航空刹车用炭_炭复合材料的抗氧化研究.pdf

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1、文章编号1007-8827(1999)03-0053-05收稿日期:1999-03-01;修订日期:1999-04-16作者简介:杨尊社(1959-),男,陕西武功人,高级工程师,现从事刹车材料及相关技术的研究和开发。航空刹车用炭/炭复合材料的抗氧化研究杨尊社,卢刚认,刘航(华兴航空机轮公司 机轮刹车系统研究所,陕西 兴平713106)摘要:以多种金属磷酸盐和磷酸作为主料,以硼酸和酸溶性金属氧化物为辅料,再加入少量磷酸盐改性剂,配制成改性磷酸盐涂料。采用溶胶-凝胶工艺在炭/炭复合材料上形成涂层。涂层炭/炭复合材料试样在高温空气气氛中进行热震试验和恒温氧化试验,结果表明改性磷酸盐涂层对炭/炭复合

2、材料具有良好的氧化抑制作用。该涂层所用原材料价格低廉,成形工艺简便,具有良好的可操作性。关键词:炭/炭复合材料;抗氧化;改性磷酸盐中图分类号:T B 332文献标识码:A炭/炭复合材料作为新一代飞机刹车材料在发达国家已广泛地应用于大、中型商用飞机。国内炭/炭复合材料的研究工艺起步于70 年代,80 年代进行了大量的使用模拟试验,90 年代初进入试用阶段。由于炭/炭复合材料的用途一般都与高温环境有关,所以炭/炭复合材料的高温抗氧化问题一直是一个热门的研究课题。以前的研究显然取得了进展 1,有些抗氧化涂层在全尺寸飞机炭刹车装置的模拟试验中已达到了使用要求 2。涂层工艺的稳定性是目前存在的重要问题,

3、涂层系统中缺陷的存在使得涂层的实际寿命远远短于一个无缺陷涂层理论上所能达到的寿命。另一方面,由于涂层与基体热膨胀不匹配形成的裂纹或缺陷,也会减少涂层的有效寿命 3。作为飞机刹车材料,尽管所承受的温度没有航天烧蚀材料那么高,但由于前者的使用频率很高,要求相应的防氧化涂层具有较高的耐热震特性。再者,飞机市场上商用飞机占了绝大多数,因而廉价的涂料和简便的涂层形成工艺无疑更具有竞争力。本项研究设计了一种改性磷酸盐涂料,原材料价格低廉,涂刷处理工艺简便,适用于飞机炭刹车盘的工作温度范围。1试验1.1试验原料飞机刹车装置现在一般用盘式刹车结构。盘的多少和大小根据飞机的刹车力矩要求确定,分为动盘和静盘。动盘

4、外周有键槽,与飞机轮子键合,随轮子转动;静盘内周留有键槽,与飞机扭力管键合,是不可转动的。但所有盘子均可在轴向移动,当施加轴向压力时,动、静盘之间就会发生摩擦,形成摩擦力矩,阻挠飞机前进。飞机的质量是给定的,飞机着陆后应有给定的刹车速度,从而可以计算出飞机的动能。动能通过刹车装置转化为热能,热能被所有刹车盘即所谓热库吸收,随后逐步散发出去。在不计其它损耗的情况下,刹车动能将全部转换为热能,可估算如下:ES=?H=MT0+?TT0CPdT1999 年 9 月 NEW CARBON M AT ERIALSSep.1999第 14 卷第 3 期 新型炭材料Vol.14 No.3其中:EC-动能;?H

5、-热焓;M-刹车质量;CP-比热容;dT-温度变化由上面的方程可推得一次刹车后热库的体容温度变化为:?T=ECMCP在设计炭刹车装置时,尽管炭/炭复合材料能承受很高的温度,但是要兼顾使用寿命、热库周围部件的承受能力,炭/炭复合材料防氧化等因素,实际上的热库体容温度一般如表 1 示。表 1一般飞机炭热库体容温度T able 1General bulk temperatures of C/C composite heat pack relating to aircraft brakeLandingAircraftpattemapplicationNormal landingbrakingOverl

6、oad landingbrakingRTO brakingCommercial5006006007509001 250Military6007007008001 0001 300飞机着陆能载大多数属于正常着陆能载,超载着陆能载出现较少,试验时按 10%考虑,中止起飞能载一般不出现,一旦出现,刹车热库在制动后应拆出报废。根据上述使用状况,炭/炭复合刹车材料的高温氧化模拟试验可确定为热震试验和流动空气环境恒温氧化试验。1.2试样1.2.1炭/炭复合材料试样采用从华兴航空机轮公司早期制造的飞机刹车盘上切取的炭/炭复合材料,密度为1.60 g/cm3,室温下的比热为 0.8 J/gK,导热系数为 11

7、.3 W/mL,热膨胀率为 0.2710-6/K。该材料的基质为PAN 基1K 炭纤维织物,基体为 CVD 炭,经过高温热处理,石墨化度为 30%40%。试样尺寸为:6 cm8 cm10 cm1.2.2试样处理炭/炭复合材料在高温空气环境中使用的最大问题是容易氧化。由于氧化是从材料微晶组织的缺陷和边界开始的,含磷原子团如果吸附于这种缺陷和边界处,就可使其失去氧化活性,从而减慢炭材料的氧化。据此设计了一种磷酸盐涂料,并制订了相应的涂刷工艺。磷酸盐涂料以磷酸和金属磷酸盐为主料,以硼酸和酸溶性金属氧化物为辅料,再加入少量磷酸盐改性剂,采用溶胶-凝胶工艺,在炭/炭试样上形成涂层。将加热到 100的炭/

8、炭试样浸入 50的磷酸盐溶液中,保持 1 min 后取出;然后放置烘箱内,100烘烤 60 min 除去水分,冷却至室温后再 放入氮气 氛炉内,585熔烧5min,使涂层固化,随炉冷却至 100以下取出待用。1.3氧化试验1.3.1热震模拟试验试验设备:SK-2.5-14S 型双管式电阻炉;0.1 mg 精度 TG-328B 光学读数分析天平。试验前称量涂层试样重量,将炉温升至规定温度并保持 30 min 再正式试验。炉内温度710室温,循环50 次。炉内温度850室温,循环 5 次。炉内温度达到 1 100室温,循环 3 次。每次循环的时间为5 min,试样随烧舟在炉内停留时间为 2 min

9、,在室温静置 3 min。1.3.2流动空气加热模拟试验54新型炭材料第 14 卷试验设备:同 1.3.1 节炉内温度为 71010,氧化试验时间可按刹车盘的使用寿命进行换算,本次试验时间为 24 h。双管式炉管内通入空气的流量为 200 mL/min。试样放入烧舟内,烧舟置于炉管中部。2结果与讨论2.1热震模拟试验结果热震模拟试验结果如表 2 所示。两件涂制样品和一件无涂层样品同炉进行试验,以便于比较。热震次数表示 50 次“正常着陆”710室温,5 次“超载着陆”850室温,3 次“中止起飞”1 100室温。表 2 中氧化失重率计算方法为:R=Wt-W0W0100%其中:W0-试样试验前重

10、量Wt-试样试验后重量表 2热震模拟试验结果T able 2Result of simulated thermal shock test of the samplesResultSamplePrimaryW/%T estedW/%Change RW/%Testing times1-1#0.656 70.652 9-0.5850+5+31-2#0.671 40.666 1-0.7950+5+30#(not coat)0.592 10.560 8-5.3150+5+32.2流动空气加热模拟试验结果试验温度按常规军用飞机正常着陆刹车热库计算体容温度加上 50,确定为 71010。表 3 中氧化速率的

11、计算公式为:r=?WSt其中?W-重量变化量S-受氧化表面积t-受氧化时间表 3流动空气加热模拟试验结果T able3Results of simulated air oxidation test under constant temperatureResultsSamplesPrimaryW/gT estedW/gChange RW/%Ox idation rater/gcm2s1#0.630 30.600 2-4.70.92010-72#0.657 10.617 6-6.01.22010-70#(not coat)0.617 50.166 9-72.91.38710-72.3讨论从表 2

12、可以看出,改性磷酸盐涂层在热震试验中较好地保护了炭/炭复合材料,与无涂层试样相比,它可以使炭/炭复合材料抗热震性能提高 6倍9 倍。这个试验结果与文献 4 介绍的试验结果有可比性,尽管试样和试验有所不同。表 3 的数据表明在流动空气加热试验条件下,改性磷酸盐涂层使炭/炭复合材料抗氧化性能提高 10 倍以上。英国 DUNLOP 公司在有关资料中介绍了其 DMS516 硼基涂料的防护水平,该涂料涂制于 10 mm10 mm10 mm 的炭/炭复合材料试样上,在 700静态空气气氛中保持 24 h 后,试样氧化失重率为 2.5%,防护效果优于本项研究的结果。参照文献 5,DUNLOP 公司生产的炭/

13、炭复合55第 3 期杨尊社等:航空刹车用炭/炭复合材料的抗氧化研究材料无涂层保护时,于 700流动空气条件下,氧化速率为 8.7210-6g/cm2s,华兴航空机轮公司生产的炭/炭复合材料在同等条件下氧化速率为 16.8210-6g/cm2s,即本试 验 所 用 材 料 自 身 抗 氧 化 能 力 低 于DUNLOP 公司的材料。所以可以认为改性磷酸盐涂层对炭/炭复合材料的保护效果达到了 DMS516 硼基涂层的水平。华兴公司所生产的炭/炭复合材料的氧化表观活化能 Ea的研究和计算表明 6,在500600温度范围内,Ea=184 KJ/mol;600700温度范围内,Ea=69 KJ/mole

14、;在 600或 650以下,国产材料与国外材料有着类似的表观活化能。但在 600或 650以上,国产材料的表观活化能显著小于国外同类材料。改性磷酸盐涂层浸渍或涂刷于炭/炭复合材料表面,并通过材料表面的孔隙渗入材料内部若干毫米,经过热处理后,涂层中的含磷原子团被吸附于炭/炭复合材料中晶体螺旋位错的端部,从而使螺旋位错端部失去氧化活性。螺旋位错端部被认为是炭/炭复合材料高温氧化的主要活化点 7。3结论(1)改性磷酸盐涂层在高温下可有效地抑制炭/炭复合材料氧化。在模拟飞机使用条件下试验,该涂层的氧化防护尤其有效。(2)改性磷酸盐涂层的原材料技术要求不高,价格低廉。涂刷或浸渍工艺简便,涂层处理温度较低

15、,对设备要求简单,具有良好的可操作性。(3)改性磷酸盐涂层的试验工作尚不充分,试验温度范围可进一步扩大,涂层的理化特性和微观结构有待进一步研究。参考文献 1 过梅丽,刘士昕,孙宏荣.炭/炭复合材料防氧化涂层的研究C.中国航空科技文献,HJL930107,1-4.2 陈志军,奚静伦.炭/炭复合材料氧化性能研究 J.航空工艺技术,1990(5):12.3 曾燮榕,李贺军.抗氧化炭/炭复合材料的试验研究 A.中国科学院山西煤炭化学研究所 新型炭材料编辑部.第三届全国新型炭材料学术研讨会论文集 C,江西,庐山,1997,370.4 蒋建纯,张白冰,易茂中,等.高能刹车盘非摩擦面的防护研究 J.新型炭材

16、料,1998,13(4):40-45.5 鲁新峰.炭/炭复合刹车材料的氧化热失重试验分析J.航空精密制造技术,1998,31(1):38.6 陈志军.炭/炭复合材料刹车盘氧化性能及防护研究C.中国航空科技文献,HJL930348,1-5.7 McKee D W,Spiro C L,Lamby E J.T he inhibition ofgraphite oxidationbyphosphorusadditives J .Carbon,1984,22(3):285-290.56新型炭材料第 14 卷AN INVESTIGATION OF OXIDATION PROTECTIONFOR C/C C

17、OMPOSITE BRAKING MATERIALYANG Zun-she,LU Gang-ren,LIU Hang(Whell and braking Sy stem Institute of H uaxing A ircraf t W heel Company,Xingping,Shaanx i 713106,China)ABSTRACT:Compositions of the coating material included metal phosphates,phosphoricacid,boric acid,phosphatic modifier and acid-soluble m

18、etal-oxide etc.C/C compositebraking material samples were coated with a sol-gel process using the material abovementioned.T hermal shock and air oxidation test at high temperature were performed for thecoatingC/C samples.T he results showed that modified phosphatic coating layer could effectivelyinh

19、ibited oxidation of C/C composite braking material at simulated aircraft stopping factors.Raw and processed material of the coating are inexpensive and technological process is simpleand convenient.KEY WORDS:C/C composite;Oxidation protection;Modified phosphateAuthor Introduction:YANG Zun-she(1959-),Male,Senior Engineer,engaged in the research and development of frictionmaterials and related technologies.信息 新型炭材料 列入国家科技部中国科技论文统计源期刊接中国科学技术信息所信息分析研究中心正式通知:新型炭材料 从 1999年起列入国家科技部中国科技论文统计源期刊。57第 3 期杨尊社等:航空刹车用炭/炭复合材料的抗氧化研究