杨先学
摘 要:针对飞机刹车毂在使用中出现的碳盘氧化,分析了碳盘的氧化机理,综述了碳盘在生产时的抗氧化处理,分析了碳盘使用中的氧化类型:高温氧化和催化剂氧化。高温氧化的严重程度与温度高低及持续时间有关。催化剂氧化与碳盘在刹车毂使用和维修过程中接触到外来化学剂有关。提出了在刹车毂使用和维修中针对碳盘高温氧化和催化剂氧化的建议措施。
关键词:刹车毂 碳盘 氧化
现代飞机广泛使用碳刹车毂。在碳刹车毂的使用和维修过程中,发现有碳盘出现严重氧化,甚至导致碳盘断裂、损伤刹车毂和轮毂零部件,影响飞机的安全和航班正常。分析碳盘的氧化机理,综述碳盘在生产时的抗氧化处理,结合碳盘在使用中出现的氧化类型,以便在刹车毂的使用和维修中采取有针对性的碳盘防氧化措施。
1 碳盘的氧化机理
碳在常温和普通环境下几乎呈化学惰性,但在较高的温度下,单质碳具有很强的还原性,因而很容易与氧化性气体发生化学反应。碳的氧化包括碳与氧气、二氧化碳和水蒸气等发生反应。在温度较低时,碳与氧气反应生成二氧化碳,在较高的温度时,碳与氧气反应还可生成一氧化碳。在温度约700 ℃时,碳与二氧化碳、水蒸气反应生成一氧化碳及氢气。
碳盘的氧化过程:(1)氧化气体向碳盘表面扩散;(2)氧化气体吸附在碳盘表面;(3)在碳盘表面进行氧化反应;(4)氧化反应生成的气体脱附;(5)生成的气体扩散、离开碳盘表面。
碳盘碳材料的基本结构是微晶石墨。石墨的氧化活性与晶体结构、晶体缺陷和杂质等有关。碳盘存在一些氧化活性点,会吸附空气中的氧气,在400 ℃时就开始发生氧化反應[1]。氧化活性点越少,氧化速度越慢。随着温度的升高,碳原子的氧化活性会增强,使更多的原子投入氧化反应,氧化速度会加快。
碳盘碳材料是多孔材料。气体会通过碳盘表面孔隙进入材料内部。在较低温度时,氧气在碳盘孔隙内的扩散速度远大于反应速度,碳盘内外基本均匀反应。随着温度升高,氧化反应速度会不断提高。在450 ℃~650 ℃时,含氧气体在碳盘孔隙入口处消耗较多,进入材料内部较少,因而碳盘表面的氧化多于碳盘内部。当碳盘温度高于650 ℃时,氧化反应速度进一步提高,含氧气体在碳盘表面就消耗完了,碳盘内部几乎没有氧化[2]。
2 碳盘生产时的抗氧化处理
飞机刹车毂碳盘在正常刹车时的温度均高于碳材料的开始氧化温度。在中断起飞、着陆情况下,碳盘温度甚至会远远高于碳材料开始氧化温度。碳盘生产厂家在碳盘生产时都会对碳盘进行抗氧化处理。碳盘抗氧化处理的关键在于延缓或阻止碳材料的氧化或隔离碳材料和氧化环境。
延缓或阻止碳材料的氧化,可通过对碳纤维和基体碳进行改性处理实现,使碳材料本身具有较强的抗氧化能力。具体方法包括添加抑制剂和内部涂层。内部涂层在工艺实施上受到较大限制,通常采用在碳材料内部添加抑制剂。在工作温度时,添加剂或添加剂和碳反应的生成物,会优先与氧发生反应,从而起到阻止碳氧化的作用。添加剂反应生成物还会改变碳材料内部结构,增加致密度、堵塞碳材料孔隙,阻碍含氧气体在碳材料内部扩散。处于碳材料表面或近表面的添加剂能形成一定玻璃相,玻璃相的流动会在碳材料表面形成薄的保护膜,阻止含氧气体进入碳材料孔隙和裂缝。常用的添加剂有硼、硅及其化合物等。
碳盘表面使用抗氧化涂层,阻止含氧气体与碳盘碳材料的接触。飞机刹车毂碳盘表面抗氧化涂层要具有在中低温度下可使用较长时间的性能。涂层性能要求主要包括:能有效阻止含氧气体向碳盘内部扩散;涂层与基体结合紧密;涂层成分必须有低的蒸发性能;涂层与基体材料热膨胀系数相差小,不会因温度变化而脱落;涂层应完整致密,在较高温度下具有一定的自愈合性能。目前主要使用硼酸盐涂层和磷酸盐涂层。硼酸盐涂层以有机硅树脂作为粘接剂,硼和硼酸盐以及某些金属粉末作为填料。磷酸盐涂层的主要成分为磷酸铝、磷酸锰、磷酸锌、磷酸钙、二氧化硅等。
3 碳盘使用中的氧化类型
尽管碳盘在生产时已经进行了抗氧化处理,但在刹车毂使用过程中,碳盘仍然可能发生两种类型的氧化:高温氧化和催化剂氧化。
高温氧化与刹车时的碳盘温度有直接关系。碳盘在生产时采取了一定的抗氧化措施,使得在一定温度下碳盘不会有明显的氧化。碳盘温度升高超过一定值时,碳盘上的抗氧化涂层会蒸发,碳材料和添加剂会加速氧化。氧化的严重程度与温度高低及持续时间相关。碳盘刹车时的温度与碳盘初始温度、刹车能量和减速快慢有关。在高温天气时,碳盘的初始温度相对低温天气要高。在飞机中断起飞或着陆时,刹车能量要远远高于飞机正常着陆时的刹车能量。飞机在着陆时的减速方式包括地面扰流板、发动机反推装置和刹车毂等。减速的快慢与减速方式的选择有关;减速的快慢也与飞机着陆滑行距离的客观要求有关。飞机减速越快,碳盘的刹车温度会越高。碳盘温度越高、持续时间越长,碳盘高温氧化越快。碳盘高温氧化的表现形式为氧化均匀分布在碳盘的内径和外径边缘。刹车毂中间位置的碳盘最可能发生高温氧化,或其氧化程度最严重。
催化剂氧化与碳盘在刹车毂使用和维修过程中接触到外来化学剂有关。这些化学剂不仅会与抗氧化涂层中的成分发生化学反应,从而破坏其防氧化功能,而且会与碳材料添加剂成分发生化学反应,直接破坏碳材料的抗氧化性能。碳盘可能接触到的化学剂有磷酸酯液压油、清洗剂、除冰液和灭火剂等。刹车毂零部件可能发生渗漏故障,磷酸酯液压油会流到或溅到碳盘上。冬季飞机除冰时,除冰液可能流到或溅到碳盘上。刹车毂着火时,灭火剂会喷到碳盘上。催化剂氧化的表现形式为氧化出现在化学剂接触碳盘的区域。
4 飞机刹车毂使用和维修中的碳盘防氧化措施
对于碳盘的高温氧化,采取的措施应为降低碳盘温度、降低高温持续时间。飞机系统应配置刹车冷却风扇。飞机滑行到停留位置后,尤其在高温天气,应使用轮挡固定飞机,松开停留刹车。在飞机中断起飞、着陆后,刹车毂应拆下,车间分解检查碳盘的氧化,若有氧化迹象,则碳盘不允许继续使用。
对于碳盘的催化剂氧化,采取的措施应为尽量避免碳盘接触化学剂及进行相应的检查。若碳盘接触到液压油,应评估液压油污染面积和部位,若在规定标准内,应立即使用干净不起毛的布浸上异丙醇清洁。不允许使用碱性清洁剂清洁。冬季飞机除冰时,应对碳盘进行保护,防止碳盘接触除冰液。选择对碳盘低催化剂氧化的除冰液。刹车毂着火时,不允许使用泡沫灭火剂和干粉灭火剂[3]。
参考文献
[1]罗瑞盈,向巧,李进松,等.先进碳/碳复合飞机刹车材料关键技术研究和应用进展[J].航空制造技术,2010(1):56-58.
[2]药宁娜.C/C-SiC飞机刹车材料用硼硅玻璃涂层的制备与防氧化性能[D].西安:西北工业大学,2007.
[3]MESSIER-BUGATTI-DOWTY部件维护手册32-41-82[Z].