基本介紹
- 中文名：飛機剎車盤
- 外文名：Aircraft brake disc
- 作用：吸收飛機動能變為熱能使其逸散
- 材料：目前大部分為炭複合材料
- 一級學科：航空科技
- 二級學科：航空器
簡介,炭/炭飛機剎車盤生產工藝,樹脂炭化法,CVD法,混合法,剎車盤性能對比,
簡介
剎車裝置是飛機的重要系統，它的功能直接關係到飛機的飛行安全。體現剎車裝置功能的關鍵是剎車盤的性能，飛機剎車盤是飛機實現制動和保證安全飛行最關鍵的部件之一，它是利用相對運動的接觸表面間所產生的擦阻力來達到制動的目的。剎車盤是飛機吸收動能的主體，在飛機著陸剎車過程中吸收飛機動能，將動能轉變為熱能並使其逸散的功能部件。在飛機著陸的剎車瞬間，摩擦熱可使剎車盤表面溫度高達1200℃以上，從而使剎車盤件沿厚度方向出現極陡的溫度梯度及很高的熱應力，並處於劇烈的熱衝擊狀態。隨著現代航空科學技術和飛機製造業的發展，飛機的著陸速度和質量越來越大，因而對剎車盤的材料也提出了越來越高的要求。
隨著現代航空技術的飛速發展，高速度高負荷軍民用飛機大量套用在社會生活中，這也對制動裝置提出了愈來愈苛刻的要求，多盤式結構的金屬剎車已逐漸難以滿足飛機制動性能的要求。而炭/炭複合材料出現後，因材料密度小，具有高比熱、高熱導和優良的高溫力學性能以及極好的摩擦磨損性能而備受關注。20世紀60年代末期，美國B.F.Goodrich公司在其超高溫公司成功地進行了炭/炭複合材料的研製。英國Dunlop公司於1968年開始研製炭/炭剎車裝置，成為世界上第一家生產炭/炭剎車盤的公司。同時期美國的Goodyear公司也開展了這方面的工作，製備出GY4000和GY5000的炭/炭複合材料。
炭/炭複合材料用作飛機剎車盤，是飛機制動技術上的重大突破，它不僅性能優良，而且使用壽命是金屬剎車盤的數倍。隨著多年在剎車副結構、材料及製備工藝、抗氧化技術等方面的改進及發展，炭/炭複合材料航空剎車副的套用日益廣泛。現在已套用於幾乎所有的新型民用飛機和軍用飛機的剎車裝置中，成為炭/炭複合材料最重要的套用產品，占全世界炭/炭複合材料產品的90%以上。
炭/炭飛機剎車盤生產工藝
炭/炭飛機剎車盤的生產工藝如右圖所示。
圖1
圖1一般炭/炭複合材料的製備工藝根據緻密化手段的不同，分為液相浸漬法(通常簡稱浸漬法)和化學氣相沉積法(簡稱CVD法)兩種，但有時也把兩種方法結合起來使用。圖1給出了三種工藝路徑，習慣上稱①為樹脂炭化法；②為CVD法，③為瀝青炭化法。聯合使用時，有先用CVD，然後用②或③補充增密；也有先用浸漬，然後再用CVD方法增密的。
樹脂炭化法
樹脂法是用含碳有機物對預製體進行浸漬，然後固化並在惰性氣氛下炭化、石墨化，形成一種炭纖維增強樹脂炭複合材料的方法。早期的炭/炭複合材料製備即用此辦法，經過浸漬一固化一炭化一石墨化過程後，複合材料仍為疏鬆結構，內部含有大量孔隙、空洞，需反覆進行浸漬一固化一炭化一石墨化，使複合物孔隙逐漸被充滿，密度逐步提高，從而達到所需要的性能。用於飛機剎車盤的炭/炭複合材料緻密化的樹脂很少，主要有熱固性樹脂和瀝青兩大類，選擇時要考慮這些母體材料的黏度、殘炭率、碳結構，對複合材料性能尤其是摩擦磨損性能影響等因素。
樹脂法的優點是採用常見的模壓技術，容易製得緻密、尺寸穩定的製品。缺點是工藝複雜，製品易產生纖維裂紋、分層等缺陷。
CVD法
CVD法是將甲烷、丙烯等碳氫氣體於900~1100℃進行熱分解，沉積在預製體的孔隙中形成炭纖維增強沉積炭複合材料的一類方法。在沉積炭之前，碳氫氣體先分解生成一些活性基團，然後再與預製體纖維表面接觸並沉積。為了得到緻密的炭/炭複合材料，在沉積過程中必須使這些活性基團擴散到預製體的孔隙內部。如果碳氫氣體在通過預製體之前分解生成涪陛基團的速率太快，容易形成表面塗層，即俗稱的“結殼”，對進一步滲透到內部不利。為了繼續增密，必須用機械加工方法去除表面塗層，用高溫處理的方法打開“瓶頸”型閉口孔隙。
圖2
圖2CVD法包括等溫法、熱梯度法、壓差法、脈衝法、電漿輔助CVD法。
混合法
樹脂法預製體容易成形，CVD緻密化處理的炭/炭複合處理性能高，在此基礎上發展了混合法，即在預製體進行樹脂法緻密化後再用CVD工藝處理。典型過程為炭纖維預製體預成形一浸漬固化炭化一CVD(反覆多次)一高溫石墨化處理一產品。
剎車盤性能對比
炭/炭複合材料有高的熔化熱，高溫下的高強度和化學穩定性及良好的抗熱震性能等，使之成為極熱環境下的高性能結構材料。對於飛機來說，炭/炭複合材料也是很理想的摩擦材料，因為它與粉末冶金摩擦材料相比，具有獨特的性能。圖2為二者的性能對比表，以下就二者的性能特徵進行比較。
圖3
圖3(1)材料的密度小，可顯著減少剎車盤的結構質量
炭/炭剎車盤的密度為1.5~1.9 g/cm3，鋼的密度為7.8 g/cm3，金屬陶瓷摩擦材料的密度為4~6 g/cm3。與鋼剎車(金屬陶-鋼)相比，採用炭/炭剎車可使飛機有明顯的減重效果見圖3。
以“協和號”飛機為例，採用粉末冶金材料製造的熱庫約為173 kg，而採用炭/炭複合材料製造的熱庫重約45 kg，每個剎車裝置可減重60%，每架飛機可減重544 kg。這種減重比率對於飛行器的設計及使用，具有明顯的先進性。
(2)材料耐磨性優異，剎車盤使用壽命長
飛機剎車盤的磨損主要是由於剎車過程中的高溫和高應力狀態引起，即所謂熱磨損。炭/炭複合材料剎車盤，具有優異的高溫熱穩定性，在1200~1500℃條件下，其強度不但不降低，反而有所提高，所以高溫耐磨性好；同時，由於熱膨脹係數小，導熱性能好，抗熱震能力強，所以剎車盤不易產生熱翹曲變形及表面龜裂現象，提高了剎車盤的使用壽命，比粉末冶金剎車盤壽命提高3~4倍。國外廠家稱炭/炭剎車盤使用壽命可達3000次起落。
(3)穩定的動摩擦因數，抗卡滯及抗黏著性能優良
圖4
圖4由於炭/炭剎車盤的耐熱性強，表面不易出現黏著、剝落等現象，剎車過程中無卡滯，剎車力矩平穩。
(4)簡化剎車盤設計
由於採用全碳結構剎車盤，不需要附加摩擦襯片、連線件和剎車骨架等，可以簡化設計，減少加工工序。圖4為A300炭/炭剎車盤與波音747粉末冶金剎車盤。
(5)熱膨脹係數小，比熱容高(鐵的兩倍)，導熱率高
炭、炭剎車盤抗卡滯能力強，剎車過程平穩可靠。這是由於炭、炭複合材料高溫強度高，剎車盤表面不易出現熔化、剝落和龜裂等現象發生。利於吸收制動中所產生的大量熱，並且易於吸收和散熱。同時這種剎車盤副單位質量吸收熱量能力大，制動平穩，實現減重節能的效果。
(6)炭/炭剎車盤工作溫度高
由於炭/炭複合材料的耐熱溫度高達2700℃以上(碳在石墨狀態下，只有加熱到4000℃才能熔化，只有加熱到2500 ℃以上才能測出其塑性變形，在常壓下加熱到3000℃時碳才開始升華)，且高溫力學性能優良，所以炭/炭剎車盤的使用工作溫度高達2000℃以上。
基於以上高溫下良好而穩定的摩擦磨損等性能特點，炭/炭複合材料剎車盤在軍用飛機和民航飛機上得到了廣泛套用，部分或者全部取代了金屬基剎車片。
圖5
圖5圖5展示了民航飛機的炭/炭剎車盤使用量。在世界大型客機中，如波音系列：Boeing747-400、Boeing757、Boeing767-300、Boeing777等；空中客車系列的A300、A310、A320、A330、A340、A380等；麥道系列的MD90、MD11等；福克系列：F100、Bael46、運7-200A等。還有大量的軍用飛機採用炭/炭剎車盤，如美國的F14、F15B、F16、F18等，英國的鷂式戰鬥機、法國的幻影系列戰鬥機等。
