航空剎車材料發展概述

周一帆，陸賢坤，劉海平，薛 亮

（1.海裝駐咸陽地區軍事代表室，陜西興平 713106；2.西安航空制動科技有限公司，陜西西安 710065）

剎車系統是各類航空飛行器的重要組成部分，而剎車材料是剎車系統的重要組成要素。為了保證飛行器剎車系統的穩定性和可靠性，剎車材料一般具備如下性能：足夠的剎車力矩，穩定性好，適宜的剎車噪聲和振動幅度，滿足設計需求的使用壽命和熱庫體積容量，同時還要具有一定的機械強度和力學性能。按照航空剎車材料的物相組成，其發展大致為四個階段：聚合物黏結剎車材料、粉末冶金剎車材料、碳/碳復合剎車材料和碳/碳陶瓷基復合剎車材料。

1 聚合物黏結剎車材料

該類材料屬于第一代剎車材料，其物相組成主要為鋼纖維、還原鐵粉和泡沫鐵粉。該類材料的主要特點為：耐受使用環境溫度較高、導熱系數相對較大，且單位面積吸收功率較高，一般應用于汽車的重負荷剎車工況環境。

2 粉末冶金剎車材料

通常情況下，粉末冶金剎車材料又可稱為燒結金屬剎車材料，以金屬及其合金類化合物作為材料的基體，并向材料內引入潤滑組分和剎車組分，利用粉末冶金燒結工藝制備的一種類“金屬陶瓷”材料。按照基體合金的種類，主要分為銅基和鐵基，并在這兩類基體之上又發展出鐵銅基復合剎車材料。另外還有鋁基、鎳基、鉬基、鈹基等剎車材料，但這些類型的材料不常用，一般使用于特殊服役環境下。通常情況下，組成主要為三大部分：基體組元、剎車組元和潤滑組元。

與其他組分的剎車材料相比，具有諸多的優良特性：機械強度較高、穩定的摩擦特性、使用溫度和熱容量相對較大、導熱性能較好。然而粉末冶金剎車材料存在比熱容度、熱膨脹系數和抗氧化等方面的缺點，同時其重量較大、磨損量較大、抗高溫變形能力差、使用壽命短，已經基本被淘汰出飛機剎車材料領域，目前絕大多數飛機上正使用化學、物理性能更加優異的碳基剎車材料。

3 碳/碳復合剎車材料

碳/碳復合剎車材料具有高模、高強、耐磨損等一系列常規金屬剎車材料所不具備的優點，尤其是碳/碳復合材料具有良好的高溫力學強度，這些優良的剎車性能是樹脂基和金屬剎車材料所不具備的。同時碳/碳剎車材料具有較高的摩擦系數且制動平穩、熱膨脹系數較小、導熱系數較高、能承受較強的耐熱沖擊等優點、重量也相對較輕，這使得其摩擦磨損性能遠優于一般摩擦材料。與鋼剎車盤熱庫相比，碳/碳復合材料剎車盤的熱容量提高了2倍左右同時使用壽命提高了大約1倍左右，且重量降低20%～40%，這對飛機減重如黃金般珍貴的重量來說，無疑是一次革命性的突破。另外，碳/碳復合剎車材料使用的工況環境溫度更高，且具有穩定的摩擦磨損性能，并且在使用中剎車盤不熔化、盤與盤之間不黏結、剎車盤盤體不變形，這將極大提高飛機著陸的安全性。

一般碳/碳復合材料的制備工藝根據致密化工藝的不同，大致分為三類：化學氣相滲透法（簡稱CVI）、液相浸漬法（簡稱浸漬法），以及兩種方法結合起來使用，有先用CVI再液相浸漬的，也有先用浸漬，然后再用CVI工藝增密的。

3.1 化學氣相滲透法

化學氣相滲透是一種在特定工藝條件下向具有一定孔隙的碳纖維預制體內部進行增密的工藝。將工件置入專用的設備中，升溫至工藝要求的溫度，在一定的爐內壓力下，通入碳源氣體（丙烯、甲烷等）以填充碳纖維預制體內部孔隙的過程。可大致分為熱梯度CVI、等溫CVI和壓差CVI。

3.2 液相浸漬法

液相浸漬工藝：在一定的壓力下將瀝青或樹脂浸滲到碳纖維預制體的孔隙內，并在高溫條件下使瀝青或樹脂轉化為裂解碳，并填充在預制體的孔隙內進行增密的過程。浸漬工藝包括低壓、中壓和高壓浸漬，浸漬劑有熱固性樹脂和熱塑性瀝青。典型工藝過程為：浸漬、碳化、石墨化。一次工藝過程裂解出的碳較為有限，并不能完全填滿預制體內部的孔隙，需反復多次進行浸漬、碳化和石墨化，將預制體內部的孔隙逐漸填充滿，使工件達到所需的密度。

盡管碳/碳剎車材料的性能優勢得到了大家的一致認同，但其在剎車性能和制備工藝方面仍有一些不足，比如：靜摩擦系數相對較低、工況使用環境適應性還有待提高、制備周期較長導致生產成本相對較高。以上種種缺陷使得碳/碳復合剎車材料較難應用于苛刻工況下的剎車系統中，從而限制了該材料的進一步發展和應用，因此需要研制一種新型碳基復合剎車材料來克服碳/碳剎車材料的不足。

4 碳/碳陶瓷基復合剎車材料

碳/碳陶瓷基復合剎車材料是在碳/碳復合剎車材料的基礎上采用基體改性技術，向材料內部引入了具有優異抗氧化及摩擦磨損性能的組分，是一種以熱解碳、改性組元為基體的一種多相復合剎車材料[3]，其不僅具有碳/碳復合剎車材料的優良性能，還能夠改善碳/碳復合剎車材料在剎車性能和制備工藝方面上的一些不足，該材料被譽為目前剎車材料性能的最高水平。

目前，碳陶復合剎車材料的制備工藝主要有三類：液相法、氣相法和固相法。

4.1 液相法

包括先驅體浸漬裂解法和反應熔融滲硅法。

先驅體浸漬裂解法：在一定的溫度和壓力下，將陶瓷相先驅體浸漬液浸滲到具有一定孔隙的碳/碳預制體內，通過高溫使先驅體發生裂解反應并得到陶瓷基體，廣泛應用于制備碳化硅、氮化硅和氮化硼等陶瓷基復合材料。

反應熔融滲透法：在一定工藝條件下，利用液態硅與碳基體之間的毛細管作用將熔融硅浸漬到碳/碳多孔預制體內，并與基體內的熱解碳發生原位化學反應生成碳化硅陶瓷相。該工藝是一種簡單、快捷且成本低廉的制備碳陶剎車材料的途徑，現已實現工業化批量生產。

4.2 氣相法

將碳纖維預制體置入專用設備中，在工藝所需的溫度和壓力下，將先驅體氣體通入專用設備中，在高溫下氣體滲入到預制體內部后，利用先驅反應氣體的熱解特性形成陶瓷基體。

4.3 固相法

包括熱壓燒結工藝和溫壓-原位反應工藝。該工藝方法尚不完全成熟，存在一些不足之處：樣件的力學性能數據相對較低、導熱性能較差、基體內各組分的分布較不均勻。與實現產業化的要求還有較大的距離。

上述每種工藝均有一定的優點和缺點，綜合因素考慮，反應熔融滲硅法是制備剎車材料較為理想的工藝。

研究及應用結果證明，碳陶剎車材料具有以下特點：

（1）密度較低。碳/碳陶瓷基復合剎車材料的密度小于2.2g/cm3，低于金屬基剎車材料（通常其密度大于4.7g/cm3），較同樣尺寸的剎車片，碳陶剎車材料的質量更輕。

（2）高摩擦系數，剎車性好。碳陶剎車材料的平均動摩擦系數多為0.3～0.4，其靜摩擦系數多高于0.45。其濕態摩擦系數衰減較小，對環境不敏感，且剎車穩定系數高。

（3）耐磨性較好，壽命較長。在相同的使用工況條件下，碳/碳陶瓷基復合剎車材料的磨損明顯小于其他組分的剎車材料，同時對對偶件的損傷也相對較小。

（4）抗氧化性較好，環境適應能力較強。當剎車環境溫度低于1 200 ℃時，碳/碳陶瓷基剎車材料具有較強的抗氧化能力，且環境濕度的變化不會引起碳陶剎車材料力學和摩擦性能的衰減。

（5）綜合成本低。由于壽命較長、且剎車盤的維護相對簡單，使得采購和使用成本極大降低，因此性價比較為合理。