既要耐高温又要耐摩擦,飞机刹车盘是怎么做到的?
碳/碳复合材料,从名字上就看得出来,这是一种复合材料。它的发现过程,这真可谓是意外中带来的惊喜。
1958年,Chance vought航空公司在研究碳纤维/酚醛树脂复合材料时,发生了一些失误,使树脂基体未被氧化而发生了热解形成基体碳,这是上次发现碳/碳复合材料。上面提到的碳纤维/酚醛树脂复合材料是一种应用广泛的树脂基复合材料。碳纤维树脂基复合材料由于具有较高的比强度、比模量、较好的延展性、卓越的抗腐蚀性等特点,被广泛应用在航空航天等工业领域,其研究较早、“知名度”较高,所以在许多人的概念里,复合材料就等同于碳纤维树脂基复合材料。事实上,复合材料指由两种或两种以上异质、异型、异性材料(一种作为基体,其他作为增强体)复合而成的具有特殊功能和结构的新型材料。除了碳纤维树脂基复合材料以外,还有碳/碳复合材料、金属基陶瓷复合材料等。
顾名思义,碳/碳复合材料是以碳纤维为增强体,其他碳质材料为基体的复合材料。碳/碳复合材料在研究初期发展缓慢,直到1969年,批兼具高性能和低成本的聚丙烯腈(PAN)基碳纤维被商业化,并成为碳/碳复合材料的增强体,使得碳/碳复合材料在强度上取得了显著进步,碳/碳复合材料的特殊性能才开始引起工程界关注。经过几十年的研究,现代工艺生产的碳/碳复合材料已经具备高比强、高比模、耐高温、摩擦磨损性能优异等特点,能够很好地满足航空航天对材料在高温、高速条件下的综合性能要求。因此,碳/碳复合材料已经成为新一代航空航天材料发展的重点方向之一。对碳/碳复合材料的研究开发工作开始于二十世纪七十年代末,经过几十年的发展,取得了丰硕的成果,先进性直追发达。目前,C919大型客机刹车盘使用的就是国产碳/碳复合材料,其供应商同时也为波音757、空客320等机型提供刹车盘。由于刹车盘属于耗材,大约一两千次起降就必须更换,使用国外进口刹车盘费用较高。在市场需求的拉动下,国内材料厂商纷纷开始研制民机碳刹车盘。
碳/碳复合材料的涂层一直是国内外研究的重点。由于碳/碳复合材料在370度左右开始氧化,材料性能下降,因此,其在有氧环境下使用,必须在表面制备抗氧化涂层。涂层除了要有良好的抗氧化性和抗烧蚀性外,还要与碳/碳复合材料具有较好的化学物理相容性和相近的膨胀系数。刹车盘非摩擦面使用硼磷系涂层,在高温的工作环境下,可以有效延缓氧气在材料内部的扩散,提高材料使用寿命。一般的刹车盘可能在一千多个起降后就要更换,而C919的刹车盘经过疲劳试验,证明可以达到两千个起降。除了涂层,碳纤维预制体和增密工艺也对碳/碳复合材料的性能产生重要影响。这方面,国外一般使用预氧化丝编织碳纤维预制体,它的优点是纤维柔韧性好、易成型,但是强度较低。而C919刹车盘使用的碳/碳复合材料,使用有机纤维编织碳纤维预制体,虽然编织难度大,但是形成的预制体强度要高得多。同时,它还采用化学气相渗透和液相浸渍复合的增密工艺,提高了材料的密度,使材料的高能刹车摩擦系数大大提升。随着飞行器速度越来越快,其对耐高温材料的要求必然越来越高。作为耐高温材料界的“实力担当”,碳/碳复合材料的研究显然方兴未艾。目前,国内有机构研究出一种耐3000度超高温多元陶瓷碳/碳复合材料,将多元陶瓷与碳/碳复合材料融合,利用陶瓷高熔点、高强度、高耐磨等特性,进一步提高碳/碳复合材料的耐高温性能和力学性能,创造了烧蚀材料耐高温的新纪录。








































