CC BY
29
ПРОБЛЕМАТИКА ТРАНСПОРТНЫХ СИСТЕМ
УДК 666.762.81:621.83.059.1
Эксплуатационные свойства фрикционных керамических композитов с SiC-матрицей для систем торможения высоконагруженных транспортных средств
А. А. Воробьев1, В. И. Кулик2, А. С. Нилов2, А. Н. Шадрин3
1 Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, Российская Федерация, 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., 9
2 Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова, Российская Федерация, 198005, Санкт-Петербург, ул. 1-я Красноармейская, 1
3 Санкт-Петербургский горный университет, Российская Федерация, 199106, Санкт-Петербург, 21-я линия В.О., 2
Для цитирования: Воробьев А. А., Кулик В. И., Нилов А. С., Шадрин А. Н. Эксплуатационные свойства фрикционных керамических композитов с SiC-матрицей для систем торможения высоконагруженных транспортных средств // Бюллетень результатов научных исследований. -2021. - Вып. 1. - С. 5-21. DOI: 10.20295/2223-9987-2021-1-5-21
Аннотация
Цель: Оценка современного уровня и путей повышения эксплуатационных характеристик ке-рамоматричных композитов (КМК) с SiC-матрицей, перспективных для производства тормозных дисков высоконагруженных систем торможения железнодорожного транспорта. Методы: Проведен анализ физико-механических, теплофизических и триботехнических свойств фрикционных КМК, а также структурно-технологических факторов, определяющих эксплуатационные характеристики КМК с SiC-матрицей. Результаты: Выявлено, что эксплуатационные характеристики КМК зависят от большого числа разнообразных факторов, таких как состав и соотношение компонентов композита, вид и тип армирующего материала, схема армирования, технологический процесс получения КМК и его режимы, функциональные добавки, эксплуатационные характеристики триботехнического узла (тип контртела, наличие смазки, скорость скольжения, контактное давление, температура в зоне трибоконтакта) и др. Установлено, что решение проблемы совершенствования фрикционных КМК должно основываться на оптимизации всего комплекса структурно-технологических факторов с учетом, как правило, их противоречивого влияния на свойства композита. Практическая значимость: Показано, что наиболее перспективные пути повышения эксплуатационных свойств КМК основываются на применении хаотично армированных структур, создании слоистых и градиентных материалов и подбора оптимальных типов контртел.
Ключевые слова: Фрикционный материал, керамоматричный композит, структурно-технологические параметры, эксплуатационные свойства, системы торможения.
Введение
Волокнисто-армированные керамоматричные композиты (КМК) в последние годы находят все более широкое применение для изделий трибо-технического назначения, способных эффективно работать в условиях как сухого, так и мокрого трения при экстремально высоких температурах, в химически активной и абразивной средах, при высоких механических нагрузках. К потенциально эффективным направлениям применения КМК относится использование их в элементах высоконагруженных тормозных систем железнодорожного транспорта. Общей тенденцией развития и совершенствования современного транспорта, в том числе и железнодорожного, является повышение мощности и увеличение скорости движения. Это приводит к тому, что температура в зоне трения фрикционной пары в условиях экстренного торможения может превышать 1000-1200 °С. Среди фрикционных материалов последнего поколения, которые могут быть использованы в высоконагруженных системах торможения, особое место занимают КМК с БЮ-матрицей, армированной углеродными волокнами [1].
В общем случае изделия из КМК фрикционного назначения должны иметь максимально высокий комплекс триботехнических, теплофизиче-ских и физико-механических характеристик, а именно:
• максимально высокий и стабильный коэффициент трения при сухом (мокром) фрикционном контакте в широком диапазоне скоростей, контактных давлений и условий эксплуатации;
• минимальную интенсивность изнашивания как самого КМК, так и контртела;
• способность работать при экстремально высоких температурах;
• значительную стойкость к тепловым и механическим ударам;
• высокие химическую и коррозионную стойкости;
• значительные показатели прочностных и жесткостных характеристик;
• максимальный эксплуатационный ресурс и др.
Свойствами КМК, как и любого композита, можно управлять за счет изменения структурно-фазового состава, вида и типа армирующего материала и его расположения, выбора технологического процесса получения КМК и его режимов, модификации макро-, микро- и наноструктурными добавками, создания слоистых и/или градиентных структур и т. д.
В данной работе проведен анализ комплекса эксплуатационных характеристик современных фрикционных карбидокремниевых КМК, кото-
рые могут быть использованы для производства тормозных дисков высокоскоростного железнодорожного транспорта.
Выбор структурно-технологических факторов, определяющих эксплуатационные характеристики КМК с 5^-матрицей
Комплекс эксплуатационных свойств КМК определяется прежде всего фазовым составом и особенностями микроструктуры, которые, в свою очередь, зависят от достаточно большого числа разнообразных факторов. Анализ показал, что все эксплуатационные характеристики КМК могут быть разбиты на следующие группы: 1) общетехнические характеристики - механические свойства при статических и динамических нагрузках, трещиностойкость, стойкость к вибрации и термоударам и др.; 2) функциональные характеристики, перечень которых обусловливается предназначением материала и условиями эксплуатации, например для фрикционных КМК это триботехнические характеристики, термо-, коррозионно- и износостойкость. Если характеристики первой группы в основном обеспечиваются всем объемом КМК, то характеристики второй, как правило, определяются особенностями структуры и состава рабочего поверхностного слоя материала. Таким образом, эффективные фрикционные изделия из КМК в принципе могут быть неоднородными по объему - состав и структура внутреннего объема КМК должны обеспечивать максимальный уровень характеристик первой группы, а поверхностный слой должен быть оптимальным по отношению к уровню характеристик второй группы. Такая неоднородность материала может быть обеспечена либо в рамках технологических процессов за счет изменения по толщине состава и структуры армирования (градиентный КМК), либо путем нанесения дополнительного поверхностного слоя в результате проведения дополнительной технологической операции, в частности напыления (осаждения) покрытия, т. е. создания слоистого материала.
Задача обеспечения необходимого уровня эксплуатационных характеристик КМК должна решаться с учетом структурно-технологических факторов, которые рассматриваются как «управляющие воздействия», определяющие состав и структуру КМК с SiC-матрицей, получаемых с помощью различных технологических методов [2].
1. Химический состав исходных компонентов и промежуточных материалов - тип волокнистого наполнителя (например, различные поколения БЮ-волокон, карбонизованные или графитизированные углеродные волокна (УВ)); тип полимерного связующего; продукты пиролиза полимерного связующего; типы модифицирующих микро- и нанокомпонентов.
2. Структурные параметры исходных и промежуточных материалов - вид волокнистого армирующего материала (непрерывное или рубленое волокно, однонаправленные ленты, ткани различных структур, нетканые рулонные материалы); структура армирования (хаотичная, однонаправленная, двумерно-армированная, трехмерно-армированная); параметры пористости (размеры пор, открытые, закрытые) на различных технологических стадиях; объемное содержание армирующего материала, матрицы, модификаторов и пор; распределение компонентов в объеме материала.
3. Технологические параметры на различных стадиях процесса получения КМК - процессы формования композитных полимерных заготовок (силовые и температурно-временные параметры процесса); процесс пиролиза армированных пластиков (температурно-временная циклограмма); процессы газофазного осаждения (CVI-процессы) и процессы паро-, жидкофазного силицирования (температурно-временная циклограмма).
В результате воздействия рассмотренных структурно-технологических факторов создается КМК с конкретным фазовым составом и структурой, которые и определяют уровень его эксплуатационных характеристик. В свою очередь, оценка влияния состава и структуры КМК на его свойства обеспечит возможность получения композита с требуемыми эксплуатационными характеристиками.
Анализ физико-механических характеристик КМК
Повышение прочностных (при изгибе, растяжении, сжатии) характеристик КМК возможно за счет использования в нем высокопрочных УВ, повышения их объемной доли, создания оптимальной структуры армирования для конкретных условий применения, снижения пористости конечного материала, выбора оптимальных методов и параметров формования как полуфабрикатов, так и конечного КМК.
Выбор вида армирующих волокон во многом определяет комплекс физико-механических характеристик. При этом необходимо иметь в виду, что, хотя использование рубленых УВ дает возможность получения изделий сложных геометрических форм, КМК на их основе имеют значительно более низкие физико-механические характеристики по сравнению с композитами, армированными непрерывными волокнами.
Увеличение объемного содержания армирующего материала в КМК, как правило, приводит к повышению его прочностных характеристик. Так, в работе [3] показано, что с ростом содержания УВ в КМК, полученных методом PIP (процессы, основанные на высокотемпературном пиролизе
кремнийорганических связующих), с 28 до 55% прочность при изгибе увеличивается почти в 2 раза - с 250 до 480 МПа.
На физико-механические свойства КМК на основе рубленых УВ, помимо типа армирующих волокон и их объемной доли, влияет длина этих волокон. В работе [4] показано, что изгибная прочность КМК, изготовленного по технологии LSI (процессы жидкофазного силицирования, основанные на инфильтрации углеродсодержащей заготовки расплавом кремния), повышается от 90 до 130 МПа при увеличении длины единичных пучков УВ от 40 до 130-200 мм.
Жесткость КМК, в отличие от прочности, не так явно связана с жесткостью УВ. Модуль упругости монолитной SiC-керамики составляет 400430 ГПа, а модуль упругости УВ лежит в диапазоне 200-800 ГПа. Поэтому в зависимости от типа УВ (карбонизованные или графитизированные) их объемное содержание в различной степени будет влиять на конечные жесткостные характеристики КМК. Например, в [5] было показано, что для фрикционных КМК марки SGL SIGRASIC (Германия) на основе рубленых УВ максимальный модуль упругости будет у материала с наибольшим содержанием матричного SiC.
В табл. 1 приведены некоторые физико-механические характеристики КМК с SiC-матрицей, полученных по технологии LSI, в зависимости от структуры КМК, типа и вида УВ [6]. Видно, что КМК на основе высокопрочных УВ имеют большие прочности при изгибе и растяжении, а более высокий модуль упругости у композитов с большим содержанием карбида кремния.
ТАБЛИЦА 1. Физико-механические свойства КМК с карбидокремниевой матрицей [6]
Свойства XB XT XD XG SF
Плотность, 103 кг/м3 1,9 1,9 2,3 2,2 2,0-2,1
Открытая пористость, % 3,5 3,5 1,0 < 5 < 3
Прочность при изгибе, МПа 160 300 80 65-80 90-140
Прочность при растяжении, МПа 80 190 30 - -
Модуль Юнга, ГПа 60 60 100 - 50-70
Примечание: XB - КМК на основе УВ со средними физико-механическими характеристиками; XT - КМК на основе высокопрочных УВ; XD - КМК на основе УВ со средними физико-механическими характеристиками и с повышенным содержанием SiC-матрицы; XG - КМК с градиентной структурой армирования (повышенное содержание УВ внутри изделия и повышенное содержание SiC на рабочих поверхностях); SF - КМК на основе рубленых УВ.
На выходные физико-механические характеристики КМК существенно влияют технологические методы их изготовления. Так, при получении КМК методом LSI, в отличие от методов CVI или PIP, как правило, проис-
ходит повреждение УВ расплавом кремния, что вызывает снижение механических свойств КМК. Кроме того, разность коэффициентов термического расширения УВ и углеродной матрицы (на стадиях пиролиза и сили-цирования в рамках технологии LSI) вызывает образование межслоевых и межволоконных трещин, что также приводит к понижению выходных механических характеристик КМК. Например, в работе [7] показано, что наибольшие показатели по трещиностойкости имеют образцы из КМК, полученные методом CVI, далее PIP и затем LSI.
Аналогичные выводы можно сделать из табл. 2, где приведены некоторые механические и теплофизические характеристики монолитной кар-бидокремниевой керамики (RB SiC) и различных КМК, изготовленных по технологиям CVI, PIP и LSI [2, 8]. Из таблицы видно, что структурно-технологические факторы существенно влияют на эксплуатационные характеристики КМК - самые высокие физико-механические характеристики у КМК, получаемых методами CVI и PIP.
ТАБЛИЦА 2. Некоторые типичные свойства монолитной Б1С-керамики и КМК с Б1С-матрицей, полученные различными технологическими методами [2, 8]
Свойства RB SiC CVI PIP LSI
Производитель
Ceram Tec SNECMA MT Aerospace EADS DLR SKT SGL9
Плотность, г/см3 3,15 2,1 2,1-2,2 1,8 1,9-2,0 >1,8 2/2,4
Пористость, % 0 10 10-15 10 2-5 - 2/<1
Прочность при растяжении, МПа 410 350 300-320 250 80-190 - 110/20-30
Деформация, % - 0,9 0,6-0,9 0,5 0,15-0,35 0,23-0,3 0,3
Модуль Юнга, ГПа - 90-100 90-100 65 50-70 - 65/20-30
Прочность при сжатии, МПа 3500 580-700 450-550 590 210-320 - 470/250
Изгибная прочность, МПа - 500-700 450-500 500 160-300 130-240 190/50
Содержание волокна, об.% 0 45 42-47 46 55-65 - -
Коэффициент линейного термического расширения, 10-6, К"1« ■ - 31 51 3 5 1,164 4,064 -1-2,52 2,5-72 0,8-1,54 5,5-6,64 -0,3/1,855 -0,03-1,366/37
Теплопроводность, Вт/м • К || ■ 115 14,3-20,61 6,5-5,91 14 7 11,3-12,62 5,3-5,52 17,0-22,63 7,5-10,33 12-22 28-35 23-128/ 40-208
Удельная теплоемкость, Дж/кг • К 600 620-1400 - 900-16002 690-1550 - -
Примечание: ||, ■ - направление волокон; 1 - 1000 °С; 2 - 1500 °С; 3 - 200-1650 °С; 4 - 700 °С; 5 - 1200 °С; 6 - 200-1200 °С; 7 - 300-1200 °С; 8 - 20-1200 °С; 9 - значения для различных типов армирования: ткань/короткие волокна.
Влияние пористости на выходные физико-механические характеристики КМК имеет такой же характер, как и для других типов композиционных материалов, т. е. повышение пористости приводит к их снижению, причем достаточно существенному. Однако, как видно из табл. 2, эта закономерность распространяется только для однотипных, полученных по единой технологии, КМК. Так, у КМК, изготовленных по технологиям CVI и PIP, обладающих существенно более высокой пористостью, тем не менее более высокие прочностные и жесткостные характеристики, чем у КМК, имеющих минимальную пористость, но полученных по технологии LSI.
Анализ теплофизических характеристик КМК
Для успешной работы в условиях фрикционного контакта изделия из КМК должны обладать высокой теплопроводностью, низким коэффициентом линейного термического расширения, высокой теплостойкостью.
Для КМК на основе УВ, уложенных параллельно плоскости трения, характерно наличие достаточно низкой трансверсальной теплопроводности. Как показано на рис. 1, наибольшую теплопроводность имеют КМК с хаотичным и перпендикулярным к плоскости трения расположением УВ [4]. При этом для всех типов КМК свойственно снижение теплопроводности с повышением температуры.
С увеличением плотности КМК, т. е. с ростом содержания в нем SiC и понижения пористости трансверсальная теплопроводность увеличивается. На рис. 2 приведена зависимость трансверсальной теплопроводности образца из КМК с хаотичным расположением УВ от его плотности [9].
В работе [4] было показано, что одной из проблем при использовании фрикционных КМК с высоким коэффициентом трения является снижение коэффициента трения при достижении определенной температуры на поверхности трибоконтакта. Причем на фоне уменьшения коэффициента трения температура на трибоповерхности КМК продолжает расти. Эта проблема возникает, как правило, вследствие недостаточно высоких характеристик теплопроводности КМК в направлении, перпендикулярном плоскости трения, что ограничивает отвод тепла с поверхности трибоконтакта. Возможными вариантами решения такой проблемы предложены следующие пути [4]:
• использование УВ с высокой теплопроводностью (высокомодульных);
• увеличение углов укладки УВ к поверхности трения;
• рост содержания SiC в КМК.
л
г
и о Е ч о а о ь с
0
1
40
35
30
В V ^ к 3 Н в я 25
л
=
я и
ь
а
и X
Я
о.
Н
20
15
ж »
■
♦ V- --
^ * »л
—
100 250 400 550 700 Температура, "С
850 1000
Рис. 1. Зависимости трансверсальной теплопроводности образцов из КМК от температуры: ♦ - образец из типового КМК (БПса ХВ) на основе углеродной ткани среднего качества; ▲ - образец из КМК на основе высокомодульной углеродной ткани с повышенной теплопроводностью; ■ - образец из КМК с перпендикулярным расположением УВ в зоне трибоконтакта; • - образец из КМК с повышенным содержанием БЮ-матрицы; х - образец из КМК с хаотичным расположением коротких УВ
Рис. 2. Зависимость трансверсальной теплопроводности образца из КМК с хаотичным расположением УВ от его плотности
Коэффициент линейного термического расширения (КЛТР) КМК по различным направлениям зависит от типа армирующего материала, направления укладки армирующего материала, соотношения слоев с разными углами армирования, объемной доли армирующего материала, температуры изделия. На рис. 3 приведены зависимости КЛТР КМК на основе углеродной ткани от весовой доли БЮ при различных температурах [6]. На рисунке видно, что с повышением массовой доли БЮ и температуры КЛТР существенно возрастает.
Разрушение изделия из КМК под влиянием температурных градиентов происходит в результате напряжений, возникающих в материале самого изделия. Такие напряжения могут вызываться многими причинами и иметь неодинаковый характер. Главные из этих причин: различие температуры в разных частях нагреваемого или охлаждаемого изделия, т. е. наличие температурного градиента; различия значений КЛТР компонентов в многофазном КМК; ограничение возможности расширения. Изделия разрушаются в том случае, если возникающие при термоупругом деформировании напряжения растяжения, сжатия или сдвига превосходят пределы допустимой прочности материала самого изделия. При этом термическая стойкость КМК возрастает с увеличением его теплопроводности и механической прочности и уменьшается с ростом КЛТР и модуля упругости.
В табл. 2 приведены основные теплофизические свойства КМК, полученных с помощью различных методов - CVI, PIP, LSI.
Анализ триботехнических характеристик КМК
На триботехнические характеристики КМК (коэффициент трения, его стабильность, величину износа) влияют как структурно-фазовый состав
0,0*
0 20 40 60 80 100 Весовая доля SiC, %
Рис. 3. Зависимости КЛТР КМК на основе углеродной ткани от весовой доли Б1С при различных температурах
поверхностей трения, ориентация армирующих волокон относительно поверхности трения, вид смазки (при мокром трении), так и эксплуатационные характеристики триботехнического узла (скорость скольжения, контактное давление, температура в зоне трибоконтакта). В общем случае все типичные фазовые компоненты КМК - УВ, матричный SiC и остаточный кремний (для технологии LSI) в той или иной степени оказывают свое фрикционное воздействие. В большей степени на повышение коэффициента трения и снижение износа КМК влияет твердый SiC и в меньшей степени - УВ и металлический кремний.
В работе [10] были определены триботехнические характеристики при сухом трении для различных типов КМК, армированных углеродными тканями и рублеными волокнами. Проведенные исследования показали, что наибольший коэффициент трения имели образцы на основе рубленых волокон с хаотичным армированием, затем образцы с повышенным содержанием SiC в зоне трибоконтакта и далее остальные. Было установлено, что наименьшим износом обладают образцы с повышенным содержанием на поверхности SiC. В результате было показано, что наилучшие трибо-технические свойства у образцов из КМК с повышенным содержанием SiC на поверхности трибоконтакта. Такие образцы могут быть получены как созданием градиентных по структуре КМК (с повышенным содержанием УВ внутри изделия и SiC на рабочих поверхностях), так и за счет наносимых на рабочую поверхность образца специальных функциональных покрытий.
Для повышения твердости и износостойкости КМК в него могут добавляться разнообразные твердые микро- и нанопорошки. В работе [11] в состав полимерного связующего, которым пропитывается волокнистый материал для получения углепластиковой заготовки в технологии PIP и LSI, вводились разные порошкообразные добавки, такие как карбид кремния, нитрид бора, графит, сульфид марганца и другие вещества. Однако надо иметь в виду, что метод LSI, в отличие от других методов получения КМК, не позволяет использовать в качестве добавок многие виды металлических и кислородсодержащих порошков. Технология PIP менее критична к введению в полимерную матрицу различного рода фрикционных добавок. Так, в [12, 13] для улучшения триботехнических характеристик КМК в кремнийорганическое связующее добавлялись абразивные или стабилизирующие процесс трения порошковые добавки, такие как SiO2, AI2O3, SiC, B4C, TiC, WC, MgO, ZrSiO4, МoS2, SbSs, CaF2 и др.
При оценке эффективности применения фрикционных КМК необходимо учитывать, что достигаемые триботехнические характеристики во многом являются результатом трибоконтакта пары трения во фрикционных узлах, например «тормозной диск-тормозная колодка (контртело)».
На практике для изготовления колодок в системах торможения используются разные фрикционные материалы, способные работать в различных условиях эксплуатации. В работах [14, 15] было показано, что в паре с дисками из КМК в высоконагруженных системах торможения наиболее перспективными являются колодки из металлокерамики и КМК.
В [16] приведены результаты исследования триботехнических характеристик фрикционной пары на основе тормозного диска из КМК и тормозной колодки из металлокерамики, на рис. 4 - зависимости коэффициента трения от давления и относительной скорости. Полученные результаты сравнивались с фрикционной парой «серый чугун-металлокерамика». Было показано, что пара «КМК-металлокерамика» обеспечивает значительно более стабильный коэффициент трения в исследованном диапазоне давлений и скоростей.
Рис. 4. Изменение среднего коэффициента трения в зависимости от давления р и относительной скорости для фрикционной пары «КМК-металлокерамика»
В работе [17] для пары трения из КМК и металлокерамики на основе железа также были получены высокие показатели коэффициента трения и низкие значения износа тормозного диска в широком диапазоне эксплуатационных температур (рис. 5).
Результаты испытаний дисков из КМК с контртелом из спеченной металлокерамики на основе порошков железа и керамической добавки нитрида алюминия приведены в [18]. Исследования показали, что коэффициент трения для дисков из КМК был стабильным в широком интервале скоростей скольжения и примерно в 2 раза выше, чем для диска из серого чугуна (0,71 и 0,39 соответственно), а износ контртела оставался практически одинаковым (11,4 и 12,0 цм/км соответственно).
Рис. 5. Зависимости коэффициента трения COF и объемного износа Wear от температуры t поверхности трения для фрикционной пары «КМК-металлокерамика»
В качестве материалов контртел для фрикционных КМК могут быть применены аналогичные КМК, получаемые по различным технологиям, прежде всего основанные на процессах PIP и LSI.
Использование в паре с тормозным диском из КМК колодок из аналогичного материала обеспечивает высокие триботехнические показатели таких пар трения. На рис. 6 приведены результаты оценки коэффициента трения фрикционной пары «КМК-КМК» в зависимости от числа циклов торможения [19], а также для сравнения для пары «диск из серого чугуна-ко-лодка из КМК».
Рис. 6. Зависимость коэффициента трения фрикционных пар «КМК-КМК» (1) и «диск из серого чугуна-колодка из КМК» (2) от числа циклов торможения
Серьезной проблемой эффективного применения контртел из КМК является выбор такого соотношения базовых компонентов (УВ и БЮ-мат-рицы) материалов элементов пары трения, при котором реализуется оптимальный характер процесса трения - с одной стороны, обеспечиваются высокие и стабильные триботехнические характеристики, а с другой - износ колодок должен превышать износ дисков, при этом имея минимально возможные значения. В работе [18] установлено, что пары образцов с различным (высоким и низким) начальным количеством УВ (объемное содержание УВ - 0,53 и 0,25) обеспечивают больший коэффициент трения в зависимости от скорости по сравнению с парами образцов с высоким (объемное содержание УВ - 0,41 и 0,48) начальным содержанием УВ (}! = 0,61 и 0,46 соответственно). При этом пары с разным количеством УВ характеризуются и значительным различием их износа (более чем в 3 раза), причем более низкий износ наблюдается у КМК с малой долей УВ (большей долей Б1С-матрицы). В свою очередь, высокое содержание карбида кремния в КМК в обоих образцах пары трения приводит к их большому взаимному износу.
Заключение
Проведен анализ комплекса эксплуатационных характеристик современных волокнисто-армированных КМК с Б1С-матрицей, перспективных для производства тормозных дисков высоконагруженных систем торможения железнодорожного транспорта. Показано, что физико-механические, теплофизические и триботехнические свойства КМК зависят от структурно-технологических факторов, таких как: состав и соотношение компонентов композита, вид и тип армирующего материала, схема армирования, технологический процесс получения КМК и его режимы, функциональные добавки. Проведенная оценка достигнутого уровня эксплуатационных характеристик фрикционных КМК показывает, что решение проблемы совершенствования этих материалов должно основываться на оптимизации всего комплекса структурно-технологических факторов с учетом, как правило, их противоречивого влияния на свойства КМК. Наиболее перспективные пути решения проблемы основываются на применении хаотично армированных структур, создании слоистых и градиентных материалов и подбора оптимальных типов контртел.
Библиографический список
1. Воробьев А. А. Применение композиционных материалов в тормозных системах высокоэнергетичных составов железнодорожного транспорта / А. А. Воробьев,
Д. А. Жуков, К. Л. Лукьяненко, В. И. Кулик, А. С. Нилов // Известия Петербургского университета путей сообщения. - СПб.: ПГУПС, 2019. - Т. 16. - Вып. 3. - С. 391-400.
2. Гаршин А. П. Современные технологии получения волокнисто-армированных композиционных материалов с керамической огнеупорной матрицей / А. П. Гаршин, В. И. Кулик, С. А. Матвеев, А. С. Нилов // Новые огнеупоры. - 2017. - № 4. - С. 20-35.
3. Ding Y. Preparation of C/SiC composites by hot pressing, using different C-fiber content as reinforcement / Y. Ding, S. Dong, Q. Zhou et al. // Journal of American Ceramic Society. - 2006. - Vol. 89. - N 4. - Р. 1447-1449.
4. Krenkel W. C/C-SiC composites for advanced friction systems / W. Krenkel, B. Heindenreich, R. Renz // Advanced engineering materials. - 2002. - Vol. 4. - N 7. -P. 427-436.
5. Woodcraft A. L. Some notes on C/SiC, 2007. - 6 p. - URL: www.woodcraft. lowtemp.org (дата обращения: 15.11.2020 г.).
6. Krenkel W. Carbon fiber reinforced CMC for high-performance structures / W. Krenkel // International Journal of Applied Ceramic Technology. - 2004. - Vol. 1. -N 2. - P. 188-200.
7. Dittrich R. Neuartige technologieansatre zur hersterllung von C/SiC-verbundwerk-stoffen: Dissertation Dr.-Ing. / R. Dittrich. - Erlangung: Erlangung des akademischen Press, 2007. - 152 p.
8. Hanbook of ceramic composites / Ed. by P. Narottam. - Bansal: Kluver Academic Publ., 2005. - 554 p.
9. Heidenreich B. Carbon fibre reinforced SiC materials based on melt infiltration / B. Heidenreich // 6th International conference on high temperature ceramic matrix composites HTCMC 6. - New Delhi, Indien, 2007. - P. 1-6.
10. El-Hija H. A. Development of C/C-SiC brake pads for high-performance elevators / H. A. El-Hija, B. Heidenreich, W. Krenkel, S. Hugel // International Journal of Applied Ceramic Technology. - 2005. - Vol. 2. - N 2. - Р. 105-113.
11. Naslain R. Si-matrix composite materials for advanced jet engines / R. Naslain,
F. Cristin // MRS Bulletin. - 2003. - N 9. - P. 854-858.
12. Huener R. Ceramic materials for friction linings: Patent US 7799250 / R. Huener, M. Bauer, P. Winkermann. Publ. 21.09.2010. - URL: www.patentimages.storage.google apis. com/66/5a/bc/5a285b50a05c4b/US7799250.pdf (дата обращения: 15.11.2020 г.).
13. Gross G. Brake unit including brake disc and brake lining: Patent US 6265071 /
G. Gross, T. Haug, E. Naumann et al. - Publ. 24.07.2001. - URL: www.freepatentsonline. com/6265071.pdf (дата обращения: 15.11.2020 г.).
14. Нилов А. С. Анализ фрикционных материалов и технологий изготовления тормозных колодок для высоконагруженных тормозных систем с дисками из керамического композиционного материала / А. С. Нилов, В. И. Кулик, А. П. Гаршин // Новые огнеупоры. - 2015. - № 7. - С. 57-68.
15. Воробьев А. А. Анализ фрикционных материалов тормозных колодок в парах трения с тормозными дисками из керамического композита с SiC-матрицей для вы-соконагруженного железнодорожного транспорта / А. А. Воробьев, В. И. Кулик, А. С. Нилов, Д. А. Жуков // Известия Петербургского университета путей сообщения. -СПб.: ПГУПС, 2020. - Т. 17. - Вып. 3. - С. 378-386. - https://doi.org/10.20295/1815-588Х-2020-3-378-386
16. Kermc M. Development and use of an apparatus for tribological evaluation of ceramic-based brake materials / M. Kermc, M. Kalin, J. Vizintin // Wear. - 2005. - Vol. 259. -P. 1079-1087.
17. Krnel K. СагЬоп/сагЬоп-silicon-carbide dual matrix composites for brake discs / K. Krnel, Z. Stadler, T. Kosmac // Materials and manufacturing processes. - 2008. - Vol. 23. -P.587-590.
18. Кулик В. И. Исследование триботехнических характеристик композиционных материалов с карбидкремниевой матрицей / В. И. Кулик, А. С. Нилов, А. П. Гаршин и др. // Новые огнеупоры. - 2012. - № 8. - С. 45-56.
19. Blau P. J. Research on non-traditional materials for friction surfaces in heavy vehicle disc brakes / P. J. Blau. - Oak ridge national laboratory report: 0RNL/TM-2004/265. -2004. - 31 р.
Дата поступления: 04.12.2020 Решение о публикации: 14.01.2021
Контактная информация:
ВОРОБЬЕВ Александр Алфеевич - д-р техн. наук, доц.; 79219751198@yandex.ru КУЛИК Виктор Иванович - канд. техн. наук, доц.; victor.i.kulik@gmail.com НИЛОВ Алексей Сергеевич - канд. техн. наук, доц.; alexey.s.nilov@gmail.com ШАДРИН Алексей Николаевич - студент; alekeshadri@yandex.ru
Operational properties of SiC ceramic matrix composite friction materials for braking systems of heavily loaded vehicles
А. А. Vorobyev1, V. I. Kulik2, A. S. Nilov2, A. N. Shadrin3
1 Emperor Alexander I Petersburg State Transport University, 9, Moskovsky pr., Saint Petersburg, 190031, Russian Federation
2 D. F. Ustinov "VOENMEKh" Baltic State Technical University, 1, 1-ya Krasnoarmeyskaya ul., Saint Petersburg, 198005, Russian Federation
3 Saint Petersburg Mining University, 2, 21st Line, Vasilyevksy Island, Saint Petersburg, 199106, Russian Federation
For citation: Vorobyev А. А., Kulik V. I., Nilov A. S., Shadrin A. N. Operational properties of SiC ceramic matrix composite friction materials for braking systems of heavily loaded vehicles. Bulletin of scientific research results, 2021, iss. 1, pp. 5-21. (In Russian) DOI: 10.20295/2223-9987-2021-1-5-21
Summary
Objective: Assessment of the current technology and ways to improve the operational properties of ceramic matrix composites (CMC) with SiC matrix promising for the production of brake discs for heavily loaded braking systems of railway transport. Methods: The analysis of physical and mechanical, thermophysical and tribotechnical properties of friction CMCs, as well as structural and technological factors that determine the operational properties of CMC with SiC matrix. Results: We have found that the operational properties of a CMC depend on a considerable number of various factors, such as the composition and ratio of the components in the composite, the class and type of reinforcing material, the reinforcement scheme, the technology and process modes of obtaining the
CMC, functional additives, operational properties of the tribotechnical unit (type of counterbody, lubricant option, sliding speed, contact pressure, tribocontact area temperature), etc. We have established that the solution to the problem of improving friction CMCs should be based on the optimization of the entire complex of structural and technological factors, considering their generally contradictory influence on the properties of the composite. Practical importance: It has been shown that the most promising approaches to improve the operational properties of CMCs are based on the use of chaotically reinforced structures, the creation of layered and gradient materials, and the selection of optimal types of counterbodies.
Keywords: Friction material, ceramic matrix composite, structural and technological parameters, operational properties, braking systems.
References
1. Vorobyev A. A., Zhukov D. A., Lukyanenko K. L., Kulik V. I. & Nilov A. S. Prime-neniye kompozitsionnykh materialov v tormoznykh sistemakh vysokoenergetichnykh sos-tavov zheleznodorozhnogo transporta [Application of composite materials in braking systems of high-power railway trains]. Proceedings of Petersburg Transport University. Saint Petersburg, Petersburg State Transport University Publ., 2019, vol. 16, iss. 3, pp. 391-400 (In Russian)
2. Garshin A. P., Kulik V. I., Matveev S. A. & Nilov A. S. Sovremennyye tekhnologii polucheniya voloknisto-armirovannykh kompozitsionnykh materialov s keramicheskoy ogne-upornoy matritsey [Current technologies for producing fiber-reinforced composite materials with a ceramic refractory matrix]. Novye Ogneupory [New Refractories], 2017, iss. 4, pp. 2035 (In Russian)
3. Ding Y., Dong S., Zhou Q. et al. Preparation of C/SiC composites by hot pressing, using different C-fiber content as reinforcement. Journal of American Ceramic Society, 2006, vol. 89, no. 4, pp. 1447-1449.
4. Krenkel W., Heindenreich B. & Renz R. C/C-SiC composites for advanced friction systems. Advanced engineering materials, 2002, vol. 4, no. 7, pp. 427-436.
5. Woodcraft A. L. Some notes on C/SiC. 2007, 6 p. Available at: www.woodcraft. lowtemp.org (accessed: November 15, 2020).
6. Krenkel W. Carbon fiber reinforced CMC for high-performance structures. International Journal of Applied Ceramic Technology, 2004, vol. 1, no. 2, pp. 188-200.
7. Dittrich R. Neuartige technologieansatre zur hersterllung von C/SiC-verbundwerk-stoffen. Dissertation Dr.-Ing. Erlangung, Erlangung des akademischen Press, 2007, 152 p.
8. Hanbook of ceramic composites. Ed. by P. Narottam. Bansal, Kluver Academic Publ., 2005, 554 p.
9. Heidenreich B. Carbon fibre reinforced SiC materials based on melt infiltration. 6th International conference on high temperature ceramic matrix composites HTCMC 6. New Delhi, India, 2007, pp. 1-6.
10. El-Hija H. A., Heidenreich B., Krenkel W. & Hugel S. Development of C/C-SiC brake pads for high-performance elevators. International Journal of Applied Ceramic Technology, 2005, vol. 2, no. 2, pp. 105-113.
11. Naslain R., Cristin F. Si-matrix composite materials for advanced jet engines. MRS Bulletin, 2003, no. 9, pp. 854-858.
12. Huener R., Bauer M. & Winkermann P. Ceramic materials for friction linings. Patent US 7799250. Publ. September 21, 2010. Available at: www.patentimages.storage. goog-leapis.com/66/5a/bc/5a285b50a05c4b/US7799250.pdf (accessed: November 15, 2020).
13. Gross G., Haug T., Naumann E. et al. Brake unit including brake disc and brake lining. Patent US 6265071. Publ. July 24, 2001. Available at: www.freepatentsonline.com/ 6265071.pdf (accessed: November 15, 2020).
14. Nilov A. S., Kulik V. I. & Garshin A. P. Analiz friktsionnykh materialov i tekh-nologiy izgotovleniya tormoznykh kolodok dlya vysokonagruzhennykh tormoznykh sistem s diskami iz keramicheskogo kompozitsionnogo materiala [Analysis of friction materials and technologies for the manufacture of brake pads for heavily loaded brake systems with ceramic composite discs]. Novye Ogneupory [New Refractories], 2015, no. 7, pp. 57-68. (In Russian)
15. Vorobyev A. A., Kulik V. I., Nilov A. S. & Zhukov D. A. Analiz friktsionnykh materialov tormoznykh kolodok v parakh treniya s tormoznymi diskami iz keramicheskogo kompozita s SiC-matritsey dlya vysokonagruzhennogo zheleznodorozhnogo transporta [Analysis of friction materials of brake pads in friction couples with brake discs made of SiC ceramic matrix composite for heavily loaded railway transport]. Proceedings of Petersburg Transport University. Saint Petersburg, Saint Petersburg Transport University Publ., 2020, vol. 17, iss. 3, pp. 378-386. http://doi.org/10.20295/1815-588X-2020-3-378-386 (In Russian)
16. Kermc M., Kalin M. & Vizintin J. Development and use of an apparatus for tribo-logical evaluation of ceramic-based brake materials. Wear, 2005, vol. 259, pp. 1079-1087.
17. Krnel K., Stadler Z. & Kosmac T. Carbon/carbon-silicon-carbide dual matrix composites for brake discs. Materials and manufacturing processes, 2008, vol. 23, pp. 587-590.
18. Kulik V. I., Nilov A. S., Garshin A. P. et al. Issledovaniye tribotekhnicheskikh kha-rakteristik kompozitsionnykh materialov s karbidkremniyevoy matritsey [Study of tribotech-nical characteristics of silicon carbide matrix composites]. Novye Ogneupory [New Refractories], 2012, no. 8, pp. 45-56. (In Russian)
19. Blau P. J. Research on non-traditional materials for friction surfaces in heavy vehicle disc brakes. Oak ridge national laboratory report: 0RNL/TM-2004/265, 2004, 31 p.
Received: December 04, 2020 Accepted: January 14, 2021
Author's information:
Aleksandr A. VOROBYEV - D. Sci. in Engineering, Associate Professor; 79219751198@yandex.ru
Viktor I. KULIK - PhD in Engineering, Associate Professor; victor.i.kulik@gmail.com Aleksey S. NILOV - PhD in Engineering, Associate Professor; alexey.s.nilov@gmail.com Aleksey N. SHADRIN - Student; alekeshadri@yandex.ru
