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Ｃ/Ｃ复合材料,即碳纤维增强碳基体复合材料,全部是由碳元素组成的,它克服了一般碳-石墨材料强度低的缺点,又保持了石墨的耐高温性能,具有高的比强度。最初这种材料是作为航天用高温结构材料和耐烧蚀材料,广泛用于固体火箭发动机喷管、喉衬、火箭重返大气层系统的保护罩。20世纪70年代后,随着高负荷飞机的出现,对刹车装置提出了严格的要求,传统的金属基刹车材料难以适应,Ｃ/Ｃ复合材料开始用做刹车材料,并表现出了良好的性能,现在已广泛用于干线飞机和军用飞机上[1]。
碳-石墨材料的结构可分为石墨晶体结构和乱层结构,Ｃ/Ｃ复合材料一般是介于二者之间的微晶型。石墨晶体是网平面的三维有序堆聚,而乱层结构仅在网平面上二维有序,其整体呈紊乱状态,层间距ｄ002较大,表观微晶尺寸Ｌａ和Ｌｃ均较小[2]。不同石墨化度的碳可以通过ｄ002的大小不同而加以区别[3,4],而且,Ｃ/Ｃ复合材料中由碳纤维和碳基体两种碳组成,其结构也有很大的不同。
Ｃ/Ｃ复合材料由于晶体的结晶程度不同,即石墨化程度不同。超过2000℃的热处理温度,开始发生三维层面的排列。这种转化,即石墨化过程,伴随着层面间距的减小,表观微晶尺寸增加,石墨化度就是用来表征这一转化过程进行程度的重要参数。石墨化度的高低,表明了碳结构离理想石墨结构的远近程度。在Ｃ/Ｃ复合材料的制备工艺中,石墨化度的高低决定材料的力学性能和热物理性能。石墨化度升高,Ｃ/Ｃ复合材料力学性能值降低,韧性改善,热物理性能提高;反之,则力学性能值升高,韧性变差,热物理性能降低。适当的控制石墨化度,可以对材料性能进行调制,获得不同需求的Ｃ/Ｃ复合材料。
1 实验
1.1 材料
试样的制备过程是:将碳纤维切短成形,化学气相沉积,反复浸渍和碳化,分别经2200℃、2500℃、2700℃石墨化,将所得的试样依次编号为1号、2号和3号。
1.2 石墨化度的测定利用Ｘ射线,测定Ｃ/Ｃ复合材料的(004)衍射峰,为了提高测定的准确性,以硅粉为内标,根据2θ,计算出ｄ002值,利用下式计算出石墨化度,式中ｇ为石墨化度,3 440为完全未石墨化的层面间距( ),3 354为理想石墨晶体的层间距( ),ｄ002为依Ｘ衍射线测定并算出的(002)面的层间距。
1.3 摩擦磨损性能的测定将Ｃ/Ｃ复合材料制成圆环形试样,其外径为 75ｍｍ,内径为 53ｍｍ,厚度为10～15ｍｍ,将两个相同的圆环,在ＭＭ-1000型摩擦材料试验机上,测定其摩擦磨损性能。
按单位摩擦面积能载一致的要求,一个飞机刹车装置上的单位面积能载应和摩擦试验机上的单位面积能载相符,即:
式中Ｅｋ为飞机上一个刹车装置吸收的能量,Ｊ;Ｓ总为飞机上一个刹车装置中总的摩擦面积,ｃｍ2;Ｊ为飞机的转动惯量,ｋｇ·ｍ2;ω0为摩擦试验机上初始转动角速度,弧度/ｓ;Ｓ环为摩擦试验机上试环的摩擦面积,ｃｍ2;ｎ0为摩擦试验机的初始转速ｒ/ｍｉｎ。
以某种飞机的飞行手册为依据,将数据代入上式得:
按某种飞机在正常着陆、超载着陆、终止起飞三种情况下不同刹车能量的要求,可以获得相应于不同的Ｊ与ｎ0的适当组合,同时可结合具体情况进行调整。制动过程的压力(Ｐ)根据飞机刹车过程减速度要求并结合实际情况来选择,于是得出如下的制动条件:正常着陆:。超载着陆:.终止起飞:
2 结果与讨论
将三种不同石墨化温度处理的Ｃ/Ｃ复合材料经Ｘ射线衍射,测定(004)衍射峰,衍射峰波形不对称,由于材料组成含有三种成分,可以利用专用计算程序将一个峰分解成三个小峰,对应着三种石墨化程度不同的组元,说明材料很不均匀,各向异性大。由各峰的强度算出各组元所占的比例,并由相应的面间距算出它们的石墨化度,结果见表1。
材料中的三种组元分别对应于第一组元树脂碳、第二组元碳纤维、第三组元热解碳。由于碳的形态不同,经相同温度的石墨化处理以后,层面间距和石墨化度也不同。
将三种不同石墨化温度处理的Ｃ/Ｃ复合材料制成用于ＭＭ-1000型摩擦材料试验机的试环,其密度为1 66ｇ/ｃｍ3,其摩擦磨损性能的主要参数见表2。
三种材料正常着陆条件下、超载着陆条件下以及终止起飞条件下的刹车性能分别如图1、图2和图3所示。
由图1～3可见,随着石墨化温度的升高,除2500℃处理的样品稍有异常外,同一制动条件下,摩擦系数、表面吸收功率和稳定系数值都趋于增大。这样由于石墨化度的增加,引起摩擦磨损性能的变化。从图1可以看出,正常着陆条件下,三种不同温度处理的试样摩擦系数曲线都基本上是平稳的,没有较大的波动。从图2可以看出,2200℃处理的试样摩擦系数曲线有波动,不平稳,而2500℃和2700℃所处理的试样摩擦系数曲线则较平稳。从图3可以看出,在终止起飞条件下,2200℃和2500℃处理的试样摩擦系数在前段有一定的波动,而2700℃处理的试样则非常平稳。由此说明,随着刹车能量的增大,低石墨化度试样对应的摩擦系数曲线将趋于不稳,波动大;而高石墨化度值试样对应的曲线则趋于平稳,摩擦系数增加。从表2可以看出,随着石墨化温度的升高,摩擦系数增加。根据上述分析,对于这类Ｃ/Ｃ复合材料,其石墨化度至少应达到30%左右才能获得可应用于飞机制动的摩擦性能及保证摩擦系数的平稳性。
3 结 论
(1)在同一Ｃ/Ｃ复合材料中,在相同的石墨化温度处理条件下,其不同组元碳的石墨化程度不同。
(2)随着石墨化温度的提高,Ｃ/Ｃ复合材料中各组元的石墨化度都有提高。
(3)石墨化温度高的样品,即石墨化度高的Ｃ/Ｃ复合材料,其摩擦系数增加,表面吸收功率增加,稳定系数提高。
(4)同一种样品在三种不同的刹车条件下,能量低时,摩擦系数高,表面吸收功率低;而能量高时,摩擦系数低,表面吸收功率高。
参考文献
[1] 黄启忠,邹林华,邹志强等.航空刹车用Ｃ/Ｃ复合材料的应用与发展.见:中国电工技术学会碳石墨材料专委会第十六届会议论文集,成都,1996,ｐ42
[2] ＢｕｃｋｌｅｙＪＤ,ＧｄｌｅＢＰ.Ｃａｒｂｏｎ-ｃａｒｂｏｎｍａｔｅ ｒｉａｌｓａｎｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ.ＰａｒｋＲｉｄｇｅ:ＮＪＮｏｙｅｓＰｕｂ,1993 3
[3] 黄启忠,颜志名,张名大.高定向热解石墨中碳相对石墨相的影响,炭素,1986(2):10
[4] 黄启忠.高定向热解石墨中的两相石墨化现象。炭素技术,1986(5):10
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