飞机碳刹车工程化问题探讨

何永乐 杨尊社 毕燕洪

（1. 空军驻兴平地区军事代表室，陕西 兴平 713106；2.中航制动科技有限公司，陕西 西安 710065）

碳刹车是指刹车盘完全采用碳/碳复合材料制造的刹车装置，碳刹车盘既是摩擦元件，又是结构件。在刹车过程中，飞机着陆运动的动能通过刹车盘之间的摩擦转化为热能，因此，从能量的转化储存来看，刹车盘组又称为热库，其性能的优劣直接关系到飞机的使用安全。碳刹车较钢刹车具有重量轻、耐磨损、比热高、高温不粘接等突出优点，在航空机轮刹车领域得到了广泛应用，大大提高了飞机的技术性能和可靠安全性。现在，碳刹车已成为现代化先进飞机着陆装置的基本构成部分。碳刹车的核心是碳/碳复合材料制造技术。西方国家对这项具有高附加值的高新技术实行严格限制，我国科技工程人员经过多年不懈努力，碳材料技术研究取得重大突破，碳刹车已成功批量应用于新型重点型号机种。然而，碳刹车推广应用仍具有挑战性。生产和使用中反映的主要问题是生产周期长、摩擦性能变化范围大、湿态环境力矩严重衰退恶化、使用寿命达不到预计的指标等。这些问题亟待解决，这不仅是新装备尽快形成战斗力的需要，也是行业和企业发展的需要。

1 碳刹车工程化过程中存在的主要问题

1.1 生产周期长

碳刹车制造技术的关键是碳/碳复合材料的制备。碳材料是一种全新的材料，制造工艺形式多样，总体上有两大制造技术：化学气相渗积（CVD/CVI）和液相浸渍碳化（LIC）。CVD/CVI法的基本原理是以烷烃类气体作前驱体通入炉内，在一定温度下发生裂解，从而使碳原子—热解碳渗积到碳纤维预制体的表面和孔隙内。为了使碳盘达到一定的密度，这个过程需要有相当长的时间。同粉末冶金刹车盘制品相比，其制造周期大约长4～6倍。液相浸渍法运行周期较短，但存在基体开裂、摩擦性能调整困难等缺点，因而使用不如CVD/CVI法那样广泛。在满足制造性能的前提下，如何缩短CVD/CVI法的运行周期，提高生产效率，这是当前国内外研究的重点和热点之一。CVD/CVI法常用的是等温法，而后出现了热梯度法、压差法、脉冲法等新工艺，这些新方法新工艺确实有一定改善效果，但距离工程实际应用目标尚有很大距离。

1.2 质量一致性较差

碳刹车盘材料制备过程受多种因素影响，这些因素互相牵制，从而使碳刹车技术质量一致性较差。主要表现在材料密度不均匀、刹车力矩（摩擦系数）变化范围大和不同炉批产品性能不同。材料密度存在梯度，将影响热库元件的温度分布，从而影响摩擦磨损性能和使用寿命。摩擦系数变化范围大，既增加了防滑系统设计难度，也使防滑系统不能运行在最佳状态，降低了刹车系统效率和可靠性。

1.3 湿态力矩衰退

碳刹车材料属多孔材料。从与外界大气连通来看，其孔隙有开孔（显孔）和闭孔（暗孔）两种。孔隙的存在才能使热解碳渗积到坯体纤维内部，提高材料密度，改善强度和物理性能、热性能和摩擦性能，满足使用要求。制成品总有一定的孔隙存在，从物理学知道，在潮湿环境下材料表面也会吸潮吸水。飞机停放一段时间，或者雨中着陆，或者刹车后浇水冷却，刹车盘被雨水打湿，材料就会吸水。开口孔隙越多吸水量就越大。刹车过程中水和蒸汽起润滑作用，导致刹车力矩衰退减小。在某些情况下，摩擦表面会形成“气垫”。气垫效应可能使力矩衰减加剧，恶化到几乎没有力矩形成。通常，经过几次刹车磨合，碳盘吸附的水分潮气可以被蒸发掉，力矩衰退现象消失。在碳刹车应用初期，美国F15战斗机这种现象十分明显。飞机停放一夜后的早上第一次飞行着陆，刹车力矩不够，因而规定早上第一次起飞前必须进行一次地面滑行刹车，恢复力矩。这就是所谓F15的“早上病”。其实，粉末冶金和塑料刹车片也存在不同状态力矩衰退问题，不仅有湿衰退，还有热衰退。只不过碳刹车力矩衰退明显罢了。

1.4 使用寿命短

碳/碳复合材料的磨损量比粉末冶金材料正常情况下要低一个数量级。因此碳盘使用寿命一般军用飞机预计1 000次起落，民用飞机为2 000～3 000次起落，但是外场使用结果实际要大打折扣。由于碳刹车盘价格贵，因而使民机运营成本增大，引起航空公司抱怨。使用寿命达不到设计值，不仅给用户增加成本开销，也给地勤增添了维护工作量，影响了飞机出勤率。使用寿命短的原因，一是碳刹车磨损机理不同于粉末冶金。调查发现，低速、低能刹车磨损占使用寿命的75%，这在民用飞机上特别明显。这是由于在这种状态下碳盘的磨损以机械磨损占主导地位，这是不希望的一种工作状态。二是碳盘键槽异常磨损和氧化破坏。碳材料通常在400℃以上发生氧化（如果被防冰剂等物质污染，催化氧化可在更低的温度下发生），非摩擦表面需要做防氧化处理。如果防氧化层损坏而没有及时修复，就会发生氧化，表现为碳盘脆化，剥蚀掉片、剥落，提前损坏或失效。静盘键槽与刹车壳体导轨配合，动盘键槽与轮毂导轨配合，这样碳盘沿导轨运动时发生摩擦。正常情况下，键槽会有一点磨损，这与盘子厚度磨损是协调的，而碳盘的磨损寿命在设计上是由厚度决定的。动盘键槽装有钢夹，静盘有的采用钢夹，有的不用钢夹，有钢夹可以减少磨损，但钢夹材料由于使用中热应力和机械应力反复作用，导致脆性掉块、铆钉断裂脱落，可造成碳盘磨损或卡死，形成安全隐患。空客飞机A320/A319动盘键槽磨损变宽、钢夹掉块、铆钉断脱损坏机轮问题，给航空运输带来安全隐患，制造商Messier-Bugati为此发布服务信函（SL580－32－3077）要求外场注意检修，并对后续产品做设计改进。键槽异常磨损可能原因是起落架收放中出现强烈振动、防滑运行循环过于频繁，导轨表面腐蚀、有毛刺、损伤、粗糙度满足不了要求等。

2 建议采取的改进措施和途径

针对碳刹车工程化过程中存在的问题，世界各国都在想方设法解决，例如，英国邓禄普公司积极在制品密度均匀性、制造成本等方面做工作，以提高产品的竞争优势和经济效益。我们要不断跟踪研究国外的进展情况，进一步改善和解决我国碳刹车工程化过程中的问题，建议从以下措施和途径入手。

2.1 解决生产周期长问题

要从工艺原理、工艺参数、工艺装备等方面克服当前生产中的瓶颈。我们认为当前研究重点之一是要弄清制约CVD/CVI法关键因素，提出渗积新原理、新模型，在理论上证明缩短渗积周期的可能性，从而指导生产实际。研究重点之二是建造大型装备，改进制造工装，显著提高碳盘生产效率和供应能力。采用多料柱沉积炉工艺提高碳盘产量就是例子。

2.2 解决质量一致性问题

首先要弄清产品技术状态变化范围，通过厂内台架试验和外场使用数据积累分析，合理确定技术性能允许波动范围。其次要加大过程控制力度，由于碳盘生产周期长、环节多，因此必须实施严格的质量控制，大力开发实施在线监控和预测系统。第三，要从毛坯（预制体）的设计、微观组织要求、工艺制造设计（炉体、夹具、运行参数）等方面采取措施。

2.3 解决湿态力矩衰退问题

一是改善材料制备工艺，减少孔隙率，提高材料密度。另外对碳材料进行改性处理也是很有效的措施。例如，给材料渗硅（Si）生成SiC，碳材料的摩擦系数在各种状态可保持较高水平。碳/陶瓷刹车盘具有较强的环境适应性，实际上是对碳/碳复合材料的改性处理。这也是复合材料可设计性的优点体现。二是刹车系统设计时要充分考虑湿态环境对刹车效果的影响，保证最低使用要求。设计选用摩擦系数不能以干态条件为依据，要以湿态摩擦系数为底线，反复权衡方案。碳刹车盘的设计要有足够的力矩储备。系统可考虑在湿态下具有自动进行模态切换功能，采取双活塞系统刹车，或增大刹车压力等措施。此外，在刹车装置外露部分采取防水装置，或将口部易被雨水浸湿的刹车盘（压紧盘、相邻的静盘和动盘）设计成钢盘（粉末冶金盘），虽然重量略有增加，但可改善潮湿特别是雨天着陆的使用性能。三是让使用维护人员知晓碳刹车的技术特点，保证碳刹车的正常使用和安全，避免对飞行员和地勤人员带来不必要的恐慌和厌烦心理。通过宣传培训，并采取必要的使用保障措施，减少负面作用，充分发挥碳刹车的技术优势。例如，在操作维护规程中和施工现场，明确警示碳盘不可浇水冷却，不能用汽油擦拭清洗表面，更不能浸泡在油类中。如果出现异常情况，需要如何处置等。四是明确湿态刹车力矩要求，纳入考核标准。GJB 1184–1991《航空机轮和刹车装置通用规范》将碳刹车湿态力矩试验列为仅做参考，显然不符合实际需要，应及时修订。

2.4 解决使用寿命短问题

一是针对碳刹车盘的特点，采取相应的使用技术。对于多轮飞机，从刹车系统方面可考虑采用顺序（选择）刹车，也就是只让一组机轮承担刹车负荷，然后让另一组机轮刹车运行，轮流工作，而不是传统的让所有机轮刹车同时工作，从而让碳刹车运行在一定能量（温度）下，避开机械磨损模式。二是采用非等厚盘（厚盘+薄盘构型）的热库设计理念，保证碳盘温度场比较合适、碳盘磨损小。厚盘磨损到规定尺寸变薄，作为薄盘继续使用，换装新厚盘，热库大小不变。等薄盘再磨损到极限，对退下的薄盘可用“二合一”技术翻新，充分发挥材料潜力，实现碳刹车的绿色设计—环保设计。三是提高碳盘质量。密度是一项基本指标，材料密度提高，可提高材料的强度、抗氧化性、抗磨损性。四是优化设计，提高键槽的耐磨性。必要时对静盘键槽增加钢夹结构或设置可更换碳垫，保证使用性能和寿命。五是加强维护管理，如发现磨损异常、防氧化层损坏，应及时查找原因加以排除。此外要研究碳刹车机轮清洁维护所需的材料、设备和方法。

2.5 加强标准和标准化工作

碳/碳复合材料从研制开发到应用已有20多年历史，但标准和标准化建设工作还比较滞后，国内外至今这方面标准匮乏，妨碍了碳刹车工程化进展。欧洲将碳/碳复合材料纳入陶瓷大类，启动研究制定专门标准。现普遍做法是参照石墨材料、塑料等标准对碳/碳复合材料进行检测试验。在航空机轮刹车产品设计试验方面，国内执行标准主要有GJB 1184–1991，GJB 4193–2001《军用飞机刹车盘通用规范》，GJB 5038–2001《军用飞机摩擦材料通用规范》，CTSO–C135《运输类飞机机轮和机轮刹车装置》，HB 5434–1989《航空机轮摩擦材料试验方法》，但没有完全针对碳刹车机轮方面的标准规范。在GJB 1184—1991中虽然涉及到了碳刹车的设计试验问题，但还不能满足使用要求。因此，要加强型号研制中标准化工作，适时采标、制标，规范研制工作，以保证和提高产品质量。当前，应及时总结碳刹车工程化中的问题，制定和完善碳刹车材料、设计、试验等相关标准。通过标准化工作，统一要求，规范生产，提升技术水平，引领碳刹车发展。

3 结束语

飞机碳刹车是制动技术领域的一个新生事物。以上我们仅对碳刹车工程化中的一些主要问题进行了分析研究，根据掌握的知识和实践经验，提出了建设性的解决措施和途径。要使碳刹车工程应用可持续发展，还有许多课题需要研究攻克，如碳刹车与刹车系统的匹配性，碳刹车机轮结构设计、热学设计，碳刹车试验等等，国家和企业及有关方面要继续加大投入，密切合作，进一步推动我国碳刹车工程化应用。