航空剎車材料發(fā)展概述

周一帆，陸賢坤，劉海平，薛 亮

（1.海裝駐咸陽地區(qū)軍事代表室，陜西興平 713106；2.西安航空制動(dòng)科技有限公司，陜西西安 710065）

剎車系統(tǒng)是各類航空飛行器的重要組成部分，而剎車材料是剎車系統(tǒng)的重要組成要素。為了保證飛行器剎車系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，剎車材料一般具備如下性能：足夠的剎車力矩，穩(wěn)定性好，適宜的剎車噪聲和振動(dòng)幅度，滿足設(shè)計(jì)需求的使用壽命和熱庫體積容量，同時(shí)還要具有一定的機(jī)械強(qiáng)度和力學(xué)性能。按照航空剎車材料的物相組成，其發(fā)展大致為四個(gè)階段：聚合物黏結(jié)剎車材料、粉末冶金剎車材料、碳/碳復(fù)合剎車材料和碳/碳陶瓷基復(fù)合剎車材料。

1 聚合物黏結(jié)剎車材料

該類材料屬于第一代剎車材料，其物相組成主要為鋼纖維、還原鐵粉和泡沫鐵粉。該類材料的主要特點(diǎn)為：耐受使用環(huán)境溫度較高、導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)較大，且單位面積吸收功率較高，一般應(yīng)用于汽車的重負(fù)荷剎車工況環(huán)境。

2 粉末冶金剎車材料

通常情況下，粉末冶金剎車材料又可稱為燒結(jié)金屬剎車材料，以金屬及其合金類化合物作為材料的基體，并向材料內(nèi)引入潤滑組分和剎車組分，利用粉末冶金燒結(jié)工藝制備的一種類“金屬陶瓷”材料。按照基體合金的種類，主要分為銅基和鐵基，并在這兩類基體之上又發(fā)展出鐵銅基復(fù)合剎車材料。另外還有鋁基、鎳基、鉬基、鈹基等剎車材料，但這些類型的材料不常用，一般使用于特殊服役環(huán)境下。通常情況下，組成主要為三大部分：基體組元、剎車組元和潤滑組元。

與其他組分的剎車材料相比，具有諸多的優(yōu)良特性：機(jī)械強(qiáng)度較高、穩(wěn)定的摩擦特性、使用溫度和熱容量相對(duì)較大、導(dǎo)熱性能較好。然而粉末冶金剎車材料存在比熱容度、熱膨脹系數(shù)和抗氧化等方面的缺點(diǎn)，同時(shí)其重量較大、磨損量較大、抗高溫變形能力差、使用壽命短，已經(jīng)基本被淘汰出飛機(jī)剎車材料領(lǐng)域，目前絕大多數(shù)飛機(jī)上正使用化學(xué)、物理性能更加優(yōu)異的碳基剎車材料。

3 碳/碳復(fù)合剎車材料

碳/碳復(fù)合剎車材料具有高模、高強(qiáng)、耐磨損等一系列常規(guī)金屬剎車材料所不具備的優(yōu)點(diǎn)，尤其是碳/碳復(fù)合材料具有良好的高溫力學(xué)強(qiáng)度，這些優(yōu)良的剎車性能是樹脂基和金屬剎車材料所不具備的。同時(shí)碳/碳剎車材料具有較高的摩擦系數(shù)且制動(dòng)平穩(wěn)、熱膨脹系數(shù)較小、導(dǎo)熱系數(shù)較高、能承受較強(qiáng)的耐熱沖擊等優(yōu)點(diǎn)、重量也相對(duì)較輕，這使得其摩擦磨損性能遠(yuǎn)優(yōu)于一般摩擦材料。與鋼剎車盤熱庫相比，碳/碳復(fù)合材料剎車盤的熱容量提高了2倍左右同時(shí)使用壽命提高了大約1倍左右，且重量降低20%～40%，這對(duì)飛機(jī)減重如黃金般珍貴的重量來說，無疑是一次革命性的突破。另外，碳/碳復(fù)合剎車材料使用的工況環(huán)境溫度更高，且具有穩(wěn)定的摩擦磨損性能，并且在使用中剎車盤不熔化、盤與盤之間不黏結(jié)、剎車盤盤體不變形，這將極大提高飛機(jī)著陸的安全性。

一般碳/碳復(fù)合材料的制備工藝根據(jù)致密化工藝的不同，大致分為三類：化學(xué)氣相滲透法（簡稱CVI）、液相浸漬法（簡稱浸漬法），以及兩種方法結(jié)合起來使用，有先用CVI再液相浸漬的，也有先用浸漬，然后再用CVI工藝增密的。

3.1 化學(xué)氣相滲透法

化學(xué)氣相滲透是一種在特定工藝條件下向具有一定孔隙的碳纖維預(yù)制體內(nèi)部進(jìn)行增密的工藝。將工件置入專用的設(shè)備中，升溫至工藝要求的溫度，在一定的爐內(nèi)壓力下，通入碳源氣體（丙烯、甲烷等）以填充碳纖維預(yù)制體內(nèi)部孔隙的過程。可大致分為熱梯度CVI、等溫CVI和壓差CVI。

3.2 液相浸漬法

液相浸漬工藝：在一定的壓力下將瀝青或樹脂浸滲到碳纖維預(yù)制體的孔隙內(nèi)，并在高溫條件下使瀝青或樹脂轉(zhuǎn)化為裂解碳，并填充在預(yù)制體的孔隙內(nèi)進(jìn)行增密的過程。浸漬工藝包括低壓、中壓和高壓浸漬，浸漬劑有熱固性樹脂和熱塑性瀝青。典型工藝過程為：浸漬、碳化、石墨化。一次工藝過程裂解出的碳較為有限，并不能完全填滿預(yù)制體內(nèi)部的孔隙，需反復(fù)多次進(jìn)行浸漬、碳化和石墨化，將預(yù)制體內(nèi)部的孔隙逐漸填充滿，使工件達(dá)到所需的密度。

盡管碳/碳剎車材料的性能優(yōu)勢(shì)得到了大家的一致認(rèn)同，但其在剎車性能和制備工藝方面仍有一些不足，比如：靜摩擦系數(shù)相對(duì)較低、工況使用環(huán)境適應(yīng)性還有待提高、制備周期較長導(dǎo)致生產(chǎn)成本相對(duì)較高。以上種種缺陷使得碳/碳復(fù)合剎車材料較難應(yīng)用于苛刻工況下的剎車系統(tǒng)中，從而限制了該材料的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用，因此需要研制一種新型碳基復(fù)合剎車材料來克服碳/碳剎車材料的不足。

4 碳/碳陶瓷基復(fù)合剎車材料

碳/碳陶瓷基復(fù)合剎車材料是在碳/碳復(fù)合剎車材料的基礎(chǔ)上采用基體改性技術(shù)，向材料內(nèi)部引入了具有優(yōu)異抗氧化及摩擦磨損性能的組分，是一種以熱解碳、改性組元為基體的一種多相復(fù)合剎車材料[3]，其不僅具有碳/碳復(fù)合剎車材料的優(yōu)良性能，還能夠改善碳/碳復(fù)合剎車材料在剎車性能和制備工藝方面上的一些不足，該材料被譽(yù)為目前剎車材料性能的最高水平。

目前，碳陶復(fù)合剎車材料的制備工藝主要有三類：液相法、氣相法和固相法。

4.1 液相法

包括先驅(qū)體浸漬裂解法和反應(yīng)熔融滲硅法。

先驅(qū)體浸漬裂解法：在一定的溫度和壓力下，將陶瓷相先驅(qū)體浸漬液浸滲到具有一定孔隙的碳/碳預(yù)制體內(nèi)，通過高溫使先驅(qū)體發(fā)生裂解反應(yīng)并得到陶瓷基體，廣泛應(yīng)用于制備碳化硅、氮化硅和氮化硼等陶瓷基復(fù)合材料。

反應(yīng)熔融滲透法：在一定工藝條件下，利用液態(tài)硅與碳基體之間的毛細(xì)管作用將熔融硅浸漬到碳/碳多孔預(yù)制體內(nèi)，并與基體內(nèi)的熱解碳發(fā)生原位化學(xué)反應(yīng)生成碳化硅陶瓷相。該工藝是一種簡單、快捷且成本低廉的制備碳陶剎車材料的途徑，現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化批量生產(chǎn)。

4.2 氣相法

將碳纖維預(yù)制體置入專用設(shè)備中，在工藝所需的溫度和壓力下，將先驅(qū)體氣體通入專用設(shè)備中，在高溫下氣體滲入到預(yù)制體內(nèi)部后，利用先驅(qū)反應(yīng)氣體的熱解特性形成陶瓷基體。

4.3 固相法

包括熱壓燒結(jié)工藝和溫壓-原位反應(yīng)工藝。該工藝方法尚不完全成熟，存在一些不足之處：樣件的力學(xué)性能數(shù)據(jù)相對(duì)較低、導(dǎo)熱性能較差、基體內(nèi)各組分的分布較不均勻。與實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的要求還有較大的距離。

上述每種工藝均有一定的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，綜合因素考慮，反應(yīng)熔融滲硅法是制備剎車材料較為理想的工藝。

研究及應(yīng)用結(jié)果證明，碳陶剎車材料具有以下特點(diǎn)：

（1）密度較低。碳/碳陶瓷基復(fù)合剎車材料的密度小于2.2g/cm3，低于金屬基剎車材料（通常其密度大于4.7g/cm3），較同樣尺寸的剎車片，碳陶剎車材料的質(zhì)量更輕。

（2）高摩擦系數(shù)，剎車性好。碳陶剎車材料的平均動(dòng)摩擦系數(shù)多為0.3～0.4，其靜摩擦系數(shù)多高于0.45。其濕態(tài)摩擦系數(shù)衰減較小，對(duì)環(huán)境不敏感，且剎車穩(wěn)定系數(shù)高。

（3）耐磨性較好，壽命較長。在相同的使用工況條件下，碳/碳陶瓷基復(fù)合剎車材料的磨損明顯小于其他組分的剎車材料，同時(shí)對(duì)對(duì)偶件的損傷也相對(duì)較小。

（4）抗氧化性較好，環(huán)境適應(yīng)能力較強(qiáng)。當(dāng)剎車環(huán)境溫度低于1 200 ℃時(shí)，碳/碳陶瓷基剎車材料具有較強(qiáng)的抗氧化能力，且環(huán)境濕度的變化不會(huì)引起碳陶剎車材料力學(xué)和摩擦性能的衰減。

（5）綜合成本低。由于壽命較長、且剎車盤的維護(hù)相對(duì)簡單，使得采購和使用成本極大降低，因此性價(jià)比較為合理。