C/C 復(fù)合材料在制動系統(tǒng)的應(yīng)用及發(fā)展

程皓，薛寧娟，侯衛(wèi)權(quán)，李睿，唐鳳

（西安超碼科技有限公司，西安 710025）

1 概述

C/C 復(fù)合材料是用炭纖維增強(qiáng)炭基體的一種復(fù)合材料，自問世以來，由于具有密度低、比強(qiáng)度比模量高、熱膨脹系數(shù)小，以及優(yōu)異的抗熱震和摩擦磨損性能而受到研究者的青睞。在發(fā)展初期，由于生產(chǎn)周期長，價(jià)格昂貴，主要用于固體火箭發(fā)動機(jī)喉襯、航天飛機(jī)的機(jī)翼前緣、后緣和鼻帽錐等性能要求較高的航天等尖端技術(shù)領(lǐng)域。隨著炭纖維制備技術(shù)的快速發(fā)展、生產(chǎn)成本的持續(xù)降低，C/C 復(fù)合材料已廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、高速列車的剎車裝置、單晶爐用坩堝、熱壓模具等民用領(lǐng)域[1-3]，而制動剎車系統(tǒng)的應(yīng)用占了較大份額，下面就制動剎車用C/C 復(fù)合材料進(jìn)行介紹，并展望了后期發(fā)展趨勢和方向。

2 C/C 復(fù)合材料的制備方法

C/C 復(fù)合材料成型步驟大致可分為三步：預(yù)制體成型，坯體致密化及石墨化處理。

炭纖維預(yù)制體是由炭纖維長絲或短切絲，通過模壓、針織、編織等方法制成的二維、三維甚至多維的C/C 復(fù)合材料增強(qiáng)體，是復(fù)合材料的骨架。常見的預(yù)制體有：熱模壓2D 預(yù)制體[4]、針刺2.5D 預(yù)制體[5-7]、細(xì)編穿刺3D 預(yù)制體[8]以及軸棒編織3D 預(yù)制體[9]等。

根據(jù)所用原料、制備工藝的不同，C/C 復(fù)合材料的致密方法可分為兩類，即化學(xué)氣相沉積（CVD）和液相浸漬/炭化法，其典型的工藝流程如圖1 所示。CVD 法是用丙烯、天然氣等含碳?xì)怏w作為前驅(qū)體，高溫裂解后直接在坯體內(nèi)沉積炭，達(dá)到填孔和增密的目的。沉積炭與炭纖維之間的物理兼容性好，在石墨化時(shí)幾乎沒有收縮。但在致密過程中，熱解炭容易沉積在坯體表面形成硬殼，阻止氣體向內(nèi)部擴(kuò)散，影響增密效率，因此需要機(jī)械加工去除結(jié)殼。這種方法制備周期長，不適用厚度較大的制品。低壓浸漬/炭化法常以呋喃樹脂、酚醛樹脂等作為碳源，所用設(shè)備比較簡單，適用性廣泛，但要經(jīng)過反復(fù)多次浸漬/炭化循環(huán)才能達(dá)到密度要求，制備的C/C 復(fù)合材料基體殘?zhí)悸实停Y(jié)構(gòu)疏松、性能較差。為了提高碳收率，增加致密度，可采用中高壓瀝青浸漬/炭化的方法，如熱等靜壓法，但所需設(shè)備昂貴。

石墨化處理是制備C/C 復(fù)合材料并使其獲得相應(yīng)性能的重要工序，通過石墨化處理，C/C 復(fù)合材料中炭纖維和基體炭的相結(jié)構(gòu)從亂層堆垛結(jié)構(gòu)向石墨結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，其微觀結(jié)構(gòu)和性能得到改善和提高。根據(jù)基體炭類型和材料性能要求，C/C 復(fù)合材料石墨化處理溫度應(yīng)有所區(qū)別。

C/C 復(fù)合材料的制備可采用圖1 中單一的致密方法，也可以采用2 種或以上的方法混合致密。蘇君明等[10-13]采用狹縫定向流的“外熱內(nèi)冷”、“內(nèi)熱外冷”徑向熱梯度化學(xué)氣相沉積和樹脂浸漬/炭化相結(jié)合的方法，發(fā)明了熱解炭/樹脂炭雙元炭基體致密技術(shù)，并成功應(yīng)用到B757-200 型和A320 型飛機(jī)炭剎車盤的制備中。

3 C/C 復(fù)合材料在制動系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1 飛機(jī)炭剎車盤

C/C 復(fù)合材料作為飛機(jī)剎車材料始于上世紀(jì)70年代。1971 年用于“協(xié)和號”的世界第一個炭剎車盤問世，1973 年在飛行航線Super M10 飛機(jī)上使用，1982 年美國波音公司B757 客機(jī)裝備炭剎車盤。上世紀(jì)80 年代中后期，國外飛機(jī)炭剎車盤的制造技術(shù)已經(jīng)完全成熟，并廣泛應(yīng)用到民航客機(jī)和軍用飛機(jī)上，如波音系列的Boeing747-400、Boeing757、Boeing767-300、Boeing777 等； 空 中 客 車 系 列 的A300、A310、A320、A330、A340、A380 等； 麥 道系列的MD90、MD11 等；福克系列的F100、Bael46等客機(jī)；美國的F14、F15B、F16、F18 等戰(zhàn)斗機(jī)，英國的鷂式戰(zhàn)斗機(jī)、法國的幻影系列戰(zhàn)斗機(jī)等[14]軍用飛機(jī)。是否采用炭剎車盤已成為衡量航空機(jī)輪水平的重要標(biāo)志。

飛機(jī)的炭剎車裝置由動盤、靜盤以及端面盤組成，其中動盤和靜盤間隔安裝，端面盤位于整套炭剎車盤兩端，具體如圖2 所示。多個炭剎車盤之間形成較大的摩擦面積，提高了剎車效率。與傳統(tǒng)剎車相比，炭剎車盤不僅具有摩擦功能，還具有儲熱功能和傳遞力矩的功能。

炭剎車盤的密度為1.75g/cm3～1.80g/cm3左右，與金屬剎車相比，可節(jié)省40%左右的結(jié)構(gòu)重量。剎車力矩平穩(wěn)，剎車時(shí)噪聲小，飛機(jī)性能明顯改進(jìn)。下表1 是部分民航客機(jī)及我國部分軍用飛機(jī)采用炭剎車盤后的減重情況[15]。

圖2 飛機(jī)炭剎車盤裝置Fig.2 Aircraft carbon brake disc device

表1 部分機(jī)型采用炭剎車盤后的減重情況Table 1 Weight loss of some models after using carbon brake discs

炭剎車盤的磨損性能良好，使用壽命長。在同等使用條件下的磨損量約為金屬剎車的1/3～l/7，使用壽命是金屬剎車的5～7 倍。一般軍機(jī)上的使用壽命約1000 次起落，客機(jī)的使用壽命2000～3000 次起落。磨損到極限后，炭剎車盤還可以通過整體粘接[16]、“二合一”鉚接等修復(fù)方式進(jìn)行維修，繼續(xù)延長使用壽命，降低成本，提高經(jīng)濟(jì)性。

C/C 復(fù)合材料一個致命的缺點(diǎn)是在高溫有氧條件下易發(fā)生氧化，使綜合性能降低。為了提高C/C 復(fù)合材料的高溫性能，國內(nèi)外學(xué)者在抗氧化防護(hù)方面做了大量的研究工作[17-23]。對于飛機(jī)炭剎車盤，由于剎車溫升相對較低，因此常采用中低溫抗氧化涂層體系，如磷酸鹽系、硼酸鹽系及鹵化物等的玻璃涂層或者Si 系等的陶瓷涂層。磷酸鹽、硼酸鹽及鹵化物系涂層幾乎沒有厚度，制備過程中滲入到基體內(nèi)部，與材料結(jié)合性能好，但這類涂層與氧氣反應(yīng)后生成的玻璃相在高溫狀態(tài)容易流動揮發(fā)，甚至在潮濕環(huán)境中水解，影響氧化防護(hù)效果，因此適合剎車能量較小的機(jī)型。Si 系陶瓷涂層的抗氧化溫度稍高，適合1000℃～1500℃溫度區(qū)間的氧化防護(hù)，一般采用涂刷或噴涂的方法。這種制備方法簡單易行，但制備的涂層和炭剎車盤表面結(jié)合性能較差，加之兩者之間的熱膨脹系數(shù)不匹配，在反復(fù)剎車熱震過程中，涂層中易產(chǎn)生裂紋發(fā)生剝落，氧化防護(hù)效果降低。目前A320 型飛機(jī)原廠炭剎車盤的鍵齒部位就采用Si 系涂層。

飛機(jī)用炭剎車盤經(jīng)過幾十年的發(fā)展，技術(shù)成熟。由于國外飛機(jī)炭剎車的研究起步早，在技術(shù)上投入大量人力、物力，到目前為止，飛機(jī)炭剎車盤的國際市場仍然由英、法、美三國的四大公司（英國的Dunlop（現(xiàn)為Meggitt Aircraft Braking Systems）、法國的Messier-Bugatti、美國的Goodrich（現(xiàn)聯(lián)合技術(shù)公司（UTC）），Honeywell）壟斷。我國基本與國外同期開展飛機(jī)炭剎車盤的研制工作，目前主要參與單位有華興航空機(jī)輪公司、湖南博云新材料股份有限公司、西安超碼科技有限公司、北京百慕航材高科技股份有限公司、西安藍(lán)太航空設(shè)備有限責(zé)任公司等。研制工作取得很大進(jìn)展，如2004 年，湖南博云新材料股份有限公司和西安超碼科技有限公司率先取得B757-200 型飛機(jī)炭剎車盤的PMA 許可證，2009 年西安超碼科技有限公司國內(nèi)首家取得A320型飛機(jī)炭剎車盤的PMA 許可證，研制的炭剎車盤完全能夠代替原廠盤裝機(jī)使用。

與國外相比，我國飛機(jī)炭剎車盤缺乏系統(tǒng)的自主研究，長期以來處于模仿階段，創(chuàng)新能力不足，技術(shù)上很難有大的突破，目前僅有B757、A320 等少數(shù)機(jī)型采用國產(chǎn)炭剎車盤。再加上國外生產(chǎn)企業(yè)為了繼續(xù)壟斷市場，對出口我國的飛機(jī)炭剎車盤實(shí)行低價(jià)打壓，使國內(nèi)飛機(jī)炭剎車盤的研制工作更加處于不利形勢。

近年來，國產(chǎn)軍用飛機(jī)和客機(jī)進(jìn)入快速發(fā)展階段，最具代表性的有中國商飛的C919 和ARJ21 系列飛機(jī)。隨著國產(chǎn)飛機(jī)的崛起，中國飛機(jī)炭剎車盤生產(chǎn)廠家將迎來新的發(fā)展機(jī)遇。

3.2 高速列車制動盤

高速列車摩擦制動分為踏面制動和盤形制動。盤形制動具有動能轉(zhuǎn)移能力大、制動效率高、可實(shí)現(xiàn)摩擦副元件的可設(shè)計(jì)性和充分利用輪軌粘著等優(yōu)點(diǎn)，已取代踏面制動得到廣泛應(yīng)用。盤形制動是通過制動盤與閘片之間的相互摩擦來實(shí)現(xiàn)減速停車，制動盤和閘片材料性能對制動效果有著直接影響，故制動盤材料應(yīng)具有較高的機(jī)械強(qiáng)度、良好的耐熱性和導(dǎo)熱性、高且穩(wěn)定的摩擦系數(shù)、優(yōu)異的耐磨性及抗熱裂性[24]。

目前，高速列車制動盤用材料大致可分為兩大類，一類是傳統(tǒng)的黑色金屬材料，包括鑄鐵、鑄鋼和鍛鋼；另一類是復(fù)合材料，包括鋁基復(fù)合材料、C/C 復(fù)合材料、炭陶復(fù)合材料等[25]。金屬制動盤具有制造工藝成熟、簡單，成本低廉的優(yōu)勢，因而普遍應(yīng)用在速度較低的高速列車（≤200km/h）上。隨著列車速度的不斷提高，制動盤承受的制動能量越來越大，傳統(tǒng)的金屬制動盤難以適應(yīng)列車高速化、輕量化的發(fā)展要求[26]。因此，國內(nèi)外對復(fù)合材料制動盤開展了大量研究。

1987～1989 年，法國在高速列車上進(jìn)行了C/C復(fù)合材料制動盤的裝車試驗(yàn)[27]。結(jié)構(gòu)形式為盤式。結(jié)果表明，摩擦系數(shù)受列車速度、濕度和壓力的影響較大，最大值與最小值相差達(dá)6 倍，尤其是在雨雪天氣條件下，剎車材料的磨損量急劇增加。為此，人們采用了飛機(jī)剎車裝置的結(jié)構(gòu)形式，如圖3 所示。制動器由三片靜盤和兩片動盤組成，采用封閉結(jié)構(gòu)解決了受雨雪天氣影響的問題。

圖3 C/C復(fù)合材料制動盤Fig.3 C/C composite brake disc

日本涌澤邦章等[28]用瀝青基短纖維研制了新干線用多板式C/C 復(fù)合材料制動盤，制動盤由軸向能移動的圓盤狀轉(zhuǎn)子和定子構(gòu)成。工作時(shí)利用空氣壓力壓緊定子，再與轉(zhuǎn)子摩擦得到制動力。采用三菱公司開發(fā)的油漆工型SiC 轉(zhuǎn)換法對制動盤進(jìn)行氧化防護(hù)，其原理是在C/C 復(fù)合材料表面上刷涂含有Si3N4的原料漿，Si3N4與復(fù)合材料中的C 元素發(fā)生如式（1）反應(yīng)，在表面生成50～150um 的SiC 層。定置試驗(yàn)和現(xiàn)車匹配試驗(yàn)（安裝在JR 東日本的STAR21 試驗(yàn)電力動車1 號車的第3 軸上）表明，C/C 復(fù)合材料制動盤的摩擦系數(shù)穩(wěn)定，即使在350km/ h 高速下緊急制動也能獲得理想的效果，預(yù)料今后將實(shí)用化。

姜稚清等[29]選用短切炭纖維為增強(qiáng)相，酚醛樹脂為基體，采用熱模壓法制備了密度1.70g/cm3以上高速列車用C/C 復(fù)合摩阻材料，并在基體中加入B2O3和Si 粉以及在外部非摩擦面刷涂抗氧化涂層進(jìn)行氧化防護(hù)，研究了其摩擦磨損性能。慣性制動實(shí)驗(yàn)臺上測試的摩擦系數(shù)穩(wěn)定在0.3 左右，且具有較高的耐磨損性能。

對于速度超過350km/h 的超高速列車，C/C 復(fù)合材料卓越的高溫摩阻性能使其具有其它摩擦制動材料無以比擬的優(yōu)勢，但濕態(tài)和靜態(tài)摩擦系數(shù)低[30]，限制了其在高速列車上的發(fā)展應(yīng)用。到目前為止，國內(nèi)外高速列車的制動盤仍然以金屬盤和粉末冶金盤為主，C/C 復(fù)合材料制動盤工程化應(yīng)用鮮見報(bào)道。

為了解決C/C 復(fù)合材料靜摩擦系數(shù)低的問題，可在其中引入SiC、BN 等基體，制成炭陶復(fù)合材料制動盤。如英國SAB Wabco 公司研制了炭陶復(fù)合材料制動盤[31]，并應(yīng)用于法國TGV -NG 高速列車，實(shí)踐證明其使用壽命可提高3～5 倍，單個車廂減重近1 噸。中南大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等單位也相繼開展了高度列車用炭陶制動盤的研究[32]，但到目前為止均處于試驗(yàn)階段，距離工程化應(yīng)用還有很大距離。

4 發(fā)展與展望

C/C 復(fù)合材料用作飛機(jī)和高速列車的剎車材料，高溫摩阻性能優(yōu)異，但靜摩擦系數(shù)低，一般為0.15，濕態(tài)剎車性能不穩(wěn)定，而且制備周期長，價(jià)格高昂，限制了它的進(jìn)一步應(yīng)用。綜合國內(nèi)現(xiàn)狀，要打破這一局勢，應(yīng)從以下幾個方面著手：

（1）提高C/C 復(fù)合材料致密效率和批量化生產(chǎn)能力，降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)性，增強(qiáng)市場競爭力。

（2）在C/C 復(fù)合材料中引入適量陶瓷粒子，研制炭陶復(fù)合材料，以提高靜摩擦系數(shù)，改善濕態(tài)剎車性能，

（3）在國產(chǎn)飛機(jī)快速發(fā)展的背景下，提高飛機(jī)炭剎車材料及結(jié)構(gòu)的自主研發(fā)能力，加快國產(chǎn)飛機(jī)炭剎車盤的工程化應(yīng)用。