国外碳碳飞机刹车片预制件制造技术陕西非金属材料工艺研究所杨爱玉王者辉英、美等国家先进的碳文摘综述了国外碳碳飞机刹车片应用概况重点论述了日、法、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b. 作为散热元件刹车片材料必须能够1引言吸收由飞 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碳碳复合材料
具有耐高温、抗腐蚀、良将制动力矩传递给轮胎。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2碳碳刹车片预制件制造工艺关键技术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 2. 1法国的碳碳刹车片预制件成型工艺碳复合材料的拓展应用目标首当其冲是开发法国的欧洲动力公司SEP 在碳碳材碳碳刹车片
用于航天飞机军用、民用飞机碳料、陶材料、陶瓷陶瓷复合材料领域居于的刹车系统。随着碳碳刹车片制造技术的日世界前沿他们生产的高性能材料制品已从趋成熟和成本的下降国外也将碳碳刹车片宇航领域转移到民品上来他们采用NO 2应用于汽车、赛车及火车的制动系统。VOL T EX 针刺工艺技术成功地制造出了性碳碳飞机刹车系统为多片式刹车采用能卓越的碳纤维增强碳基复合材料其应用动片和静片交替排列。例如波音767 飞机重已从火箭发动机喷管扩展到民用飞机刹车片约170000kg 起飞速度为320km h 其动能等。为670M J 当遇到放弃起飞紧急刹车的情2. 1. 1NOVOL T EX 预制件技术况时在30 秒内利用 八部刹车装置通过液NOVOL T EX 预制件是采用专门的倒钩压力使动片静片挤压在一起并产生滑动摩针进
行针刺的它是在单向纤维铺层或正交擦形成制动扭矩。此时飞机动能转变为热纤维铺层上针刺针钩押下去的纤维方向为使刹车片内部温度高达3000℃左右表面温Z 向倒钩针向下刺入预制件时针钩牢牢地度也高达1500℃。因此作为刹车片的碳碳捕捉住上面一层的纤维并将它押下去形成复合材料必须能够承受高温、高应力、高热冲环套把最上面一层的纤维同下面的几层纤击的考验。根据飞机刹车的特点用于飞机刹维联结起来当倒钩针退出预制件时押下的车的碳碳复合材料必须具备三种功能: 纤维仍停留在原来的位置上保持环套形状a. 作为摩擦元件刹车片必须能够产生预制件的层与层之间就通过Z 向纤维结合足够大的制动扭矩在一起。改变针型增加倒钩针上的倒钩数42
航天工艺1998 年第3 期量或者是通过机械方式增加针刺密度均点。可提高预制件上的Z 向纤维含量。2. 2美国的碳碳刹车片预制件成型工艺欧洲动力公司SEP 下属的碳工业公司2. 2. 1纤维随机取向的预制件成型工艺生产的碳碳
复合材料刹车片是以氧化聚丙英国专利2271076A 的方法为一种不需烯腈纤
维O PAN 为原料采用NOVOL 2 要制备预浸料、不采用碳布或碳毡铺制刹车T EX 预制件针刺制作工艺生产出来的。片预制件的方法其技术关键为刹车片内部2. 1. 2针刺工艺中使用的倒钩针的纤维随机取向并且纤维、树脂组份可进行德国的GRO Z- B ECKER T 公司研制的优化组合。专利权人为美国的 A ircraft B rak 2倒钩针具有标准的等边三角形针头其针头ing System s Co rpo ra t ion。部有120°的对应边边角
采用圆弧过渡的三所用的沥青纤维是采用煤焦油沥青或石星型倒钩针头横截面为凹面根切部表面有油沥青的热塑性衍生物经熔融纺丝后除去R F 或HL 型倒钩使其棱角更窄对纤维的挥发份而制得的。氧化聚丙烯腈O PAN 纤捕捉性能更强穿刺织物的效果更佳。因而采维是由聚丙烯腈纤维经氧化、
碳化再进行适用这种针可以获得针刺密度大且针刺效果当热处理制成的。这两种纤维均可用于生产好的预制件。这种针的结构设计精致在针刺飞机刹车片。该方法能够实现刹车片材料内过程中纤维可以稳稳地嵌入倒钩内不会造的纤维随机取向并能进行优化组合且所用成纤维损伤避免了粉尘的产生。具有针刺效的纤维原料比较廉价。图 1 为纤维随机取向率高、均匀、不损伤纤维以及使用寿命长的特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 图中采用了筒衬套22 注入圆筒形模具24 中。模具24 置四个置于天平12 上纱轴上的纱18 通过导于转盘26 上转盘由电机驱动可通过齿轮辊16 后经机械式或气动式注射头20 作用调整转速使模具和注射头20 之间保持相对使每股纱以相同的速度分散下来再通过圆转动以保证模具24 中的碳纤维均匀分布。航天工艺1998 年第3 期43转盘能够机械地上下振动使模具中的碳纤方法再追加两个所谓的牺牲层。在致密化过维能够密集地堆积起来。当落入模具内的碳程中待制品CVD 沉积到一定程度对制品纤维重量由天平测出达到设计要求时切表面进行机械加工除去最外层打开CVD割机将纤维切断落纱停止。法向制品内部沉积的孔隙通道。就是这样在然后将进行压实工序由于模具24 为同沉积的过程中对制品进行多次外部机械加心圆结构所以压盘34 也应采用同心圆结工直到制品密度达到设计要求。在制品完成构。压盘34 沿
套筒做轴向反复运动使碳纤致密化工艺后外部牺牲层已经被全部机械维由套筒22 中压入模具24 中。还要注意在加工掉而所生产的碳碳复合材料刹车片进行落纱之前需先将所需树脂料总量的三的性能已达到设计要求。根据牺牲层的性质分之一倒入模具再进行落纱当纤维达到足可以利用多次回收重复利用的劣质纤维经够量时切断纤维再经压实工序后将剩余撕松、清理制备牺牲层纤维板。的树脂均匀地倒在模具内的碳纤维上进一该专利中生产碳碳刹车片所用的纤维步压实。然后利用夹具将纤维从模具中取出种类有: PAN 纤维、PAN 纤维、O 碳纤维、石送入对流式固化炉40 进行固化。待其定型墨纤维、陶瓷纤维、石墨纤维先驱体、陶瓷纤后将其从炉子40 中取出去掉夹具送入碳维先驱体、或者是这些纤维的混合物最好为化炉44 进行碳化处理再送入致密化炉46 氧化聚丙烯腈O PAN 纤维。将短纤维撕松进行致密化处理。最后对制品进行机械加工处理成羽毛状外观膨松不含硬块再经清就可得到碳
碳复合材料刹车片。理后送入空气铺层机制成短纤维板材再很明显该方法所采用的工装为机械式经针刺制成O PAN 短纤维预针刺板其厚结构图中各部件的作用一目了然故本文不～～度为 4 11mm 以 6. 9 8. 1mm 为佳密度再详细说明。图中碳纤维以长丝或短切纤维为0. 1～0. 2g cm 纤维体积分数为7～3的方法进入中心圆筒件36 和圆筒形模具24 14 。牺牲层采用二层800g m 2 的O PAN 纤之间及底隔板与上隔板所形成的空腔中由维预针刺板制成并通过针刺工艺附着在刹压板压实后又加入树脂再经压实树脂就均车片预制件的上下两个表面上。O PAN 纤维匀分布于纤维之间了。空气铺层板的预针刺密度为75～125 针该工艺由于不需制备预浸料便可以使预cm 以94 针cm 为最佳。采用的倒钩针为2 2制件内的纤维分布均匀并且采用该方法可德国G rox - B echert 公司的针其型号为15以提高自动化程度降低劳动强度缩短生产
×18×36×3. 5 SBH F 20 4- 22- 3B C 毡刺周期且能保证产品质量降低产品成本。
针。采用该方法生产的碳碳复合材料刹车片2. 2. 2带有牺牲层的预制件成型工艺预制件针刺板上Z 向纤维的百分比含量比在预制件的致密化工艺中由于预制件较高。外表面沉积速率远远大于中心层而导致沉积2. 3日本的碳碳刹车片预制件成型工艺的孔隙通道堵塞影响制品内部的CVD 沉 2. 3. 1纤维难熔化处理法预制件成型工艺积继续进行造成产品的质量不高性能低所谓的难熔化处理工艺是指将纤维置于下。为了保证制品中央部位的致密化程度美低温氧化炉内在受力的状态下进行处理以国的 B F Good rich 申请了发明专利本发明保证其在进行碳化处理之前具有一定的稳定采用在预制件的上下两个表面上通过针刺性。采用难熔化纤维经单轴压缩工艺制备碳44 航天工艺1998 年第 3 期碳复合材料刹车片预制件生产成本低若理过程中易出现剥落和变形若高于此值则纤维不经难熔化处理则在后续的单轴压缩致密化处理过程中易发生脆性断裂。工艺过程中会熔化影响纤维彼此之间的粘在碳化处理前后均应在垂直于纤维堆接就不可能得到性能良好的碳碳刹车片预积方向上进行针刺最后进行石墨化处理气制件。氛采用非氧化性气氛工艺温度以1000～难熔化预处理法生产刹车片预制件的一2500℃为最佳。般步骤如下: 采用CVD 工艺进行致密化处理时常a. 将沥青纤维先驱体在难熔化处理温度用气体有: 甲烷、乙烷、丙烷、乙炔、天然气等的条件下进行处理为了控制烃类气体的裂解速率常常在裂解b. 然后将纤维在低于难熔化处理温度气体中加入1 100 的隋性气体或氢气。致密的条件下进行单轴压缩化处理的工艺温度为8 0 0～ 2 5 0 ℃压力为 c. 将单轴压缩后的纤维进行碳化处理～0. 5 50to rr。 d. 在碳化处理前后分别对纤维进行垂直采
用沥青法进行致密化处理时可以选于纤维方向上的针刺工艺。用煤基沥青或石油基沥青软化点为150～欧洲专利EP 0601808 A l 公布了这种生300℃可将沥青和预制件密封于真空容器产碳碳刹车片的生产方法专利权人为日本～内在0. 01 300to rr 压力条件下加热使沥的N IPPON O I CO. L TD 其具体的生产工L 青熔化加热温度要高于沥青的软化点但要艺如下: 低于其起始分解温度。将产碳沥青熔融纺丝所得纤维的平均采用上述方法制得的预制件孔隙率适直径最好为7 30∧m 然后在180 320℃的～～中且具有良好的形状记忆特性适合用于生最佳温度范围内在氧化性气氛空气、氧气、产碳碳复合材料刹车片。氧化氮、二氧化硫、卤族气体或混合物中进 2. 2. 3纱带预成型法预制件成型工艺行30m in～10h 的难熔化处理。然后在低于日本 A CRO SS COM PAN Y 公司研制的难熔化处理温度的条件下在非氧化性气氛碳碳复合材料刹车片快速成型方法其本质中采用普通压机以2～20kg cm 2 压力进是采用焦碳和沥青粉末作为粘合剂再将碳行单轴压缩。单轴压缩工艺是采用特制的进纤维束包裹在粘合剂粉末中制成粉末预浸料工装和设备详见有关专利将连续长丝渍纱带再将该纱带包埋在含有粘合剂粉末或短切纤维均匀铺层进行单轴压缩的。的热塑性衬套里这样粘合剂易于渗入碳纤材料经单轴压缩后进行碳化处理碳化维束内形成具有均匀渗透了基体的碳纤维温度以500～2500℃为最佳处理时间以纱带然后再将其制成单向复合材料或编织30m in～4h 为最佳气氛应为非氧化性气氛: 成片状材料或经短切模压后进行热压、碳化氮气、～氦气或氩气工艺压力以0. 02 20kg 及石墨化处理就制得了碳碳刹车片。cm 为最佳。若碳化压力低于单轴压缩压力2 方法具有极好的工艺成型性和可加工则需采用热压机。若碳化温度较低且处理时
性且工艺周期短成本低。该方法所用的增间短也可以在氧化性气氛中进行碳化处理。强纤维均匀地分散到基体中产品性质均匀采用这种方法所制得的预制件密度以0. 5 ～所制得的飞机刹车片具有优异的摩擦性能和1. 4kg cm 为最佳若低于该值则致密化处3 抗热冲击性能。航天工艺1998 年第 3 期452. 4英国的碳碳刹车片预制件成型工艺一个圆环时会出现六个搭缝多层扇环叠2. 4. 1环型或扇形预制件成型工艺加相邻径向搭缝会自然错开且彼此相邻a. 采用 3. 2k 的PAN 基碳纤维长丝束在托盘上圆环的侧面就形成六条螺旋线。利用本发明中的专用设备给纤维施加一定f. 针刺作用使整个圆环结合为一个整张力铺成具有一定宽度的3mm 厚度碳纤体圆环的层与层之间通过针刺所产生的纵维片材片材通过倒钩针时倒钩针下降穿向位错纤维结合在一起。增加或降低针刺密透片材同时针上的倒钩捕捉住纤维并将其度可以改变预制件的密度。压下去使纤维断裂或形成向下的环套倒钩g. 将完成拼装、铺层、针刺的圆环预制件针向上运动时压下去的纤维就留在原来的从圆形托盘上剥离下来送入碳化炉进行碳位置形成纵向纤维倒钩针上下往复运动同化处理再送入致密化炉致密化处理。时纤维片材匀速向前进就使得片材成为以该刹车片预制件的制作工艺采用轻质平行纤维为主兼有纤维增强的、尺寸稳定的模具可生产出纤维体积分数可以控制且具织物然后收卷到卷辊上。有足够稳定性和致密化程度的碳碳飞机刹 b. 在针刺过的织物上裁割出径向扇环车片。采用这样的刹车片特别能够承受刹车和弦向扇环用于拼装成圆环。采用扇环拼装过程中产生的高应力不容易分层能够节约成圆环的方法是减少昂贵PAN 材料的浪材料、节约能源。有关本方法所用的具体设费但尽管如此剩下的边角材料仍不能回收备、工装、工艺请见专利EP 023059 A 2。利用。2. 4. 2 带有背衬材料的针刺预制件的生产c. 扇环的拼装是该发明的一大特征它工艺采用了一种特制
的设备。设备所用的圆形托制备碳碳复合材料刹车片所需要的增盘是由具有一定刚性的发泡聚乙烯材料制成强件必须具备足够的强度和稳定性才能进的用于拼装并针刺圆环。扇环的排列方式有行机械加工并按设计要求组装成刹车片。专两种: 第一层可以全部由径向扇环组成纤维利U S 4780363 中采用了下面的工艺方法：全部沿径向取向第二层则全部由弦向扇环采用稳定的沥青纤维或PAN 纤维先驱构成纤维沿弦向取向以后每层交替铺层体制得碳纤维但纤维之间的粘接性差不能重复叠加或者为每层圆环均有径向和弦向铺成单向连续纤维非编织体本发明采用作扇环交替排列构成这样可以获得更好的同为载体的背衬材料就克服了这一缺点。采用性效果。的背衬材料与单向连续碳纤维片材之间通过d. 铺满第一层后采用与片材成型时针针刺使二者之间通过位错的纵向纤维结合刺所用型号的倒钩针把第一层圆环针刺到在一起。作为载体的背衬材料可以采用溶液圆形托盘上第一层圆环上的部分纤维就刺法或渌 椒ǔ粱 纬杀∧せ虿阕床牧匣蛑 胪信棠?将圆环和托盘结合在一起。物该材料可以通过高温处理工艺使它挥发 e. 重复铺层针刺工艺直到圆环厚度达或分解。到设计要求的厚度。在扇环的拼装工艺中要针刺过程中倒钩针稳稳地钩住纤维将注意层与层之间要错开扇环接头绝不能重它压下去使部分纤维位错形成纵向环套或合否则会影响圆环的尺寸稳定性。最好取每纵向破碎纤维将纤维片材和背衬材料以及个扇环的圆心角为68°这样六个扇环拼装片材与片材之间牢牢地结合在一起。然后进46 航天工艺1998 年第 3 期行碳化处理就制成稳定的可控制纤维
取向 c. 从非编织体织物片上裁割成一定的圆的碳纤维织物同时背衬材料消失再切割成环再将这些圆环
叠加到一定厚度相邻层间设计所要求的尺寸也可以采用针刺法生产的圆环上的纤维方向要错开然后将这些圆纤维片材在去掉背衬材料之后将纤维片材环针刺在一起以提高结构的强度避免制品叠加起来层与层之间采用正交铺层使纤维在后续工艺过程中产生分层。体积分数达到70 左右然后进行碳化。最 d. 在1000℃以上的无氧条件下对预制后进行CVD 处理使材料致密化。件进行热处理使其碳化然后进行致密化处根据本专利所采用的方法可对织物在理。任何阶段进行化学处理沉积适当的物质作该方法生产预制件采用无捻纤维针刺为抗氧化剂也可在背衬材料中渗透某种元密度高预制件内部均匀、细致在后续的致素的颗粒成分作为抗氧化剂。密化过程中能够有效地缩短致密化工序时专利权人为英国的DU NLO P L I IT 2 M 间60 以上。ED 公司。另外其突出的优点是从纤维片上裁下去2. 4. 3非编织体预制件成型工艺若干圆环后剩下的边角料可再送入切割机英国专利2012671A 采用梳理好的短切将纤维片边角料转化为短切纤维再经撕松纤维和连续长纤维一起用的方法通过针刺处理就可以回收利用了。将回收后的短切纤制成织物同时织物切割剩余下的废料可以维以适当比例 5 以上与无捻PAN 短纤再回收利用用于生产织物最后制成飞机刹维混合起来再经梳毛机处理生产成纬向片车片预制件。.
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