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炭/炭复合材料摩擦磨损机理
发布时间: 2022/5/9 17:50:51
          炭/炭复合材料摩擦磨损机理
  炭刹车过程涉及受力、能量转换和质量损失等,炭盘的摩擦磨损机理建立在质量和能量守恒的基础上,C/C复合材料刹车过程的摩擦磨损机理。
  摩擦雨形成致密摩擦膜,由予密损,次表面逐渐变成摩攘面,摩擦面和次表面形成动态平衡体系。
  c/c复合材料刹车盘的刹车过程可分为三个阶段:
  ①刹车开始阶段。动盘由于外部因素具有一定的惯量和转速(即动能),静盘则固定在基座上(即飞机的起落架),刹车开始后,动盘和静盘在液压活塞的压力作用下紧紧贴合,由于摩擦面含有大量不平整的微凸体和孔隙,在贴合过程中,动、静盘摩擦面借助动盘的动能,表面的微凸体相互剪切,形成大量的磨屑,同时由于炭盘材料的整体性,切向力也会造成炭盘次表面织体和炭纤维分离,产生织体裂纹,这样会降低摩擦面和次表面的相互作用力,加快微凸体相互剪切。磨屑一方面由于动、静盘的紧密贴合,借助炭盘旋转滑移到孔隙中;另一方面炭盘表面不平整、成膜性不好,在刚开始刹车的时候处于调整阶段,炭盘振动较剧烈,磨屑也会由于炭盘贴合的不够紧密,在动盘高速旋转产生的离心力作用下,从摩擦面飞出。微凸体的相互剪切将动盘的动能转化为动、静盘的内能,炭盘表面温度迅速升高。
  ②刹车中期。磨屑在压力和切向力的共同作用下被磨碎,形成细小磨粒,磨粒一方面进一步填充孔隙,这样在摩擦面又会形成一些新的微凸体,微凸体又会由于相互剪切而形成磨屑,磨屑再被磨碎,不断重复直至形成较为均一、致密的摩擦膜;另一方面细小的磨粒也会由于离心力作用从摩擦面甩出。随着刹车的进行,动盘的转速和动能会迅速减小,切向力会减小而压力不变,这些都会有利于摩擦面形成致密摩攘膜,增大真实摩擦面积,根据公式(3.42),有利于刹车末期摩擦系数逐渐增大(即形成翘尾)。炭盘的动能转换的热能一方面通过炭盘本身的热导散发到空气中,另一方面会促使次表面的碳和孔隙中的氧发生氧化反应生成CO或C02,使得炭盘进一步失重。在刹车过程中摩擦膜的破坏和形成以及次表面转换为摩擦膜形成一个动态的平衡体系。
  ③刹车后期。动盘的转速迅速减小,这样施加在炭盘上的压力会卸载,动盘和静盘分离,表面成膜不好的磨粒会从摩擦面脱落,且此时摩擦面的温度最高,炭盘分离后表面与空气的接触会加剧炭盘表面的氧化,导致表面均一整体的摩擦膜遭到破坏,这样一次刹车过程结束。
  C/C复合材料在摩擦过程中发生的质量损失主要来自两个方面:一是磨粒磨损;二是高温氧化。
  研究发现炭/炭刹车盘在空气中的磨损率是惰性气氛的4.5倍。有60%的重量损失是由氧化磨损引起的。刹车过程中机械能转换为热能,引起材料表面温度升高。如果在垂直摩擦面方向上材料的热导率高、相对密度大(单位质量的比热容大),产生的热量就能相对均匀地传递到材料整体中,降低摩擦面和次表面的温度,从而减小空气氧化引起的质量损失。反之,材料的热导率小、相对密度低(单位质量的比热容tb),摩擦产生热量的积累就会引起摩擦面和次表面温度骤然升高,氧化速率加快,失重量加大,且低热导率材料的抗热震能力差,很大的温度梯度就有可能导致材料破坏,甚至损坏机轮。由于高织构热解炭基体构成的复合材料,热导率好,自身的抗氧化能力也好,在摩擦过程中容易形成连续的自润滑膜,不但能够减小空气氧化造成的质量损失,同时也减小离心力甩出的磨粒引起的质量损失。另外,摩擦系数随着温度的升高而减小,制动扭矩下降,使刹车过程不平稳,刹车时间和距离相应延长。所以尽可能地减小c/c复合材料对磨面温度的升高,不但是抗氧化的需求,也可以实现有效、平稳刹车。
 
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