劉云啟，武帥，葛毅成，彭可，冉麗萍，易茂中

(中南大學 粉末冶金國家重點實驗室，長沙 410083)

國產(chǎn)PAN基炭纖維增強炭基體復合材料的制動摩擦行為

劉云啟，武帥，葛毅成，彭可，冉麗萍，易茂中

(中南大學 粉末冶金國家重點實驗室，長沙 410083)

分別采用國產(chǎn)聚丙烯腈基(即PAN基)炭纖維CCF700(A)和CCF300(B)及日本東麗PAN基炭纖維T300(C)編織二維針刺氈預制體，通過化學氣相沉積結合樹脂浸漬炭化增密技術制備飛機剎車副用炭/炭復合材料，在HJDS-Ⅱ型地面慣性臺上測試這3種炭/炭復合材料的制動摩擦特性。結果表明：用國產(chǎn)炭纖維制備的炭/炭復合材料樣件的整體石墨化度低于用進口炭纖維制備的樣件。在模擬正常著陸能載下，國產(chǎn)炭纖維增強樣件的減速率高于進口纖維增強樣件。其中，采用CCF700炭纖維制備的材料A的摩擦因數(shù)較高、波動明顯，而采用CCF300炭纖維制備的材料B的摩擦因數(shù)穩(wěn)定在0.28左右。同時，剎車盤A和B的剎車過程相對平穩(wěn)，剎停時間短，但剎車盤C在剎車結束前有明顯的剎車力矩回升，有利于剎車過程的穩(wěn)定性。材料A表面形成較厚的摩擦層，而材料B的摩擦表面摩擦層較薄，這與CCF300炭纖維具有良好的耐磨性有關。

國產(chǎn)炭纖維；炭/炭復合材料；剎車盤；制動摩擦；剎車力矩

炭/炭復合材料是1種新型高溫結構材料，具有高比強、高比模、承載能力大、使用壽命長和環(huán)境適應能力強等優(yōu)點，作為先進制動材料廣泛用于現(xiàn)代軍用及民用飛機剎車裝置，實現(xiàn)了飛機制動技術的重要突破[1]。目前國內(nèi)C/C復合材料的制備技術基本成熟，而炭纖維作為制備C/C復合材料的關鍵材料，在各國均屬于戰(zhàn)備材料，出口也僅限于低端產(chǎn)品[2]。國產(chǎn)炭纖維主要應用在風電、建筑補強及新型電纜、體育用品等領域，而應用于航空航天的炭纖維一直依賴于進口[3-4]。國產(chǎn)炭纖維在飛機炭剎車盤領域的應用研究鮮有報道。隨著國內(nèi)炭纖維工業(yè)的發(fā)展，國產(chǎn) CCF700和CCF300炭纖維的力學性能已達到或超過同級別進口炭纖維，為C/C復合材料的研發(fā)和應用提供了良好的基礎。本文以某機型主機輪為標準，分別采用國產(chǎn)聚丙烯腈(PAN)基CCF700和CCF300炭纖維制備C/C復合材料剎車盤，使用地面慣性臺進行模擬飛機剎車試驗，并與國外T300炭纖維制備的C/C剎車盤的制動性能進行對比，以研究國產(chǎn)炭纖維在炭剎車材料領域應用的可靠性[1,5-9]，對于實現(xiàn)我國航空航天用炭纖維的國產(chǎn)化具有重要意義。

1 實驗

1.1 C/C復合材料的制備

分別采用國產(chǎn)牌號分別為 CCF700(A)和CCF300(B)的 PAN基炭纖維及日本東麗公司生產(chǎn)的T300(C)PAN基炭纖維編織成無緯布/炭氈混合疊層針刺氈增強體，增強體尺寸為(350±2) mm×(350±2) mm×(28.5±1) mm，經(jīng)預處理后備用。以丙烯為碳源氣體，氫氣為載氣和稀釋氣體，對上述3種預制體進行化學氣相滲透增密(CVI)至1.60 g/cm3左右，然后采用呋喃樹脂浸漬、炭化技術補充增密至密度為1.80～1.85 g/cm3，再經(jīng)2 300 ℃石墨化處理，得到3種C/C復合材料，分別標記為材料A，B和C。將這3種C/C復合材料加工成相應尺寸的剎車盤，組裝成炭剎車副A，B和C。

1.2 性能檢測

采用YG-001A-1型單纖維電子強力儀測試炭纖維單絲的力學性能，拉伸速度為2 mm/min，每種纖維進行50次單絲拉伸試驗，計算纖維的平均拉伸強度。采用MeF3A型金相顯微鏡觀察C/C復合材料的偏光顯微結構。

在炭/炭復合材料剎車盤的不同位置隨機取樣，采用D/max2550型全自動(18 kW)轉靶X射線衍射儀多次測定材料的微晶參數(shù)，參照標準 QJ2507—93計算材料的平均石墨化度。

沿剎車盤厚度方向截取直徑 12.5 mm、厚度 2.5 mm的圓片樣品，采用Netzsch LFA447型閃光導熱儀測量炭/炭復合材料的熱擴散系數(shù)及比熱容，并根據(jù)下式計算熱導率：

λ=α·ρ·с式中：λ為熱導率，W/(m·K)；с為比熱容，J/(kg·K)；α為熱擴散率，cm2/s；ρ為材料密度，g/cm3。

采用Quanta FEG250型環(huán)境掃描電鏡(SEM)觀察和分析經(jīng)過多次剎車后剎車盤組件的摩擦表面形貌。

1.3 地面慣性臺試驗

所采用的地面慣性臺試驗設備型號為 HJDS-Ⅱ型動力模擬試驗機，依據(jù)GJB1184航空機輪和剎車裝置通用規(guī)范，進行正常著陸能載水平的制動摩擦試驗，剎車速度為240 km/h、剎車壓力為8 MPa。采用3種不同炭纖維制備的3套剎車盤均進行8次磨合剎車試驗，確定剎車摩擦行為穩(wěn)定后再進行正常的著陸試驗，設定剎車時間為20 s，進行16次正常著陸試驗，記錄每次試驗數(shù)據(jù)。依據(jù)實驗數(shù)據(jù)計算剎車盤組件的減速率和摩擦因數(shù)，并繪制力矩曲線。在處于中間位置的靜盤內(nèi)圓處打測溫孔(直徑1.5 mm、深25 mm)，測量并記錄該位置的溫度[10]。

2 結果與分析

2.1 力學性能

表1所列為3種炭纖維的單絲拉伸強度與拉伸模量，以及分別采用這3種纖維制備的C/C復合材料的抗彎強度和抗壓強度。

表1 炭纖維與炭/炭復合材料的力學性能Table 1 Mechanical properties of carbon fibers and C/C composites

炭纖維的結構與組織不均勻，纖維表面和纖維芯部的有序度不同，出現(xiàn)皮-芯結構，這種結構直接影響纖維的力學性能[2]。由表1可知，國產(chǎn)CCF700和CCF300炭纖維的抗拉強度均小于 T300纖維，但模量均高于T300。其中，CCF700的抗拉強度小于CCF300，而模量高于CCF300。相同工藝參數(shù)下制備的C/C復合材料具有相同的粗糙層熱解炭，而材料A的抗彎強度和抗壓強度均高于材料 B和 C，這是因為組成材料 A的CCF700纖維具有較高的斷裂應力和高的拉伸模量。

2.2 顯微結構

圖1所示為C/C復合材料的偏光顯微形貌。由圖可見，3種材料均以炭纖維為中心，由內(nèi)向外依次為熱解炭和樹脂炭[11]。在無光學活性的炭纖維周圍，熱解炭呈現(xiàn)放射狀的不規(guī)則消光輪廓，為典型的光學粗糙層。而在熱解炭外側，較暗的部分為樹脂炭，樹脂炭與熱解炭之間存在一定的縫隙。這是在浸漬和炭化過程中，因樹脂炭與熱解炭的物理/化學性能不同，以及經(jīng)高溫熱處理后由于熱膨脹系數(shù)差異而產(chǎn)生殘余應力等綜合作用的結果。

圖1 采用不同炭纖維制備的炭/炭復合材料的偏光顯微結構Fig.1 Polarized microstructure of the three C/C composites made of different carbon fibers

2.3 石墨化度與熱導率

表2所列為C/C復合材料的石墨化度和熱導率。由表2可知，進口炭纖維增強樣件C的石墨化度高于國產(chǎn)纖維增強的樣件A和B，A材料的石墨化度略高于B材料，這在一定程度上反應了國產(chǎn)炭纖維與進口炭纖維可石墨化性的差異，與炭纖維在高溫熱處理過程中微觀結構的調(diào)整能力有關。炭纖維可石墨化性對復合材料石墨化度的影響有待進一步研究。

用國產(chǎn)炭纖維制備的C/C剎車材料的熱導率低于進口炭纖維制備的材料，這與國產(chǎn)樣件的石墨化度偏低有直接關系[12]。由表2可知，C材料的熱導率最高，在剎車過程中能更有效地傳遞熱量，使摩擦表面溫度不至于過高。B材料的平均石墨化度比A材料低2%，但在沿剎車盤厚度方向的熱導率，B盤為 44.2 W/ (m·K)，A盤為52.0 W/(m·K)，B盤比A盤低15%。作為C/C復合材料熱傳導過程的主要通道，炭纖維的微觀結構和導熱性能對受其增強的復合材料在剎車過程中的熱量傳輸和摩擦表面溫度有不可忽視的作用。炭纖維的可石墨化性是影響其導熱性能發(fā)揮的關鍵因素之一[13]。

表2 炭/炭復合材料的石墨化度及熱導率Table2 Graphitization degree and thermal conductivity of the three C/C composites

2.4 制動性能

2.4.1 減速率

圖2所示為炭/炭復合材料剎車盤在模擬正常著陸剎車試驗條件下的減速率。由圖2可看出，A剎車盤的平均減速率為4.9 m/s2(4.5 m/s2～5.6 m/s2)，高于B盤和C盤，減速率大意味著其能在更短的時間內(nèi)剎停，具有更高的剎車效率。但同時可見A盤減速率的波動范圍較大，表明其在剎車過程中不夠穩(wěn)定，影響飛機乘坐的舒適性。B剎車盤具有穩(wěn)定的減速率(平均4.49 m/s2)，波動起伏最小。而C盤的平均減速率最小。從減速率來看，用國產(chǎn)纖維制備的剎車盤A和B的減速率均高于進口纖維制備的C剎車盤，B盤減速率的穩(wěn)定性最好。A盤和C盤的減速率出現(xiàn)較大波動，可能與剎車過程中摩擦表面容易被破壞和剎車副之間的接觸狀態(tài)不穩(wěn)定有關[5]。

2.4.2 摩擦因數(shù)

圖3所示為炭/炭復合材料剎車盤在模擬正常均摩著陸條件下的平均摩擦因數(shù)。由圖3可知，A盤的平擦因數(shù)最大，最大摩擦因數(shù)達到0.35，波動起伏也最高；B 盤擁有相對穩(wěn)定的摩擦因數(shù)，平均值為0.28(0.27～0.29)，波動起伏小，與 C盤的摩擦因數(shù)平均值一致。

圖2 3種C/C復合材料剎車盤的減速率Fig.2 Deceleration rate of the three brake discs

圖3 C/C剎車盤的摩擦因數(shù)Fig.3 Friction coefficient of brake discs

2.4.3 剎車溫度

圖4所示為剎車過程中剎車盤靜盤的溫度。由圖4可知，在模擬正常著陸的過程中，B剎車盤的實測溫度最高，平均溫度達到608 ℃，A盤與C盤的平均溫度分別為569 ℃和576 ℃。A盤和C盤具有相似的溫度波動起伏，并且每次剎車的最高溫度相差不大，這與2者的熱導率接近有關。B盤在正常剎車過程中溫度較高與其低熱導率相關，因熱導率低，在摩擦過程中沿碳盤厚度方向的熱傳遞過程較慢，從而使B盤的溫度較高。摩擦表面的溫度過高不利于形成相對較厚的摩擦膜，導致剎車盤的摩擦因數(shù)降低。

圖4 C/C剎車盤的剎車溫度Fig.4 Braking temperature of brake discs

2.4.4 剎車力矩

峰值力矩是剎車盤在一次剎車試驗過程中剎車力矩的最大值。3種剎車盤的剎車力矩曲線上均有最高點和最低點,最大力矩與最小力矩的比值稱為力矩峰比。表3所列為3種剎車盤的最大力矩與最小力矩以及力矩峰比。力矩峰比是衡量材料摩擦性能優(yōu)劣的重要指標之一，力矩峰比過大，不僅對剎車系統(tǒng)結構強度和剛度要求過高，而且還會導致剎車過程不平穩(wěn)。由表3可知， A剎車盤的最大力矩和最小力矩均較B盤和C盤高， B盤的力矩峰比最高，B盤在剎車過程中可能不夠平穩(wěn)。

綜合來看，用國產(chǎn)CCF700炭纖維制備的C/C復合材料剎車盤(A盤)與用進口炭纖維制備的剎車盤(C盤)具有適當?shù)姆逯当龋瑢嶋H使用中 A盤具有更好的平穩(wěn)性。圖5所示為C/C剎車盤的剎車力矩曲線。由圖5可知：A盤和B盤的剎車過程較平穩(wěn)，剎車初始階段有明顯的力矩響應峰值，能夠很快地提供較高的剎車力矩；在達到初始力矩峰值后，B盤能快速降至平穩(wěn)，A盤力矩下降不夠迅速，可能是因為A盤的初始力矩峰值較高所致，但A剎車盤的剎車時間最短，這與其較高的減速率有關。C盤的力矩曲線較平緩，并且剎車后期力矩曲線有所回升，因而具有更好的剎車穩(wěn)定性。

表3 3種剎車盤的剎車力矩與及力矩峰值比Table 3 Braking moment and ratio of peak moment of the three brake discs

圖5 C/C剎車盤剎車過程的剎車力矩曲線Fig.5 Curve moment of C/C brake discs

2.4.5 摩擦表面形貌

經(jīng)16次模擬正常著陸試驗后，A、B剎車盤表面與磨屑形貌如圖6所示。比較圖6(a)和(b)可見，A剎車盤摩擦表面相對粗糙，出現(xiàn)大量缺陷，并有明顯的磨痕；B剎車盤表面相對平整光滑。圖6(c)與(d)顯示：A剎車盤經(jīng)過多次模擬正常著陸后，摩擦表面基本看不到炭纖維，說明摩擦副表面覆蓋了較厚的摩擦膜，并出現(xiàn)大片摩擦層的剝離，熱解炭呈現(xiàn)階梯狀； B剎車盤表面可看到炭纖維端頭，具有相對完整的較薄的摩擦膜覆蓋在炭纖維及纖維周圍的基體炭上。摩擦表面形貌相對光滑平整，纖維端頭磨損，出現(xiàn)明顯的形變。從圖6(e)和(f)可見，A剎車盤的磨屑顆粒較大，有明顯的炭纖維以及熱解炭塊體脫落的現(xiàn)象，這說明CCF700炭纖維在摩擦過程中更容易發(fā)生斷裂。較大的磨屑顆粒和斷裂的炭纖維可能對摩擦膜起到更大的破壞作用，使摩擦面出現(xiàn)磨痕；B剎車盤所形成的磨屑顆粒較小，看不到明顯斷裂的炭纖維，顆粒較均勻，均勻細小的磨屑顆粒更有利于摩擦的進行，使摩擦表面平整光滑，這也說明CCF300炭纖維在摩擦過程中不容易發(fā)生斷裂，對基體炭起到良好的保護作用，使基體炭不易脫落，形成相對均勻一致的磨屑顆粒。

炭纖維在摩擦磨損過程中起到釘扎作用[14-16]，這種釘扎作用能夠保護基體炭，形成平整均勻的摩擦膜和細小的磨屑顆粒，而纖維如果容易發(fā)生脆性斷裂，則對基體炭的保護作用減弱，在摩擦中與基體炭一起脫落，從而形成較大的磨屑顆粒，并且摩擦表面在大顆粒作用下易出現(xiàn)磨痕，使整個摩擦表面形貌凹凸不平。相對而言，A盤的炭纖維在摩擦過程中較易發(fā)生脆性斷裂，隨基體炭一起脫落，更利于成膜，從而形成相對較厚的摩擦膜。B盤產(chǎn)生的磨屑少，有炭纖維斷裂，摩擦表面纖維發(fā)生變形，摩擦表面整體光滑，并形成連續(xù)的摩擦膜，說明纖維對基體炭起到了一定的保護作用[16]。

3 結論

1) 采用國產(chǎn)炭纖維制備的2種C/C復合材料的石墨化度和熱導率均低于進口纖維制備的 C/C復合材料。

2) 在模擬正常著陸中，國產(chǎn)CCF300炭纖維制備的B剎車盤的減速率和摩擦因數(shù)相對用國產(chǎn)CCF300炭纖維制備的A剎車盤以及用日本T300纖維制備的C剎車盤具有更好的穩(wěn)定性，A盤和B盤的減速率高于C盤；但B盤在剎車過程中靜盤溫度較高，相對于A剎車盤摩擦因數(shù)偏低。

3) B剎車盤的峰值力矩最高，意味著B剎車盤在實際應用中可能對飛機起落架系統(tǒng)造成一定的瞬時力矩沖擊。國產(chǎn)炭纖維制備的剎車盤剎車過程相對平穩(wěn)，剎停時間短，有利于剎車過程的穩(wěn)定性。

4) A剎車盤表面形成較厚的摩擦層，B剎車盤表面形成連續(xù)的摩擦薄層，CCF300纖維在摩擦中對基體炭起到保護作用。

圖6 剎車盤摩擦表面及磨屑的SEM形貌Fig.6 SEM images of friction surface and wear debris

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(編輯 湯金芝)

Braking friction behavior of carbon-based composites reinforced by domestic PAN-based carbon fibers

LIU Yunqi, WU Shuai, GE Yicheng, PENG Ke, RAN Liping, YI Maozhong
(State Key Laboratory of Powder Metallurgy, Central South University, Changsha 410083, China)

Three kinds of carbon-carbon composites for aircraft braking were made by using domestic PAN-based carbon fiber CCF700 (A) and CCF300 (B) as well as Toray T300 (C). The carbon fibers were fabricated into two-dimensional needle carbon felt and then were densitied by chemical vapor deposition with resin impregnation and carbonization process. Brake properties of the three C/C composites were tested on HJDS-Ⅱdynamometer. The results show that the graphitization degrees of the samples reinforced by domestic carbon fiber are lower than that of the sample reinforced by Toray carbon fiber. The deceleration rates of domestic samples are higher than that of the T300-reinforced composites (C) under normal landing. Friction coefficient of CCF700-reinforced composites (A) is high and fluctuant, but the friction coefficient of CCF300-reinforced composites (B) is stabilized on 0.28. At the same time, the braking processes of composites A and B are relatively stable and the braking time is short. However, the braking moment of composites C has an obvious rally at the end of the brake, which is conducive to the stability of the braking process. Morphology of the wear surface shows that a thick friction layer forms on the surface of composites A while the friction layer on composites B appears to be thin, which is directly related to the different wear resistance of the carbon fibers.

domestic carbon fibers; carbon/carbon composites; brake discs; braking friction; brake moment

TB332

A

1673-0224(2017)01-108-07

國家 XX 規(guī)劃項目相關基礎研究資助項目

2016-01-18；

2016-04-14

易茂中，教授，博士。電話：0731-88877700；E-mail: yimaozhong@126.com