飞机碳刹车盘技术的发展

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1、飞机 碳刹车盘技术的发展华兴航空机轮公 司刘根山摘要介绍了国外飞机碳 刹车盘技术的发展状况?叙述了碳刹车盘代替钢刹车盘的优 越性,从而在众多的机种 上得到推 广应用。主题词?飞机碳纤维复合材料刹车盘应用一、概述碳?碳复合材料刹车盘,是一种高比强度、比模量?耐高温?使用温度范 围一? ?一?低密度?的材料。碳刹车盘比钢刹车减重? ?左右,寿命提高?一?倍。大幅度减重使得飞机能节约燃油而加大航程?提高了飞机机动性能,增加武器及电子对抗装载量。高的使用寿命和可靠性减少了维护费用,大大提高了飞机的出勤率。它的散热速度比粉末刹车快 ? ?,因此,可缩短地面准备第二次起飞的时间。刹车盘呈现出稳定的摩擦性能

2、,提高飞机刹车过程的舒适性。因此,碳刹车盘被誉为当代摩擦材料之冠。是否应用碳刹车盘已被用作衡量飞机机轮刹车装置是否先进的重要标志之一。在马岛、海湾战争中,英国及多国部队采用的鹤式、幻影?、?一?、?一?、?一?等飞机,均是装备了碳刹车盘的飞机。其整机优越的作战性能,各种战场、机场 的适应能力,又一次证明了碳刹车盘对全机提高性能水平的能力和作用。碳刹车盘是一种由碳纤维增强碳的复合材料。基体碳可以是化学气相沉积?的热解碳,也 可以是含碳有机树脂炭化产生的碳。碳纤维作为骨架提供基体碳成形并起到增强作用。碳纤维本身性能、形状,基体碳产生的方式及处理方法、分子结构等的各异,可以获得性能差异很大的碳?碳复

3、合材料。碳刹车盘是一个多种因素相互影响、技术密集、生。?。产周期长、投资大的高技术产品。至今也只有美、英、法、俄等少数国家掌握其制造技术。碳刹 车盘又是一个 高 附加值的产品。美国? ? ?公 司 向美国海 军提供?套? ?碳刹车盘,其产值为? ?万美元。英国?公司为波音?提供?架份碳刹车盘一项获得?亿美元的合同。少数掌握其技术的国家视其为“黑金”,在技术上严密封锁,在市场上展开激烈的争夺战。二、碳刹车盘技术的简况? ?年代后,国 际上宇航、航空事业飞速发展,大量需要比强度、比模量高且又耐高温的材料。一切合金的研究几乎达到 了极限,人们探讨能否开辟复合材料来解决这一问题。?年代碳纤维摩擦特性的

4、发掘,为人们实现这一目标坚定了信心。? 年,美国 空军桑迪亚实验室,在制备碳纤维树脂基复合材料中,一次偶然的事故使树脂全部炭化。进一步分析,该材料不仅比强度、比模量高,而且 密度低,耐燃烧。研究表明,这种碳?碳复合材料还有极良好的摩擦性能。? ? !年,美国的轮胎与机 轮刹车? ? ? ?后更名为?公司率先开始了碳?碳用于飞机刹车的研究。? !年 英国? ?公司投资? ?万英磅,引进美国超高温公司?的?工艺技术,也开始了飞机碳刹车盘的研制。此后相继有美国? ?、? ?、?、? ? !?法国? ?、洛林碳、宇宙航空公司?俄尼古拉菲特航空科学技 术研究院及中国开 展 了这方面的研究、试验工作。?

5、?年,英国?用?工艺碳布叠层骨架制成的碳刹车盘在协和号上进行了?起落的试飞。? ?在?一? ?飞机上完成了碳刹车盘? ?起落的试飞。?年,法国梅尹布尔公 司用? ?公司的碳刹车盘在幻影?一?上试飞获得成功。碳刹车盘的优越性及外场初试成功,使全世界更加注目于碳刹车盘的研究发展,投入了更大的人力、物力去开发。外场试飞中也暴露了一些问题?一种新型材料,由于其特性决定不能适用传统的应用方法。如?碳材料在常温下强度较低而脆?在应用温度高于? ?时,非摩擦界面会出现氧 化?碳刹 车盘自 身可以应 用到?,而周围相邻的结构材料承受不了高温以及碳刹车盘高的动摩擦系数和低的静摩擦系数等。? ?年代初到? ?年代

6、 末,国外针对上述问题又投入极大的力量去攻关。解决了碳刹车盘合理的结构设计,在刹车盘非摩擦界面涂覆防氧化层和对碳盘实施化学处理,对机轮刹车装置进行温度场计算并采取热防护措施,实现了适应于碳刹车盘 电子防滑刹车系统等,使得碳 刹车盘与机轮刹车装置全部相容,并扬长避短。? ?年代初,碳刹车技术已趋于成熟,各掌握技术的国家把重点转 向大幅度降低成本,提高性能和扩大生产规模和开创新机应用方面。短短十余年,据不完全统计,美、英、法、俄罗斯等国应用碳刹车的机种己达 ? ?个以上,其 中美国应用的机种最多。英、法两 国的碳刹车盘最大的特点是性能优越,寿命长,到寿命的碳盘可返 修后再用。而俄国的碳刹车盘制造和

7、性能水平较低,但应 用水平很高。三、碳刹车盘工艺类型及 材料水平目前,国际 上各主要碳刹车盘生产厂家?年第?期工艺评价见表?。各国碳刹车盘一般性能见表?。采用上述碳刹车材料后在许多机种上显示 了 比钢刹车的优越性。由于采用碳?碳刹车盘其减重效益见表?。寿命方面的比较见表?。承载水平的比较见表?。表?对生产碳刹车盘厂家的工 艺评价公公司名称称骨架类型型成型工艺艺生产产性能能 综合合成成成成成苯苯水平平 评价价英英? ? ? ? ?针刺毡毡? ? 中低低优优领先先法法? ? ? ? !?编织织? ? ? ?高高优优先进进美美? ? ? ?短? ? ? ?树脂模压压低低较低低中中美美? ? ? ?碳

8、布叠层层树脂法法中中中中中中美美? ? ? ?碳布或短? ? ? ? 或树脂法法中中中中中中 俄俄? ? ?短?束束树脂法法低低低低中低低表?碳刹车盘性能数据性性能能英国国法国? ? 俄国八小小美国? ? ? ? ? ? ? ? ? ?年年?年年年? ? ? ? ? 年年年年年密密度度? ? ?。? ? ? ?。? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?抗抗压强度度? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?上? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?抗抗弯强度度? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?抗抗拉强度度度度

9、度度? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?层层间剪强强强强强强? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?导导热率?上? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?表?碳刹车盘的减重效果机机种种?一? ? ?协和号号? ? ?波音? ? ?一? ? ?比比钢刹车车? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?减减重? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?表?碳和粉末刹车在同机种的起落寿命机种?波音?波音?波音?碳 刹 车粉末刹车?塑? ?圣三? ?犯? ?翌些? ? ?黑表?不同刹 车材料承载水平材材料类型型正常刹车车

10、正常刹车车中止起飞飞中止起飞刹刹重重重量量平均均刹车重量量车盘平均体体能能能载水平平体容温度度能载水平平容温度度? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?铜铜一有机机? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?钢钢一粉末末?,? ? ? ? ? ? ? ?,? ? ? ? ? ?碳碳一碳碳?,? ? ?,? ? ? ? ? ? ? ?,?,? ? ? ? ? ? ?四、碳刹车盘外场实际应用水平我国民航近年来大量引进了国外装备碳刹车盘的先进飞机。初步统计已达?个机种?余架份,占民航实际运行飞机的? ? ?。正在引进的波音? ?和? ?飞机也是装备碳刹车盘的机种。生产这些飞机碳刹车盘

11、的厂家主要是?英国? ?!公司;美国的Bendix公司、Goo dyear公司;法国的MH B公司。由于各公司制造方法、结构设计等方面的不同,外场使用呈现 了很大的水平差异。各公司由于商战的需要,在技术上的严密封锁,使得这种差异不能很快消除。B e nd ix公司 生 产的MD一n碳刹车盘,采用短纤维模压成型,无长纤维补强。外场反映抗压强度不够,厚1 5m m的压紧盘经常出现断裂现象。结构上开细键槽的静盘常出现 整键槽破坏,被迫 中途更换的间题。给定寿命为2000个起落,实际上飞1500个起落就必须更换全套刹车盘,而且更换后的盘无法返修。英国Dun lop和法国 MH B公司生产的碳 刹车盘

12、由于质量好,有长纤维补强。在波音757、A3OO一 60。飞机上实际起落寿命全部达到 了给定的3。 。 。个起落的指标,运行中途的可靠性也很高。Du n lo P的动盘、MHB的动、静盘因其结构设计的合理性,到寿后均能返修,重新使用。返修后盘的寿命与新盘的寿命相当,返修的费用仅是新盘 价格的70%80%。美国的麦道公司,在研制MD一9 0飞机过程中,机轮刹车装置及防滑系统均交给了A B S公司。但由于ABS公司自己生产的碳刹车盘满足 不 了 MD一9 0的采购规范,而转道为该机定购英国Dun lop公司的碳刹车盘。在各碳刹车盘生产厂家应用碳刹车盘的过程中,均根据各 自生产的碳刹车盘的特点进行了

13、温度场、材料应力分析的计算。采用了多种不同的热防护措施。在刹车系统方面也根据碳刹车材料动、静摩擦系数比值较大、对压力/力矩反应敏感、频率响应好等特点,在系统中采用“交错式”、“级联式活塞”或采用双增益阀,以及双余度 电子防滑系统等措施来解决上述及开始刹车时可能产生的压力激增等问题。这样可使不同的碳刹车盘在不同机种上应用时整个机轮、刹车装置、防滑系统达到兼容,并起到相互扬长避短的作用。从国外发展碳刹车技术的经验可看出:碳刹车盘制造技术和应用技术应该是全面配套的。一个再好的材料,如果使用 不当,总体上也难以呈现出良好的性能。与碳刹车材料同步发展的应用技术应包括:机轮刹车装置的合理结构设计;有效的机

14、轮刹车装置热防护技术;碳刹车盘非摩擦界面防氧化技术;与碳材料摩擦特性相匹配的刹车系统等技术也应得到重视。参 考 文 献赵禄祥,邓禄普(英).航空部的碳/碳复合材料,新型碳材料, 1989, (2)M.J.勃罗尔.Caron一 ear bon Co mpositeBr a kePr o duetion Tec hno logyANDPr opert ieso fLin-ing Material, Dun lopLimitedAv iationDivision.1989Allie d一 Signa lAerospaee Co mpany.Ben dix Whe-e lan dBr a ke, 1990. 7(收稿日期:19941110)航空科学技 米