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科技前沿

中国航空刹车材料的创新之路
来源:中国航空报  2017-05-12 14:42:57
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原文:http://www.chinacompositesexpo.com/cn/news.php?show=detail&c_id=288&news_id=4800
  “哪里有运动,哪里就有制动。”对于高速运动的飞机、轨道交通运输工具和汽车等,要让它安全平稳地由运动状态达到理想静止,除了要有一套匹配的动力控制系统外,刹车材料也是各种制动装置和摩擦传动系统中不可或缺的重要组成部分,它能够直接影响到设备的正常运转和使用者的人身安全,其作用在于将运动着的交通运输工具刹车时的大部分动能,通过刹车材料的吸收与消散,转换成热能,从而起到制动的作用。试想一部交通运输工具,如果刹车性能不好,你敢驾驶或者敢乘坐吗?所以,在各类交通运输工具刹车技术的研究方面,为了确保制动系统的可靠性,刹车材料应具有如下特性:摩擦稳定性高、耐磨性强、制动过程噪声较小,且不产生剧烈抖动,具有适当的热库容量,良好的力学性能和足够的机械强度。
 


制造完成的碳/陶刹车材料。
 




碳陶刹车盘装置。
 
  材料是航空制动技术的“王冠”
 
  飞机刹车材料被誉为航空制动技术上的“王冠”,世界航空工业强国历来注重航空刹车技术和材料的研究。航空刹车材料的研究大致经历了有机粘结剂制动材料、粉末冶金刹车材料、碳∕碳复合制动材料和碳/陶复合制动材料四个阶段。
 
  早在1929年美国的Schwarzkopf就提出利用粉末冶金方法制造摩擦材料,1932年生产出第一片粉末刹车盘;苏联在卫国战争之前就已开始了粉末冶金刹车材料的研制,并列装军用飞机使用;国外碳/碳复合材料起源于20世纪50年代,20世纪60年代开始装配飞机。
 
  中国航空刹车料研究开始于20世纪50~60年代,并伴随着共和国的成长一步一步发展壮大。航空工业制动(西安航空制动科技有限公司,代号“514”厂),自1955年创建以来,承担着航空机轮刹车技术及刹车材料研制的国家使命,于20世纪60年代开始研制粉末冶金刹车材料,虽然相比世界航空大国研究起步较晚,但发展速度很快,铁基和铜基粉末冶金刹车材料,在较短时间内装配国产军用飞机;20世纪70年代,瞄准国际前沿技术,打破西方技术封锁,开始研制碳/碳复合材料,并于20世纪90年代在国产某型军机上实现首飞,填补了中国航空碳/碳刹车材料应用的空白;21世纪初开始研制碳/陶复合刹车材料,并于2008年首飞成功,成为世界上第一个将该刹车材料应用于飞机上的国家,达到了领先世界的水平。
 
 
  本文从航空工业制动刹车材料的研制发展历程对中国航空刹车技术及刹车材料的应用发展进行简要介绍。
 
  一路前行的航空工业制动
 
  有机粘结剂刹车材料是早期的航空刹车材料,其材质配方组成中通常含有30%~50%左右的铁质金属物(钢纤维、还原铁粉、泡沫铁粉)。其特点:耐热性好、单位面积吸收功率高、导热系数大、能适用于汽车在高速、重负荷运行时的制动工况要求。但由于制动温度较低、寿命较短,目前该类材料已不适用于飞机领域,现今主要应用于轿车和重型卡车制动系统中。
 
  粉末冶金刹车材料是在有机粘结剂刹车材料退出飞机制动系统后,航空工业制动通过不懈努力,研发出粉末冶金刹车材料进行替代。粉末冶金刹车材料又称为烧结金属刹车材料,是以金属及其合金为基体,添加制动组元和润滑组元,用粉末冶金方法制成的“金属陶瓷”材料,是摩擦式离合器与制动器的关键组件。主要分为铁基和铜基,为充分利用两者各自的性能优势又发展了铁铜基刹车材料。1962年,航空工业制动首次将粉末冶金刹车材料应用于盘式制动装置中,开启了国内刹车材料应用的新时代;20世纪70~80年代,粉末冶金刹车材料共服役于11个机种、总计650架份,与此同时,还陆续向约旦、巴基斯坦、埃及和美国等9个国家出口粉末冶金刹车材料;进入新世纪,为实现某型飞机的国产化,制造的粉末冶金刹车材料做出了大量卓有成效的工作。
 
  碳/碳复合刹车材料,即以碳纤维或其编织物为增强相,以化学气相沉积的热解碳或液相浸渍的树脂碳为基体,组成的纯碳相复合材料。碳/碳复合刹车材料的技术与应用水平,成为衡量一个国家现代航空工业制造技术水平的重要依据之一。与前几代的刹车材料相比,碳/碳复合刹车材料的应用,对于制动系统而言具有革命性和里程碑式的意义。在飞机制动系统中,由碳/碳复合材料制成的刹车热库与原来的钢刹车盘热库相比,热容量提高了约2倍左右,质量减少20%~40%,使用寿命提高了1倍。
 
  航空工业制动有着40多年的飞机碳/碳刹车材料研发和制造历史,开创了中国碳基刹车材料研发与制备的先河,创造了该领域国内多项第一,打破了美、英、法三国的技术垄断,使中国成为世界上第四个掌握碳基刹车材料制备技术的国家,由此中国刹车材料的历史车轮驶入了碳材料时代。从1970年发现到1972年国家批准立项开始,中航工业制动就瞄准了这一尖端技术,突破西方航空强国的技术壁垒,潜心研究,航空报国,矢志不渝。1977年,研制出了中国第一套扇形片结构的航空用碳∕碳刹车盘;1987年,碳/碳刹车材料制备工艺和防氧化技术获得成功;1993年,碳/碳复合刹车材料制备技术获得国家发明专利;1994年,碳/碳复合刹车材料防氧化技术获得国家发明专利;1998年,碳/碳复合刹车材料在某重点型号飞机上实现了首飞;2003年,碳/碳复合刹车材料获得中国第一个TSOA技术标准批准书,并伴随“新舟”60飞机飞出国门。
 
  在坚实履行国防装备使命的同时,航空工业制动始终坚持“寓军于民、军民融合”的发展思路,长期致力于民用航空和非航空产业的拓展。目前,航空工业制动已将碳/碳复合刹车材料成功应用于40多种军机型号以及“新舟”60、运12、空客320、波音757等十余种民航机轮刹车产品取得适航许可并批量装机使用。同时公司拥有中国民航局CAAC及欧洲航空安全局EASA的维修认可证书,承担着空客、波音、庞巴迪和“新舟”系列等二十多个机种、180多个件号的航空刹车产品维修业务。航空工业制动拥有民航总局颁发的波音757、波音737-800、空客318/319/320刹车盘PMA(碳刹车盘零部件制造人)证书,同时,制动公司的高性能碳基复合刹车材料在去年和今年分别获得中国首届军民两用技术创新应用大赛银奖和中国军民两用技术十大创新项目奖,该材料已应用于保时捷、法拉利等F1赛车和奥迪、奔驰等高端轿车领域,在航空刹车材料创新应用上实现了军民融合发展的大跨越。
 
  碳/陶复合刹车材料的创新研究与应用
 
  碳/陶复合刹车材料是在碳/碳复合刹车材料的基础上采用改性技术,引入了具有优异抗氧化及摩擦磨损性能的组元对其基体进行改性,是以碳纤维为增强体,以热解碳、改性组元为基体的一种多相复合刹车材料,除承继了碳/碳刹车材料的所有优点外,还能够解决其制备周期长、成本高、静力矩低等问题、湿态刹车性能衰减大,特别是耐海水、耐盐雾腐蚀性强,抗热震和抗冲击能力强,还能实现浇水快速冷却,由过去的50分钟缩短至如今的5~10分钟即可出动,节约时间10倍左右,对于军机战略意义非同凡响,该材料被誉为目前刹车材料性能的最高水平。
 
  2005年,航空工业制动作为国内从事碳材料研究和产业化的“元老”与陶瓷基复合材料研究的“新贵”(西北工业大学张立同院士研究团队)进行强强结合,优势互补,仅仅用三年时间就打通了由研发到产业化应用之路。2008年,碳/陶复合刹车材料在某型歼击机上成功首飞,使我国成为世界上首个将碳/陶复合刹车材料成功应用于飞机制动系统的国家。此后,我们的碳/陶复合刹车材料已成熟地服役于我国的舰载机、歼击机和运输机等十多个先进飞机上,为捍卫祖国主权贡献着自己的力量。2017年1月9日,双方“产学研”的种子结出了累累硕果,航空工业制动和西北工业大学联合研发的“碳陶飞机刹车功能复合材料的研制与应用”技术荣获2016年度国家技术发明二等奖。碳/陶复合刹车材料的研发和应用,不仅是一次技术的迭代升级,更是“产学研”结合的典范。我们通过持续攻关,不断突破技术“瓶颈”,现已成功地掌握了碳/陶核心制造、工艺和加工技术,打造出了世界级的“顶级装备”产品。作为“新型飞机刹车材料”的研制与应用技术,该材料弥补了我国制动系统适应性差的短板。
 
  材料对社会和经济的发展起着指导与推动作用,是社会现代化的基石,被誉为当代文明的“三大支柱”之一。一代新材料衍生出一代新技术,随着科学技术的不断发展,对于材料的功能性和结构性都提出了更为苛刻的要求。碳陶复合刹车材料作为一种新兴的战略性材料在飞机制动系统中的优势十分明显,随着制备技术的逐步成熟稳定,碳/陶复合刹车材料将会具有更为广阔的应用前景,创造出更大的社会价值和经济价值。技术革新创新永无止境,根据应用一代、储备一代、研发一代、探索一代的良性技术发展模式,继碳陶复合刹车材料之后,航空工业制动已经开始研发适用于未来需要的新材料、新技术。例如:通过基体和涂层改性技术将锆基、铪基和硼基化合物引入到碳/碳多孔预制体内,制造出新一代高性能、低成本的新型刹车材料,使我国航空刹车材料技术水平始终处于世界领跑地位。
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