航空耐高溫摩擦材料“扛把子”——碳複合材料

隨著現代科學的蓬勃發展，許多以往未知的新材料不斷出現在科學家的實驗室中，包括超導材料、納米材料在內的新材料都是誕生在這個時期。其中，有一些新材料的發明創造卻純屬意外，碳/碳複合材料就是其中一員。

然而，這種由於意外誕生的新材料，現在成為了耐高溫摩擦材料界的“扛把子”，被用來生產刹車盤和其他耐高溫結構件，C919大型客機刹車盤也是用的碳/碳複合材料。

意外帶來的驚喜

1958年，美國Chance vought 航空公司在研究碳纖維/酚醛樹脂複合材料時，發生了一些失誤，使樹脂基體未被氧化而發生了熱解形成基體碳，這是世界上首次發現碳/碳複合材料。

提到複合材料，了解多的是樹脂基複合材料。它是由樹脂為基體、碳纖維/玻璃纖維為增強體的複合材料，上麵提到的碳纖維/酚醛樹脂複合材料就是一種應用廣泛的樹脂基複合材料。

碳纖維樹脂基複合材料由於具有較高的比強度、比模量、較好的延展性、卓越的抗腐蝕性等特點，被廣泛應用在航空航天等工業領域，其研究較早、知名度較高，所以在許多人的概念裏，複合材料就等同於碳纖維樹脂基複合材料。

事實上，複合材料指由兩種或兩種以上異質、異型、異性材料（一種作為基體，其他作為增強體）複合而成的具有特殊功能和結構的新型材料。除了碳纖維樹脂基複合材料以外，還有碳/碳複合材料、金屬基陶瓷複合材料等。

顧名思義，碳/碳複合材料是以碳纖維為增強體，其他碳質材料為基體的複合材料。碳/碳複合材料在研究初期發展緩慢，直到1969年，批兼具高性能和低成本的聚丙烯腈(PAN)基碳纖維被商業化，並成為碳/碳複合材料的增強體，使得碳/碳複合材料在強度上取得了顯著進步，碳/碳複合材料的特殊性能才開始引起工程界關注。

經過幾十年的研究，現代工藝生產的碳/碳複合材料已經具備高比強、高比模、耐高溫、摩擦磨損性能優異等特點，能夠很好地滿足航空航天對材料在高溫、高速條件下的綜合性能要求。因此，碳/碳複合材料已經成為新一代航空航天材料發展的重點方向之一。

飛機刹車盤吸收的能量有多大

飛機刹車係統一般采用液壓製動技術（波音787除外），由發動機為液壓泵提供動力，液壓泵將低壓轉換為高壓，通過液壓管路將壓力傳輸給刹車作動器。刹車作動器推動壓緊刹車盤，通過刹車盤間的摩擦，提供阻止機輪滾動的力矩，以減小飛機滑跑速度。

這個聽起來簡單的刹車盤其實一點兒都不簡單。因為飛機著陸時速度很快，蘊含巨大能量，根據能量守恒定律，飛機需要依靠反推裝置和刹車裝置去吸收掉這個巨大能量（當然氣動阻力也能幫一點忙），才能使飛機靜止下來。刹車盤在摩擦過程中，把大部分飛機動能轉化為熱能，因此，刹車盤的工作溫度至少在幾百攝氏度。

不僅如此，飛機刹車係統在設計時，還要考慮許多運營中可能出現的意外情況，這對刹車盤提出了更高要求。比如飛機在跑道高速滑跑準備起飛時，遇到突發狀況需要中止起飛。又比如飛機起飛不久發現係統故障需要返回，而且這個時候襟縫翼又無法完全打開。這些意外狀況對於刹車盤的挑戰在於，它需要吸收比正常著陸情況大得多的能量。

其中嚴酷的挑戰是上麵提到的第二種，飛機設計師要開展“嚴酷著陸停止試驗”來驗證刹車盤是否滿足設計需求。在這個試驗工況下，飛機比正常著陸情況更重（油箱幾乎是滿的）、速度更快、氣動阻力更小（襟縫翼不能完全打開）、反推裝置關閉，幾乎全靠刹車盤吸收飛機動能。

那麼這種情況下，刹車盤要吸收多大能量呢？按照飛機重78噸、以200節速度著陸來計算的話，這個能量大約是360兆焦。如果高中物理還記得的話，1焦耳能量可以把1N物體舉起1米。假設這個1N的物體是顆小蘋果，那麼360兆焦的能量可以把3.6萬噸蘋果舉起1米，或者把這顆小蘋果舉起36萬千米——那差不多是地球到月球的距離。

這時刹車盤由於吸收巨大能量，溫度急劇上升，達到一千多攝氏度，高溫使刹車盤呈現明亮的橙色，像一顆滾燙的火球。

國產碳/碳複合材料

我國對碳/碳複合材料的研究開發工作開始於20世紀70年代末，經過幾十年的發展，取得了豐碩的成果，先進性直追發達國家。目前，C919大型客機刹車盤使用的就是國產碳/碳複合材料，其供應商同時也為波音757、空客A320等機型提供刹車盤。

由於刹車盤屬於耗材，大約一兩千次起降就必須更換，使用國外進口刹車盤費用較高。在市場需求的拉動下，國內材料廠商紛紛開始研製商用飛機碳刹車盤。

碳/碳複合材料的塗層一直是國內外研究的重點。由於碳/碳複合材料在370攝氏度左右開始氧化，材料性能下降，因此，其在有氧環境下使用，必須在表麵製備抗氧化塗層。塗層除了要有良好的抗氧化性和抗燒蝕性外，還要與碳/碳複合材料具有較好的化學物理相容性和相近的膨脹係數。

國產刹車盤非摩擦麵使用硼磷係塗層，在高溫的工作環境下，可以有效延緩氧氣在材料內部的擴散，提高材料使用壽命。

除了塗層，碳纖維預製體和增密工藝也對碳/碳複合材料的性能產生重要影響。國外一般使用預氧化絲編織碳纖維預製體，它的優點是纖維柔韌性好、易成型，但是強度較低。國產刹車盤使用有機纖維編織碳纖維預製體，雖然編織難度大，但是形成的預製體強度要高得多。同時，采用化學氣相滲透和液相浸漬複合的增密工藝，提高了材料的密度，使材料的高能刹車摩擦係數大大提升。 AAAE4T45UY75T