炭/炭復合材料剎車片的特點及發展史
所屬分類：行業新聞 閱讀次數：3763 發布時間：2022-04-13
炭/炭復合材料剎車片是采用炭/炭復合材料為增強材料制成的一類摩擦材料，充分利用了炭/炭復合材料在物理性能上具有強度大、模量高、密度低、導熱好、耐熱、耐摩擦等特點，從而受到了航天技術的肯定。本文針對炭/炭復合材料剎車片的特點及發展史對炭/炭復合材料剎車片進行了詳細介紹。
1、炭/炭復合材料剎車片的特點
炭/炭復合材料因具有一系列獨特的力學、熱學及摩擦磨損系能而成為替代金屬基復合材料的新一代剎車材料，其主要特點如下：
（1）、密度小，該材料的密度在1.8g/m3左右，是金屬基復合材料的1/3到1/4。采用該材料制作的剎車組件相比，減重40%左右。這對軍用飛機來說，可提高飛機的有效載荷和戰技指標：對商用飛機來說減重1Kg相當于每年可節省3000升燃料。因此其節約使用成本效果顯著。
（2）、熱穩定性好，當飛機進行中止起飛后，剎車片的表面溫度超過2000'C以上，炭/炭復合材料既不會熔融粘結，也不會翹曲變形，冷卻以后可繼續使用;而金屬基復合材料的溫度超過660℃以上就會產生翹曲變形，導致熔融粘結，需要對剎車組件進行大修。因此，采用碳了碳復合材料制作的剎車片既提高了剎車組件的設計裕度，也提高了剎車組件的使用安全性，比熱容大，該材料的比熱容是金屬基復合材料的2.5倍，具有良好的吸熱功能，提高了熱庫的儲熱能力，降低了熱庫工作溫度。
（3）、摩擦系數穩定，該材料在很大的溫度范圍內具有穩定的摩擦系數，飛機剎車過程柔和，提高了飛機的剎車舒適性.
（4）、磨損率低，使用壽命長，達金屬基復合材2倍以上，減少了剎車組件的維修次數。比弧度高，尤其是高溫強度是鋼的2倍以上，與金屬基復合材料相比，該材料自身可作為結構元件，不需要別的材料制作骨架支撐結構，簡化了剎車組件的結構，提高了剎車組件的可靠性和可維修性。
正因為該材料具有上述特點，特別適合作為飛機剎車材料使用，所以自上世紀九十年代以來，碳剎車已成為新型飛機的標準配置而廣泛應用。
2、炭/炭復合材料剎車片的基本生產工藝
炭/炭復合材料是由炭纖維增強體和基體碳兩部分組成的，按炭纖維在基體碳中存在的形式可分成如下三種：
第一種：炭纖維以短纖維束的方式隨機分布在基體碳中。
第二種：炭纖維以連續長絲束編織成布，再疊合成層合板的形式存在于基體碳中。
第三種：炭纖維以介于碳布層合板和三維編織物的兩種結構之間的過渡結構，即針刺氈的形式存在于基體碳中。
基體碳按其來源和形式可分成液相法和氣相法兩類：
液相法是指用樹脂或瀝青等液相.含碳有機物浸漬炭纖維并進行固化和炭化，脫除有機物中的揮發性成份，留下碳質成分，形成復合材料中的基體碳。
氣相法是指將低分子有機烴類以氣相形式通入預熱的炭纖維增強體，并在高溫下裂解和聚合，形成基體碳。
將炭纖維增強體的分布形狀與基體碳的形成組合起來，形成了各種各樣的炭/炭復合材料剎車片制備工藝，實際使用的工藝分三類：
第一類：短纖維模壓浸漬炭化工藝。
該工藝首先是用樹脂浸漬炭纖維長絲形成預浸帶，然后切短成一定長度的短纖維束，在模具中熱壓成形，經固化、炭化處理后，再用樹脂或瀝青浸漬炭化，并循環多次，直至達到材料要求密度。最后經過一定加工處理形成炭/炭復合材料剎車片。
該工藝按照炭化的壓力等參數可分成常壓、中壓、高壓等幾種。美國Honeywell公司和ABSC公司主要采用該工藝生產碳剎車片，其產品主要應用于B767. MD11等飛機。該工藝的優點是，炭纖維利用率高，工藝簡便，生產成本低。所生產的炭/炭復合材料是各向同性狀態.缺點是力學性能低,在使用過程中易出現剎車片摩擦面斷裂現象。原因是炭纖維增強體為短切纖維束未形成完整結構。另一個缺點是磨損率大，這是因為是基體碳為球狀，易形成磨料磨蝕的磨損方式。
第二類：碳布疊層或針刺氈預制體與化學氣相沉積(CVD)工藝。該工藝先將炭纖維編制成碳布，再切割疊合成預制體或將炭纖維編織針刺成針刺氈類預制體，在化學氣沉積，直至達到所要求密度，最后經過一定加工處理形成炭/炭復合材料剎式和氣流方向可分成等溫等壓、壓差法、溫差法等。_op公司、法國Messier公司采用該工藝生產碳剎車片，產品主要用于B757,炭纖維表面逐漸生長而形成的，所以基體碳與炭纖維之間結構緊密。另外，CVD碳為類石墨片層結構，摩擦過程中摩擦面易形成損率。缺點是該工藝沉積效率低，沉積時間長。
第三類：復合工藝。
所謂復合工藝是將上述兩類工藝組合起來制備炭/炭復合材料剎車片，如CVD工藝是基體碳占炭纖維表面上逐漸生長形成的。適合填充炭纖維之間較小的間隙。大空隙因為周圍小孔除填充而阻擋沉積氣體來源，形成材料中出現大空洞，而浸漬炭化工藝中，由于浸漬的樹脂或瀝青炭化是時內部收縮形成球狀基體碳，常與周圍炭纖維脫離接觸，形成均勻的小間隙。所以CVD工藝留下的大空洞易被浸漬炭化基體碳于纖維之間形成的小間隙適合CVD碳彌補。兩者結合可減少增密工藝時間，提高了生產效率。缺點是工藝設備復雜，投資大。
采用該工藝生產碳剎車盤的生產商有日本MK公司。
3、炭/炭復合材料剎車片生產工藝發展
由于復合工藝是前兩者工藝的復合，其發展是以前兩者工藝發展為基礎，所以下文主要介紹前兩類工藝的發展狀況。
3.1 樹脂模壓成形浸漬炭化工藝的發展
由于樹脂中含有非碳質成份，其炭化時容易產生一些低分子揮發物、降低了殘碳率，并在材料中形，成氣孔，所以該工藝一般要求多達七次的反復浸漬和炭化才能達到材料所要求的密度，為了減少浸漬次數，提高殘碳率，開發了高殘碳率樹脂和提高炭化壓力，再進一步開發了將浸漬和炭化連續進行的熱等靜壓工藝，將浸漬炭化次數降至2-3次。由于新樹脂價格昂貴，難以在生產中推廣應用，熱等靜壓設備復雜，投資大，使用成本高，所以新工藝降低材料生產成本，但降幅有限。
3.2 CVD工藝發展
初期開發的CVD工藝為等溫等壓法，該方法是將炭纖維預制體均勻加熱，沉積氣體隨機流過預制體，在預制體中自由擴散并沉積。該工藝的沉積速率受氣體擴散速率控制，僅能在很低氣壓下進行，以平衡沉積速率與氣體擴散速率，即使如此，預制體表面沉積速率大于內部沉積速率，在預制體表面容易形成結殼，阻擋了氣體自由擴散和沉積。因而需進行去殼處理，所以該工藝的CVD過程是不連續，分五到六個階段進行，才能達到材料所要求的密度。累積CVD時間長達上千小時。雖然該工藝CVD時間長，但該工藝適應性強，可增密不同于大小和形狀的預制體，基體碳的微結構易控制，材料品質穩定可靠，并且可實現單爐多料柱大容量生產，產品成本低。目前法國Messier和英國Dunlop公司均采用該工藝生產碳剎車片。
為了縮短CVD時間和次數，開發出了壓差法CVD工藝，該方法是采用一定的工裝來引導沉積氣體定向流過預制體，并在預制體上形成壓力差，該方法可提高沉積溫度和氣量。因而CVD時間可縮短至500-;600小時，CVD次數降至2-3次。目前美國的Goodrich公司采用該工藝。
溫差法CVD工藝是在炭纖維預制體上形成一定溫度梯度，以解決等溫法中表面結殼對氣流的影響，可使CVD工藝連續。一次完成，可進一步提高CVD溫度和氣量，縮短CVD時間至200-400小時。該工藝的缺點，設各和工裝夾具與預制體形成和大小相配合，也就是該工藝的設備和工裝是專用的，不能用于不同預制體的增密，不能實現多料柱CVD。
溫差壓差法CVD工藝是將溫差法壓差法結合起來以進一步降低CVD時間，可降至100小時以內，缺點是該工藝不能單獨將預制件的密度增加到材料要求密度。
總之，目前采用的CVD工藝主要為等溫等壓法和壓差法，而溫差壓差法有待進一步改善。
4 炭/炭復合材料剎車片技術發展趨勢
從炭纖維增強體的結構來看，由于短纖維未能形成完整的纖維增強體，導致材料力學性能低，所以該種結構所制備的碳剎車片主要用于B767, MD11等早期應用碳剎車的機型。第二種碳布疊層結構所制的材料因層間剪切強度低，垂直導熱率低(見表1)等因素影響，應用該結構所制的碳剎車也僅用于早期機型如：B757等。第三種結構為針刺氈結構，非常適合CVD工藝增密，并且所制的材料具有好的力學、熱學和摩擦磨損性能(見表1)，成為目前炭/炭復合材料增強體基本結構，并取得不斷改進：一方而成型技術實現自動化流水線生產。提高預制體結構的可設計性和可控性及一致性，也提高了生產效率。另一方面下角料回收再用技術提高炭纖維的利用率。
從增密工藝和基體碳形成工藝來看：由于浸漬碳化工藝所形成的基體碳呈球形結構。在摩擦過程中形成磨料磨蝕的模式，磨損率較大，導致剎車片使用壽命難以提高，所以該工藝制備的碳剎車片僅用于早期生產的機型如前文所述的B757, MD11等。而近年來開發的新機型均全用CVD工藝如B777, A330,A340, A318, B717等，并且CVD工藝處于不斷改進之中。出現如下發展趨勢：
1)降低材料熱處理溫度之1600℃以下甚至不熱處理。材料的石墨化度僅為10%左右，如A340-600,以降低材料的磨損率，延長剎車片使用壽命。
2)質抗氧化技術如B777-200/300所采用的sepcarb炭/炭復合材料，該材料在沉積過程中增加抗氧化成份，可降低材料因氧化所產生的磨損率。
3)剎車片不等厚設計，如A330/A340飛機的剎車片，動盤和靜盤均設計成不等厚結構，這樣薄片在經過一個使用周期，厚片經過兩個使用周期后再少量加工就可形成二合一盤，繼續使用。這樣的結構比等厚結構減少了翻修時的切削量，充分提高了剎車材料的利用率。
5 炭/炭復合材料剎車片結論
綜上所述，炭/炭復合材料剎車片的發展趨勢如下：
1)針刺氈結構已成為炭/炭復合材炭纖維增強體的基木結構，其自動成型技術既保證了增強體結構的可設計性，又提高了生產效率：其回收再利用技術提高炭纖維的利用率。
2) CVD工藝成為炭/炭復合材料的標準增密工藝，其材質抗氧化技術和低溫處理技術降低了材料助磨損率，延長了剎車片的使用壽命。
3)剎車片不等厚設計提高了炭/炭復合材料的利用率。
