GB/T 40398.1-2021 炭-炭复合炭素材料试验方法 第1部分：摩擦磨损性能试验

　　ICS 29 . 050 CCS Q 50

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 40398 . 1—2021

　　炭-炭复合炭素材料试验方法

　　第 1 部分:摩擦磨损性能试验

　　Test method for C-C Composites—part 1 : FriCtion and wear property

　　2021-08-20 发布 2022-03-01 实施

　　国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会

　　发

　　布

　　GB/T 40398 . 1—2021

　　前 言

　　本文件按照 GB/T 1 . 1—2020《标准化工作导则 第 1 部分:标准化文件的结构和起草规则》的规定起草 。

　　本文件是 GB/T 40398《炭-炭复合炭素材料试验方法》的第 1 部分 。GB/T 40398 已经发布了以下部分:

　　— 第 1 部分:摩擦磨损性能试验 ;

　　— 第 2 部分:弯曲性能试验 。

　　请注意本文件的某些内容可能涉及专利 。本文件的发布机构不承担识别专利的责任 。

　　本文件由中国钢铁工业协会提出 。

　　本文件由全国钢标准化技术委员会(SAC/TC183)归口 。

　　本文件起草单位:中南大学 、湖南博云新材料股份有限公司 、安徽弘昌新材料有限公司 、西安超码科技有限公司 、冶金工业信息标准研究院 。

　　本文件主要起草人:苏哲安 、徐惠娟 、周舜 、肖孝天 、李保健 、刘杰 、张明瑜 、黄启忠 、郑景须 、赵大明 、薛宁娟 。

　　GB/T 40398 . 1—2021

　　引 言

　　由于炭-炭复合炭素材料制造的复杂性,制备工艺 、预制件本身的结构特点 、测试设备和测试参数等均是影响材料各项性能测试的因素,确定其各项性能指标的检测方法标准,有助于更科学地表征炭-炭复合材料的各项性能 、更真实地反映材料的固有特性,为炭-炭复合炭素材料的设计参数的选取和优化 、结构设计 、性能研究 、产品试制开发以及验证提供准确可靠的性能数据,为产品的质量控制提供有力的技术支撑。 GB/T 40398《炭-炭复合炭素材料试验方法》旨在确定炭-炭复合炭素材料各项性能指标试验方法,分为以下 2 个部分。

　　— 第 1 部分:摩擦磨损性能试验。 目 的在于确定实验室条件下,炭-炭复合炭素材料的摩擦磨损性能的测定方法。

　　— 第 2 部分:弯曲性能试验。 目 的在于室温条件下测定三维穿刺炭-炭复合炭素材料和准三维针刺炭-炭复合炭素材料的弯曲强度和弯曲弹性模量。

　　"

　　GB/T 40398 . 1—2021

　　炭-炭复合炭素材料试验方法

　　第 1 部分:摩擦磨损性能试验

　　1 范围

　　本文件规定了炭-炭复合炭素材料摩擦磨损性能试验的原理 、试验设备 、试样 、试验环境 、试验步骤 、计算和试验报告 。

　　本文件适用于实验室条件下炭-炭复合炭素材料的摩擦磨损性能的测定 。

　　2 规范性引用文件

　　下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款 。其中,注 日期的引用文件,仅该日期对应的版本适用于本文件;不注 日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件 。

　　GB/T 1446 纤维增强塑料性能试验方法总则

　　GB/T 33501—2017 碳/碳复合材料拉伸性能试验方法

　　3 术语和定义

　　GB/T 33501—2017 界定的以及下列术语和定义适用于本文件 。

　　3.1

　　炭-炭复合炭素材料 C-C Composites

　　炭纤维增强炭基的复合材料 。

　　3.2

　　面积能载 the ratio of energy to area

　　摩擦副单位面积上所承载的能量 。

　　3.3

　　质量能载 the ratio of energy to mass

　　摩擦副单位质量上所承载的能量 。

　　3.6

　　线性磨损 linear wear

　　摩擦副在试验前后平均厚度差与试验次数的比值 。

　　3.7

　　质量磨损 mass wear

　　摩擦副在试验前后质量差与试验次数的比值 。

　　3.8

　　比压 interfaCe pressure

　　接触表面上的垂直压力与宏观接触面积的比值 。

　　GB/T 40398 . 1—2021

　　4 原理

　　本方法模拟了材料实际工况下面积能载与质量能载 , 即将炭-炭摩擦副随同摩擦试验机的既定惯量加速到规定速度后 , 立即对摩擦副施加轴向载荷 , 进行惯性制动 , 直至完全停止 。在刹车过程中对试验各参数进行数据采集 , 以测定炭-炭复合炭素材料的摩擦磨损性能 。

　　5 试验设备

　　5 . 1 试验机

　　试验机采用摩擦热冲击的试验方法 , 在模拟实际工况条件下进行炭-炭复合炭素材料实验室小样缩比的动态模拟测试 , 可满足刹车压力 、速度 、时间 、制动力矩 、摩擦系数 、刹车功率和吸收能量等参数的 自动采集 、处理及结果输出功能 。其中 , 试验机速度控制误差 、压力控制误差 、扭矩控制误差为全量程的±1% ; 试验配置惯量误差不应大于 0. 01 kg . m2 。

　　5 . 2 测量设备

　　5 . 2 . 1 千分尺

　　测量精度为 0. 01 mm 。

　　5 . 2 . 2 游标卡尺

　　测量精度为 0. 02 mm 。

　　5 . 2 . 3 天平

　　测量精度为 0. 1 mg 。

　　6 试样

　　6 . 1 试样形状与尺寸

　　炭-炭复合炭素材料动静盘摩擦磨损试样为圆环状 , 试样形状和尺寸分别见图 1 和表 1 。

　　GB/T 40398 . 1—2021

　　单位为毫米

　　标引序号说明 :

　　H— 试样厚度 。

　　图 1 炭-炭复合炭素材料摩擦磨损试样

　　表 1 炭-炭复合炭素材料摩擦磨损试样尺寸

　　单位为毫米

　　6 . 2 试样制备

　　试样制备应遵循如下原则 :

　　a) 样坯从制品上切取后,应及时做好动环,静环及对应摩擦面标记 ;

　　b) 加工后的试样应进行外观目视检查,不应有纤维剥落 、孔洞 、掉边掉角等瑕疵 。

　　6 . 3 试样数量

　　摩擦磨损有效试样为 1 对 。

　　7 试验环境

　　实验室环境应满足仪器正常测试要求 。

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　　8 试验步骤

　　8 . 1 试验前准备

　　8 . 1 . 1 对摩擦副进行外观检查,以确保无崩块 、剥落等现象,并对摩擦副的动环 、静环进行编号。

　　8 . 1 . 2 检查试验机的气压系统,并进行扭矩零点的调试。

　　8 . 2 磨合试验

　　8 . 2 . 1 将摩擦副装配在试验机上。

　　8 . 2 . 2 启动试验机,按表 2 试验参数进行磨合试验。 磨合试验后使摩擦副摩擦面相互贴合面积应至少达 80% 。

　　表 2 炭-炭复合炭素材料磨合参数

　　8 . 2 . 3 磨合完成后,沿试样圆周均布的三个标记点测量其厚度,取三次测量的算术平均值;并对试样进行称重。

　　8 . 3 摩擦试验

　　8 . 3 . 1 试验参数

　　根据试验目的,进行动摩擦试验或静摩擦试验。 相关参数见表 3 。

　　表 3 炭-炭复合炭素材料摩擦磨损试验参数

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　　8 . 3 . 2 动摩擦试验

　　炭-炭复合动摩擦试验按表 3 规定的试验条件进行 。每次试验记录刹车速度 、力矩 、比压 、动摩擦系数等参数和试验曲线,对试验过程中火花 、啸叫 、崩块等重要的现象做相应记录 。

　　注 : 动摩擦系数是指动摩擦力与法向作用力(正压力)的比值 。

　　每次动摩擦试验后应将表面冷却至 50 ℃以下方可进行下一次试验 。

　　8 . 3 . 3 静摩擦试验

　　静摩擦试验按表 3 规定的试验条件进行 。每次试验记录静摩擦力矩 、比压 、静摩擦系数等参数和试验曲线 。

　　注 : 静摩擦系数是指在静摩擦状态下,摩擦副的接触面上所产生的最大摩擦力与法向作用力(正压力)的比值 。

　　常态下静摩擦试验应在试样冷却至 50 ℃以下进行 。

　　8 . 3 . 4 试验后测量

　　按 8 . 2 . 3 的规定对试样厚度进行测量,并称重 。

　　9 计算

　　9 . 1 摩擦系数

　　每次试验摩擦系数按公式(1)计算,其中 R 按公式(2)计算,结果保留 3 位有效数字 :

　　fi …………………………( 1 )

　　( 2 )

　　式中 :

　　fi — 每次试验摩擦系数 ;

　　M S— 摩擦力矩,单位为牛顿 . 米(N . m) ;

　　P — 比压,单位为兆帕(Mpa) ;

　　S — 摩擦面积,单位为平方毫米(mm2 ) ;

　　-

　　R — 试样平均半径,单位为米(m) 。

　　D — 试样外径,单位为米(m) ;

　　d — 试样摩擦面的内径,单位为米(m) 。

　　9 . 2 摩擦系数算术平均值

　　摩擦系数算术平均值按公式(3)计算 :

　　…………………………( 3 )

　　式 中 :

　　f — 摩擦系数算术平均值 ;

　　fi— 每次试验摩擦系数 ;

　　n — 试验次数 。

　　GB/T 40398 . 1—2021

　　9 . 3 线性磨损

　　动环或静环线性磨损按公式(4)计算,结果保留 3 位有效数字:

　　…………………………( 4 )

　　式中:

　　Δl — 动环或静环线性磨损,单位为毫米每次(mm/次) ;

　　l 1 — 摩擦试验前动环或静环平均厚度,单位为毫米 (mm) ;

　　l 2 — 摩擦试验后动环或静环平均厚度,单位为毫米 (mm) 。

　　9 . 4 质量磨损

　　动环或静环质量磨损按公式(5)计算,结果保留 3 位有效数字:

　　…………………………( 5 )

　　式中:

　　Δm — 动环或静环质量磨损,单位为毫克每次(mg/次) ;

　　m 1 — 摩擦试验前动环或静环重量,单位为克(g) ;

　　m 2 — 摩擦试验后动环或静环重量,单位为克(g) 。

　　9 . 5 统计

　　按 GB/T 1446 中的规定计算算术平均值和变异系数 。

　　10 试验报告

　　试验报告应至少包括下列内容:

　　a) 试验项目名称 、执行标准 ;

　　b) 试验时间 、地点及试验环境条件 ;

　　c) 试样来源 、材料品种及规格 ;

　　d) 试样编号 、尺寸及数量 ;

　　e) 试验设备 、仪器的型号及规格 ;

　　f) 摩擦磨损试验曲线 ;

　　g) 试验摩擦系数平均值 、标准差和离散系数 ;

　　h) 试验人员 、日期及其他 。