航空刹车材料发展概述

周一帆，陆贤坤，刘海平，薛 亮

（1.海装驻咸阳地区军事代表室，陕西兴平 713106；2.西安航空制动科技有限公司，陕西西安 710065）

刹车系统是各类航空飞行器的重要组成部分，而刹车材料是刹车系统的重要组成要素。为了保证飞行器刹车系统的稳定性和可靠性，刹车材料一般具备如下性能：足够的刹车力矩，稳定性好，适宜的刹车噪声和振动幅度，满足设计需求的使用寿命和热库体积容量，同时还要具有一定的机械强度和力学性能。按照航空刹车材料的物相组成，其发展大致为四个阶段：聚合物黏结刹车材料、粉末冶金刹车材料、碳/碳复合刹车材料和碳/碳陶瓷基复合刹车材料。

1 聚合物黏结刹车材料

该类材料属于第一代刹车材料，其物相组成主要为钢纤维、还原铁粉和泡沫铁粉。该类材料的主要特点为：耐受使用环境温度较高、导热系数相对较大，且单位面积吸收功率较高，一般应用于汽车的重负荷刹车工况环境。

2 粉末冶金刹车材料

通常情况下，粉末冶金刹车材料又可称为烧结金属刹车材料，以金属及其合金类化合物作为材料的基体，并向材料内引入润滑组分和刹车组分，利用粉末冶金烧结工艺制备的一种类“金属陶瓷”材料。按照基体合金的种类，主要分为铜基和铁基，并在这两类基体之上又发展出铁铜基复合刹车材料。另外还有铝基、镍基、钼基、铍基等刹车材料，但这些类型的材料不常用，一般使用于特殊服役环境下。通常情况下，组成主要为三大部分：基体组元、刹车组元和润滑组元。

与其他组分的刹车材料相比，具有诸多的优良特性：机械强度较高、稳定的摩擦特性、使用温度和热容量相对较大、导热性能较好。然而粉末冶金刹车材料存在比热容度、热膨胀系数和抗氧化等方面的缺点，同时其重量较大、磨损量较大、抗高温变形能力差、使用寿命短，已经基本被淘汰出飞机刹车材料领域，目前绝大多数飞机上正使用化学、物理性能更加优异的碳基刹车材料。

3 碳/碳复合刹车材料

碳/碳复合刹车材料具有高模、高强、耐磨损等一系列常规金属刹车材料所不具备的优点，尤其是碳/碳复合材料具有良好的高温力学强度，这些优良的刹车性能是树脂基和金属刹车材料所不具备的。同时碳/碳刹车材料具有较高的摩擦系数且制动平稳、热膨胀系数较小、导热系数较高、能承受较强的耐热冲击等优点、重量也相对较轻，这使得其摩擦磨损性能远优于一般摩擦材料。与钢刹车盘热库相比，碳/碳复合材料刹车盘的热容量提高了2倍左右同时使用寿命提高了大约1倍左右，且重量降低20%～40%，这对飞机减重如黄金般珍贵的重量来说，无疑是一次革命性的突破。另外，碳/碳复合刹车材料使用的工况环境温度更高，且具有稳定的摩擦磨损性能，并且在使用中刹车盘不熔化、盘与盘之间不黏结、刹车盘盘体不变形，这将极大提高飞机着陆的安全性。

一般碳/碳复合材料的制备工艺根据致密化工艺的不同，大致分为三类：化学气相渗透法（简称CVI）、液相浸渍法（简称浸渍法），以及两种方法结合起来使用，有先用CVI再液相浸渍的，也有先用浸渍，然后再用CVI工艺增密的。

3.1 化学气相渗透法

化学气相渗透是一种在特定工艺条件下向具有一定孔隙的碳纤维预制体内部进行增密的工艺。将工件置入专用的设备中，升温至工艺要求的温度，在一定的炉内压力下，通入碳源气体（丙烯、甲烷等）以填充碳纤维预制体内部孔隙的过程。可大致分为热梯度CVI、等温CVI和压差CVI。

3.2 液相浸渍法

液相浸渍工艺：在一定的压力下将沥青或树脂浸渗到碳纤维预制体的孔隙内，并在高温条件下使沥青或树脂转化为裂解碳，并填充在预制体的孔隙内进行增密的过程。浸渍工艺包括低压、中压和高压浸渍，浸渍剂有热固性树脂和热塑性沥青。典型工艺过程为：浸渍、碳化、石墨化。一次工艺过程裂解出的碳较为有限，并不能完全填满预制体内部的孔隙，需反复多次进行浸渍、碳化和石墨化，将预制体内部的孔隙逐渐填充满，使工件达到所需的密度。

尽管碳/碳刹车材料的性能优势得到了大家的一致认同，但其在刹车性能和制备工艺方面仍有一些不足，比如：静摩擦系数相对较低、工况使用环境适应性还有待提高、制备周期较长导致生产成本相对较高。以上种种缺陷使得碳/碳复合刹车材料较难应用于苛刻工况下的刹车系统中，从而限制了该材料的进一步发展和应用，因此需要研制一种新型碳基复合刹车材料来克服碳/碳刹车材料的不足。

4 碳/碳陶瓷基复合刹车材料

碳/碳陶瓷基复合刹车材料是在碳/碳复合刹车材料的基础上采用基体改性技术，向材料内部引入了具有优异抗氧化及摩擦磨损性能的组分，是一种以热解碳、改性组元为基体的一种多相复合刹车材料[3]，其不仅具有碳/碳复合刹车材料的优良性能，还能够改善碳/碳复合刹车材料在刹车性能和制备工艺方面上的一些不足，该材料被誉为目前刹车材料性能的最高水平。

目前，碳陶复合刹车材料的制备工艺主要有三类：液相法、气相法和固相法。

4.1 液相法

包括先驱体浸渍裂解法和反应熔融渗硅法。

先驱体浸渍裂解法：在一定的温度和压力下，将陶瓷相先驱体浸渍液浸渗到具有一定孔隙的碳/碳预制体内，通过高温使先驱体发生裂解反应并得到陶瓷基体，广泛应用于制备碳化硅、氮化硅和氮化硼等陶瓷基复合材料。

反应熔融渗透法：在一定工艺条件下，利用液态硅与碳基体之间的毛细管作用将熔融硅浸渍到碳/碳多孔预制体内，并与基体内的热解碳发生原位化学反应生成碳化硅陶瓷相。该工艺是一种简单、快捷且成本低廉的制备碳陶刹车材料的途径，现已实现工业化批量生产。

4.2 气相法

将碳纤维预制体置入专用设备中，在工艺所需的温度和压力下，将先驱体气体通入专用设备中，在高温下气体渗入到预制体内部后，利用先驱反应气体的热解特性形成陶瓷基体。

4.3 固相法

包括热压烧结工艺和温压-原位反应工艺。该工艺方法尚不完全成熟，存在一些不足之处：样件的力学性能数据相对较低、导热性能较差、基体内各组分的分布较不均匀。与实现产业化的要求还有较大的距离。

上述每种工艺均有一定的优点和缺点，综合因素考虑，反应熔融渗硅法是制备刹车材料较为理想的工艺。

研究及应用结果证明，碳陶刹车材料具有以下特点：

（1）密度较低。碳/碳陶瓷基复合刹车材料的密度小于2.2g/cm3，低于金属基刹车材料（通常其密度大于4.7g/cm3），较同样尺寸的刹车片，碳陶刹车材料的质量更轻。

（2）高摩擦系数，刹车性好。碳陶刹车材料的平均动摩擦系数多为0.3～0.4，其静摩擦系数多高于0.45。其湿态摩擦系数衰减较小，对环境不敏感，且刹车稳定系数高。

（3）耐磨性较好，寿命较长。在相同的使用工况条件下，碳/碳陶瓷基复合刹车材料的磨损明显小于其他组分的刹车材料，同时对对偶件的损伤也相对较小。

（4）抗氧化性较好，环境适应能力较强。当刹车环境温度低于1 200 ℃时，碳/碳陶瓷基刹车材料具有较强的抗氧化能力，且环境湿度的变化不会引起碳陶刹车材料力学和摩擦性能的衰减。

（5）综合成本低。由于寿命较长、且刹车盘的维护相对简单，使得采购和使用成本极大降低，因此性价比较为合理。