以在不同等靜壓壓力(40MPa和70MPa)下采用反應(yīng)熔滲制備的2種組成硅化石墨復(fù)合材料和市購俄羅斯產(chǎn)硅化石墨復(fù)合材料為研究對象，研究3種組成硅化石墨復(fù)合材料的物相組成和微觀結(jié)構(gòu)，以及水潤滑條件下摩擦磨損性能。結(jié)果表明：硅化石墨復(fù)合材料的物相均由碳相、碳化硅相和硅相組成，三相呈三維網(wǎng)絡(luò)嵌入式分布；當(dāng)碳相含量較低，碳化硅含量較高時，硅化石墨復(fù)合材料的摩擦因數(shù)隨著載荷的增加而增大，而當(dāng)碳相含量較高，碳化硅含量較低時，摩擦因數(shù)先增大后減小。不同組成硅化石墨復(fù)合材料的磨損量均極低，耐磨性能良好，磨損機(jī)理主要為磨粒磨損。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

     試驗原料包括中間相炭微球(MCMB)、石油焦、石墨粉、酚醛樹脂、聚丙烯酸樹脂。按照MCMB、石油焦和石墨粉的質(zhì)量比為2∶1∶1，酚醛樹脂和聚苯烯酸樹脂與總碳源質(zhì)量比分別為1∶10，3∶10稱取原料，混合獲得復(fù)合粉體。復(fù)合粉體經(jīng)預(yù)壓成型，等靜壓成型，在高溫管式爐中進(jìn)行炭化，得到多孔碳坯體；然后在多孔碳坯體中加入粒徑3mm 的硅粉進(jìn)行反應(yīng)熔滲處理，制得硅化石墨復(fù)合材料。將40，70MPa等靜壓壓力下制備的硅化石墨復(fù)合材料分別標(biāo)記為P1 試樣和P2試樣；俄羅斯制備的硅化石墨復(fù)合材料CT-П0.5標(biāo)記為P3試樣。

1.2 試驗方法

     采用X射線衍射儀(XRD)測定試樣的物相組成，使用自動磨樣機(jī)對試樣進(jìn)行打磨，然后使用金剛石拋光液在拋光布上進(jìn)行拋光，拋光好的試樣采用3D激光共聚焦顯微鏡觀察顯微組織。沿試樣的邊緣到中心位置選取5個點，采用Image-Pro Plus圖像定量分析軟件統(tǒng)計試樣中各相含量。

     按照如圖1所示的方法進(jìn)行水潤滑環(huán)塊摩擦磨損試驗。硅化石墨復(fù)合材料試樣為塊狀，尺寸為12.32mm×12.32mm×19.05mm，對磨材料為硬度55~60HRC的W18Cr4V合金鋼圓環(huán)，尺寸為?16mm×40mm×10mm。在轉(zhuǎn)速250r·min-1，載荷40，60，80N下進(jìn)行水潤滑摩擦磨損試驗，試驗時間均為30min。摩擦因數(shù)取摩擦穩(wěn)定階段(摩擦曲線中15~30min)的平均值。采用精度為0.1mg的電子分析天平測試樣在摩擦磨損試驗前后的質(zhì)量，并計算磨損量。采用3D激光共聚焦顯微鏡和掃描電鏡觀察磨痕形貌。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 物相組成與微觀結(jié)構(gòu)

     由圖2可見，3種試樣都由碳化硅相、碳相及硅相組成。比較P1和P2試樣，可以明顯地觀察到P1試樣的碳峰強度較弱，硅峰較強，即等靜壓壓力越大，碳相含量越多，硅相含量越少。俄羅斯制備的硅化石墨復(fù)合材料(P3試樣)中碳相含量較多。

     由圖3可見，硅化石墨復(fù)合材料由黑色的碳相、灰色的碳化硅相和白色的硅相組成，三相在空間呈網(wǎng)絡(luò)嵌入式分布。硬質(zhì)相碳化硅作為基體骨架，保證材料優(yōu)異的力學(xué)性能；石油焦和MCMB的粒徑較小，極易與液硅反應(yīng)生成碳化硅，因此硅化石墨復(fù)合材料中保留下來的碳相基本是未反應(yīng)完全的石墨，石墨具有良好的自潤滑作用。

      由表1可知，3種試樣的碳相含量依次增多，碳化硅相含量依次減小，P2和P3試樣的硅含量較多。這個結(jié)果與圖2的XRD譜所得結(jié)果相符。

2.2 摩擦磨損性能

     由圖4可見，硅化石墨復(fù)合材料的摩擦因數(shù)隨時間變化的曲線存在2個階段：初始階段和穩(wěn)態(tài)階段。在初始階段，合金圓環(huán)與試樣處于磨合過程，摩擦因數(shù)波動較大且較高，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)階段后，摩擦因數(shù)逐漸減小并趨于穩(wěn)定值。在低載荷40N下，不同硅化石墨試樣均表現(xiàn)出較低的摩擦因數(shù)(小于0.1)。隨著載荷的增大，不同試樣的摩擦因數(shù)出現(xiàn)了波動。當(dāng)載荷達(dá)到80N時，P1和P2試樣的摩擦因數(shù)隨時間延長呈現(xiàn)增大趨勢，而P3試樣則先增大后減小。

      硅化石墨在水潤滑條件下穩(wěn)態(tài)磨損階段中的摩擦因數(shù)與其碳相含量、碳化硅相含量和外加載荷有關(guān)。由圖5可見：不同組成硅化石墨復(fù)合材料在不同載荷下的摩擦因數(shù)和磨損量均很小；碳相含量相對較低、碳化硅含量較高的試樣(P1與P2)的摩

擦因數(shù)隨載荷的增加而增大，高碳相含量、低碳化硅含量P3試樣的摩擦因數(shù)隨載荷的增加先增大后減小。較高載荷下P1和P2試樣的摩擦因數(shù)高于P3試樣，這是因為P1和P2試樣中碳化硅硬質(zhì)相含量較高，表面凸起，粗糙度大，當(dāng)載荷變大，實際摩擦接觸面積增大，導(dǎo)致摩擦因數(shù)增加，而P3試樣的軟質(zhì)相碳含量較大，硬質(zhì)相碳化硅較少，摩擦面較光滑，表面粗糙度較小，則摩擦因數(shù)較小。同時試樣中碳相含量越高，磨損量越大，這是由于軟質(zhì)相碳易損耗所致。但當(dāng)試樣中碳相含量達(dá)到一定值時，在大的載荷下，剝落的碳在摩擦表面與水會組成一定厚度的潤滑膜，減少與對磨面的直接接觸，因而減少了硬質(zhì)相碳化硅微觀凸起結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的犁溝效應(yīng)，從而降低了摩擦因數(shù)和磨損量。

2.3 磨損形貌

     由圖6可見，P2試樣的磨損區(qū)和非磨損區(qū)的表面形貌有顯著差異。雖然在磨損之前試樣表面已經(jīng)進(jìn)行了精磨拋光，但從3D形貌上依然可以看到有尖銳的凸起，而水潤滑磨損后的表面較為平整，這是因為水介質(zhì)在圓環(huán)的帶動下清除了磨損產(chǎn)生的碎屑，使得磨損表面光滑，并且其冷卻作用顯著降低了磨屑的黏著力。在40N載荷下試樣表面的碳相剝落較少；在60N和80N載荷下碳相大量剝落。同時，試樣表面出現(xiàn)了因摩擦應(yīng)力導(dǎo)致的裂紋，同時隨著載荷的增大，試樣表面出現(xiàn)了明顯的磨痕。主要原因是隨著載荷增大，圓環(huán)與試樣表面的硬質(zhì)相凸起物接觸數(shù)量增多，使得實際磨損面積增大；另一方面，由于試樣單位面積上的接觸應(yīng)力增加，使得試樣表面因剝落而產(chǎn)生了磨粒磨損，因而試樣的磨損程度加劇。

      在環(huán)塊摩擦試驗過程中，水潤滑條件也是影響摩擦因數(shù)的重要因素之一。在水潤滑條件下，硅化石墨復(fù)合材料的劃痕、裂紋和碳剝落現(xiàn)象大大減少。由圖7可見，P1試樣和P2試樣在高載荷作用下出現(xiàn)了大量碳剝落，導(dǎo)致硬質(zhì)相碳化硅凸起結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，由于碳化硅相為主要基體，在磨損表面上呈連續(xù)分布狀態(tài)，所以磨痕數(shù)量較少。P3試樣的磨損表面上有大量明顯的犁溝，試樣的磨損機(jī)理主要為磨粒磨損。這是因為P3試樣在初始磨損階段，軟質(zhì)碳相從基體脫離，此階段水不能形成邊界潤滑膜，又因為P3試樣中的碳化硅量較少，碳化硅顆粒間彼此的結(jié)合強度較弱，當(dāng)載荷增加到高于碳化硅顆粒的斷裂強度后，硬質(zhì)顆粒脫落成為磨粒，加劇了硅化石墨的磨損。隨著載荷的進(jìn)一步增加，磨屑越來越多，而大量的脫落碳在磨損表面形成了較為穩(wěn)定的潤滑薄膜。可知，在脫落碳相和水潤滑作用下，硅化石墨復(fù)合材料的摩擦因數(shù)保持在較低水平，而硬質(zhì)碳化硅相的存在使硅化石墨復(fù)合材料具有極低的磨損量，硅化石墨復(fù)合材料具有良好的耐磨性能。

3 結(jié) 論

      (1) 不同組成的硅化石墨復(fù)合材料均由碳相、碳化硅相和硅相組成，三相在空間呈網(wǎng)絡(luò)嵌入分布。

     (2) 在水潤滑摩擦環(huán)境下，當(dāng)碳相含量較低、碳化硅含量較高時，硅化石墨復(fù)合材料的摩擦因數(shù)隨著載荷的增加而增大；而對于高碳相含量和低碳化硅含量的硅化石墨復(fù)合材料，摩擦因數(shù)隨著載荷的增加先增大后減小。在脫落碳相和水的潤滑作用下，硅化石墨復(fù)合材料的摩擦因數(shù)均保持在較低水平；由于硬質(zhì)碳化硅相的存在，硅化石墨復(fù)合材料具有極低的磨損量，耐磨性能良好。

   (3) 在水潤滑條件下，不同組成硅化石墨復(fù)合材料與W18Cr4V合金鋼對磨的磨損機(jī)理主要為磨粒磨損。