石墨含量对碳化硅复合材料机械性能及摩擦性能的影响

韩永军，燕青芝，刘维良，李县辉

（1.北京科技大学核能与新能源系统材料研究所， 北京 100083；2.景德镇陶瓷学院，江西 景德镇 333403）

石墨含量对碳化硅复合材料机械性能及摩擦性能的影响

韩永军1，燕青芝1，刘维良2，李县辉1

（1.北京科技大学核能与新能源系统材料研究所， 北京 100083；2.景德镇陶瓷学院，江西 景德镇 333403）

以碳化硅为主要原料，氧化铝和氧化钇为液相烧结助剂，天然鳞片石墨为添加剂，采用粉末冶金工艺，在1900 ℃热压烧结制备不同石墨含量的碳化硅基复合材料，研究了不同石墨含量对复合材料性能的影响，分别采用X射线衍射仪和精细陶瓷试验机测试其物相组成和力学性能，采用摩擦磨损试验机进行摩擦实验，结果表明，随着石墨含量的增加，复合材料的孔隙度增加，密度及弯曲强度降低，材料的摩擦性能得到了提高。

SiC；石墨；机械性能；摩擦性能

DOI：10.13957/j.cnki.tcxb.2015.02.005

0　引 言

作为功能陶瓷，碳化硅具有硬度高、耐磨损、耐化学腐蚀、优良的高温性能和抗热震性能，是理想的高温材料，可以在特殊环境下作为滑动和转动接触等机械密封材料［1-4］。但是，碳化硅和其他陶瓷材料一样摩擦性能很差，在没有润滑剂的情况下摩擦系数很高。研究表明，材料的摩擦磨损特性不仅和材料本身有关，与工作状况也具有密切的相关性。液体润滑剂能够有效降低碳化硅材料的摩擦系数，但是在高温和真空环境下使用受到限制［5-11］。在碳化硅基体中引入石墨作为固体润滑剂可以有效降低材料的摩擦系数，能适应于高温环境。Sakaguchi等研究了在碳化硅基体中添加石墨的摩擦磨损行为，由于石墨的层状结构易产生相对滑移降低了复合材料的摩擦系数，但是由于硬度的降低增加了复合材料的磨耗［12］。周采用碳化硼和碳化铝作为烧结助剂制备石墨增强碳化硅复合材料，认为不同工艺制备的碳化硅制品具有不同的物理、机械性能，同时也影响到复合材料的摩擦性能［13］。

本文以商用碳化硅粉末为主要原料，氧化铝和氧化钇为烧结助剂，天然鳞片石墨为添加剂，采用粉末冶金工艺制备石墨/碳化硅复合材料，考察了不同石墨含量对于复合材料的机械性能和摩擦性能的影响。

1　实 验

1.1实验原料实验采用纯度大于98.7%的商品α-碳化硅做为原料，碳化硅颗粒为等轴状，平均粒径为0.5 μm左右，氧化铝（α-Al2O3， d50=2.02 μm）和氧化钇（d50=5 μm）作为液相烧结助剂，纯度大于99.9%的天然鳞片石墨作为增强组分，鳞片大小为10 μm，厚度约0.5 μm。

1.2试样制备

将含有0.6wt.%氧化铝及0.3wt.%氧化钇的碳化硅料粉末和石墨粉末按比例混合，以无水乙醇为混合介质，用二氧化锆球在行星球磨机中球磨5 h。石墨在复合材料的比例分别为0vol.%，10vol.%，30vol.% 到50vol.%（分别以G0、G10、G30、G50表示各个样品）。混合浆料在烘箱以120 ℃烘干，过100目筛子后装入石墨模具，置入真空热压烧结炉中（ZT-60-23Y3，上海晨华电炉厂）进行真空热压烧结，升温速度15 ℃/min，1900 ℃保温1 h，在保温阶段施加40 MP压力进行单向压缩，然后随炉温冷却至室温。

1.3性能测试

采用阿基米德法以去离子水为介质在室温下测试样品体积密度和开孔率。用TTRⅢ X射线衍射仪（XRD）进行相分析。采用三点弯曲法（CDW-5微机控制精细陶瓷试验机）测试样品的弯曲强度，样品尺寸为3 mm×4 mm×36 mm。样品抛光后用LEO-1450扫描电子显微镜观察表面微观形貌，采用ZEISS ULTRA 55热场发射扫描电镜观察样品断口形貌。通过Plint TE-92多功能摩擦磨损试验机进行盘盘摩擦测试，摩擦副采用304L不锈钢材质，外径为33 mm、内径为25 mm，硬度为40 HRc ，粗糙度为Ra0.2，摩擦样品的直径为40 mm、厚度为5 mm，施加100N（0.28 MPa）载荷，转动速度为655 rpm（线速度为1 m/s），滑动距离为600 m。

图1　复合材料抛光面微观结构 （a）G0；（b）G10；（c）G30；（d）G50Fig.1 Microstructure of the polished composite surface： （a） G0； （b） G10； （c） G30； （d） G50

2　结果与讨论

2.1微观结构及相分析

图1为不同石墨含量复合材料垂直于热压方向抛光平面的SEM微观形貌图片，可以看到石墨粉末均匀分布碳化硅基体之中，保持了原有的鳞片结构。样品G0到G50随着石墨含量的增大，气孔增多，同时相应的碳化硅颗粒周围空间缩小，限制了颗粒长大，造成颗粒细化，样品G30（图1c）中石墨形成了网络结构，会影响材料的弯曲强度和摩擦性能。

图2显示了各样品抛光面的X射线衍射图样，G0样品中α-相碳化硅是唯一的晶相，其余样品除了α-相碳化硅衍射峰，可以看到石墨相的002晶面和004晶面衍射峰的存在，没有其他峰存在，说明烧结过程中没有新相生成，碳化硅在烧结过程中没有发生相转变，样品G0到G50石墨峰相对强度逐渐增加，说明石墨含量提高，这和复合材料的平面SEM照片分析相一致。

2.2石墨含量对复合材料致密度及弯曲强度的影响

从图3可以清楚的看到看到复合材料的相对密度随石墨含量的增加而降低的变化趋势，这是由于石墨的密度（2.26 g/cm3）小于碳化硅（3.21g/cm3）的密度。石墨是难烧结物质，难以致密化，碳化硅烧结致密化相对容易，因此随着石墨含量从0vol.%，10vol.%， 30vol.%增加到50vol.%，样品的相对密度从98.5%， 97.5%， 96.6%下降到了95.4%，与前述的微观组织分析中气孔含量增加相一致，烧结过程中在热压的作用下材料中的大气孔逐渐变小，致密度逐步增加，由于碳化硅和石墨塑性流动能力很低，造成部分气孔不能完全消失，样品中石墨含量越大，残留的气孔就越多，因此致密度会随着石墨含量增加而下降。孔隙的存在会减少材料承载面积造成材料的表观强度下降，同时会产生应力集中现象，对材料的强度具有更大的影响［14， 15］。图3可以看到样品G10的弯曲强度从纯碳化硅样品的557 MPa下降到461 MPa，降幅为13%，而样品G30弯曲强度从G10的461 MPa下降到290 MPa，降幅达到了37%，弯曲强度只有纯碳化硅样品的54.5%，从图1中样品的微观形貌可以看到当样品中石墨含量达到30vol.%时，形成了石墨网络结构，明显的降低了材料的弯曲强度。

图4显示了纯碳化硅材料G0和复合材料G10，G30，G50的断口微观结构。G10、G30和G50样品石墨鳞片在碳化硅基体中分布非常均匀，随着石墨含量的增加，G0，G10，G30，G50样品中的碳化硅颗粒平均尺寸依次减小，这是由于在烧结过程中碳化硅晶粒的生长受石墨包含物的制约效应。纯碳化硅样品G0和石墨含量较低的样品G10颗粒结合力很强，有部分穿晶断裂现象出现（图4a和b），而G30 和G50由于石墨含量较高，石墨已经形成了连续结构，界面结合力大大下降，断裂均为沿晶断裂，和材料的弯曲强度测试相一致。同时在热压过程中由于施加的压力为单向分布，颗粒择优取向显现层状结构，层面和压力方向相垂直（图4d），碳化硅晶粒生长的真实形状是层状的。石墨颗粒也保持了片状结构，和初始情况相似。片状石墨结构容易剪切有助于滑动中的润滑效果。当样品中石墨含量达到了50vol.%，基体由碳化硅占主导向石墨占主导转换，影响材料的摩擦磨损性能。

图2　复合材料材料XRD图谱Fig.2 The XRD patterns of the composites

图3　石墨含量对复合材料的密度和弯曲强度的影响Fig.3 Bending strength and density of the composites with different graphite content

2.3样品摩擦性能测试

图5显示了各样品在水润滑状态下对不锈钢摩擦的摩擦曲线。在摩擦试验中，滑动距离为600 m，滑动速度为1 m/s，施加载荷为100 N，样品G0摩擦系数从起始的0.45滑动50 m迅速下降到0.3，后逐步降低并稳定到0.31。复合材料样品G10，G30和G50具有相似的变化趋势，摩擦系数最后分别稳定在0.28，0.26和0.23，这些现象是由于滑动过程中磨合造成的。在滑动摩擦过程中，表面粗糙度发生了改变，同时在摩擦接触面产生了磨屑并重新分布。可以看出随着石墨含量的增加，样品的摩擦系数逐步降低。样品G30摩擦系数波动较大，是由于复合材料中颗粒结合力较弱，部分碳化硅颗粒和石墨颗粒在摩擦过程中从基体脱落，形成磨粒磨损，摩擦面为残膜磨损。样品G50由于石墨在基体中含量已经达到了50vol.%，基体已经由碳化硅占主导转换为石墨占主导，脱落的石墨很容易形成转移膜，因此摩擦系数最低，而且波动较小。

3　结 论

图4　样品断口微观结构（a）G0；（b）G10；（c）G30；（d）G50Fig.4 Microstructure of the composite fracture surface： （a） G0； （b） G10； （c） G30； （d） G50

图5　石墨含量对复合材料摩擦系数的影响Fig.5 Friction traces of the disk specimens sliding against steel disk

以碳化硅为原料，天然鳞片石墨为添加剂，采用固相热压烧结方法制备碳化硅/石墨复合材料；石墨均匀分散在碳化硅基体中，在烧结助剂的作用下得到致密的复合材料；石墨的引入降低了复合材料的弯曲强度，显著改善了复合材料的摩擦性能，石墨含量为30vol.%时形成了石墨网络结构，材料平均摩擦系数为0.26，但是波动较大，石墨含量达到50vol.%，由于复合材料基体由碳化硅主导转变为石墨主导，摩擦系数降低到0.23，而且较为稳定。

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Effects of Graphite Addition on the Mechanical Property and Tribological Property of SiC Composites

HAN Yongjun1， YAN Qingzhi1， LIU Weiliang2， LI Xianhui1
（1. University of Science and Technology Beijing， Beijing 100083， China； 2. Jingdezhen Ceramic Institute，Jingdezhen 333403， Jiangxi， China）

Graphite reinforced SiC composites were prepared via introducing natural graphite fakes into SiC matrix by liquid phase sintering. Their mechanical and tribological properties， including density， fexural strength and densifcation behavior were investigated. The fexural strength and relative density of the composites decreased with the increase of graphite， and the excellent tribological performance of the graphite improved the tribological properties of SiC composites.

SiC； graphite； mechanical property； tribological property

date: 2014-10-28. Revised date: 2014-10-03.

TQ174.75

A

1000-2278（2015）02-0138-05

2014-10-28。

2014-12-03。

国家自然科学基金（编号：U1134102）。

通信联系人：燕青芝（1966-），女，博士，教授。

Correspondent author:YAN Qingzhi（1966-）， female， Doc.， Professor.

E-mail:qzyan@ustb.edu.cn