飛機剎車轂使用和維修中的碳盤防氧化

楊先學

摘 要：針對飛機剎車轂在使用中出現的碳盤氧化，分析了碳盤的氧化機理，綜述了碳盤在生產時的抗氧化處理，分析了碳盤使用中的氧化類型：高溫氧化和催化劑氧化。高溫氧化的嚴重程度與溫度高低及持續時間有關。催化劑氧化與碳盤在剎車轂使用和維修過程中接觸到外來化學劑有關。提出了在剎車轂使用和維修中針對碳盤高溫氧化和催化劑氧化的建議措施。

關鍵詞：剎車轂 碳盤 氧化

現代飛機廣泛使用碳剎車轂。在碳剎車轂的使用和維修過程中，發現有碳盤出現嚴重氧化，甚至導致碳盤斷裂、損傷剎車轂和輪轂零部件，影響飛機的安全和航班正常。分析碳盤的氧化機理，綜述碳盤在生產時的抗氧化處理，結合碳盤在使用中出現的氧化類型，以便在剎車轂的使用和維修中采取有針對性的碳盤防氧化措施。

1 碳盤的氧化機理

碳在常溫和普通環境下幾乎呈化學惰性，但在較高的溫度下，單質碳具有很強的還原性，因而很容易與氧化性氣體發生化學反應。碳的氧化包括碳與氧氣、二氧化碳和水蒸氣等發生反應。在溫度較低時，碳與氧氣反應生成二氧化碳，在較高的溫度時，碳與氧氣反應還可生成一氧化碳。在溫度約700 ℃時，碳與二氧化碳、水蒸氣反應生成一氧化碳及氫氣。

碳盤的氧化過程：（1）氧化氣體向碳盤表面擴散；（2）氧化氣體吸附在碳盤表面；（3）在碳盤表面進行氧化反應；（4）氧化反應生成的氣體脫附；（5）生成的氣體擴散、離開碳盤表面。

碳盤碳材料的基本結構是微晶石墨。石墨的氧化活性與晶體結構、晶體缺陷和雜質等有關。碳盤存在一些氧化活性點，會吸附空氣中的氧氣，在400 ℃時就開始發生氧化反應[1]。氧化活性點越少，氧化速度越慢。隨著溫度的升高，碳原子的氧化活性會增強，使更多的原子投入氧化反應，氧化速度會加快。

碳盤碳材料是多孔材料。氣體會通過碳盤表面孔隙進入材料內部。在較低溫度時，氧氣在碳盤孔隙內的擴散速度遠大于反應速度，碳盤內外基本均勻反應。隨著溫度升高，氧化反應速度會不斷提高。在450 ℃～650 ℃時，含氧氣體在碳盤孔隙入口處消耗較多，進入材料內部較少，因而碳盤表面的氧化多于碳盤內部。當碳盤溫度高于650 ℃時，氧化反應速度進一步提高，含氧氣體在碳盤表面就消耗完了，碳盤內部幾乎沒有氧化[2]。

2 碳盤生產時的抗氧化處理

飛機剎車轂碳盤在正常剎車時的溫度均高于碳材料的開始氧化溫度。在中斷起飛、著陸情況下，碳盤溫度甚至會遠遠高于碳材料開始氧化溫度。碳盤生產廠家在碳盤生產時都會對碳盤進行抗氧化處理。碳盤抗氧化處理的關鍵在于延緩或阻止碳材料的氧化或隔離碳材料和氧化環境。

延緩或阻止碳材料的氧化，可通過對碳纖維和基體碳進行改性處理實現，使碳材料本身具有較強的抗氧化能力。具體方法包括添加抑制劑和內部涂層。內部涂層在工藝實施上受到較大限制，通常采用在碳材料內部添加抑制劑。在工作溫度時，添加劑或添加劑和碳反應的生成物，會優先與氧發生反應，從而起到阻止碳氧化的作用。添加劑反應生成物還會改變碳材料內部結構，增加致密度、堵塞碳材料孔隙，阻礙含氧氣體在碳材料內部擴散。處于碳材料表面或近表面的添加劑能形成一定玻璃相，玻璃相的流動會在碳材料表面形成薄的保護膜，阻止含氧氣體進入碳材料孔隙和裂縫。常用的添加劑有硼、硅及其化合物等。

碳盤表面使用抗氧化涂層，阻止含氧氣體與碳盤碳材料的接觸。飛機剎車轂碳盤表面抗氧化涂層要具有在中低溫度下可使用較長時間的性能。涂層性能要求主要包括：能有效阻止含氧氣體向碳盤內部擴散；涂層與基體結合緊密；涂層成分必須有低的蒸發性能；涂層與基體材料熱膨脹系數相差小，不會因溫度變化而脫落；涂層應完整致密，在較高溫度下具有一定的自愈合性能。目前主要使用硼酸鹽涂層和磷酸鹽涂層。硼酸鹽涂層以有機硅樹脂作為粘接劑，硼和硼酸鹽以及某些金屬粉末作為填料。磷酸鹽涂層的主要成分為磷酸鋁、磷酸錳、磷酸鋅、磷酸鈣、二氧化硅等。

3 碳盤使用中的氧化類型

盡管碳盤在生產時已經進行了抗氧化處理，但在剎車轂使用過程中，碳盤仍然可能發生兩種類型的氧化：高溫氧化和催化劑氧化。

高溫氧化與剎車時的碳盤溫度有直接關系。碳盤在生產時采取了一定的抗氧化措施，使得在一定溫度下碳盤不會有明顯的氧化。碳盤溫度升高超過一定值時，碳盤上的抗氧化涂層會蒸發，碳材料和添加劑會加速氧化。氧化的嚴重程度與溫度高低及持續時間相關。碳盤剎車時的溫度與碳盤初始溫度、剎車能量和減速快慢有關。在高溫天氣時，碳盤的初始溫度相對低溫天氣要高。在飛機中斷起飛或著陸時，剎車能量要遠遠高于飛機正常著陸時的剎車能量。飛機在著陸時的減速方式包括地面擾流板、發動機反推裝置和剎車轂等。減速的快慢與減速方式的選擇有關；減速的快慢也與飛機著陸滑行距離的客觀要求有關。飛機減速越快，碳盤的剎車溫度會越高。碳盤溫度越高、持續時間越長，碳盤高溫氧化越快。碳盤高溫氧化的表現形式為氧化均勻分布在碳盤的內徑和外徑邊緣。剎車轂中間位置的碳盤最可能發生高溫氧化，或其氧化程度最嚴重。

催化劑氧化與碳盤在剎車轂使用和維修過程中接觸到外來化學劑有關。這些化學劑不僅會與抗氧化涂層中的成分發生化學反應，從而破壞其防氧化功能，而且會與碳材料添加劑成分發生化學反應，直接破壞碳材料的抗氧化性能。碳盤可能接觸到的化學劑有磷酸酯液壓油、清洗劑、除冰液和滅火劑等。剎車轂零部件可能發生滲漏故障，磷酸酯液壓油會流到或濺到碳盤上。冬季飛機除冰時，除冰液可能流到或濺到碳盤上。剎車轂著火時，滅火劑會噴到碳盤上。催化劑氧化的表現形式為氧化出現在化學劑接觸碳盤的區域。

4 飛機剎車轂使用和維修中的碳盤防氧化措施

對于碳盤的高溫氧化，采取的措施應為降低碳盤溫度、降低高溫持續時間。飛機系統應配置剎車冷卻風扇。飛機滑行到停留位置后，尤其在高溫天氣，應使用輪擋固定飛機，松開停留剎車。在飛機中斷起飛、著陸后，剎車轂應拆下，車間分解檢查碳盤的氧化，若有氧化跡象，則碳盤不允許繼續使用。

對于碳盤的催化劑氧化，采取的措施應為盡量避免碳盤接觸化學劑及進行相應的檢查。若碳盤接觸到液壓油，應評估液壓油污染面積和部位，若在規定標準內，應立即使用干凈不起毛的布浸上異丙醇清潔。不允許使用堿性清潔劑清潔。冬季飛機除冰時，應對碳盤進行保護，防止碳盤接觸除冰液。選擇對碳盤低催化劑氧化的除冰液。剎車轂著火時，不允許使用泡沫滅火劑和干粉滅火劑[3]。

參考文獻

[1]羅瑞盈，向巧，李進松，等.先進碳/碳復合飛機剎車材料關鍵技術研究和應用進展[J].航空制造技術，2010（1）：56-58.

[2]藥寧娜.C/C-SiC飛機剎車材料用硼硅玻璃涂層的制備與防氧化性能[D].西安：西北工業大學，2007.

[3]MESSIER-BUGATTI-DOWTY部件維護手冊32-41-82[Z].