航空耐高温摩擦材料“扛把子”——碳复合材料

随着现代科学的蓬勃发展,许多以往未知的新材料不断出现在科学家的实验室中,包括超导材料、纳米材料在内的新材料都是诞生在这个时期。其中,有一些新材料的发明创造却纯属意外,碳/碳复合材料就是其中一员。

然而,这种由于意外诞生的新材料,现在成为了耐高温摩擦材料界的“扛把子”,被用来生产刹车盘和其他耐高温结构件,C919大型客机刹车盘也是用的碳/碳复合材料。

意外带来的惊喜

1958年,美国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,这是世界上首次发现碳/碳复合材料。

提到复合材料,了解最多的是树脂基复合材料。它是由树脂为基体、碳纤维/玻璃纤维为增强体的复合材料,上面提到的碳纤维/酚醛树脂复合材料就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,第一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。

飞机刹车盘吸收的能量有多大

飞机刹车系统一般采用液压制动技术(波音787除外),由发动机为液压泵提供动力,液压泵将低压转换为高压,通过液压管路将压力传输给刹车作动器。刹车作动器推动压紧刹车盘,通过刹车盘间的摩擦,提供阻止机轮滚动的力矩,以减小飞机滑跑速度。

这个听起来简单的刹车盘其实一点儿都不简单。因为飞机着陆时速度很快,蕴含巨大能量,根据能量守恒定律,飞机需要依靠反推装置和刹车装置去吸收掉这个巨大能量(当然气动阻力也能帮一点忙),才能使飞机静止下来。刹车盘在摩擦过程中,把大部分飞机动能转化为热能,因此,刹车盘的工作温度至少在几百摄氏度。

不仅如此,飞机刹车系统在设计时,还要考虑许多运营中可能出现的意外情况,这对刹车盘提出了更高要求。比如飞机在跑道高速滑跑准备起飞时,遇到突发状况需要中止起飞。又比如飞机起飞不久发现系统故障需要返回,而且这个时候襟缝翼又无法完全打开。这些意外状况对于刹车盘的挑战在于,它需要吸收比正常着陆情况大得多的能量。

其中最严酷的挑战是上面提到的第二种,飞机设计师要开展“最严酷着陆停止试验”来验证刹车盘是否满足设计需求。在这个试验工况下,飞机比正常着陆情况更重(油箱几乎是满的)、速度更快、气动阻力更小(襟缝翼不能完全打开)、反推装置关闭,几乎全靠刹车盘吸收飞机动能。

那么这种情况下,刹车盘要吸收多大能量呢?按照飞机重78吨、以200节速度着陆来计算的话,这个能量大约是360兆焦。如果高中物理还记得的话,1焦耳能量可以把1N物体举起1米。假设这个1N的物体是颗小苹果,那么360兆焦的能量可以把3.6万吨苹果举起1米,或者把这颗小苹果举起36万千米——那差不多是地球到月球的距离。

这时刹车盘由于吸收巨大能量,温度急剧上升,达到一千多摄氏度,高温使刹车盘呈现明亮的橙色,像一颗滚烫的火球。

国产碳/碳复合材料

我国对碳/碳复合材料的研究开发工作开始于20世纪70年代末,经过几十年的发展,取得了丰硕的成果,先进性直追发达国家。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A320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商用飞机碳刹车盘。

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摄氏度左右开始氧化,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。

国产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。

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。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。国产刹车盘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,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。

(来源:中国航空新闻网)

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