不同CC复合材料飞机刹车盘基本性能的对比分析
不同C/C复合材料飞机刹车盘基本性能的对比分析于澍，刘根山，李溪滨，浦保健，熊翔（中南大学粉末冶金国家重点实验室，长沙410083）合材料的显微组织、石墨化度、导热系数、洛氏硬度、抗压、抗弯、层间剪切强度、摩擦磨损性能后，得出如下结论：C/C复合材料作为一种性能优良的制动材料，必须具有合理的炭纤维骨架结构，一定比例的粗糙层气相沉积炭结构，较高的石墨化度和垂直摩擦面方向上的导热系数；我国具有自己知识产权的C/C复合材料飞机刹车盘的研制工作已取得了较大的进展和突破，其各项性能指标与国外同类产品性能相当。
航空刹车副是飞机实现制动和保证飞行安全的最关键部位材料，目前使用的航空刹车副主要有金属基材料和炭纤维增强炭基复合材料两大类金属基刹车材料在高温使用条件下，容易出现变形开裂、刹车力矩不稳定等问题，而且磨损量大，外场维护频繁，寿命短与传统的金属基刹车材料相比，C/C复合材料具有许多优点，如比强度高，在非氧化环境下，2200C以上还可保持室温下的强度；比热容高，为一般金属的2. 5倍；耐高温；密度低一般小于2g°cm-3）另外导热性能优良，热膨胀系数小，抗热震性能妊C/C复合材料用作飞机刹车盘时，不仅因其密度低而大大减轻飞机重量（是金属基刹车盘重量60%左右），而且还有摩擦性能稳定，磨损小寿命长，外场维护简单等优点，因此，七十年代以来，英美、法等国几乎同时将C/C复合材料用于飞机刹车盘世界上40种以上的民机和22种以上的军基金项目：国家重点工业性试验项目（计高技1998-1817）机都采用了C/C刹车盘，其产量已占世界C/C复合材料总产量的90%以上。目前全球较大的C/C刹C刹车盘几乎全部从这几家公司进口。自七十年代以来，我国开始自行研制开发C/C刹车盘，前后有514厂、上海炭素厂、兰州炭素厂、上海硅酸盐研究所、中南大学粉末冶金研究所、航空部一院703所、航天部四部43所等单位在小样探索试验的基础上，研制1：1的大样由于技术封锁和起步较晚的原因，我国所研制开发的C/C刹车盘在性能上与国外同类产品存在一定差足距近年来，中南大学粉末冶金研究所研制出的C/C刹车盘在性能上取得较大的突破，已通过全部地面试验。本文中将对国外样件和我们早期与近期研制的样件，作各项性能上的对比分析，找出与国外同类产品之间的差距，明确今后的研究方向1试验过程C/C复合材料样件来源1.2显微结构表征以环氧树脂为主要镶嵌料，试样镶样后在MEF3A金相显微镜下作偏光观察。
1.3石墨化度的测量与表征CVD热解炭属于乱层堆积的六方晶炭型，其结构和石墨相同，但缺乏晶体结构的二维有序排列。热解炭经适当的处理，其内部可产生一种石墨晶体结构。描述热解炭从乱层结构到单晶结构的结晶度标尺所处位置的一个参数就是石墨化度（g）。
石墨化度是在Fmnldin模型的基础上，由Mering和Maire公式计算，其简化形式为g= d002的计算由Bragg公式算出：2d002s=入，0在日本理学3014X射线衍射仪上测出X射线衍射仪采用铜靶，工作电压为40kV，工作电流为200mA，：1.542（10"10m（波长）1.4热导率的测量与表征试样为只10以心<4的小圆柱，1'为试样热为试样比热（cal.g-1.k-1），d为试样表观密度（g.cm-3）热扩散率T在R-3激光导热仪上测出1.5洛氏硬度的测试为H6 35mm，以588N力在C/C复合材料垂直摩擦面方向的端面上测得1.6力学性能的测试87，在CSS-44100电子万能材料试验机上测试C/C复合材料压缩、弯曲、层间剪切强度与模量其中压缩样件尺寸为H10mmX18mm；弯曲样件尺寸为55mm跨距厚度比为10：1；层间剪切样件尺寸为36mm X10mm<6mm，跨距厚度比为4：11.7磨擦磨损性能的测试14mm的小试样，在MM-1000摩擦磨损试验机上进行摩擦磨损性能测试其中一个试样模拟动盘，在主轴的带动下，达到一定的转速；另一个则模拟静盘，在刹车开始后，与高速转动的动盘相互贴合，直到两者刹停2结果和分析2.1显微结构C/C复合材料刹车盘不同的增密工艺，直接影响其微观结构。一般而言，C/C复合材料刹车盘的增密手段王要有化学气相沉积法（ChemicalVapourDeposite，简称CVD）和浸渍法CVD法得到的热解炭有光滑层（smoothlaminar），粗糖层（roughlaminar），过渡层（transition）和各向同性层（isotropic）；浸渍所得基体炭主要有浙青炭和树脂炭，ABCDEF六种不同材料的显微结构可以从其偏振光显微金相照片上辨别出来，从而推知其不同的增密工艺不同C/C复合刹车材料的显微结构见由可看出，ABCEF五种复合材料主要是通过CVD法进行增密的，每根纤维周围都沉积了较厚的热解炭。炭纤维在偏振光下不具光学活性，而热解炭则大多呈现深浅不一的颜色ABCF四种复合材料的热解炭表面形貌粗糙，有很高的光学活性，色彩丰富，具有层次感，深浅不一的颜色形成公式为942丨5ehhaAeadeourmilEleetronicPublish大量不规则的消光十字，1属于以粗糙层结构为王的复合材料。而E中生成的热解炭表面光滑，光学活炭纤维外包围着树脂，可以推知D材料的增密工艺性大，具有大而规整的十字架形状，热处理后易出现主要以浸渍树脂为主。
裂纹，说明E是以光滑层结构为主的复合材料。而2.2石墨化度和导热系数在D的金相照片中，很难看到有热解炭的存在，其不同微观结构的c/c复合材料，在石墨化度和导热性能方面有很大的不同。一般而言，粗糙层结构的热解炭易石墨化，导热性能好；光滑层结构的热解炭难石墨化，导热性能较低；各相同性结构的热解炭最难石墨化，导热性能最差EF经过相同的热处理温度，其余样品维持其最终状态，不再做任何热处理。测试ABCDEF的石墨化度和垂直纤维方向的导热系数，结果见表1表1不同C/C复合材料的石墨化度和导热系数Table由表1可知，ACF三种复合材料的石墨化度和导热系数都较高，其中石墨化度以A材料的为最高，导热系数以C材料的为最高，F材料在石墨化度和导热系数上与前两者相当。这与三者的微观结构都是典型的粗糙层有关B材料的石墨化度和导热系数较低，但其热解炭的显微结构为粗糙层，作者认为是其最终的热处理温度较低所致E材料的微观结构为典型的光滑层，因此其石墨化度和导热系数都很低。D材料由于其增密工艺主要以浸渍树脂为主，而树脂难以石墨化，所以其石墨化度和导热系数都较低。
2.3洛氏硬度由于C/C复合材料有不同的微观结构，因而在硬度上就表现出较大的差异。ABCDEF六种材料在A-200洛氏硬度计上，采用HRA标尺，压头为H6.35mm，以588N力在C/C复合材料垂直纤维方向的端面上测得其洛氏硬度。结果见表2从表2可知，A材料的硬度最低，因为其热解炭全部为典型的粗糙层结构，而粗糙层结构的热解炭表2不同C/C复合材料的硬度Table硬度最低，素有“软炭”之称E材料的硬度最高，是由于其热解炭为光滑层结构，可见，光滑层结构的热解炭，其硬度大于粗糙层结构的热解炭。而从BCF材料所测的硬度值上，可以推知粗糙层结构的热解炭在整个材质中所占的比例：C材料中粗糙层结构的热解炭最多，F材料次之，B最少。对于D材料，树脂炭质硬而脆，因此其硬度较高。
2.4力学性能作为制动材料，刹车盘在刹车过程中，既是热库材料，又是结构材料，因此刹车盘的力学性能也非常重要。刹车盘的力学性能主要取决于炭纤维骨架的成形方另外，不同的增密工艺和基体炭对刹车盘的力学性能也有影响。不同C/C复合材料的力学性能见表3由表3可知，力学性能三项指标均为最低的是A材料，这是由于A材料毡体采取薄毡叠层的方式，而BCEF四种材料毡体采用针刺整体毡的方式，在z向增加纤维，这种三维或准三维编织的毡体，其力学性能，特别是层间剪切强度，强于二维编织的毡体在摩擦磨损试验中，A材料极易出现分层现象，也验证了二维编织的毡体层间剪切强度不高D材料的层间剪切强度和抗弯模量明显高于其余材料，这与C/C复合材料不同的工艺路线有关2.5摩擦磨损性能作为制动材料，摩擦磨损性能是C/C复合材料刹车盘的最关键指标而C/C复合材料的微观结构，直接影响其摩擦磨损性能作者在ABCDEF六种材料上，各取一对H75mm
