C/C 复合材料在制动系统的应用及发展

2020-12-04程皓薛宁娟侯卫权李睿唐凤

炭素 2020年3期

程皓，薛宁娟，侯卫权，李睿，唐凤

（西安超码科技有限公司，西安 710025）

1 概述

C/C 复合材料是用炭纤维增强炭基体的一种复合材料，自问世以来，由于具有密度低、比强度比模量高、热膨胀系数小，以及优异的抗热震和摩擦磨损性能而受到研究者的青睐。在发展初期，由于生产周期长，价格昂贵，主要用于固体火箭发动机喉衬、航天飞机的机翼前缘、后缘和鼻帽锥等性能要求较高的航天等尖端技术领域。随着炭纤维制备技术的快速发展、生产成本的持续降低，C/C 复合材料已广泛应用于飞机、高速列车的刹车装置、单晶炉用坩埚、热压模具等民用领域[1-3]，而制动刹车系统的应用占了较大份额，下面就制动刹车用C/C 复合材料进行介绍，并展望了后期发展趋势和方向。

2 C/C 复合材料的制备方法

C/C 复合材料成型步骤大致可分为三步：预制体成型，坯体致密化及石墨化处理。

炭纤维预制体是由炭纤维长丝或短切丝，通过模压、针织、编织等方法制成的二维、三维甚至多维的C/C 复合材料增强体，是复合材料的骨架。常见的预制体有：热模压2D 预制体[4]、针刺2.5D 预制体[5-7]、细编穿刺3D 预制体[8]以及轴棒编织3D 预制体[9]等。

根据所用原料、制备工艺的不同，C/C 复合材料的致密方法可分为两类，即化学气相沉积（CVD）和液相浸渍/炭化法，其典型的工艺流程如图1 所示。CVD 法是用丙烯、天然气等含碳气体作为前驱体，高温裂解后直接在坯体内沉积炭，达到填孔和增密的目的。沉积炭与炭纤维之间的物理兼容性好，在石墨化时几乎没有收缩。但在致密过程中，热解炭容易沉积在坯体表面形成硬壳，阻止气体向内部扩散，影响增密效率，因此需要机械加工去除结壳。这种方法制备周期长，不适用厚度较大的制品。低压浸渍/炭化法常以呋喃树脂、酚醛树脂等作为碳源，所用设备比较简单，适用性广泛，但要经过反复多次浸渍/炭化循环才能达到密度要求，制备的C/C 复合材料基体残碳率低，结构疏松、性能较差。为了提高碳收率，增加致密度，可采用中高压沥青浸渍/炭化的方法，如热等静压法，但所需设备昂贵。

石墨化处理是制备C/C 复合材料并使其获得相应性能的重要工序，通过石墨化处理，C/C 复合材料中炭纤维和基体炭的相结构从乱层堆垛结构向石墨结构转变，其微观结构和性能得到改善和提高。根据基体炭类型和材料性能要求，C/C 复合材料石墨化处理温度应有所区别。

C/C 复合材料的制备可采用图1 中单一的致密方法，也可以采用2 种或以上的方法混合致密。苏君明等[10-13]采用狭缝定向流的“外热内冷”、“内热外冷”径向热梯度化学气相沉积和树脂浸渍/炭化相结合的方法，发明了热解炭/树脂炭双元炭基体致密技术，并成功应用到B757-200 型和A320 型飞机炭刹车盘的制备中。

3 C/C 复合材料在制动系统中的应用

3.1 飞机炭刹车盘

C/C 复合材料作为飞机刹车材料始于上世纪70年代。1971 年用于“协和号”的世界第一个炭刹车盘问世，1973 年在飞行航线Super M10 飞机上使用，1982 年美国波音公司B757 客机装备炭刹车盘。上世纪80 年代中后期，国外飞机炭刹车盘的制造技术已经完全成熟，并广泛应用到民航客机和军用飞机上，如波音系列的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；福克系列的F100、Bael46等客机；美国的F14、F15B、F16、F18 等战斗机，英国的鹞式战斗机、法国的幻影系列战斗机等[14]军用飞机。是否采用炭刹车盘已成为衡量航空机轮水平的重要标志。

飞机的炭刹车装置由动盘、静盘以及端面盘组成，其中动盘和静盘间隔安装，端面盘位于整套炭刹车盘两端，具体如图2 所示。多个炭刹车盘之间形成较大的摩擦面积，提高了刹车效率。与传统刹车相比，炭刹车盘不仅具有摩擦功能，还具有储热功能和传递力矩的功能。

炭刹车盘的密度为1.75g/cm3～1.80g/cm3左右，与金属刹车相比，可节省40%左右的结构重量。刹车力矩平稳，刹车时噪声小，飞机性能明显改进。下表1 是部分民航客机及我国部分军用飞机采用炭刹车盘后的减重情况[15]。

图2 飞机炭刹车盘装置Fig.2 Aircraft carbon brake disc device

表1 部分机型采用炭刹车盘后的减重情况Table 1 Weight loss of some models after using carbon brake discs

炭刹车盘的磨损性能良好，使用寿命长。在同等使用条件下的磨损量约为金属刹车的1/3～l/7，使用寿命是金属刹车的5～7 倍。一般军机上的使用寿命约1000 次起落，客机的使用寿命2000～3000 次起落。磨损到极限后，炭刹车盘还可以通过整体粘接[16]、“二合一”铆接等修复方式进行维修，继续延长使用寿命，降低成本，提高经济性。

C/C 复合材料一个致命的缺点是在高温有氧条件下易发生氧化，使综合性能降低。为了提高C/C 复合材料的高温性能，国内外学者在抗氧化防护方面做了大量的研究工作[17-23]。对于飞机炭刹车盘，由于刹车温升相对较低，因此常采用中低温抗氧化涂层体系，如磷酸盐系、硼酸盐系及卤化物等的玻璃涂层或者Si 系等的陶瓷涂层。磷酸盐、硼酸盐及卤化物系涂层几乎没有厚度，制备过程中渗入到基体内部，与材料结合性能好，但这类涂层与氧气反应后生成的玻璃相在高温状态容易流动挥发，甚至在潮湿环境中水解，影响氧化防护效果，因此适合刹车能量较小的机型。Si 系陶瓷涂层的抗氧化温度稍高，适合1000℃～1500℃温度区间的氧化防护，一般采用涂刷或喷涂的方法。这种制备方法简单易行，但制备的涂层和炭刹车盘表面结合性能较差，加之两者之间的热膨胀系数不匹配，在反复刹车热震过程中，涂层中易产生裂纹发生剥落，氧化防护效果降低。目前A320 型飞机原厂炭刹车盘的键齿部位就采用Si 系涂层。

飞机用炭刹车盘经过几十年的发展，技术成熟。由于国外飞机炭刹车的研究起步早，在技术上投入大量人力、物力，到目前为止，飞机炭刹车盘的国际市场仍然由英、法、美三国的四大公司（英国的Dunlop（现为Meggitt Aircraft Braking Systems）、法国的Messier-Bugatti、美国的Goodrich（现联合技术公司（UTC）），Honeywell）垄断。我国基本与国外同期开展飞机炭刹车盘的研制工作，目前主要参与单位有华兴航空机轮公司、湖南博云新材料股份有限公司、西安超码科技有限公司、北京百慕航材高科技股份有限公司、西安蓝太航空设备有限责任公司等。研制工作取得很大进展，如2004 年，湖南博云新材料股份有限公司和西安超码科技有限公司率先取得B757-200 型飞机炭刹车盘的PMA 许可证，2009 年西安超码科技有限公司国内首家取得A320型飞机炭刹车盘的PMA 许可证，研制的炭刹车盘完全能够代替原厂盘装机使用。

与国外相比，我国飞机炭刹车盘缺乏系统的自主研究，长期以来处于模仿阶段，创新能力不足，技术上很难有大的突破，目前仅有B757、A320 等少数机型采用国产炭刹车盘。再加上国外生产企业为了继续垄断市场，对出口我国的飞机炭刹车盘实行低价打压，使国内飞机炭刹车盘的研制工作更加处于不利形势。

近年来，国产军用飞机和客机进入快速发展阶段，最具代表性的有中国商飞的C919 和ARJ21 系列飞机。随着国产飞机的崛起，中国飞机炭刹车盘生产厂家将迎来新的发展机遇。

3.2 高速列车制动盘

高速列车摩擦制动分为踏面制动和盘形制动。盘形制动具有动能转移能力大、制动效率高、可实现摩擦副元件的可设计性和充分利用轮轨粘着等优点，已取代踏面制动得到广泛应用。盘形制动是通过制动盘与闸片之间的相互摩擦来实现减速停车，制动盘和闸片材料性能对制动效果有着直接影响，故制动盘材料应具有较高的机械强度、良好的耐热性和导热性、高且稳定的摩擦系数、优异的耐磨性及抗热裂性[24]。

目前，高速列车制动盘用材料大致可分为两大类，一类是传统的黑色金属材料，包括铸铁、铸钢和锻钢；另一类是复合材料，包括铝基复合材料、C/C 复合材料、炭陶复合材料等[25]。金属制动盘具有制造工艺成熟、简单，成本低廉的优势，因而普遍应用在速度较低的高速列车（≤200km/h）上。随着列车速度的不断提高，制动盘承受的制动能量越来越大，传统的金属制动盘难以适应列车高速化、轻量化的发展要求[26]。因此，国内外对复合材料制动盘开展了大量研究。

1987～1989 年，法国在高速列车上进行了C/C复合材料制动盘的装车试验[27]。结构形式为盘式。结果表明，摩擦系数受列车速度、湿度和压力的影响较大，最大值与最小值相差达6 倍，尤其是在雨雪天气条件下，刹车材料的磨损量急剧增加。为此，人们采用了飞机刹车装置的结构形式，如图3 所示。制动器由三片静盘和两片动盘组成，采用封闭结构解决了受雨雪天气影响的问题。

图3 C/C复合材料制动盘Fig.3 C/C composite brake disc

日本涌泽邦章等[28]用沥青基短纤维研制了新干线用多板式C/C 复合材料制动盘，制动盘由轴向能移动的圆盘状转子和定子构成。工作时利用空气压力压紧定子，再与转子摩擦得到制动力。采用三菱公司开发的油漆工型SiC 转换法对制动盘进行氧化防护，其原理是在C/C 复合材料表面上刷涂含有Si3N4的原料浆，Si3N4与复合材料中的C 元素发生如式（1）反应，在表面生成50～150um 的SiC 层。定置试验和现车匹配试验（安装在JR 东日本的STAR21 试验电力动车1 号车的第3 轴上）表明，C/C 复合材料制动盘的摩擦系数稳定，即使在350km/ h 高速下紧急制动也能获得理想的效果，预料今后将实用化。

姜稚清等[29]选用短切炭纤维为增强相，酚醛树脂为基体，采用热模压法制备了密度1.70g/cm3以上高速列车用C/C 复合摩阻材料，并在基体中加入B2O3和Si 粉以及在外部非摩擦面刷涂抗氧化涂层进行氧化防护，研究了其摩擦磨损性能。惯性制动实验台上测试的摩擦系数稳定在0.3 左右，且具有较高的耐磨损性能。

对于速度超过350km/h 的超高速列车，C/C 复合材料卓越的高温摩阻性能使其具有其它摩擦制动材料无以比拟的优势，但湿态和静态摩擦系数低[30]，限制了其在高速列车上的发展应用。到目前为止，国内外高速列车的制动盘仍然以金属盘和粉末冶金盘为主，C/C 复合材料制动盘工程化应用鲜见报道。

为了解决C/C 复合材料静摩擦系数低的问题，可在其中引入SiC、BN 等基体，制成炭陶复合材料制动盘。如英国SAB Wabco 公司研制了炭陶复合材料制动盘[31]，并应用于法国TGV -NG 高速列车，实践证明其使用寿命可提高3～5 倍，单个车厢减重近1 吨。中南大学、西北工业大学等单位也相继开展了高度列车用炭陶制动盘的研究[32]，但到目前为止均处于试验阶段，距离工程化应用还有很大距离。