一种飞机碳-碳复合材料刹车盘及其制作方法技术

一种飞机碳-碳复合材料刹车盘及其制作方法。飞机碳-碳复合材料碳刹车盘由碳纤维布或聚丙烯腈碳纤维毡或将碳纤维布和碳纤维毡叠在一起的复合层连续周向卷绕，以及径向贯穿该卷绕层的碳纤维线和碳质基体复合构成，通过增密工艺和随后处理得到飞机碳-碳复合材料刹车盘。所述碳刹车盘的两个侧面分别形成了第一摩擦面和第二摩擦面，并且随着表面磨损，所述碳纤维布卷层的碳纤维线也成为摩擦面的组元。本发明专利技术碳盘的纤维取向，既有平行摩擦面的，又有垂直摩擦面的，或与摩擦面成一定角度的，有利于稳定和改善摩擦磨损性能。这与碳布平面叠层碳盘纤维均处于平行摩擦面的状态是完全不同的，具有使用寿命较长、碳盘综合性能较好的特点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及飞机机轮刹车装置领域，具体是一种飞机机轮刹车装置用碳-碳复合材料刹车盘及其制作方法。
技术介绍
飞机碳刹车是指构成刹车热库的刹车盘零件完全采用碳-碳复合材料制造的刹车装置，较钢刹车来说，具有重量轻、耐磨损、比热高、高温不粘接等优点，显著提高了飞机使用技术性能以及可靠性、安全性、经济性，因而在现代飞机上得到广泛应用。飞机机轮刹车装置用碳-碳复合材料刹车盘常简称飞机碳刹车盘，碳刹车盘或碳盘。一套碳刹车装置的碳刹车盘包括一个压紧盘、几个动盘、几个静盘和一个承压盘。在动盘的外圆周上开设有若干均布的键槽，用来与飞机机轮导轨配合；而在静盘的内圆周上开设有若干均布的键槽，用来与刹车壳体导轨配合。在几何结构上，碳刹车盘基本上是一个带较大中心孔的两个侧面平行的圆盘或圆环。碳刹车盘的制造方式方法多样，各有特点，并得到实际应用。碳布叠层法就是其中之一，如中国专利ZL90110359，1993年12月29日，公开了采用碳布叠层制备飞机碳刹车盘的方法。碳布叠层法的主要工序包括：落料-在碳纤维布(简称碳布)上剪裁或冲切碳布环；叠层-将多层碳布环叠放成碳布盘(亦称碳盘骨架或预制体)；致密化-将碳布盘浸渍树脂碳化增密，或采用化学气相沉积(CVD)使碳布盘增密。碳布叠层制造的碳刹车盘结构由碳布和埋入碳布层间的碳质基体组成。不同的致密化工艺形成的碳质基体是不同的。采用浸渍树脂碳化工艺得到的碳质基体是树脂碳，而采用CVD工艺得到的碳质基体是沉积碳。由于碳布叠层得到的碳刹车盘是一种层压板结构，这种碳刹车盘的不足主要是垂直于摩擦面的方向(即沿碳刹车盘中心轴向，简记为Z向)导热性差，平行于摩擦面的方向(即径向)导热性远高于Z向导热性，使用中容易分层、剥落等。另外，落料余下的大块圆布片被废弃，材料利用率低。因此，碳布叠层法的应用发展受限。
技术实现思路
为克服现有技术中存在的使用中容易分层、剥落的不足，本专利技术提出了一种飞机碳-碳复合材料刹车盘及其制作方法。飞机碳-碳复合材料碳刹车盘由连续周向卷绕的碳纤维布和径向贯穿该碳纤维布层的碳纤维线与碳质基体复合构成，或者由周向连续卷绕的聚丙烯腈碳纤维毡与径向贯穿该碳纤维布层的碳纤维线及碳质基体复合构成，或者由周向连续卷绕的复合层与径向贯穿该碳纤维布层的碳纤维线及碳质的基体复合构成；所述的复合层是将碳纤维布和碳纤维毡叠在一起得到的；所述碳刹车盘的两个侧面分别形成了第一摩擦面和第二摩擦面，并且所述第一摩擦面和第二摩擦面包括碳纤维布的卷层或碳纤维毡的卷层或多层碳纤维布与碳纤维毡的卷层以及碳质基体。所述聚丙烯腈碳纤维线沿圆周方向和厚度方向均布；随着表面磨损，所述碳纤维布卷层的碳纤维线也成为摩擦面的组元。所述的碳质基体包括树脂碳或沥青碳或沉积碳，或者树脂碳与沥青碳与沉积碳的组合。本专利技术提出的制备飞机碳-碳复合材料刹车盘的具体过程是：步骤1、制备预制体：在圆筒工装或圆纸筒上，先将碳纤维织物周向连续卷绕成一个碳纤维织物卷盘；在卷层中径向植入沿圆周和厚度均布的碳纤维线，得到飞机碳-碳复合材料刹车盘的预制体。步骤2，致密化：对得到的碳布盘进行致密化处理；所述的致密化采用液相浸渍碳化法，或者采用化学气相沉积法，或者采用以液相浸渍碳化法为主、化学气相沉积法为辅的复合工艺；通过致密化处理，得到飞机碳-碳复合材料刹车盘的毛坯。当采用液相浸渍法进行致密化时，工艺参数包括：浸渍：浸渍时间为2～7h，真空度不超过10kPa，采用氮气加压，压力为5～26Mpa；浸渍剂采用热固性呋喃树脂或者热塑性沥青，或者热固性呋喃树脂与热塑性沥青的混合物；浸渍后的固化：烘干温度为120～220℃，时间1～3h；固化温度为230～480℃，时间2～6.5h；碳化：碳化温度为850～1800℃，时间2～5h，压力15～28Mpa，氮气保护；增密循环；次数为4～6次，直至预制体密度达到要求值。当采用化学气相沉积法进行致密化时，工艺参数包括：化学气相沉积炉：真空度不超过10kPa，升温速率为5～15℃/min，达到650℃后通入碳源气和载气；化学气相沉积工艺参数：沉积温度为850～1350℃，沉积时间为150～300h/次，丙烯与氮气体积比为1:1～3.5，丙烯气的流量为15～45L/min；化学气相沉积沉积重复次数为3～5次。所述卷绕用的圆纸筒上分布有多个作为后续工艺中气体或液体通道的小孔；所述小孔的孔径为2～3mm，相邻小孔的孔边距为4～6mm。所述用于连缀各卷绕层的碳纤维线的线径为1.5～4.5mm，碳布盘轴向的线间距为3～5mm，聚丙烯腈碳纤维线沿圆周的分布角α为5～12°；预制体碳纤维体积分数为35～65％。步骤3，高温处理：对得到的飞机碳-碳复合材料刹车盘的毛坯进行高温处理；所述高温处理条件和参数为：温度为1850～2600℃，保温时间为0.5～3h；炉温在400℃以上通入氮气保护；步骤4，机械加工：将碳-碳复合材料刹车盘毛坯件加工到最终尺寸和形状；步骤5，防氧化处理：采用涂刷或浸涂防氧化剂溶液的方法，对刹车盘非摩擦面进行防氧化处理，得到飞机碳-碳复合材料刹车盘成品。采用涂刷时，非摩擦面涂刷2～3遍防氧化剂；采用浸涂时，将碳刹车盘浸入防氧化剂溶液中2～5min；对已涂刷或浸涂防氧化剂的碳刹车盘烘干除湿，烘干温度为120～280℃，时间为1～3.5h；对烘干的碳刹车盘进行固化处理，固化温度为600～980℃，时间1～4h；固化过程中通氮气保护。本专利技术以径向设置碳纤维线的碳纤维织物卷盘为预制体，通过增密工艺和随后处理得到飞机碳-碳复合材料刹车盘。本专利技术从根本上解决了碳布叠层的层合板式碳盘的不足。这是由于在垂直摩擦面方向有纤维存在(碳纤维线)，为摩擦热提供了传导通道，从而提高了轴向导热性能，使垂直摩擦面方向的导热系数显著高于平行摩擦面方向的导热系数(相差3～10倍)，也就是将碳布叠层碳盘的垂直摩擦面方向的导热系数高、平行摩擦面方向的导热系数低的不合理特性分布改变过来，使界面温度快速沿轴向传递、均匀和消散，有利于稳定摩擦磨损性能，同时，径向传递给轮毂內腔筒壁的热量减小，有利于机轮的热防护，提高机轮的使用寿命。径向设置碳纤维线也增强了碳盘的结构强度，确保刹车过程中碳盘结构完整性。本专利技术碳盘的纤维取向，既有平行摩擦面的，又有垂直摩擦面的，或与摩擦面成一定角度的，有利于稳定和改善摩擦磨损性能。这与碳布平面叠层碳盘纤维均处于平行摩擦面的状态是完全不同的。由于摩擦面的结构不同，碳盘在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种飞机碳‑碳复合材料刹车盘，其特征在于，所述碳刹车盘由连续周向卷绕的碳纤维布和径向贯穿该碳纤维布层的碳纤维线与碳质基体复合构成，或者由周向连续卷绕的聚丙烯腈碳纤维毡与径向贯穿该碳纤维布层的碳纤维线及碳质基体复合构成，或者由周向连续卷绕的复合层与径向贯穿该碳纤维布层的碳纤维线及碳质的基体复合构成；所述的复合层是将碳纤维布和碳纤维毡叠在一起得到的；所述碳刹车盘的两个侧面分别形成了第一摩擦面和第二摩擦面，并且所述第一摩擦面和第二摩擦面包括碳纤维布的卷层或碳纤维毡的卷层或多层碳纤维布与碳纤维毡的卷层以及碳质基体。

【技术特征摘要】
1.一种飞机碳-碳复合材料刹车盘，其特征在于，所述碳刹车盘由连续周向卷绕的碳
纤维布和径向贯穿该碳纤维布层的碳纤维线与碳质基体复合构成，或者由周向连续
卷绕的聚丙烯腈碳纤维毡与径向贯穿该碳纤维布层的碳纤维线及碳质基体复合构
成，或者由周向连续卷绕的复合层与径向贯穿该碳纤维布层的碳纤维线及碳质的基
体复合构成；所述的复合层是将碳纤维布和碳纤维毡叠在一起得到的；所述碳刹车
盘的两个侧面分别形成了第一摩擦面和第二摩擦面，并且所述第一摩擦面和第二摩
擦面包括碳纤维布的卷层或碳纤维毡的卷层或多层碳纤维布与碳纤维毡的卷层以
及碳质基体。
2.如权利要求1所述飞机碳-碳复合材料刹车盘，其特征在于，所述聚丙烯腈碳纤维
线沿圆周方向和厚度方向均布；随着表面磨损，所述碳纤维布卷层的碳纤维线也成
为摩擦面的组元。
3.如权利要求1所述飞机碳-碳复合材料刹车盘，其特征在于，所述的碳质基体包括
树脂碳或沥青碳或沉积碳，或者树脂碳与沥青碳与沉积碳的组合。
4.一种制备权利要求1所述飞机碳-碳复合材料刹车盘的方法，其特征在于，具体过
程是：
步骤1、制备预制体：在圆筒工装或圆纸筒上，先将碳纤维织物周向连续卷绕成一
个碳纤维织物卷盘；在卷层中径向植入沿圆周和厚度均布的碳纤维线，得到飞机碳
-碳复合材料刹车盘的预制体；
步骤2，致密化：对得到的碳布盘进行致密化处理；所述的致密化采用液相浸渍碳
化法，或者采用化学气相沉积法，或者采用以液相浸渍碳化法为主、化学气相沉积
法为辅的复合工艺；通过致密化处理，得到飞机碳-碳复合材料刹车盘的毛坯；
步骤3，高温处理：对得到的飞机碳-碳复合材料刹车盘的毛坯进行高温处理；所
述高温处理条件和参数为：温度为1850～2600℃，保温时间为0.5～3h；炉温在400
℃以上通入氮气保护；
步骤4，机械加工：将碳-碳复合材料刹车盘毛坯件加工到最终尺寸和形状；
步骤5，防氧化处理：采用涂刷或浸涂防氧化剂溶液的方法，对刹车盘非摩擦面进
行防氧化处理，得到飞机碳-碳复合材料刹车盘成品；

【专利技术属性】
技术研发人员：何永乐，
申请(专利权)人：西安航空制动科技有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西;61