既耐高温又耐摩擦,中国C919大飞机刹车盘,是怎么做到的?

20世纪的材料界可以说是惊喜不断,随着现代科学的蓬勃发展,许多以往未知的新材料不断诞生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出现在这个时期。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,正是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,中国的C919大型客机刹车盘就用到了它。

(一)飞机刹车盘吸收的能量,可以把苹果送上月球

说起刹车盘,可能大多数人不太了解,不过,你有没有好奇过,飞机这样的庞然大物,究竟是怎么刹车的?

[飞机的起飞和降落是一个相当具有挑战性的过程] 飞机的起飞和降落是一个相当具有挑战性的过程




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。这些意外状况一旦发生,那么刹车盘就需要吸收比正常着陆情况大得多的能量。

上面提到的两种意外状况中,第二种对刹车盘的挑战最严酷,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。按照高中物理学到的知识,1焦耳能量可以把1N(牛顿)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36万公里——这差不多是地球到月球的距离。

这时的刹车盘由于吸收了巨大的能量,温度急剧上升,能达到一千多度,高温使其呈现明亮的橙色,看上去就像一颗滚烫的火球。


说了这么多,可见制造飞机刹车盘的材料是有多么重要了,它既需要扛得住摩擦又得耐得了高温,什么材料能满足这样的条件呢?答案就是,碳/碳复合材料。


(二)意外带来的惊喜:碳/碳复合材料

碳/碳复合材料,从名字上就看得出来,这是一种复合材料。它的发现过程,这真可谓是意外中带来的惊喜。

1958年,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。

上面提到的碳纤维/酚醛树脂复合材料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。


(三)C919大型客机用上国产碳/碳复合材料

中国对碳/碳复合材料的研究开发工作开始于二十世纪七十年代末,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320等机型提供刹车盘。

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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民机碳刹车盘。


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。

C919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。一般的刹车盘可能在一千多个起降后就要更换,而C919的刹车盘经过疲劳试验,证明可以达到两千个起降。

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。这方面,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。而C919刹车盘使用的碳/碳复合材料,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,它还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。

随着飞行器速度越来越快,其对耐高温材料的要求必然越来越高。作为耐高温材料界的“实力担当”,碳/碳复合材料的研究显然方兴未艾。

目前,国内有机构研究出一种耐3000度超高温多元陶瓷碳/碳复合材料,将多元陶瓷与碳/碳复合材料融合,利用陶瓷高熔点、高强度、高耐磨等特性,进一步提高碳/碳复合材料的耐高温性能和力学性能,创造了烧蚀材料耐高温的世界新纪录。

结语

诚然,一款新材料从实验室到工业生产还有很长的路要走,国产的碳/碳复合材料要想在工业界,尤其是民机产业占有一席之地,保证产品可靠性和稳定性是必须攻克的难关。不过,我们仍然有理由相信,国产碳/碳复合材料会在耐高温摩擦材料“实力担当”的道路上越走越远。


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分享 2018-09-02









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