陕西非金属材料工艺研究所 杨爱玉 王者辉
文摘 综述了国外碳 碳飞机刹车片应用概况，重点论述了日、英、法、美等国家先进的碳 碳飞机刹车片预制件制造的关键工艺技术。
主题词 刹车片 碳 碳复合材料 成形工艺
1 引言
碳 碳复合材料具有耐高温、抗腐蚀、良好的化学稳定性、较低的热膨胀系数、抗热震性好以及不易发生突发灾难性损坏等一系列优点，因而全世界多家碳 碳复合材料制造公司除将其应用于宇航、军事等目的外，对碳 碳复合材料的拓展应用目标首当其冲是开发碳 碳刹车片，用于航天飞机，军用、民用飞机的刹车系统。随着碳 碳刹车片制造技术的日趋成熟和成本的下降，国外也将碳 碳刹车片应用于汽车、赛车及火车的制动系统。
碳 碳飞机刹车系统为多片式刹车，采用动片和静片交替排列。例如波音767飞机重约170000kg，起飞速度为320km h，其动能为670M J，当遇到放弃起飞，紧急刹车的情况时，在30秒内利用八部刹车装置，通过液压力使动片静片挤压在一起，并产生滑动摩擦，形成制动扭矩。此时飞机动能转变为热，使刹车 片内部温度高达3000℃左右，表面温度也高达1500℃。因此作为刹车片的碳 碳复合材料必须能够承受高温、高应力、高热冲击的考验。根据飞机刹车的特点，用于飞机刹车的碳 碳复合材料必须具备三种功能:
a.作为摩擦元件，刹车片必须能够产生足够大的制动扭矩;
b.作为散热元件，刹车片材料必须能够吸收由飞机动能转化来的全部热量;
c.作为结构元件，刹车片材料必须能够将制动力矩传递给轮胎。
2 碳 碳刹车片预制件制造工艺关键技术
2.1 法国的碳 碳刹车片预制件成型工艺
法国的欧洲动力公司(SEP)在碳 碳材料、碳 陶材料、陶瓷 陶瓷复合材料领域居于世界前沿，他们生产的高性能材料制品已从宇航领域转移到民品上来；他们采用NO2 VOL T EX针刺工艺技术，成功地制造出了性能卓越的碳纤维增强碳基复合材料，其应用已从火箭发动机喷管扩展到民用飞机刹车片等。 2.1.1 NOVOL T EX预制件技术
NOVOL T EX预制件是采用专门的倒钩针进行针刺的，它是在单向纤维铺层或正交纤维铺层上针刺，针钩押下去的纤维方向为Z向；倒钩针向下刺入预制件时，针钩牢牢地捕捉住上面一层的纤维，并将它押下去，形成环套，把最上面一层的纤维同下面的几层纤维联结起来；当倒钩针退出预制件时，押下的纤维仍停留在原来的位置上，保持环套形状；预制件的层与层之间就通过Z向纤维结合在一起。改变针型，增加倒钩针上的倒钩数 量，或者是通过机械方式，增加针刺密度，均可提高预制件上的Z 向纤维含量。
欧洲动力公司SEP 下属的碳工业公司生产的碳 碳复合材料刹车片，是以氧化聚丙烯腈纤维(O PAN )为原料，采用NOVOL 2T EX 预制件针刺制作工艺生产出来的。2.1.2 针刺工艺中使用的倒钩针
德国的GRO Z -B ECKER T 公司研制的倒钩针，具有标准的等边三角形针头，其针头部有120°的对应边，边角采用圆弧过渡的三星型倒钩，针头横截面为凹面，根切部表面有R F 或HL 型倒钩，使其棱角更窄，对纤维的捕捉性能更强，穿刺织物的效果更佳。因而采用这种针，可以获得针刺密度大且针刺效果好的预制件。这种针的结构设计精致，在针刺过程中，纤维可以稳稳地嵌入倒钩内，不会造成纤维损伤，避免了粉尘的产生。具有针刺效率高、均匀、不损伤纤维以及使用寿命长的特
点。
2.2 美国的碳 碳刹车片预制件成型工艺2.2.1 纤维随机取向的预制件成型工艺英国专利2271076A 的方法为一种不需要制备预浸料、不采用碳布或碳毡铺制刹车片预制件的方法，其技术关键为刹车片内部的纤维随机取向，并且纤维、树脂组份可进行优化组合。专利权人为美国的A ircraft B rak 2ing System s Co rpo rati on 。
所用的沥青纤维是采用煤焦油沥青或石油沥青的热塑性衍生物，经熔融纺丝后除去挥发份而制得的。氧化聚丙烯腈(O PAN )纤维是由聚丙烯腈纤维经氧化、碳化再进行适当热处理制成的。这两种纤维均可用于生产飞机刹车片。该方法能够实现刹车片材料内的纤维随机取向，并能进行优化组合，且所用的纤维原料比较廉价。图1为纤维随机取向的碳 碳刹车片生产工艺及设备示意图
。
图1 纤维随机取向的碳 碳刹车片生产工艺及设备示意图
如图1所示，将若干个纱轴14(图中采用了
四个)置于天平12上，纱轴上的纱18通过导辊16后，经机械式或气动式注射头20作用，使每股纱以相同的速度分散下来，再通过圆
筒衬套22注入圆筒形模具24中。模具24置于转盘26上，转盘由电机驱动，可通过齿轮调整转速，使模具和注射头20之间保持相对转动，以保证模具24中的碳纤维均匀分布。
转盘能够机械地上下振动，使模具中的碳纤维能够密集地堆积起来。当落入模具内的碳纤维重量(由天平测出)达到设计要求时，切割机将纤维切断，落纱停止。
然后将进行压实工序，由于模具24为同心圆结构，所以压盘34也应采用同心圆结构。压盘34沿套筒做轴向反复运动，使碳纤维由套筒22中压入模具24中。还要注意，在进行落纱之前，需先将所需树脂料总量的三分之一倒入模具，再进行落纱；当纤维达到足够量时，切断纤维，再经压实工序后，将剩余的树脂均匀地倒在模具内的碳纤维上，进一步压实。然后利用夹具将纤维从模具中取出，送入对流式固化炉40进行固化。待其定型后，将其从炉子40中取出，去掉夹具，送入碳化炉44进行碳化处理；再送入致密化炉46进行致密化处理。最后对制品进行机械加工，就可得到碳 碳复合材料刹车片。
很明显，该方法所采用的工装为机械式结构，图中各部件的作用一目了然，故本文不再详细说明。图中碳纤维以长丝或短切纤维的方法进入中心圆筒件36和圆筒形模具24之间及底隔板与上隔板所形成的空腔中，由压板压实后又加入树脂，再经压实，树脂就均匀分布于纤维之间了。
该工艺由于不需制备预浸料便可以使预制件内的纤维分布均匀，并且采用该方法可以提高自动化程度，降低劳动强度，缩短生产周期，且能保证产品质量，降低产品成本。2.2.2 带有牺牲层的预制件成型工艺
在预制件的致密化工艺中，由于预制件外表面沉积速率远远大于中心层而导致沉积的孔隙通道堵塞，影响制品内部的CVD沉积继续进行，造成产品的质量不高，性能低下。为了保证制品中央部位的致密化程度，美国的B F Goodrich申请了发明专利；本发明采用在预制件的上下两个表面上，通过针刺方法再追加两个所谓的牺牲层。在致密化过程中，待制品CVD沉积到一定程度，对制品表面进行机械加工，除去最外层，打开CVD 法向制品内部沉积的孔隙通道。就是这样，在沉积的过程中，对制品进行多次外部机械加工，直到制品密度达到设计要求。在制品完成致密化工艺后，外部牺牲层已经被全部机械加工掉，而所生产的碳 碳复合材料刹车片的性能已达到设计要求。根据牺牲层的性质，可以利用多次回收重复利用的劣质纤维，经撕松、清理，制备牺牲层纤维板。
该专利中生产碳 碳刹车片所用的纤维种类有:PAN纤维、O PAN纤维、碳纤维、石墨纤维、陶瓷纤维、
石墨纤维先驱体、陶瓷纤维先驱体、或者是这些纤维的混合物，最好为氧化聚丙烯腈(O PAN)纤维。将短纤维撕松处理成羽毛状，外观膨松，不含硬块，再经清理后，送入空气铺层机，制成短纤维板材，再经针刺，制成O PAN短纤维预针刺板，其厚度为4～11mm(以6.9～8.1mm为佳)，密度为0.1～0.2g c m3，纤维体积分数为7～14%。牺牲层采用二层800g m2的O PAN纤维预针刺板制成，并通过针刺工艺附着在刹车片预制件的上下两个表面上。O PAN纤维空气铺层板的预针刺密度为75～125针 c m2，以94针 c m2为最佳。采用的倒钩针为德国Grox-B echert公司的针，其型号为15×18×36×3.5SBH F204-22-3B C毡刺针。采用该方法生产的碳 碳复合材料刹车片预制件，针刺板上Z向纤维的百分比含量比较高。
2.3 日本的碳 碳刹车片预制件成型工艺2.
3.1 纤维难熔化处理法预制件成型工艺
所谓的难熔化处理工艺是指将纤维置于低温氧化炉内，在受力的状态下进行处理，以保证其在进行碳化处理之前具有一定的稳定性。采用难熔化纤维经单轴压缩工艺制备碳
碳复合材料刹车片预制件，生产成本低；若纤维不经难熔化处理，则在后续的单轴压缩工艺过程中，会熔化，影响纤维彼此之间的粘接，就不可能得到性能良好的碳 碳刹车片预制件。
难熔化预处理法生产刹车片预制件的一般步骤如下:
a.将沥青纤维先驱体在难熔化处理温度的条件下进行处理;
b.然后将纤维在低于难熔化处理温度的条件下进行单轴压缩;
c.将单轴压缩后的纤维进行碳化处理;
d.在碳化处理前后分别对纤维进行垂直于纤维方向上的针刺工艺。
欧洲专利EP0601808A l公布了这种生产碳 碳刹车片的生产方法，专利权人为日本的N IPPON O I L CO.L TD，其具体的生产工艺如下:
将产碳沥青熔融纺丝，所得纤维的平均直径最好为7～30Λm，然后在180～320℃的最佳温度范围内，在氧化性气氛(空气、氧气、氧化氮、二氧化硫、卤族气体或混合物)中进行30m in～10h的难熔化处理。然后在低于难熔化处理温度的条件下，在非氧化性气氛中，采用普通压机，以2～20kg c m2压力进行单轴压缩。单轴压缩工艺是采用特制的进料工装和设备(详见有关专利)，将连续长丝或短切纤维均匀铺层，进行单轴压缩的。
材料经单轴压缩后，进行碳化处理；碳化温度以500～2500℃为最佳，处理时间以30m in～4h为最佳，气氛应为非氧化性气氛：氮气、氦气或氩气，工艺压力以0.02～20kg c m2为最佳。若碳化压力低于单轴压缩压力，则需采用热压机。若碳化温度较低且处理时间短，也可以在氧化性气氛中进行碳化
处理。采用这种方法所制得的预制件密度以0.5～1.4kg c m3为最佳；若低于该值，则致密化处理过程中易出现剥落和变形；若高于此值，则致密化处理过程中易发生脆性断裂。
在碳化处理前后，均应在垂直于纤维堆积方向上进行针刺，最后进行石墨化处理，气氛采用非氧化性气氛，工艺温度以1000～2500℃为最佳。
采用CVD工艺进行致密化处理时，常用气体有：甲烷、乙烷、丙烷、乙炔、天然气等，为了控制烃类气体的裂解速率，常常在裂解气体中加入1 100的隋性气体或氢气。致密化处理的工艺温度为800～250℃，压力为0.5～50to rr。
采用沥青法进行致密化处理时，可以选用煤基沥青或石油基沥青(软化点为150～300℃)，可将沥青和预制件密封于真空容器内，在0.01～300to rr压力条件下加热，使沥青熔化，加热温度要高于沥青的软化点，但要低于其起始分解温度。
采用上述方法制得的预制件，孔隙率适中，且具有良好的形状记忆特性，适合用于生产碳 碳复合材料刹车片。
2.2.3 纱带预成型法预制件成型工艺
日本A CRO SS COM PAN Y公司研制的碳 碳复合材料刹车片快速成型方法，其本质是采用焦碳和沥
青粉末作为粘合剂，再将碳纤维束包裹在粘合剂粉末中，制成粉末预浸渍纱带；再将该纱带包埋在含有粘合剂粉末的热塑性衬套里，这样粘合剂易于渗入碳纤维束内，形成具有均匀渗透了基体的碳纤维纱带，然后再将其制成单向复合材料或编织成片状材料，或经短切模压后进行热压、碳化及石墨化处理，就制得了碳 碳刹车片。
方法具有极好的工艺成型性和可加工性，且工艺周期短，成本低。该方法所用的增强纤维均匀地分散到基体中，产品性质均匀，所制得的飞机刹车片具有优异的摩擦性能和抗热冲击性能。
2.4 英国的碳 碳刹车片预制件成型工艺
2.4.1 环型或扇形预制件成型工艺
a.采用3.2k的PAN基碳纤维长丝束，利用本发明中的专用设备，给纤维施加一定张力，铺成具有一定宽度的3mm厚度碳纤维片材；片材通过倒钩针时，倒钩针下降，穿透片材，同时针上的倒钩捕捉住纤维并将其压下去，使纤维断裂或形成向下的环套；倒钩针向上运动时，压下去的纤维就留在原来的位置形成纵向纤维；倒钩针上下往复运动，同时纤维片材匀速向前进，就使得片材成为以平行纤维为主兼有纤维增强的、尺寸稳定的织物，然后收卷到卷辊上。
b.在针刺过的织物上裁割出径向扇环和弦向扇环，用于拼装成圆环。采用扇环拼装成圆环的方法是减少昂贵PAN材料的浪费，但尽管如此，剩下的边角材料仍不能回收利用。
c.扇环的拼装是该发明的一大特征，它采用了一种特制的设备。设备所用的圆形托盘是由具有一定刚性的发泡聚乙烯材料制成的，用于拼装并针刺圆环。扇环的排列方式有两种：第一层可以全部由径向扇环组成，纤维全部沿径向取向，第二层则全部由弦向扇环构成，纤维沿弦向取向，以后每层交替铺层，重复叠加；或者为每层圆环均有径向和弦向扇环交替排列构成，这样可以获得更好的同性效果。
d.铺满第一层后，采用与片材成型时针刺所用型号的倒钩针，把第一层圆环针刺到圆形托盘上，第一层圆环上的部分纤维就刺入托盘内，将圆环和托盘结合在一起。
e.重复铺层，针刺工艺，直到圆环厚度达到设计要求的厚度。在扇环的拼装工艺中，要注意层与层之间要错开扇环接头，绝不能重合，否则会影响圆环的尺寸稳定性。最好取每个扇环的圆心角为68°，这样六个扇环拼装一个圆环时，会出现六个搭缝；多层扇环叠加，相邻径向搭缝会自然错开，且彼此相邻，在托盘上圆环的侧面就形成六条螺旋线。
f.针刺作用使整个圆环结合为一个整体，圆环的层与层之间通过针刺所产生的纵向位错纤维结合在一起。增加或降低针刺密度可以改变预制件的密度。
g.将完成拼装、铺层、针刺的圆环预制件从圆形托盘上剥离下来，送入碳化炉进行碳化处理，再送入致密化炉致密化处理。
该刹车片预制件的制作工艺，采用轻质模具，可生产出纤维体积分数可以控制且具有足够稳定性和致密化程度的碳 碳飞机刹车片。采用这样的刹车片特别能够承受刹车过程中产生的高应力，不容易分层；能够节约材料、节约能源。有关本方法所用的具体设备、工装、工艺，请见专利EP023059A2。2.4.2 带有背衬材料的针刺预制件的生产工艺
制备碳 碳复合材料刹车片所需要的增强件必须具备足够的强度和稳定性，才能进行机械加工，并按设计要求组装成刹车片。专利U S4780363中采用了下面的工艺方法：采用稳定的沥青纤维或PAN纤维先驱体制得碳纤维，但纤维之间的粘接性差，不能铺成单向连续纤维非编织体，本发明采用作为载体的背衬材料就克服了这一缺点。采用的背衬材料与单向连续碳纤维片材之间通过针刺，使二者之间通过位错的纵向纤维结合在一起。作为载体的背衬材料可以采用溶液法或其它方法沉积形成薄膜或层状材料或织物，该材料可以通过高温处理工艺，使它挥发或分解。
针刺过程中，倒钩针稳稳地钩住纤维将它压下去，使部分纤维位错形成纵向环套或纵向破碎纤维，将纤维片材和背衬材料以及片材与片材之间牢牢地结合在一起。然后进
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