隨著現(xiàn)代科學(xué)的蓬勃發(fā)展，許多以往未知的新材料不斷出現(xiàn)在科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)室中，包括超導(dǎo)材料、納米材料在內(nèi)的新材料都是誕生在這個(gè)時(shí)期。其中，有一些新材料的發(fā)明創(chuàng)造卻純屬意外，碳/碳復(fù)合材料就是其中一員。

然而，這種由于意外誕生的新材料，現(xiàn)在成為了耐高溫摩擦材料界的“扛把子”，被用來(lái)生產(chǎn)剎車盤和其他耐高溫結(jié)構(gòu)件，C919大型客機(jī)剎車盤也是用的碳/碳復(fù)合材料。

意外帶來(lái)的驚喜

1958年，美國(guó)Chance vought 航空公司在研究碳纖維/酚醛樹(shù)脂復(fù)合材料時(shí)，發(fā)生了一些失誤，使樹(shù)脂基體未被氧化而發(fā)生了熱解形成基體碳，這是世界上首次發(fā)現(xiàn)碳/碳復(fù)合材料。

提到復(fù)合材料，了解最多的是樹(shù)脂基復(fù)合材料。它是由樹(shù)脂為基體、碳纖維/玻璃纖維為增強(qiáng)體的復(fù)合材料，上面提到的碳纖維/酚醛樹(shù)脂復(fù)合材料就是一種應(yīng)用廣泛的樹(shù)脂基復(fù)合材料。

碳纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料由于具有較高的比強(qiáng)度、比模量、較好的延展性、卓越的抗腐蝕性等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在航空航天等工業(yè)領(lǐng)域，其研究較早、知名度較高，所以在許多人的概念里，復(fù)合材料就等同于碳纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料。

事實(shí)上，復(fù)合材料指由兩種或兩種以上異質(zhì)、異型、異性材料（一種作為基體，其他作為增強(qiáng)體）復(fù)合而成的具有特殊功能和結(jié)構(gòu)的新型材料。除了碳纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料以外，還有碳/碳復(fù)合材料、金屬基陶瓷復(fù)合材料等。

顧名思義，碳/碳復(fù)合材料是以碳纖維為增強(qiáng)體，其他碳質(zhì)材料為基體的復(fù)合材料。碳/碳復(fù)合材料在研究初期發(fā)展緩慢，直到1969年，第一批兼具高性能和低成本的聚丙烯腈(PAN)基碳纖維被商業(yè)化，并成為碳/碳復(fù)合材料的增強(qiáng)體，使得碳/碳復(fù)合材料在強(qiáng)度上取得了顯著進(jìn)步，碳/碳復(fù)合材料的特殊性能才開(kāi)始引起工程界關(guān)注。

經(jīng)過(guò)幾十年的研究，現(xiàn)代工藝生產(chǎn)的碳/碳復(fù)合材料已經(jīng)具備高比強(qiáng)、高比模、耐高溫、摩擦磨損性能優(yōu)異等特點(diǎn)，能夠很好地滿足航空航天對(duì)材料在高溫、高速條件下的綜合性能要求。因此，碳/碳復(fù)合材料已經(jīng)成為新一代航空航天材料發(fā)展的重點(diǎn)方向之一。

飛機(jī)剎車盤吸收的能量有多大

飛機(jī)剎車系統(tǒng)一般采用液壓制動(dòng)技術(shù)（波音787除外），由發(fā)動(dòng)機(jī)為液壓泵提供動(dòng)力，液壓泵將低壓轉(zhuǎn)換為高壓，通過(guò)液壓管路將壓力傳輸給剎車作動(dòng)器。剎車作動(dòng)器推動(dòng)壓緊剎車盤，通過(guò)剎車盤間的摩擦，提供阻止機(jī)輪滾動(dòng)的力矩，以減小飛機(jī)滑跑速度。

這個(gè)聽(tīng)起來(lái)簡(jiǎn)單的剎車盤其實(shí)一點(diǎn)兒都不簡(jiǎn)單。因?yàn)轱w機(jī)著陸時(shí)速度很快，蘊(yùn)含巨大能量，根據(jù)能量守恒定律，飛機(jī)需要依靠反推裝置和剎車裝置去吸收掉這個(gè)巨大能量（當(dāng)然氣動(dòng)阻力也能幫一點(diǎn)忙），才能使飛機(jī)靜止下來(lái)。剎車盤在摩擦過(guò)程中，把大部分飛機(jī)動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，因此，剎車盤的工作溫度至少在幾百攝氏度。

不僅如此，飛機(jī)剎車系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)，還要考慮許多運(yùn)營(yíng)中可能出現(xiàn)的意外情況，這對(duì)剎車盤提出了更高要求。比如飛機(jī)在跑道高速滑跑準(zhǔn)備起飛時(shí)，遇到突發(fā)狀況需要中止起飛。又比如飛機(jī)起飛不久發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)故障需要返回，而且這個(gè)時(shí)候襟縫翼又無(wú)法完全打開(kāi)。這些意外狀況對(duì)于剎車盤的挑戰(zhàn)在于，它需要吸收比正常著陸情況大得多的能量。

其中最嚴(yán)酷的挑戰(zhàn)是上面提到的第二種，飛機(jī)設(shè)計(jì)師要開(kāi)展“最嚴(yán)酷著陸停止試驗(yàn)”來(lái)驗(yàn)證剎車盤是否滿足設(shè)計(jì)需求。在這個(gè)試驗(yàn)工況下，飛機(jī)比正常著陸情況更重（油箱幾乎是滿的）、速度更快、氣動(dòng)阻力更小（襟縫翼不能完全打開(kāi)）、反推裝置關(guān)閉，幾乎全靠剎車盤吸收飛機(jī)動(dòng)能。

那么這種情況下，剎車盤要吸收多大能量呢？按照飛機(jī)重78噸、以200節(jié)速度著陸來(lái)計(jì)算的話，這個(gè)能量大約是360兆焦。如果高中物理還記得的話，1焦耳能量可以把1N物體舉起1米。假設(shè)這個(gè)1N的物體是顆小蘋果，那么360兆焦的能量可以把3.6萬(wàn)噸蘋果舉起1米，或者把這顆小蘋果舉起36萬(wàn)千米——那差不多是地球到月球的距離。

這時(shí)剎車盤由于吸收巨大能量，溫度急劇上升，達(dá)到一千多攝氏度，高溫使剎車盤呈現(xiàn)明亮的橙色，像一顆滾燙的火球。

國(guó)產(chǎn)碳/碳復(fù)合材料

我國(guó)對(duì)碳/碳復(fù)合材料的研究開(kāi)發(fā)工作開(kāi)始于20世紀(jì)70年代末，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，取得了豐碩的成果，先進(jìn)性直追發(fā)達(dá)國(guó)家。目前，C919大型客機(jī)剎車盤使用的就是國(guó)產(chǎn)碳/碳復(fù)合材料，其供應(yīng)商同時(shí)也為波音757、空客A320等機(jī)型提供剎車盤。

由于剎車盤屬于耗材，大約一兩千次起降就必須更換，使用國(guó)外進(jìn)口剎車盤費(fèi)用較高。在市場(chǎng)需求的拉動(dòng)下，國(guó)內(nèi)材料廠商紛紛開(kāi)始研制商用飛機(jī)碳剎車盤。

碳/碳復(fù)合材料的涂層一直是國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)。由于碳/碳復(fù)合材料在370攝氏度左右開(kāi)始氧化，材料性能下降，因此，其在有氧環(huán)境下使用，必須在表面制備抗氧化涂層。涂層除了要有良好的抗氧化性和抗燒蝕性外，還要與碳/碳復(fù)合材料具有較好的化學(xué)物理相容性和相近的膨脹系數(shù)。

國(guó)產(chǎn)剎車盤非摩擦面使用硼磷系涂層，在高溫的工作環(huán)境下，可以有效延緩氧氣在材料內(nèi)部的擴(kuò)散，提高材料使用壽命。

除了涂層，碳纖維預(yù)制體和增密工藝也對(duì)碳/碳復(fù)合材料的性能產(chǎn)生重要影響。國(guó)外一般使用預(yù)氧化絲編織碳纖維預(yù)制體，它的優(yōu)點(diǎn)是纖維柔韌性好、易成型，但是強(qiáng)度較低。國(guó)產(chǎn)剎車盤使用有機(jī)纖維編織碳纖維預(yù)制體，雖然編織難度大，但是形成的預(yù)制體強(qiáng)度要高得多。同時(shí)，采用化學(xué)氣相滲透和液相浸漬復(fù)合的增密工藝，提高了材料的密度，使材料的高能剎車摩擦系數(shù)大大提升。

（來(lái)源：中國(guó)航空新聞網(wǎng)）