炭炭复合材料制动性能研究

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1、摘要炭／炭复合材料(简称C／C复合材料)比强度、比模量和断裂韧性高，密度低，具有很好的热稳定性、抗烧蚀性和化学稳定性，是理想的航天航空用耐高温热结构材料。尤其是作为飞机制动材料，它表现出优良的摩擦磨损性能，在各种新型军民用飞机上得到了广泛应用。但我国目前仍未取得技术上的突破。本研究以航空飞机刹车盘为背景，在C／C复合材料制备技术、化学气相渗(CVI)热解炭结构控制、力学性能与破坏机理。制动摩擦磨损性能及其机理等方面进行了较深入韵研究与探讨。本研究的主要内容和结论如下：(1)C／C复合材料的制备以全炭纤维准三维针刺毡为预制体，采用化学

2、气相渗透(CVI)为主、液相树脂或沥青浸渍．炭化为辅的复合增密技术。为加快CVI速度和控制好热解炭结构，在对热解炭沉积机制研究的基础上，提出了通过控制沉积区域的微气氛来获得理想热解炭结构的技术途径，并发明了一种微压差定向流CVI技术，成功制各出理想的粗糙层结构热解基炭C／C复合材料。(2)C／C复合材料的三点弯曲、层间剪切和纵向、横向压缩等力学性能进行了测试和分析，就不同CVI热解炭结构而言，光滑层(SL)结构基质炭的弯曲强度和层间剪切强度要明显高于粗糙层(RL)和SL+RL两种基质炭的弯曲强度和层间剪切强度：且强度随密度升高而增大

3、，密度越高，强度增长幅度越大。纵向压缩破坏为分层劈裂方式；横向压缩破坏依密度高低，有压渍破坏、剪切破坏和分层破坏方式。30％纤维体积含量的C／C复合材料较40％和25％纤维体积含量的C／C复合材料具有更佳的力学性能。(3)C／C复合材料进行了模拟飞机不同条件制动的摩擦磨损性能试验。以粗糙层结构为主的热解炭有利于C／C复合材料获得优良的制动摩擦磨损性能，在各种刹车速度和刹车压力条件下均保持高而稳定的摩擦系数和较低的磨损。这是因为，在摩擦剪切作用下，由粗糙层结构热解炭生成的磨屑易剪切变形，覆盖在摩擦表面，形成平整、光滑的摩擦膜。该摩擦膜

4、具有自修复功能，确保C／C复合材料具有稳定的摩擦磨损性能。(4)关于最终高温热处理温度的影响，由于强烈的摩擦剪切作用可促进摩擦膜内碳原予的迁移，较高的刹车速度和刹车压力促使膜内炭的石墨结晶程度升高，因而，当刹车速度大于25rrds，粗糙层结构热解炭初始结晶程度对摩擦性能的影响基本消除，此时热处理温度对C／C复合材料的摩擦系数无明显影响。(5)关于制动摩擦特性的研究表明，摩擦系数随刹车速度的变化与摩擦表面温升有着密切的关系。摩擦表面温度低时(5m／s刹车速度或静态)，吸附水气将导致较低的摩擦系数；摩擦表面温度升高到解吸附水气温度(如1

5、0wJs制动速度)，摩擦系数将急剧升高；刹车速度及表面温度继续升高，磨屑层问剪切强度下降，导致摩擦系数随之下降。(6)对所研制的C／C复合材料飞机刹车副进行了l：1惯性台刹车试验，在设计着陆能量条件下，国产件摩擦特性基本与Dunlop原件相当；在超载、易熔塞不熔化及中止起飞能量以及湿态着陆条件下，国产件摩擦特性优于Dunlop原件，为飞机的安全提供了更加可靠的保障。关键词C／C复合材料，CVI，力学性能，破坏机理，摩擦磨损，摩擦机制ⅡABSTRACTCarbon—carboncomposites(C／C)possessmanyexc

6、ellentpropertiessuchaslOWdensity，highspecificstrengthandmodulus，highrupturetoughness，goodthermalshockresistance，highheatofablation，chemicalinertnessetc．So。theyareidea】hightemperaturetherma】structuralmaterialsintheapplicationofaircraftandspacecraft．Especiallyforitsexcel

7、lentfrictionandwearproperties，C／Ccompositeshavebeenwidelyusedasbarkingmaterialsbothinmilitaryandcivilianaircrafts．However．ithasstillnotgotthroughinourCountryThisinvestigationmainlyaimsatthepreparationtechnologyofC／Cbrakingmaterials，controlofpyrolyticcarbonstructuresofC

8、VI，mechanicalpropertiesandfracturemechanisms，frictionandwearpropertiesandmechanisms，Themaincontentsandtheconclusionsa