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制造完成的碳/陶剎車材料
碳陶剎車盤裝置
材料是航空制動技術(shù)的“王冠”
飛機剎車材料被譽為航空制動技術(shù)上的“王冠”，航空工業(yè)強國歷來注重航空剎車技術(shù)和材料的研究。航空剎車材料的研究大致經(jīng)歷了有機粘結(jié)劑制動材料、粉末冶金剎車材料、碳∕碳復(fù)合制動材料和碳/陶復(fù)合制動材料四個階段。
早在1929年美國的Schwarzkopf就提出利用粉末冶金方法制造摩擦材料，1932年生產(chǎn)出片粉末剎車盤；蘇聯(lián)在衛(wèi)國戰(zhàn)爭之前就已開始了粉末冶金剎車材料的研制，并列裝軍用飛機使用；國外碳/碳復(fù)合材料起源于20世紀50年代，20世紀60年代開始裝配飛機。
航空剎車料研究開始于20世紀50~60年代，并伴隨著共和國的成長一步一步發(fā)展壯大。航空工業(yè)制動（西安航空制動科技有限公司，代號“514”廠），自1955年創(chuàng)建以來，承擔(dān)著航空機輪剎車技術(shù)及剎車材料研制的使命，于20世紀60年代開始研制粉末冶金剎車材料，雖然相比航空大國研究起步較晚，但發(fā)展速度很快，鐵基和銅基粉末冶金剎車材料，在較短時間內(nèi)裝配國產(chǎn)軍用飛機；20世紀70年代，瞄準國際前沿技術(shù)，打破西方技術(shù)封鎖，開始研制碳/碳復(fù)合材料，并于20世紀90年代在國產(chǎn)某型軍機上實現(xiàn)飛，填補了航空碳/碳剎車材料應(yīng)用的空白；21世紀初開始研制碳/陶復(fù)合剎車材料，并于2008年飛成功，成為上個將該剎車材料應(yīng)用于飛機上的，達到了的水平。
本文從航空工業(yè)制動剎車材料的研制發(fā)展歷程對航空剎車技術(shù)及剎車材料的應(yīng)用發(fā)展進行簡要介紹。
一路前行的航空工業(yè)制動
有機粘結(jié)劑剎車材料是早期的航空剎車材料，其材質(zhì)配方組成中通常含有30%~50%左右的鐵質(zhì)金屬物（鋼纖維、還原鐵粉、泡沫鐵粉）。其特點：耐熱性好、單位面積吸收功率高、導(dǎo)熱系數(shù)大、能適用于汽車在高速、重負荷運行時的制動工況要求。但由于制動溫度較低、壽命較短，目前該類材料已不適用于飛機領(lǐng)域，現(xiàn)今主要應(yīng)用于轎車和重型卡車制動系統(tǒng)中。
粉末冶金剎車材料是在有機粘結(jié)劑剎車材料退出飛機制動系統(tǒng)后，航空工業(yè)制動通過不懈努力，研發(fā)出粉末冶金剎車材料進行替代。粉末冶金剎車材料又稱為燒結(jié)金屬剎車材料，是以金屬及其合金為基體，添加制動組元和潤滑組元，用粉末冶金方法制成的“金屬陶瓷”材料，是摩擦式離合器與制動器的關(guān)鍵組件。主要分為鐵基和銅基，為充分利用兩者各自的性能優(yōu)勢又發(fā)展了鐵銅基剎車材料。1962年，航空工業(yè)制動次將粉末冶金剎車材料應(yīng)用于盤式制動裝置中，開啟了國內(nèi)剎車材料應(yīng)用的新時代；20世紀70~80年代，粉末冶金剎車材料共服役于11個機種、總計650架份，與此同時，還陸續(xù)向約旦、巴基斯坦、埃及和美國等9個出口粉末冶金剎車材料；進入新世紀，為實現(xiàn)某型飛機的國產(chǎn)化，制造的粉末冶金剎車材料做出了大量卓有成效的工作。
碳/碳復(fù)合剎車材料，即以碳纖維或其編織物為增強相，以化學(xué)氣相沉積的熱解碳或液相浸漬的樹脂碳為基體，組成的純碳相復(fù)合材料。碳/碳復(fù)合剎車材料的技術(shù)與應(yīng)用水平，成為衡量一個現(xiàn)代航空工業(yè)制造技術(shù)水平的重要依據(jù)之一。與前幾代的剎車材料相比，碳/碳復(fù)合剎車材料的應(yīng)用，對于制動系統(tǒng)而言具有革命性和里程碑式的意義。在飛機制動系統(tǒng)中，由碳/碳復(fù)合材料制成的剎車熱庫與原來的鋼剎車盤熱庫相比，熱容量提高了約2倍左右，質(zhì)量減少20%~40%，使用壽命提高了1倍。
航空工業(yè)制動有著40多年的飛機碳/碳剎車材料研發(fā)和制造歷史，開創(chuàng)了碳基剎車材料研發(fā)與制備的先河，創(chuàng)造了該領(lǐng)域國內(nèi)多項，打破了美、英、法三國的技術(shù)壟斷，使成為上第四個掌握碳基剎車材料制備技術(shù)的，由此剎車材料的歷史車輪駛?cè)肓颂疾牧蠒r代。從1970年發(fā)現(xiàn)到1972年批準立項開始，中航工業(yè)制動就瞄準了這一尖端技術(shù)，突破西方航空強國的技術(shù)壁壘，潛心研究，航空報國，矢志不渝。1977年，研制出了套扇形片結(jié)構(gòu)的航空用碳∕碳剎車盤；1987年，碳/碳剎車材料制備工藝和防氧化技術(shù)獲得成功；1993年，碳/碳復(fù)合剎車材料制備技術(shù)獲得發(fā)明；1994年，碳/碳復(fù)合剎車材料防氧化技術(shù)獲得發(fā)明；1998年，碳/碳復(fù)合剎車材料在某重點型號飛機上實現(xiàn)了飛；2003年，碳/碳復(fù)合剎車材料獲得個TSOA技術(shù)標準批準書，并伴隨“新舟”60飛機飛出國門。
在堅實履行國防裝備使命的同時，航空工業(yè)制動始終堅持“寓軍于民、軍民融合”的發(fā)展思路，長期致力于民用航空和非航空產(chǎn)業(yè)的拓展。目前，航空工業(yè)制動已將碳/碳復(fù)合剎車材料成功應(yīng)用于40多種軍機型號以及“新舟”60、運12、空客320、波音757等十余種民航機輪剎車產(chǎn)品取得適航許可并批量裝機使用。同時公司擁有民航局CAAC及歐洲航空安全局EASA的維修認可證書，承擔(dān)著空客、波音、龐巴迪和“新舟”系列等二十多個機種、180多個件號的航空剎車產(chǎn)品維修業(yè)務(wù)。航空工業(yè)制動擁有民航總局頒發(fā)的波音757、波音737-800、空客318／319／320剎車盤PMA（碳剎車盤零部件制造人）證書，同時，制動公司的高性能碳基復(fù)合剎車材料在去年和今年分別獲得屆軍民兩用技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用大賽銀獎和軍民兩用技術(shù)十大創(chuàng)新項目獎，該材料已應(yīng)用于保時捷、法拉利等F1賽車和奧迪、奔馳等高端轎車領(lǐng)域，在航空剎車材料創(chuàng)新應(yīng)用上實現(xiàn)了軍民融合發(fā)展的大跨越。
碳/陶復(fù)合剎車材料的創(chuàng)新研究與應(yīng)用
碳/陶復(fù)合剎車材料是在碳/碳復(fù)合剎車材料的基礎(chǔ)上采用改性技術(shù)，引入了具有優(yōu)異抗氧化及摩擦磨損性能的組元對其基體進行改性，是以碳纖維為增強體，以熱解碳、改性組元為基體的一種多相復(fù)合剎車材料，除承繼了碳/碳剎車材料的所有優(yōu)點外，還能夠解決其制備周期長、成本高、靜力矩低等問題、濕態(tài)剎車性能衰減大，特別是耐海水、耐鹽霧腐蝕性強，抗熱震和抗沖擊能力強，還能實現(xiàn)澆水快速冷卻，由過去的50分鐘縮短至如今的5～10分鐘即可出動，節(jié)約時間10倍左右，對于軍機戰(zhàn)略意義非同凡響，該材料被譽為目前剎車材料性能的高水平。
2005年，航空工業(yè)制動作為國內(nèi)從事碳材料研究和產(chǎn)業(yè)化的“元老”與陶瓷基復(fù)合材料研究的“新貴”（西北工業(yè)大學(xué)張立同院士研究團隊）進行強強結(jié)合，優(yōu)勢互補，僅僅用三年時間就打通了由研發(fā)到產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用之路。2008年，碳/陶復(fù)合剎車材料在某型殲擊機上成功飛，使我國成為上將碳/陶復(fù)合剎車材料成功應(yīng)用于飛機制動系統(tǒng)的。此后，我們的碳/陶復(fù)合剎車材料已成熟地服役于我國的艦載機、殲擊機和運輸機等十多個先進飛機上，為捍衛(wèi)祖國主權(quán)貢獻著自己的力量。2017年1月9日，雙方“產(chǎn)學(xué)研”的種子結(jié)出了累累碩果，航空工業(yè)制動和西北工業(yè)大學(xué)聯(lián)合研發(fā)的“碳陶飛機剎車功能復(fù)合材料的研制與應(yīng)用”技術(shù)榮獲2016年度技術(shù)發(fā)明二等獎。碳/陶復(fù)合剎車材料的研發(fā)和應(yīng)用，不僅是一次技術(shù)的迭代升級，更是“產(chǎn)學(xué)研”結(jié)合的典范。我們通過持續(xù)攻關(guān)，不斷突破技術(shù)“瓶頸”，現(xiàn)已成功地掌握了碳/陶核心制造、工藝和加工技術(shù)，打造出了級的“頂級裝備”產(chǎn)品。作為“新型飛機剎車材料”的研制與應(yīng)用技術(shù)，該材料彌補了我國制動系統(tǒng)適應(yīng)性差的短板。
材料對社會和經(jīng)濟的發(fā)展起著指導(dǎo)與推動作用，是社會現(xiàn)代化的基石，被譽為當(dāng)代文明的“三大支柱”之一。一代新材料衍生出一代新技術(shù)，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，對于材料的功能性和結(jié)構(gòu)性都提出了更為苛刻的要求。碳陶復(fù)合剎車材料作為一種新興的戰(zhàn)略性材料在飛機制動系統(tǒng)中的優(yōu)勢十分明顯，隨著制備技術(shù)的逐步成熟穩(wěn)定，碳/陶復(fù)合剎車材料將會具有更為廣闊的應(yīng)用前景，創(chuàng)造出更大的社會價值和經(jīng)濟價值。技術(shù)革新創(chuàng)新永無止境，根據(jù)應(yīng)用一代、儲備一代、研發(fā)一代、探索一代的良性技術(shù)發(fā)展模式，繼碳陶復(fù)合剎車材料之后，航空工業(yè)制動已經(jīng)開始研發(fā)適用于未來需要的新材料、新技術(shù)。例如：通過基體和涂層改性技術(shù)將鋯基、鉿基和硼基化合物引入到碳/碳多孔預(yù)制體內(nèi)，制造出新一代高性能、低成本的新型剎車材料，使我國航空剎車材料技術(shù)水平始終處于領(lǐng)跑地位。