碳纖維剎車盤的創(chuàng)新

      飛機(jī)已經(jīng)成為越來越多中國人的工作和旅游出行的首選交通工具，但是當(dāng)人們坐在波音、空客等世界頂尖的民航飛機(jī)中，很少會(huì)有人知道，這些從國外進(jìn)口的大型飛機(jī)上，國產(chǎn)零部件已經(jīng)占據(jù)一席之地，其中由江蘇宜興天鳥高新技術(shù)有限公司研制的飛機(jī)碳剎車預(yù)制件制造的國產(chǎn)碳剎車盤就在默默無聞地承載著無數(shù)乘客一次次地安全起降。

　　隨著航空事業(yè)的快速發(fā)展，飛機(jī)負(fù)載大型化、中小型飛機(jī)多樣化，這就對飛機(jī)剎車裝置提出了更高的要求。剎車盤是飛機(jī)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)和保障飛機(jī)安全著陸的最關(guān)鍵部件之一。目前使用的剎車盤主要有金屬基粉末冶金材料和碳纖維增強(qiáng)的碳／碳復(fù)合材料兩大類。金屬剎車盤在高溫條件下容易出現(xiàn)變形、開裂、剎車力距不穩(wěn)定等問題，而且磨損量大、使用周期短、不易維修。 123456

　　碳／碳復(fù)合材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能、熱物理性能以及良好摩擦磨損性能。用其制備飛機(jī)剎車盤，即使在高溫條件下也不易變形，不易開裂、不粘結(jié)、剎車力距穩(wěn)定、磨損量小、使用壽命長，而且可以翻修復(fù)用。因此，碳／碳復(fù)合材料飛機(jī)剎車盤，已經(jīng)成為國際航空業(yè)的重要發(fā)展方向。 內(nèi)容來自123456

　　但在國際上，碳／碳復(fù)合材料剎車盤市場幾乎被美、英、法三國的五家公司所壟斷，價(jià)格昂貴，民用飛機(jī)須以舊換新，軍機(jī)則完全封鎖。我國民航每年要用巨額外匯從國外進(jìn)口這一貴重的航空器材，而軍用飛機(jī)不得不長期使用重量大、性能低的金屬剎車盤，對提高我軍的戰(zhàn)斗能力極為不利。

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　　鑒于發(fā)展碳／碳復(fù)合材料的必要性，1998年國家發(fā)展計(jì)劃委員會(huì)批發(fā)了關(guān)于碳／碳復(fù)合材料航空剎車副重點(diǎn)工業(yè)性項(xiàng)目的批復(fù)，由中南大學(xué)等科研單位和軍工企業(yè)聯(lián)合攻關(guān)。天鳥公司作為該項(xiàng)目的配套單位，專門成立了以繆云良總經(jīng)理為核心的攻關(guān)小組，并且正式立項(xiàng)定名為“TS飛機(jī)碳剎車預(yù)制件” copyright 123456

　　國外同類產(chǎn)品現(xiàn)狀及本產(chǎn)品的技術(shù)方案 本文來自123

　　經(jīng)分析研究發(fā)現(xiàn)，國外是采用聚丙烯腈預(yù)氧化纖維(PANOF)制作預(yù)制件。采用該方案制作預(yù)制件，必須首先經(jīng)過一道碳化工序，使預(yù)氧纖維結(jié)構(gòu)變?yōu)樘祭w維結(jié)構(gòu)。然而對具有一定初始密度的預(yù)氧纖維預(yù)制件進(jìn)行碳化時(shí)，因?qū)嵯禂?shù)低、碳化可控性較差、工藝難度大、對設(shè)備及工藝要求高，在高溫碳化過程中，預(yù)制件內(nèi)部的長、短纖維產(chǎn)生不同引力而蠕動(dòng)造成整體收縮變形，易分層；同時(shí)碳化后的預(yù)制件密度會(huì)降低、體積密度不易均勻；碳化過程中若工藝控制不好還容易造成結(jié)焦，復(fù)合成碳／碳復(fù)合材料后結(jié)焦處易形成不均勻低密度區(qū)，對最終產(chǎn)品各層面的摩擦磨損性能均勻性會(huì)有一定影響。況且在無法實(shí)施張力情況下，預(yù)氧纖維碳化轉(zhuǎn)變成的碳纖維強(qiáng)度與專門生產(chǎn)的碳纖維相比要低得多，這對后續(xù)CVD碳／碳復(fù)合材料的力學(xué)性能也會(huì)有一定影響。 copyright 123456

　　因此，天鳥公司開展了用聚丙烯腈碳纖維直接制作預(yù)制件的科研攻關(guān)，主要解決了碳纖維成網(wǎng)的技術(shù)難點(diǎn)。經(jīng)實(shí)踐表明，用碳纖維直接制作預(yù)制件，不僅節(jié)省了碳化工序，有利于后續(xù)CVD工藝，而且制得的預(yù)制件整體均勻、層間致密、性能穩(wěn)定，生產(chǎn)周期短、制作成本低。該項(xiàng)目技術(shù)不同于法國Messier-Bugatti、美國B.F.goodrich所采用預(yù)氧纖維制備的也是目前國際上最具代表性的“Novoltex”技術(shù)；也不同于英國Dunlop所采用的預(yù)氧纖維針刺薄氈疊層的技術(shù)；更不同于美國Honeywell所采用的短切纖維混合樹脂模壓成形的技術(shù)。經(jīng)檢測和實(shí)際應(yīng)用表明，天鳥公司直接采用碳纖維制作的預(yù)制件，要比上述幾家國外公司領(lǐng)先一籌。

　　五大創(chuàng)新點(diǎn)支撐起世界一流的碳剎車盤 123456

　　TS飛機(jī)碳剎車預(yù)制件，其結(jié)構(gòu)是在平面方向由碳纖維連續(xù)長纖維組成的無緯平面織物，結(jié)合一定長度碳纖維組成的非織造無紡織物相夾疊層，垂直方向通過連續(xù)針刺滲透，產(chǎn)生垂直方向的纖維均勻連接若干固定層面直至產(chǎn)品所需的厚度，形成一種碳纖維整體準(zhǔn)三維結(jié)構(gòu)的預(yù)制件。其特點(diǎn)是多層面結(jié)合且層間致密均勻、體積密度均勻、性能穩(wěn)定。在碳／碳復(fù)合過程中，節(jié)省了碳化工序，縮短了生產(chǎn)周期，在氣相沉積(CVD)過程中易沉積，降低了生產(chǎn)成本，制成的飛機(jī)碳剎車盤抗拉抗壓強(qiáng)度高，導(dǎo)熱性能好，摩擦磨損性能好，各項(xiàng)性能指標(biāo)及部分性能指標(biāo)均達(dá)到或超過了國外同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平。

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　　經(jīng)國防科工委組織專家鑒定表明，該技術(shù)具有下列所述創(chuàng)新性：

　　(1)采用聚丙烯腈碳纖維(PANCF)代替聚丙烯腈預(yù)氧化纖維(PANOF)，直接疏理成網(wǎng)

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　　這一工藝為國內(nèi)獨(dú)創(chuàng)，比國外生產(chǎn)工藝有較大改進(jìn)，采用縱向纖維提高預(yù)制件縱向強(qiáng)度，提供了生產(chǎn)碳剎車盤的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料，況且直接采用碳纖維短切纖維制成，與平面方向鋪層的碳纖維性質(zhì)相同一致，使生產(chǎn)碳剎車盤過程不易變形，保持良好的性能。

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　　(2)短切碳纖維的柔性處理

　　由于碳纖維模量高、抱合性差，伸長率低，為了使短切的碳纖維疏理成網(wǎng)，天鳥公司經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)和試制，采用機(jī)械開松、合理溫室溫度，在一定的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行處理，增強(qiáng)柔軟性，并在成網(wǎng)過程中產(chǎn)生一定的抱合性，使之可疏理成一種無須化學(xué)樹脂粘結(jié)且具有可針刺性的非織造無紡織物。 123456

　　(3)最優(yōu)力學(xué)性能鋪設(shè)疊層角度的選擇

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　　由于飛機(jī)碳剎車是一種圓形超高強(qiáng)的摩擦材料，鑒于它的運(yùn)動(dòng)方向，經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)和試驗(yàn)，根據(jù)不同的機(jī)型找到了最合理的平面方向不同的鋪設(shè)角度，提供給制造飛機(jī)剎車盤的預(yù)制件最優(yōu)秀的平面抗拉、抗折強(qiáng)度。

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　　(4)研制開發(fā)專用的特種針刺機(jī) 123456

　　由于碳纖維強(qiáng)度高、模量高等特性，為了使碳剎車預(yù)制件提高縱向纖維含量，增強(qiáng)縱向強(qiáng)度，控制好層間密度，天鳥公司研制了雙向喂入超高位自動(dòng)剝離特種針刺機(jī)，可以將平面方向鋪設(shè)的短切纖維制成的網(wǎng)氈與長纖維制成的平面織物，通過該設(shè)備進(jìn)行逐漸滲透若干固定層次，連續(xù)針刺而解決了預(yù)制件的縱向纖維含量，有效控制了層間密度一致。 123456

　　(5)采用垂直方向的穿刺提高了飛機(jī)剎車盤的性能 copyright 123456

　　本項(xiàng)目方案是采用全碳纖維制成的碳剎車預(yù)制件，是采用碳纖維非織造無紡織物與碳纖維長纖維無緯織物在平面方向最優(yōu)角度鋪設(shè)疊層，逐漸滲透若干固定層次，連續(xù)針刺，并且與毗鄰的若干固定層次相接的準(zhǔn)三維立體織物。從而大大提高了飛機(jī)碳剎車盤垂直方向的導(dǎo)熱性、剪切強(qiáng)度以及抗拉強(qiáng)度。同時(shí)，由于針刺帶來的垂直方向纖維促使在平面方向產(chǎn)生無數(shù)且較均勻細(xì)點(diǎn)，經(jīng)合理的CVD工藝后，也會(huì)給飛機(jī)碳剎車盤帶來優(yōu)化摩擦磨損性能的應(yīng)有作用。

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　　目前，采用天鳥公司預(yù)制件生產(chǎn)的飛機(jī)碳剎車盤，已批量裝備于國防重點(diǎn)型號的軍用戰(zhàn)機(jī)，以及國產(chǎn)“新舟60”飛機(jī)和進(jìn)口B757—200型飛機(jī)上，使用效果良好。據(jù)專家介紹，“TS飛機(jī)碳剎車預(yù)制件”的研制成功，對航空航天和國防技術(shù)的發(fā)展起到了極大的推動(dòng)作用，它不僅能在飛機(jī)、航天工程上得到廣泛應(yīng)用，將來還可以在坦克、高速列車、高級轎車上看到它的身影。 123456