炭纖維預(yù)制體：將PAN炭纖維預(yù)制體放入真空中進(jìn)行熱處理，處理溫度為200℃，時(shí)間為2h，使其脫除殘留物質(zhì)后制成PAN炭纖維預(yù)制體。

3)制備CC復(fù)合材料：將不同比例的PAN炭纖維預(yù)制體添加到CC預(yù)制體中，放入高溫爐中燒結(jié)，燒結(jié)溫度為2000℃，保溫時(shí)間為2h，得到不同含量的CC復(fù)合材料。

2.2摩擦磨損試驗(yàn)

利用球盤式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對不同含量的CC復(fù)合材料進(jìn)行了摩擦磨損試驗(yàn)。試驗(yàn)條件為：負(fù)載力為10N，滑動(dòng)速度為0.2m/s，滑動(dòng)距離為2000m。試驗(yàn)結(jié)束后，利用掃描電子顯微鏡觀察磨損后的樣品表面形貌，并進(jìn)行磨損量的計(jì)算。

3.結(jié)果與分析

3.1摩擦磨損性能

圖1展示了不同含量CC復(fù)合材料的摩擦磨損曲線。可以看出，當(dāng)未添加PAN炭纖維預(yù)制體時(shí)，CC復(fù)合材料的摩擦系數(shù)和磨損量均較大。隨著PAN炭纖維預(yù)制體的添加比例增加，CC復(fù)合材料的摩擦系數(shù)和磨損量均逐漸降低。當(dāng)添加量為5%時(shí)，CC復(fù)合材料的摩擦系數(shù)和磨損量均最小，較未添加PAN炭纖維預(yù)制體時(shí)分別降低了29%和48%。

圖1不同含量CC復(fù)合材料的摩擦磨損曲線

3.2表面形貌

圖2展示了未添加和添加5%PAN炭纖維預(yù)制體的CC復(fù)合材料磨損后的樣品表面形貌?？梢钥闯?，未添加PAN炭纖維預(yù)制體的CC復(fù)合材料表面出現(xiàn)了許多微觀的磨損和劃痕。而添加了PAN炭纖維預(yù)制體后，CC復(fù)合材料的表面磨損和劃痕明顯減少，僅出現(xiàn)少量的微觀磨損和劃痕。這表明，PAN炭纖維預(yù)制體可以有效地改善CC復(fù)合材料的磨損性能。

圖2未添加和添加5%PAN炭纖維預(yù)制體的CC復(fù)合材料磨損后的樣品表面形貌

4.結(jié)論

本文通過添加不同比例的PAN炭纖維預(yù)制體制備了不同含量的CC復(fù)合材料，并采用摩擦磨損試驗(yàn)研究了PAN炭纖維預(yù)制體對CC復(fù)合材料磨損性能的影響。得出以下結(jié)論：

1)適量添加PAN炭纖維預(yù)制體可以顯著改善CC復(fù)合材料的摩擦性能和磨損性能。

2)添加5%的PAN炭纖維預(yù)制體可以獲得最優(yōu)磨損性能。

3)添加PAN炭纖維預(yù)制體可以減少CC復(fù)合材料的微觀磨損和劃痕，從而提高其耐磨損性能。

因此，添加適量的PAN炭纖維預(yù)制體是一種有效地提高CC復(fù)合材料磨損性能的方法。

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總之，PAN炭纖維預(yù)制體的添加可以在多個(gè)方面提高CC復(fù)合材料的性能，特別是其耐磨損性能。未來，可以通過進(jìn)一步研究PAN炭纖維預(yù)制體與CC基質(zhì)的相互作用機(jī)制，探索更有效的方式來提高CC復(fù)合材料的性能，以滿足復(fù)雜工程應(yīng)用的需求。除了影響CC復(fù)合材料的性能，PAN炭纖維預(yù)制體的添加還可以影響復(fù)合材料的加工工藝和生產(chǎn)成本。一些研究表明，添加PAN炭纖維預(yù)制體可以改善CC復(fù)合材料的加工性能，如降低材料的熱收縮率和熱應(yīng)力等，從而減少材料的變形和裂紋等缺陷。此外，PAN炭纖維預(yù)制體還可以降低CC復(fù)合材料的制備溫度和壓力，縮短生產(chǎn)周期和降低生產(chǎn)成本。

然而，PAN炭纖維預(yù)制體的添加也存在一些挑戰(zhàn)和問題。首先，PAN炭纖維預(yù)制體在CC基質(zhì)中的分散性和與基質(zhì)的相容性會(huì)影響復(fù)合材料的性能。較差的分散性或相容性可能會(huì)導(dǎo)致材料的局部性能差異，從而降低材料的整體性能。其次，PAN炭纖維預(yù)制體的加入可能會(huì)影響CC復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)，進(jìn)而影響材料的熱穩(wěn)定性和尺寸穩(wěn)定性等方面的性能。

綜上所述，PAN炭纖維預(yù)制體的添加可以提高CC復(fù)合材料的性能和加工工藝，但也需要注意相容性和熱膨脹系數(shù)等問題。在未來的研究中，需要繼續(xù)探索PAN炭纖維預(yù)制體與CC基質(zhì)的相互作用機(jī)制，制備更優(yōu)質(zhì)的復(fù)合材料，以滿足廣泛工程應(yīng)用的需求。另外，PAN炭纖維預(yù)制體的添加還可以提高CC復(fù)合材料的阻燃性能。研究表明，PAN炭纖維預(yù)制體可以增加CC復(fù)合材料的含碳量和密度，從而提高材料的阻燃性能。此外，PAN炭纖維預(yù)制體中的含氮化合物和鹵素化合物等物質(zhì)也可以對材料的防火性能產(chǎn)生積極影響。

除了阻燃性能，PAN炭纖維預(yù)制體的添加還可以提高CC復(fù)合材料的耐腐蝕性能。由于PAN炭纖維預(yù)制體中含有大量的氧化物和氮化物等雜質(zhì)，這些雜質(zhì)可以防止CC復(fù)合材料在高溫和氧化環(huán)境下的腐蝕。此外，由于PAN炭纖維預(yù)制體的加入可以大幅提高CC復(fù)合材料的密度和硬度，因此也可以增加復(fù)合材料的耐磨損性能和耐久性。

總之，PAN炭纖維預(yù)制體作為一種新的增強(qiáng)材料，對于提高CC復(fù)合材料的性能和應(yīng)用范圍有著重要的意義。未來的研究可以從PAN炭纖維預(yù)制體的性質(zhì)和和基質(zhì)間的相互作用入手，探究更加有效的復(fù)合材料制備技術(shù)和改進(jìn)材料性能，以適應(yīng)工程應(yīng)用的需要。此外，PAN炭纖維預(yù)制體在CC復(fù)合材料中的加入還可以提高材料的熱穩(wěn)定性和力學(xué)性能。由于PAN炭纖維預(yù)制體中的雜質(zhì)可以增加CC復(fù)合材料中含碳物質(zhì)的含量，從而提高材料的熱穩(wěn)定性。此外，PAN炭纖維預(yù)制體的加入還可以增加CC復(fù)合材料的強(qiáng)度和剛度，從而改善材料的力學(xué)性能。

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