基本介紹
- 中文名：碳剎車
- 外文名：Carbon brake
- 作用部件：碳剎車盤
- 性質：飛機上一種剎車技術方法
- 一級學科：航空科技
- 二級學科：航空器
研究現狀,性能對比,
研究現狀
從1972年起，中航工業制動就開始在國內進行國內首家碳剎車材料研究，在非常困難的情況下，進行各項技術攻堅。5年後，國內第一套扇形片結構碳/碳剎車盤大樣慣性台模擬剎車試驗取得成功。這在中國碳/碳剎車材料研究的進程中具有重要意義。
1983年，國內第一代碳/碳複合材料剎車盤研製成功，成功打破了國外對碳剎車技術的壟斷，填補了國內空白，實現了我國機輪剎車材料的換代升級。雖然碳/碳複合材料剎車盤的工程研製起步比較早，但是在相當長的一段時間，我國在碳/碳複合材料剎車盤工程化套用領域仍落後已開發國家20年以上時間。
經過多年的不斷探索研究，國內相關廠家也已經掌握碳剎車性能與碳盤製備工藝參數間的調整規律，根據不同使用條件要求及受力狀態，可通過調整碳盤預製體鋪設夾角、碳纖維積含量及CVD工藝參數、熱處理規範來適當改變碳/碳剎車盤制動性能及承載能力。並以科技創新為主導，用天然氣替代丙烯氣進行碳/碳剎車盤沉積。成本低、速度快、密度高、濕態剎車能力強，為碳/碳剎車盤的製備打開了綠色通道。
國內研製的高性能碳/碳剎車盤，能使飛機剎車裝置減輕30%左右的質量，這對航空製造業來說是一福音。2003年中南大學研製成功波音757碳/碳複合材料剎車盤，隨後北京航空材料研究院研製成功麥道90型飛機碳/碳剎車盤，2003年，一航制動研製生產的“新舟”60碳剎車機輪也通過了適航項目批准。航天43所、中南大學、北京航空材料研究院等單位又都完成了Airbus 320飛機碳/碳剎車盤的研製、試車和裝機試飛，取得了令人矚目的成就。
性能對比
碳/碳複合材料有高的熔化熱，高溫下的高強度和化學穩定性及良好的抗熱震性能等，使之成為極熱環境下的高性能結構材料。對於飛機來說，碳/碳複合材料也是很理想的摩擦材料，因為它與粉末冶金摩擦材料相比，具有獨特的性能。圖1為二者的性能對比表，以下就二者的性能特徵進行比較。
圖1
圖1(1)材料的密度小，可顯著減少剎車盤的結構質量
碳/碳剎車盤的密度為1.5~1.9 g/cm3，鋼的密度為7.8 g/cm3，金屬陶瓷摩擦材料的密度為4~6 g/cm3。與鋼剎車(金屬陶-鋼)相比，採用碳/碳剎車可使飛機有明顯的減重效果見圖2。
以“協和號”飛機為例，採用粉末冶金材料製造的熱庫約為173 kg，而採用碳/碳複合材料製造的熱庫重約45 kg，每個剎車裝置可減重60%，每架飛機可減重544 kg。這種減重比率對於飛行器的設計及使用，具有明顯的先進性。
圖2
圖2(2)材料耐磨性優異，剎車盤使用壽命長
飛機剎車盤的磨損主要是由於剎車過程中的高溫和高應力狀態引起，即所謂熱磨損。碳/碳複合材料剎車盤，具有優異的高溫熱穩定性，在1200~1500℃條件下，其強度不但不降低，反而有所提高，所以高溫耐磨性好；同時，由於熱膨脹係數小，導熱性能好，抗熱震能力強，所以剎車盤不易產生熱翹曲變形及表面龜裂現象，提高了剎車盤的使用壽命，比粉末冶金剎車盤壽命提高3~4倍。國外廠家稱碳/碳剎車盤使用壽命可達3000次起落。
(3)穩定的動摩擦因數，抗卡滯及抗黏著性能優良
由於碳/碳剎車盤的耐熱性強，表面不易出現黏著、剝落等現象，剎車過程中無卡滯，剎車力矩平穩。
圖3
圖3(4)簡化剎車盤設計
由於採用全碳結構剎車盤，不需要附加摩擦襯片、連線件和剎車骨架等，可以簡化設計，減少加工工序。圖3為A300碳/碳剎車盤與波音747粉末冶金剎車盤。
(5)熱膨脹係數小，比熱容高(鐵的兩倍)，導熱率高
碳/碳剎車盤抗卡滯能力強，剎車過程平穩可靠。這是由於碳/碳複合材料高溫強度高，剎車盤表面不易出現熔化、剝落和龜裂等現象發生。利於吸收制動中所產生的大量熱，並且易於吸收和散熱。同時這種剎車盤副單位質量吸收熱量能力大，制動平穩，實現減重節能的效果。
(6)碳/碳剎車盤工作溫度高
由於碳/碳複合材料的耐熱溫度高達2700℃以上(碳在石墨狀態下，只有加熱到4000℃才能熔化，只有加熱到2500 ℃以上才能測出其塑性變形，在常壓下加熱到3000℃時碳才開始升華)，且高溫力學性能優良，所以炭/炭剎車盤的使用工作溫度高達2000℃以上。
圖4
圖4基於以上高溫下良好而穩定的摩擦磨損等性能特點，碳/碳複合材料剎車盤在軍用飛機和民航飛機上得到了廣泛套用，部分或者全部取代了金屬基剎車片。
圖4展示了民航飛機的碳/碳剎車盤使用量。在世界大型客機中，如波音系列：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：F100、Bael46、運7-200A等。還有大量的軍用飛機採用炭/炭剎車盤，如美國的F14、F15B、F16、F18等，英國的鷂式戰鬥機、法國的幻影系列戰鬥機等。
