[科普中国]-碳刹车

简介

碳刹车作为飞机上一种刹车技术方法，其核心技术主要在于飞机刹车盘的材料选择，目前常用的碳刹车盘，相比于之前的粉末冶金摩擦材料等金属刹车盘，其性能优异，材料耐磨性优异，刹车盘使用寿命长。

国内在碳/碳刹车盘方面的研究现状从1972年起，中航工业制动就开始在国内进行国内首家碳刹车材料研究，在非常困难的情况下，进行各项技术攻坚。5年后，国内第一套扇形片结构碳/碳刹车盘大样惯性台模拟刹车试验取得成功。这在中国碳/碳刹车材料研究的进程中具有重要意义。

1983年，国内第一代碳/碳复合材料刹车盘研制成功，成功打破了国外对碳刹车技术的垄断，填补了国内空白，实现了我国机轮刹车材料的换代升级。虽然碳/碳复合材料刹车盘的工程研制起步比较早，但是在相当长的一段时间，我国在碳/碳复合材料刹车盘工程化应用领域仍落后发达国家20年以上时间。

经过多年的不断探索研究，国内相关厂家也已经掌握碳刹车性能与碳盘制备工艺参数间的调整规律，根据不同使用条件要求及受力状态，可通过调整碳盘预制体铺设夹角、碳纤维积含量及CVD工艺参数、热处理规范来适当改变碳/碳刹车盘制动性能及承载能力。并以科技创新为主导，用天然气替代丙烯气进行碳/碳刹车盘沉积。成本低、速度快、密度高、湿态刹车能力强，为碳/碳刹车盘的制备打开了绿色通道。

国内研制的高性能碳/碳刹车盘，能使飞机刹车装置减轻30%左右的质量，这对航空制造业来说是一福音。2003年中南大学研制成功波音757碳/碳复合材料刹车盘，随后北京航空材料研究院研制成功麦道90型飞机碳/碳刹车盘，2003年，一航制动研制生产的“新舟”60碳刹车机轮也通过了适航项目批准。航天43所、中南大学、北京航空材料研究院等单位又都完成了Airbus 320飞机碳/碳刹车盘的研制、试车和装机试飞，取得了令人瞩目的成就。1

刹车盘性能对比碳/碳复合材料有高的熔化热，高温下的高强度和化学稳定性及良好的抗热震性能等，使之成为极热环境下的高性能结构材料。对于飞机来说，碳/碳复合材料也是很理想的摩擦材料，因为它与粉末冶金摩擦材料相比，具有独特的性能。图1为二者的性能对比表，以下就二者的性能特征进行比较。

(1)材料的密度小，可显著减少刹车盘的结构质量

碳/碳刹车盘的密度为1.5~1.9 g/cm3，钢的密度为7.8 g/cm3，金属陶瓷摩擦材料的密度为4~6 g/cm3。与钢刹车(金属陶-钢)相比，采用碳/碳刹车可使飞机有明显的减重效果见图2。

以“协和号”飞机为例，采用粉末冶金材料制造的热库约为173 kg，而采用碳/碳复合材料制造的热库重约45 kg，每个刹车装置可减重60%，每架飞机可减重544 kg。这种减重比率对于飞行器的设计及使用，具有明显的先进性。

(2)材料耐磨性优异，刹车盘使用寿命长

飞机刹车盘的磨损主要是由于刹车过程中的高温和高应力状态引起，即所谓热磨损。碳/碳复合材料刹车盘，具有优异的高温热稳定性，在1200~1500℃条件下，其强度不但不降低，反而有所提高，所以高温耐磨性好；同时，由于热膨胀系数小，导热性能好，抗热震能力强，所以刹车盘不易产生热翘曲变形及表面龟裂现象，提高了刹车盘的使用寿命，比粉末冶金刹车盘寿命提高3~4倍。国外厂家称碳/碳刹车盘使用寿命可达3000次起落。

(3)稳定的动摩擦因数，抗卡滞及抗黏着性能优良

由于碳/碳刹车盘的耐热性强，表面不易出现黏着、剥落等现象，刹车过程中无卡滞，刹车力矩平稳。

(4)简化刹车盘设计

由于采用全碳结构刹车盘，不需要附加摩擦衬片、连接件和刹车骨架等，可以简化设计，减少加工工序。图3为A300碳/碳刹车盘与波音747粉末冶金刹车盘。

(5)热膨胀系数小，比热容高(铁的两倍)，导热率高

碳/碳刹车盘抗卡滞能力强，刹车过程平稳可靠。这是由于碳/碳复合材料高温强度高，刹车盘表面不易出现熔化、剥落和龟裂等现象发生。利于吸收制动中所产生的大量热，并且易于吸收和散热。同时这种刹车盘副单位质量吸收热量能力大，制动平稳，实现减重节能的效果。

(6)碳/碳刹车盘工作温度高

由于碳/碳复合材料的耐热温度高达2700℃以上(碳在石墨状态下，只有加热到4000℃才能熔化，只有加热到2500 ℃以上才能测出其塑性变形，在常压下加热到3000℃时碳才开始升华)，且高温力学性能优良，所以炭/炭刹车盘的使用工作温度高达2000℃以上。

基于以上高温下良好而稳定的摩擦磨损等性能特点，碳/碳复合材料刹车盘在军用飞机和民航飞机上得到了广泛应用，部分或者全部取代了金属基刹车片。

图4展示了民航飞机的碳/碳刹车盘使用量。在世界大型客机中，如波音系列：Boeing747-400、Boeing757、Boeing767-300、Boeing777等；空中客车系列的A300、A310、A320、A330、A340、A380等；麦道系列的MD90、MD11等；福克系列：F100、Bael46、运7-200A等。还有大量的军用飞机采用炭/炭刹车盘，如美国的F14、F15B、F16、F18等，英国的鹞式战斗机、法国的幻影系列战斗机等。1