飛機碳剎車工程化問題探討

何永樂 楊尊社 畢燕洪

（1. 空軍駐興平地區軍事代表室，陜西 興平 713106；2.中航制動科技有限公司，陜西 西安 710065）

碳剎車是指剎車盤完全采用碳/碳復合材料制造的剎車裝置，碳剎車盤既是摩擦元件，又是結構件。在剎車過程中，飛機著陸運動的動能通過剎車盤之間的摩擦轉化為熱能，因此，從能量的轉化儲存來看，剎車盤組又稱為熱庫，其性能的優劣直接關系到飛機的使用安全。碳剎車較鋼剎車具有重量輕、耐磨損、比熱高、高溫不粘接等突出優點，在航空機輪剎車領域得到了廣泛應用，大大提高了飛機的技術性能和可靠安全性?，F在，碳剎車已成為現代化先進飛機著陸裝置的基本構成部分。碳剎車的核心是碳/碳復合材料制造技術。西方國家對這項具有高附加值的高新技術實行嚴格限制，我國科技工程人員經過多年不懈努力，碳材料技術研究取得重大突破，碳剎車已成功批量應用于新型重點型號機種。然而，碳剎車推廣應用仍具有挑戰性。生產和使用中反映的主要問題是生產周期長、摩擦性能變化范圍大、濕態環境力矩嚴重衰退惡化、使用壽命達不到預計的指標等。這些問題亟待解決，這不僅是新裝備盡快形成戰斗力的需要，也是行業和企業發展的需要。

1 碳剎車工程化過程中存在的主要問題

1.1 生產周期長

碳剎車制造技術的關鍵是碳/碳復合材料的制備。碳材料是一種全新的材料，制造工藝形式多樣，總體上有兩大制造技術：化學氣相滲積（CVD/CVI）和液相浸漬碳化（LIC）。CVD/CVI法的基本原理是以烷烴類氣體作前驅體通入爐內，在一定溫度下發生裂解，從而使碳原子—熱解碳滲積到碳纖維預制體的表面和孔隙內。為了使碳盤達到一定的密度，這個過程需要有相當長的時間。同粉末冶金剎車盤制品相比，其制造周期大約長4～6倍。液相浸漬法運行周期較短，但存在基體開裂、摩擦性能調整困難等缺點，因而使用不如CVD/CVI法那樣廣泛。在滿足制造性能的前提下，如何縮短CVD/CVI法的運行周期，提高生產效率，這是當前國內外研究的重點和熱點之一。CVD/CVI法常用的是等溫法，而后出現了熱梯度法、壓差法、脈沖法等新工藝，這些新方法新工藝確實有一定改善效果，但距離工程實際應用目標尚有很大距離。

1.2 質量一致性較差

碳剎車盤材料制備過程受多種因素影響，這些因素互相牽制，從而使碳剎車技術質量一致性較差。主要表現在材料密度不均勻、剎車力矩（摩擦系數）變化范圍大和不同爐批產品性能不同。材料密度存在梯度，將影響熱庫元件的溫度分布，從而影響摩擦磨損性能和使用壽命。摩擦系數變化范圍大，既增加了防滑系統設計難度，也使防滑系統不能運行在最佳狀態，降低了剎車系統效率和可靠性。

1.3 濕態力矩衰退

碳剎車材料屬多孔材料。從與外界大氣連通來看，其孔隙有開孔（顯孔）和閉孔（暗孔）兩種?？紫兜拇嬖诓拍苁篃峤馓紳B積到坯體纖維內部，提高材料密度，改善強度和物理性能、熱性能和摩擦性能，滿足使用要求。制成品總有一定的孔隙存在，從物理學知道，在潮濕環境下材料表面也會吸潮吸水。飛機停放一段時間，或者雨中著陸，或者剎車后澆水冷卻，剎車盤被雨水打濕，材料就會吸水。開口孔隙越多吸水量就越大。剎車過程中水和蒸汽起潤滑作用，導致剎車力矩衰退減小。在某些情況下，摩擦表面會形成“氣墊”。氣墊效應可能使力矩衰減加劇，惡化到幾乎沒有力矩形成。通常，經過幾次剎車磨合，碳盤吸附的水分潮氣可以被蒸發掉，力矩衰退現象消失。在碳剎車應用初期，美國F15戰斗機這種現象十分明顯。飛機停放一夜后的早上第一次飛行著陸，剎車力矩不夠，因而規定早上第一次起飛前必須進行一次地面滑行剎車，恢復力矩。這就是所謂F15的“早上病”。其實，粉末冶金和塑料剎車片也存在不同狀態力矩衰退問題，不僅有濕衰退，還有熱衰退。只不過碳剎車力矩衰退明顯罷了。

1.4 使用壽命短

碳/碳復合材料的磨損量比粉末冶金材料正常情況下要低一個數量級。因此碳盤使用壽命一般軍用飛機預計1 000次起落，民用飛機為2 000～3 000次起落，但是外場使用結果實際要大打折扣。由于碳剎車盤價格貴，因而使民機運營成本增大，引起航空公司抱怨。使用壽命達不到設計值，不僅給用戶增加成本開銷，也給地勤增添了維護工作量，影響了飛機出勤率。使用壽命短的原因，一是碳剎車磨損機理不同于粉末冶金。調查發現，低速、低能剎車磨損占使用壽命的75%，這在民用飛機上特別明顯。這是由于在這種狀態下碳盤的磨損以機械磨損占主導地位，這是不希望的一種工作狀態。二是碳盤鍵槽異常磨損和氧化破壞。碳材料通常在400℃以上發生氧化（如果被防冰劑等物質污染，催化氧化可在更低的溫度下發生），非摩擦表面需要做防氧化處理。如果防氧化層損壞而沒有及時修復，就會發生氧化，表現為碳盤脆化，剝蝕掉片、剝落，提前損壞或失效。靜盤鍵槽與剎車殼體導軌配合，動盤鍵槽與輪轂導軌配合，這樣碳盤沿導軌運動時發生摩擦。正常情況下，鍵槽會有一點磨損，這與盤子厚度磨損是協調的，而碳盤的磨損壽命在設計上是由厚度決定的。動盤鍵槽裝有鋼夾，靜盤有的采用鋼夾，有的不用鋼夾，有鋼夾可以減少磨損，但鋼夾材料由于使用中熱應力和機械應力反復作用，導致脆性掉塊、鉚釘斷裂脫落，可造成碳盤磨損或卡死，形成安全隱患?？湛惋w機A320/A319動盤鍵槽磨損變寬、鋼夾掉塊、鉚釘斷脫損壞機輪問題，給航空運輸帶來安全隱患，制造商Messier-Bugati為此發布服務信函（SL580－32－3077）要求外場注意檢修，并對后續產品做設計改進。鍵槽異常磨損可能原因是起落架收放中出現強烈振動、防滑運行循環過于頻繁，導軌表面腐蝕、有毛刺、損傷、粗糙度滿足不了要求等。

2 建議采取的改進措施和途徑

針對碳剎車工程化過程中存在的問題，世界各國都在想方設法解決，例如，英國鄧祿普公司積極在制品密度均勻性、制造成本等方面做工作，以提高產品的競爭優勢和經濟效益。我們要不斷跟蹤研究國外的進展情況，進一步改善和解決我國碳剎車工程化過程中的問題，建議從以下措施和途徑入手。

2.1 解決生產周期長問題

要從工藝原理、工藝參數、工藝裝備等方面克服當前生產中的瓶頸。我們認為當前研究重點之一是要弄清制約CVD/CVI法關鍵因素，提出滲積新原理、新模型，在理論上證明縮短滲積周期的可能性，從而指導生產實際。研究重點之二是建造大型裝備，改進制造工裝，顯著提高碳盤生產效率和供應能力。采用多料柱沉積爐工藝提高碳盤產量就是例子。

2.2 解決質量一致性問題

首先要弄清產品技術狀態變化范圍，通過廠內臺架試驗和外場使用數據積累分析，合理確定技術性能允許波動范圍。其次要加大過程控制力度，由于碳盤生產周期長、環節多，因此必須實施嚴格的質量控制，大力開發實施在線監控和預測系統。第三，要從毛坯（預制體）的設計、微觀組織要求、工藝制造設計（爐體、夾具、運行參數）等方面采取措施。

2.3 解決濕態力矩衰退問題

一是改善材料制備工藝，減少孔隙率，提高材料密度。另外對碳材料進行改性處理也是很有效的措施。例如，給材料滲硅（Si）生成SiC，碳材料的摩擦系數在各種狀態可保持較高水平。碳/陶瓷剎車盤具有較強的環境適應性，實際上是對碳/碳復合材料的改性處理。這也是復合材料可設計性的優點體現。二是剎車系統設計時要充分考慮濕態環境對剎車效果的影響，保證最低使用要求。設計選用摩擦系數不能以干態條件為依據，要以濕態摩擦系數為底線，反復權衡方案。碳剎車盤的設計要有足夠的力矩儲備。系統可考慮在濕態下具有自動進行模態切換功能，采取雙活塞系統剎車，或增大剎車壓力等措施。此外，在剎車裝置外露部分采取防水裝置，或將口部易被雨水浸濕的剎車盤（壓緊盤、相鄰的靜盤和動盤）設計成鋼盤（粉末冶金盤），雖然重量略有增加，但可改善潮濕特別是雨天著陸的使用性能。三是讓使用維護人員知曉碳剎車的技術特點，保證碳剎車的正常使用和安全，避免對飛行員和地勤人員帶來不必要的恐慌和厭煩心理。通過宣傳培訓，并采取必要的使用保障措施，減少負面作用，充分發揮碳剎車的技術優勢。例如，在操作維護規程中和施工現場，明確警示碳盤不可澆水冷卻，不能用汽油擦拭清洗表面，更不能浸泡在油類中。如果出現異常情況，需要如何處置等。四是明確濕態剎車力矩要求，納入考核標準。GJB 1184–1991《航空機輪和剎車裝置通用規范》將碳剎車濕態力矩試驗列為僅做參考，顯然不符合實際需要，應及時修訂。

2.4 解決使用壽命短問題

一是針對碳剎車盤的特點，采取相應的使用技術。對于多輪飛機，從剎車系統方面可考慮采用順序（選擇）剎車，也就是只讓一組機輪承擔剎車負荷，然后讓另一組機輪剎車運行，輪流工作，而不是傳統的讓所有機輪剎車同時工作，從而讓碳剎車運行在一定能量（溫度）下，避開機械磨損模式。二是采用非等厚盤（厚盤+薄盤構型）的熱庫設計理念，保證碳盤溫度場比較合適、碳盤磨損小。厚盤磨損到規定尺寸變薄，作為薄盤繼續使用，換裝新厚盤，熱庫大小不變。等薄盤再磨損到極限，對退下的薄盤可用“二合一”技術翻新，充分發揮材料潛力，實現碳剎車的綠色設計—環保設計。三是提高碳盤質量。密度是一項基本指標，材料密度提高，可提高材料的強度、抗氧化性、抗磨損性。四是優化設計，提高鍵槽的耐磨性。必要時對靜盤鍵槽增加鋼夾結構或設置可更換碳墊，保證使用性能和壽命。五是加強維護管理，如發現磨損異常、防氧化層損壞，應及時查找原因加以排除。此外要研究碳剎車機輪清潔維護所需的材料、設備和方法。

2.5 加強標準和標準化工作

碳/碳復合材料從研制開發到應用已有20多年歷史，但標準和標準化建設工作還比較滯后，國內外至今這方面標準匱乏，妨礙了碳剎車工程化進展。歐洲將碳/碳復合材料納入陶瓷大類，啟動研究制定專門標準?，F普遍做法是參照石墨材料、塑料等標準對碳/碳復合材料進行檢測試驗。在航空機輪剎車產品設計試驗方面，國內執行標準主要有GJB 1184–1991，GJB 4193–2001《軍用飛機剎車盤通用規范》，GJB 5038–2001《軍用飛機摩擦材料通用規范》，CTSO–C135《運輸類飛機機輪和機輪剎車裝置》，HB 5434–1989《航空機輪摩擦材料試驗方法》，但沒有完全針對碳剎車機輪方面的標準規范。在GJB 1184—1991中雖然涉及到了碳剎車的設計試驗問題，但還不能滿足使用要求。因此，要加強型號研制中標準化工作，適時采標、制標，規范研制工作，以保證和提高產品質量。當前，應及時總結碳剎車工程化中的問題，制定和完善碳剎車材料、設計、試驗等相關標準。通過標準化工作，統一要求，規范生產，提升技術水平，引領碳剎車發展。

3 結束語

飛機碳剎車是制動技術領域的一個新生事物。以上我們僅對碳剎車工程化中的一些主要問題進行了分析研究，根據掌握的知識和實踐經驗，提出了建設性的解決措施和途徑。要使碳剎車工程應用可持續發展，還有許多課題需要研究攻克，如碳剎車與剎車系統的匹配性，碳剎車機輪結構設計、熱學設計，碳剎車試驗等等，國家和企業及有關方面要繼續加大投入，密切合作，進一步推動我國碳剎車工程化應用。