航空耐高温摩擦材料“扛把子”——碳复合材料

随着现代科学的蓬勃发展，许多以往未知的新材料不断出现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诞生在这个时期。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，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，C919大型客机刹车盘也是用的碳/碳复合材料。

意外带来的惊喜

1958年，美国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。

提到复合材料，了解多的是树脂基复合材料。它是由树脂为基体、碳纤维/玻璃纤维为增强体的复合材料，上面提到的碳纤维/酚醛树脂复合材料就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，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。

飞机刹车盘吸收的能量有多大

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摄氏度。

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。这些意外状况对于刹车盘的挑战在于，它需要吸收比正常着陆情况大得多的能量。

其中严酷的挑战是上面提到的第二种，飞机设计师要开展“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。如果高中物理还记得的话，1焦耳能量可以把1N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36万千米——那差不多是地球到月球的距离。

这时刹车盘由于吸收巨大能量，温度急剧上升，达到一千多摄氏度，高温使刹车盘呈现明亮的橙色，像一颗滚烫的火球。

国产碳/碳复合材料

我国对碳/碳复合材料的研究开发工作开始于20世纪70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A320等机型提供刹车盘。

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商用飞机碳刹车盘。

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摄氏度左右开始氧化，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。

国产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。

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。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。国产刹车盘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，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。 AAAE4T45UY75T