International Journal of Minerals, Metallurgy and MaterialsVolume 17, Number 4, August 2010, Page 500DOI: 10.1007/s12613-010-0348-yCorresponding author: Zhuan Li E-mail: li_zhuan@© University of Science and Technology Beijing and Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2010 Preparation and properties of C/C-SiC brake compositesfabricated by warm compacted-in situ reaction Zhuan Li, Peng Xiao, and Xiang XiongState Key Laboratory of Powder Metallurgy, Central South University, Changsha 410083, China(Received: 12 August 2009; revised: 28 August 2009; accepted: 2 September 2009)Abstract: Carbon fibre reinforced carbon and silicon carbide dual matrix composites (C/C-SiC) were fabricated by the warm compacted-insitu reaction. The microstructure, mechanical properties, tribological properties, and wear mechanism of C/C-SiC composites at differentbrake speeds were investigated. The results indicate that the composites are composed of 58wt% C, 37wt% SiC, and 5wt% Si. The densityand open porosity are 2.0 g·cm–3 and 10%, respectively. The C/C-SiC brake composites exhibit good mechanical properties. The flexuralstrength can reach up to 160 MPa, and the impact strength can reach 2.5 kJ·m–2. The C/C-SiC brake composites show excellent tribologicalperformances. The friction coefficient is between 0.57 and 0.67 at the brake speeds from 8 to 24 m·s−1. The brake is stable, and the wear rateis less than 2.02×10−6 cm3·J−1. These results show that the C/C-SiC brake composites are the promising candidates for advanced brake andclutch systems.Keywords: C/C-SiC; ceramic matrix composites; tribological properties; microstructure [This work was financially supported by the National High-Tech Research and Development Program of China (No.2006AA03Z560) and theGraduate Degree Thesis Innovation Foundation of Central South University (No.2008yb019).]温压-原位反应法制备C / C-SiC刹车复合材料的工艺和性能李专，肖鹏，熊翔粉末冶金国家重点实验室，中南大学，湖南长沙410083，中国（收稿日期：2009年8月12日修订：2009年8月28日;接受日期：2009年9月2日）摘要：采用温压−原位反应法制备炭纤维增强炭和碳化硅双基体(C/C-SiC)复合材料。
本文研究了在不同的制动速度下C / C-SiC复合材料的显微组织，力学性能，摩擦磨损性能，以及磨损机理。
结果表明，由58wt％的C，37wt％的SiC，和5wt％的Si组成的复合材料的密度和开孔隙率分别是是2.0g·cm3-和10％。
C / C-SiC 制动复合材料具有良好的机械性能。
其抗弯强度可达到160兆帕，冲击强度可以达到2.5 kJ·M-2。
C / C-SiC的制动复合材料表现出优异的耐磨损能力。
在8到24 m·s-1的制动速度之间的摩擦系数是0.57和0.67。
这种制动是稳定的且磨损率小于2.02×10-6cm3·J-1。
这些结果表明，对于先进的制动离合器系统C / C-SiC 的制动复合材料是极具潜力的。
关键词：C / C-碳化硅；陶瓷基复合材料；摩擦磨损性能；显微结构1、引言目前，粉末冶金（PM）和碳/碳（C / C + +）的摩擦垫或衬板是两种被用在先进的制动系统里的材料。
PM制动器的优点是成熟的开发材料，低的成本，而其主要缺点是密度高（7.8为2g·cm-3），在高温下性能较差[1-2]。
与PM刹车相比，C / C刹车克服了PM刹车的缺点。
C/C刹车具有明显的优势，例如优良的机械性能和较低的重量。
然而，C / C刹车也承受由湿度引起的摩擦系数稳定性不足的缺点。
此外，在高于400℃的温度下C / C 复合材料容易氧化和高的成本，这阻止了制动复合材料在客运汽车和火车或紧急制动的电梯和起重机中的广泛使用[3-5]。
C / C-SiC复合材料是随着PM材料和C/C复合材料的开发而研制的一种新型的高性能制动材料。
在组合中密度较低（约2.0g·cm-3的），高抗热震性，使用寿命更长，特别是降低对周围环境和温度的敏感性，碳化硅份额至少占20wt％，未来，在先进的摩擦材料中，C / C-SiC复合材料是极具潜力的[2，6-7]。
几个机构和行业一直在研究C / C-SiC的复合材料作为摩擦材料在制动垫和磁盘中的应用[8-10]。
例如，斯图加特大学的研究人员，德国航空航天中心已经将C / C-SiC 复合材料应用在摩擦领域，自从20世纪90年代中期，C / C-SiC刹车衬片被开发应用在新款911 Turbo保时捷与奥迪A8汽车。
目前，主要制备C / C-SiC复合材料的方法如下：（1）气体相途径，也称为作为化学气相渗透（CVI）；（2）液体相途径，包括聚合物的浸渍/高温分解（PIP）和液体渗硅（LSI），这也被称为（无功）熔渗（RMI或MI）进程；（3）陶瓷途径，即在高温度和高压力，通过技术结合用浆料浸渍加固步骤和烧结步骤，也简称为高压烧结过程（HP-烧结）。
前面的每一个途径都同时显示了优点和不足之处。
CVI 和PIP的长期准备过程主要是为航天制造热结构的C / C-SiC复合材料[11〜13]RMI易成型和制造周期短，但原始素坯成本很高[14-15]。
HP-烧结不损害纤维，并进一步影响复合材料的性能。
当前工作的目的是建立一个改良的技术以减少处理，并使C / C-SiC的制动复合材料实际应用在更多的工业中。
温压 - 原位反应法适合用于制作复合材料。
对其显微组织，力学性能，和C / C-SiC制动复合材料摩擦磨损特性进行了研究。
2、实验过程2.1、复合材料的制造采用日本东丽短切碳纤阶级维（PAN，T700）为增强相，长度为3和10毫米。
在C / C-SiC复合材料的碳基体来源于酚醛树脂和石墨粉末。
硅粉末的纯度和粒度分别为99.0%和30-50微米，根据提供的信息，从中国北京的制造商大泽林硅有限公司获得材料。
温压 - 原位反应法的处理包括三个主要步骤，如图1所示。
图1、温压-原位反应示意图首先，涉及在温和温度和压力下的混合C / C-Si原始素坯，随后的固化是在160和200℃温度下进行。
常压下进行固化，产品固化促进挥发物的逸出反应，从而产生一个密集的矩阵与一个最小的封闭的孔隙。
固化后的C / C-Si原始素坯测得其封闭孔隙度的平均比重约为体积的5％。
第二步骤中C / C-Si原始素坯高温分解转换成酚醛树脂，作为碳矩阵组成部分中的树脂碳的温度范围为200-650°C。
因此，该树脂是从200℃加热到650℃的热解过程中，通过矩阵的挥发性慢慢地扩散分解的产物，而不破坏复合材料的完整性。
最后是C / C-Si原始素坯件在1500-1750°C之间高温处理的原位反应过程（HTT）。
由此，硅与碳矩阵形成SiC矩阵。
其所得的C / C-SiC复合材料的密度约为2.0g·cm-3，其开孔隙率约为10％。
结论是较之传统的路线温压—原位反应具有许多优点，如简单的技术，大范围内的原料的选择和低的制造成本。
2.2、测试方法样品的密度和开口孔隙率分别通过阿基米德法测定。
测定抗弯强度和弯曲弹性模量使用三点弯曲加工方法，用4毫米×10毫米×55毫米的样品，以及0.5mm·min-1的加载速率。
测定抗压强度和抗压弹性模量的样品为10mm×10mm×10mm，并且加载速率为0.5 mm·min-1。
所有的测试在室温下由CSS-44100移动设备进行。
在QDM150摩擦试验机上进行测试C / C-SiC制动材料的摩擦磨损性能，同时将C /C-SiC复合材料的静态板和相应的30CrMoSiVA（HRC 50）板作为移动的钢盘。
试样和相应的钢盘尺寸分别为25mm×25mm×10mm和φ300mm。
在所需的摩擦测试干燥条件下，制动压力为1.0 MPa时，制动器2000圆（即，1884米）恒定的制动速度分别是8，12，16，20，和24m·s-1。