CN105697614B - 一种飞机碳-碳复合材料刹车盘及其制作方法 - Google Patents

一种飞机碳-碳复合材料刹车盘及其制作方法 Download PDF

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Abstract

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。

Description

一种飞机碳-碳复合材料刹车盘及其制作方法
技术领域
本发明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。
背景技术
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。
发明内容
为克服现有技术中存在的使用中容易分层、剥落的不足，本发明提出了一种飞机碳-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。
本发明提出的制备飞机碳-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。
本发明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。
本发明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。本发明碳盘的纤维取向，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，碳盘在刹车过程中，参与摩擦的组元总是碳纤维织物层圈和碳质基体，不存在碳布叠层碳盘使用中分层、剥落问题，因而，使用寿命较长。另外，较碳布圈叠层工艺相比，没有冲切而废弃大块圆片碳布料，原料利用率高。采用碳布和碳毡共用卷制，或直接使用碳毡，便于浸渍碳化和化学气相沉积法沉积，提高生产率，碳盘综合性能较好。本发明的这些特点和优点从构造上是显而易见的。
附图说明
图1是本发明的飞机碳-碳复合材料刹车盘结构示意图；
图2是图1的I-I向剖面示意图。图中：
1.碳纤维织物；2.碳纤维线；3.碳质基体；4.第一摩擦面；5.第二摩擦面。
具体实施方式
实施例1
本发明是一种飞机机轮用的碳-碳复合材料刹车盘。所述碳刹车盘由连续的周向卷绕的聚丙烯腈碳纤维布1和径向贯穿聚丙烯腈碳纤维布层的聚丙烯腈碳纤维线2与碳质的基体7复合构成。聚丙烯腈碳纤维线2沿圆周方向和厚度方向均布。所述碳刹车盘有两个侧面均为参与摩擦的面，形成了第一摩擦面5和第二摩擦面6。所述碳刹车盘的第一摩擦面5和第二摩擦面6包括多个碳纤维布卷层的侧端和碳质基体3。随着表面磨损，联接碳纤维布卷层的碳纤维线也成为摩擦面的组元。碳质基体为通过浸渍树脂碳化得到的树脂碳。
所述飞机碳-碳复合材料刹车盘有两个摩擦面，分别是第一摩擦面4和第二摩擦面5。所述的摩擦面包括多圈碳纤维织物层1和碳质基体3。并且随着表面的磨损，联接碳纤维织物层1的碳纤维线2也成为摩擦面的组元。
本实施例所述的碳纤维织物是碳纤维布，碳质基体是树脂碳；
所述飞机碳-碳复合材料刹车盘的制作方法包括：
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，然后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。
制预制体步骤完成后，从圆筒工装或圆纸筒上取下预制体，或将圆纸筒留在预制体中。在圆纸筒上分布多个小孔，当该圆纸筒留在预制体中时，所述小孔便于后续增密工艺中流体进入预制体内。所述小孔的孔径为3～5mm，相邻孔的孔边的间距为4～6mm。本实施例中采用圆纸筒卷绕，圆纸筒上小孔的孔径为3mm，相邻孔的孔边距最小间距为4mm，圆纸筒作为工艺消耗品附在预制体上，便于保持预制体的形状。
所述碳纤维线直径为2.5～3.5mm，碳纤维线沿厚度线间距为3～5mm，碳纤维线沿圆周的分布角α＝5°～12°；所述分布角α即相邻的碳纤维线间的夹角。预制体碳纤维体积分数为35～65％。
本实施例中，飞机碳-碳复合材料刹车盘预制体的外径为280mm，内径为160mm，厚度为38mm。碳纤维织物是1K的聚丙烯腈碳纤维布；碳纤维线是聚丙烯腈碳纤维线，线径为2.5mm，线间距为3mm；相邻的碳纤维线间的夹角α＝8°。借助手压机和锥针穿刺，在预制体外圆周表面上，沿径向在预制体内圆周和外圆周所形成的环带内部穿入一排聚丙烯腈碳纤维线，线间距为3mm；围绕预制体中心轴线转动预制体，每转动8°，再沿径向环带内穿入一排聚丙烯腈碳纤维线，线间距不变，即仍为3mm；转动预制体一周重复径向穿线操作，使预制体沿整个圆周和厚度方向在内外径之间的环带内均匀布置有聚丙烯腈碳纤维线；预制体碳纤维体积分数为46％。
步骤2、致密化：采用单一的浸渍法，或CVD法工艺，或浸渍法与CVD法并用的复合工艺增密，使预制体的材料密度达到需要数值，得到飞机碳-碳复合材料刹车盘的毛坯。
本实施例采用单一工艺液相浸渍碳化法进行增密。液相浸渍碳化法工艺的条件和参数为：浸渍剂为热固性呋喃树脂，浸渍在高压釜内进行，真空度不超过10kPa，采用氮气加压，压力为20Mpa，浸渍时间为4.5h；浸渍后在烘箱内除湿烘干，烘干温度为180℃，时间2h；在固化炉内进行固化，固化温度为420℃，时间3.5h；在碳化炉内进行压力碳化，碳化温度为1650℃，时间为3.5h，压力为20Mpa，氮气保护。
一次浸渍和碳化为一个循环次数，重复该循环5次。
致密化处理后预制体材料密度达到1.76g/cm3。
步骤3、高温处理：将得到的飞机碳-碳复合材料刹车盘毛坯件放入高温处理炉，在给定温度下对碳-碳复合材料刹车盘毛坯件进行高温处理，以调节碳-碳复合材料微观结构，改善综合性能。
本实施例高温处理工艺的条件和参数为：采用自然升温的方式加温，温度为2280℃，保温时间为2.5h；炉温在400℃以上通入氮气保护。
步骤4、机械加工。按零件图样要求，精车内、外圆，铣键槽和磨平面，将经过高温处理的碳-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，对机械加工后的碳-碳复合材料刹车盘的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。
本实施例采用涂刷方法做防氧化处理，防氧化处理工艺的条件和参数为：防氧化剂为改性磷酸盐水溶液，手工涂刷2遍；烘干温度为240℃，烘干时间为2.5h；固化温度为790℃，固化时间为3h。
实施例2
本发明是一种飞机机轮用的碳-碳复合材料刹车盘。所述碳刹车盘由连续的周向卷绕的聚丙烯腈碳纤维布和聚丙烯腈碳纤维毡3，以及径向贯穿聚丙烯腈碳纤维布和聚丙烯腈碳纤维毡层的聚丙烯腈碳纤维线2的增强物与碳质基体复合构成。聚丙烯腈碳纤维线2沿碳刹车盘的圆周方向和轴向均布。所述碳刹车盘的摩擦面包括多个碳纤维布、毡卷层的侧端和碳质基体，并由所述多个碳纤维布、毡卷层的侧端和碳质基体组成的碳刹车盘的两个侧面形成了该碳刹车盘的第一摩擦面5和第二摩擦面6。随着表面磨损，联接碳纤维布卷层的碳纤维线也成为摩擦面的组元。碳质基体为沥青碳。
所述的聚丙烯腈碳纤维布与聚丙烯腈碳纤维毡3叠放卷绕。
所述飞机碳-碳复合材料刹车盘有两个摩擦面，分别是第一摩擦面4和第二摩擦面5。所述的两个摩擦面均包括多圈碳纤维织物层1和碳质基体3，并且随着表面的磨损，联接碳纤维织物层1的碳纤维线2也成为摩擦面的组元。
本实施例所述的碳纤维织物是碳纤维布和碳纤维毡叠放卷绕的双层料，碳质基体是沥青碳；
所述飞机碳-碳复合材料刹车盘的制作方法包括：
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，然后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。
制预制体步骤完成后，从圆筒工装或圆纸筒上取下预制体，或将圆纸筒留在预制体中。在圆纸筒上分布多个小孔，当该圆纸筒留在预制体中，这些小孔便于后续增密工艺中流体进入预制体内。所述小孔的孔径为3～5mm，相邻孔边最小间距为4～6mm。本实施例中采用圆纸筒卷绕，圆纸筒上小孔的孔径为3mm，相邻孔边最小间距为4mm，圆纸筒作为工艺消耗品附在预制体上，便于保持预制体的形状。
所述碳纤维线直径为2.5～3.5mm，碳纤维线沿厚度线间距为3～5mm，碳纤维线沿圆周分布角α＝5°～12°；所述的分布角α即相邻的碳纤维线间的夹角。预制体碳纤维体积分数为35～65％。
本实施例中，飞机碳-碳复合材料刹车盘预制体的外径为330mm、内径为185mm、厚度为40mm。碳纤维织物是1K聚丙烯腈碳纤维布和1.5mm厚的聚丙烯腈碳纤维毡叠放卷绕的双层料；碳纤维线是聚丙烯腈碳纤维线，线径为3mm，线间距为3mm；碳纤维线沿圆周分布角α＝10°。借助手压机和锥针穿刺，在预制体外圆周表面上，沿径向在预制体内圆周和外圆周所形成的环带内部穿入一排聚丙烯腈碳纤维线，线间距为3mm；围绕预制体中心轴线转动预制体，每转动10°，再沿径向环带内穿入一排聚丙烯腈碳纤维线，线间距不变，即仍为3mm；转动预制体一周重复径向穿线操作，使预制体沿整个圆周和厚度方向在内外径之间的环带内均匀布置有聚丙烯腈碳纤维线；预制体碳纤维体积分数为40％。
步骤2、致密化：采用单一的浸渍法，或CVD法工艺，或浸渍法和CVD法并用的复合工艺增密，使预制体的材料密度达到需要数值，得到飞机碳-碳复合材料刹车盘的毛坯。
本实施例采用单一工艺液相浸渍碳化法进行增密；液相浸渍碳化法工艺的条件和参数为：浸渍剂为热塑性沥青，软化点为155℃,浸渍在高压釜内进行，真空度不超过10kPa，采用氮气加压，压力为25Mpa，浸渍时间为2.5h；在碳化炉内进行压力碳化，碳化温度为1800℃，时间为2.5h，压力为23Mpa，氮气保护。
一次浸渍和碳化为一个循环次数，重复该循环5次。致密化处理后最终密度1.77g/cm3。
步骤3、高温处理：将得到的飞机碳-碳复合材料刹车盘毛坯件放入高温处理炉，在给定温度下对碳-碳复合材料刹车盘毛坯件进行高温处理，以调节碳-碳复合材料微观结构，改善综合性能。
本实施例高温处理工艺的条件和参数为：采用自然升温的方式加温，温度为2300℃，保温时间为2h；炉温在400℃以上通入氮气保护。
步骤4、机械加工。按零件图样要求，精车内、外圆，铣键槽和磨平面，将经过高温处理的碳-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，对机械加工后的碳-碳复合材料刹车盘的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。
本实施例采用浸涂方法做防氧化处理，防氧化处理工艺的条件和参数为：防氧化剂为改性磷酸盐水溶液，浸入保持时间5min；烘干温度为220℃，烘干时间为2.5h；固化温度为870℃，固化时间为2.5h。
实施例3
本实施例是一种飞机机轮用的碳-碳复合材料刹车盘。所述碳刹车盘由连续的周向卷绕的聚丙烯腈碳纤维毡4和径向贯穿聚丙烯腈碳纤维毡层的聚丙烯腈碳纤维线2的增强物与碳质基体复合构成。聚丙烯腈碳纤维线2沿圆周方向和厚度方向均布。所述碳刹车盘的摩擦面包括多个碳纤维毡卷层的侧端和碳质基体。随着表面磨损，联接碳纤维毡卷层的碳纤维线也可成为摩擦面的组元。碳质基体为沉积碳。
所述飞机碳-碳复合材料刹车盘有两个摩擦面，分别是第一摩擦面4和第二摩擦面5。所述的摩擦面包括多圈碳纤维织物层1和碳质基体3，并且随着表面磨损，联接碳纤维织物层1的碳纤维线2也成为摩擦面的组元。
本实施例所述的碳纤维织物是碳纤维毡，碳质基体是沉积碳；
所述飞机碳-碳复合材料刹车盘的制作方法包括：
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，然后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。
制预制体步骤完成后，从圆筒工装或圆纸筒上取下预制体，或将圆纸筒留在预制体中。在圆纸筒上分布多个小孔，当所述圆纸筒留在预制体中，圆纸筒上的小孔便于后续增密工艺中流体进入预制体内。所述小孔的孔径为3～5mm，相邻孔边最小间距为4～6mm。本实施例中采用圆纸筒卷绕，圆纸筒上小孔的孔径为3mm，相邻孔边最小间距为4mm，圆纸筒作为工艺消耗品附在预制体上，便于保持预制体的形状。
所述碳纤维线直径为2.5～3.5mm，碳纤维线沿厚度线间距为3～5mm，碳纤维线沿圆周分布角α＝5°～12°；所述的分布角α即相邻碳纤维线间的夹角。预制体碳纤维体积分数为35～65％。
本实施例中，飞机碳-碳复合材料刹车盘预制体的外径为340mm、内径为150mm、厚度为42mm。碳纤维织物是1.5mm厚的聚丙烯腈碳纤维毡；碳纤维线是聚丙烯腈碳纤维线，线径为3mm，线间距为3mm；碳纤维线沿圆周的分布角α＝12°。借助手压机和锥针穿刺，在预制体外圆周表面上，沿径向在预制体内圆周和外圆周所形成的环带内部穿入一排聚丙烯腈碳纤维线，线间距为3mm；围绕预制体中心轴线转动预制体，每转动12°，再沿径向环带内穿入一排聚丙烯腈碳纤维线，线间距不变，即仍为3mm；转动预制体一周重复径向穿线操作，使预制体沿整个圆周和厚度方向在内外径之间的环带内均匀布置有聚丙烯腈碳纤维线；预制体碳纤维体积分数为42％。
步骤2、致密化：采用单一的浸渍法，或CVD法工艺，或浸渍法和CVD法并用的复合工艺增密，使预制体的材料密度达到需要数值，得到飞机碳-碳复合材料刹车盘的毛坯。
本实施例采用单一工艺CVD法进行增密；致密化前先进行高温预处理，以便于提高致密化效率。高温预处理在高温炉内进行，温度在1800～2600℃，保温时间1～3h，炉内通入惰性气体保护。本实施例高温预处理温度为2200℃，保温时间2h；炉温在400℃以上通入氩气保护。
CVD法工艺的条件和参数为：使用设备为CVD炉，碳源气为丙烯气，载气为氮气；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；沉积温度为1280℃，沉积时间为150～200h/次，丙烯与氮气体积比为1:3，丙烯气的流量为32L/min，沉积处理4次，沉积处理之间对刹车盘毛坯件表面机械加工，总沉积时间为830h，致密化处理后密度1.75g/cm3。
步骤3、高温处理：将得到的飞机碳-碳复合材料刹车盘毛坯件放入高温处理炉，在给定温度下对碳-碳复合材料刹车盘毛坯件进行高温处理，以调节碳-碳复合材料微观结构，改善综合性能。
本实施例高温处理工艺的条件和参数为：采用自然升温的方式加温，温度为2500℃，保温时间为2h；炉温在400℃以上通入氮气保护。
步骤4、机械加工。按零件图样要求，精车内、外圆，铣键槽和磨平面，将经过高温处理的碳-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，对机械加工后的碳-碳复合材料刹车盘的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。
本实施例采用涂刷方法做防氧化处理，防氧化处理工艺的条件和参数为：防氧化剂为改性磷酸盐水溶液，手工涂刷3遍；烘干温度为260℃，烘干时间为2h；固化温度为850℃，固化时间为2h。
实施例4
一种飞机碳-碳复合材料刹车盘，包括连续周向卷绕的碳纤维织物层1、径向贯穿碳纤维织物层的碳纤维线2和碳质基体3。所述的碳纤维织物层1为碳纤维布。所述的碳纤维线2沿碳-碳复合材料刹车盘的圆周方向和厚度方向均布；所述的碳质基体3充满碳纤维织物层间和层内的间隙或空隙，将碳纤维织物层1和贯穿碳纤维织物层的碳纤维线2固结成一体，碳质基体3为树脂碳和沉积碳，采用复合工艺增密得到。
所述飞机碳-碳复合材料刹车盘有两个摩擦面，分别是第一摩擦面4和第二摩擦面5。所述两个摩擦面均包括多圈碳纤维织物层1和碳质基体3，并且随着表面磨损，联接碳纤维织物层1的碳纤维线2也成为摩擦面的组元。
本实施例所述的碳纤维织物是碳纤维布，碳质基体是树脂碳和沉积碳；
所述飞机碳-碳复合材料刹车盘的制作方法包括：
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，然后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。
制预制体步骤完成后，从圆筒工装或圆纸筒上取下预制体，或将圆纸筒留在预制体中。在圆纸筒上分布多个小孔，当所述圆纸筒留在预制体中时，该小孔便于后续增密工艺中流体进入预制体内。所述小孔的孔径为3～5mm，相邻孔边最小间距为4～6mm。本实施例中采用圆纸筒卷绕，圆纸筒上小孔的孔径为3mm，相邻孔边最小间距为4mm，圆纸筒作为工艺消耗品附在预制体上，便于保持预制体的形状。
所述碳纤维线直径为2.5～3.5mm，碳纤维线沿厚度线间距为3～5mm，碳纤维线沿圆周分布角α＝5°～12°；所述分布角α即相邻碳纤维线间的夹角。预制体碳纤维体积分数为35～65％。
本实施例中，飞机碳-碳复合材料刹车盘预制体的外径为280mm、内径为160mm、厚度为38mm。碳纤维织物是1K的聚丙烯腈碳纤维布；碳纤维线是聚丙烯腈碳纤维线，线径为2.5mm，线间距为3mm；碳纤维线沿圆周分布角α＝8°。借助手压机和锥针穿刺，在预制体外圆周表面上，沿径向在预制体内圆周和外圆周所形成的环带内部穿入一排聚丙烯腈碳纤维线，线间距为3mm；围绕预制体中心轴线转动预制体，每转动8°，再沿径向环带内穿入一排聚丙烯腈碳纤维线，线间距不变，仍为3mm；转动预制体一周重复径向穿线操作，使预制体沿整个圆周和厚度方向在内外径之间的环带内均匀布置有聚丙烯腈碳纤维线；预制体碳纤维体积分数为46％。
步骤2、致密化：采用单一的浸渍法，或CVD法工艺，或浸渍法和CVD法并用的复合工艺增密，使预制体的材料密度达到需要数值，得到飞机碳-碳复合材料刹车盘的毛坯。
本实施例采用以液相浸渍法与CVD法并用的复合工艺增密。首先进行液相浸渍碳化。当预制体液相浸渍碳化后的密度达到要求值80％以上，再进行CVD沉积。液相浸渍碳化法工艺的条件和参数为：浸渍剂为热固性呋喃树脂，浸渍在高压釜内进行，真空度不超过10kPa，采用氮气加压，压力为18Mpa，浸渍时间为4h；浸渍后在烘箱内除湿烘干，烘干温度为180℃，时间2h；在固化炉内进行固化，固化温度为420℃，时间3.5h；在碳化炉内进行压力碳化，碳化温度为1600℃，时间为3.5h，压力为18Mpa，氮气保护。
一次浸渍和碳化为一个循环次数，重复该循环3次。
CVD法工艺的条件和参数为：使用CVD炉，碳源气为丙烯气，载气为氮气；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；沉积温度为1200℃，沉积时间为150～200h/次，丙烯与氮气体积比为1:2.5，丙烯气的流量为28L/min，总沉积时间为380h。
致密化处理后最终密度1.75g/cm3。
步骤3、高温处理：将得到的飞机碳-碳复合材料刹车盘毛坯件放入高温处理炉，在给定温度下对碳-碳复合材料刹车盘毛坯件进行高温处理，以调节碳-碳复合材料微观结构，改善综合性能。
本实施例高温处理工艺的条件和参数为：采用自然升温的方式加温，温度为2300℃，保温时间为2h；炉温在400℃以上通入氮气保护。
步骤4，机械加工。按零件图样要求，精车内、外圆，铣键槽和磨平面，将碳-碳复合材料刹车盘毛坯件加工到最终尺寸和形状，得到碳-碳复合材料刹车盘。
步骤5，防氧化处理。对机械加工后的碳-碳复合材料刹车盘的非摩擦面进行防氧化处理，得到碳-碳复合材料刹车盘成品。防氧化处理工艺的条件和参数为：防氧化剂为改性磷酸盐水溶液，手工涂刷2遍；烘干温度为250℃，烘干时间为2.5h；固化温度为850℃，固化时间为2.5h。
实施例5
一种飞机碳-碳复合材料刹车盘，包括连续周向卷绕的碳纤维织物层1，径向贯穿碳纤维织物层的碳纤维线2和碳质基体3；所述的碳纤维织物层1为由碳纤维布和碳纤维毡叠放卷绕的双层料；所述的碳纤维线2沿碳-碳复合材料刹车盘的圆周方向和厚度方向均布；所述的碳质基体3充满碳纤维织物层间和层内的间隙或空隙，将碳纤维织物层1和贯穿碳纤维织物层的碳纤维线2固结成一体，碳质基体3是沥青碳和沉积碳，采用复合工艺增密得到。
所述飞机碳-碳复合材料刹车盘摩擦面有两个，分别是第一摩擦面4和第二摩擦面5。所述的摩擦面包括多圈碳纤维织物层1和碳质基体3，并且随着表面磨损，联接碳纤维织物层1的碳纤维线2也成为摩擦面的组元。
本实施例所述的碳纤维织物是碳纤维布和碳纤维毡叠放卷绕的双层料，碳质基体是沥青碳和沉积碳；
所述飞机碳-碳复合材料刹车盘的制作过程是：
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，然后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；
制预制体步骤完成后，从圆筒工装或圆纸筒上取下预制体，或将圆纸筒留在预制体中。在圆纸筒上分布多个小孔，当圆纸筒留在预制体中时，该小孔便于后续增密工艺中流体进入预制体内。所述小孔的孔径为3～5mm，相邻孔边最小间距为4～6mm。本实施例中采用圆纸筒卷绕，圆纸筒上小孔的孔径为3mm，相邻孔边最小间距为4mm，圆纸筒作为工艺消耗品附在预制体上，便于保持预制体的形状。
所述碳纤维线直径为2.5～3.5mm，碳纤维线沿厚度线间距为3～5mm，碳纤维线沿圆周分布角α＝5°～12°；所述分布角α即相邻碳纤维线间的夹角。预制体碳纤维体积分数为35～65％。
本实施例中，飞机碳-碳复合材料刹车盘预制体的外径为330mm、内径为185mm、厚度为40mm。碳纤维织物是1K的聚丙烯腈碳纤维布和1.5mm厚的聚丙烯腈碳纤维毡叠放卷绕的双层料；碳纤维线是聚丙烯腈碳纤维线，线径为3mm，线间距为3mm；碳纤维线沿圆周分布角α＝10°。借助手压机和锥针穿刺，在预制体外圆周表面上，沿径向在预制体内圆周和外圆周所形成的环带内部穿入一排聚丙烯腈碳纤维线，线间距为3mm；围绕预制体中心轴线转动预制体，每转动10°，再沿径向环带内穿入一排聚丙烯腈碳纤维线，线间距不变，即仍为3mm；转动预制体一周重复径向穿线操作，使预制体沿整个圆周和厚度方向在内外径之间的环带内均匀布置有聚丙烯腈碳纤维线；预制体碳纤维体积分数为40％。
步骤2、致密化：采用单一的浸渍法，或CVD法工艺，或浸渍法和CVD法并用的复合工艺增密，使预制体的材料密度达到需要数值，得到飞机碳-碳复合材料刹车盘的毛坯。
本实施例采用液相浸渍碳化法和CVD法并用的复合工艺增密；首先进行液相浸渍碳化。当预制体液相浸渍碳化后的密度达到要求值80％以上，再进行CVD沉积。液相浸渍碳化法工艺的条件和参数为：浸渍剂为热塑性沥青，软化点为155℃，浸渍在高压釜内进行，真空度不超过10kPa，采用氮气加压，压力为25Mpa，浸渍时间为2.5h；在碳化炉内进行压力碳化，碳化温度为1800℃，时间为2.5h，压力为23Mpa，氮气保护。
一次浸渍和碳化为一个循环次数，重复该循环3次。
CVD法工艺的条件和参数为：使用CVD炉，碳源气为丙烯气，载气为氮气，；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；沉积温度为1200℃，沉积时间为150～200h/次，丙烯与氮气体积比为1:2.5，丙烯气的流量为28L/min，总沉积时间为380h。
致密化处理后最终密度1.75g/cm3。
步骤3、高温处理：将得到的飞机碳-碳复合材料刹车盘毛坯件放入高温处理炉，在给定温度下对碳-碳复合材料刹车盘毛坯件进行高温处理，以调节碳-碳复合材料微观结构，改善综合性能。
本实施例高温处理工艺的条件和参数为：采用自然升温的方式加温，温度为2300℃，保温时间为2h；炉温在400℃以上通入氮气保护。
步骤4、机械加工。按零件图样要求，精车内、外圆，铣键槽和磨平面，将经过高温处理的碳-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，对机械加工后的碳-碳复合材料刹车盘的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。
本实施例采用浸涂方法做防氧化处理，防氧化处理工艺的条件和参数为：防氧化剂为改性磷酸盐水溶液，浸入保持时间5min；烘干温度为220℃，烘干时间为2.5h；固化温度为870℃，固化时间为2.5h。
实施例6
一种飞机碳-碳复合材料刹车盘，包括连续周向卷绕的碳纤维织物层1、径向贯穿碳纤维织物层的碳纤维线2和碳质基体3。所述的碳纤维织物层1为由碳纤维布和碳纤维毡叠放卷绕的双层料；所述的碳纤维线2沿碳-碳复合材料刹车盘的圆周方向和厚度方向均布；所述的碳质基体3充满碳纤维织物层间和层内的间隙或空隙，将碳纤维织物层1和贯穿碳纤维织物层的碳纤维线2固结成一体，碳质基体3是树脂碳和沥青碳。
所述飞机碳-碳复合材料刹车盘有两个摩擦面，分别是第一摩擦面4和第二摩擦面5。所述两个摩擦面均包括多圈碳纤维织物层1和碳质基体3，并且随着表面磨损，联接碳纤维织物层1的碳纤维线2也成为摩擦面的组元。
本实施例所述的碳纤维织物是碳纤维布和碳纤维毡叠放卷绕的双层料，碳质基体是树脂碳和沥青碳；
所述飞机碳-碳复合材料刹车盘的制作方法包括：
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，然后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。
制预制体步骤完成后，从圆筒工装或圆纸筒上取下预制体，或将圆纸筒留在预制体中。在圆纸筒上分布多个小孔，当圆纸筒留在预制体中时，该小孔便于后续增密工艺中流体进入预制体内。所述小孔的孔径为3～5mm，相邻孔边最小间距为4～6mm。本实施例中采用圆纸筒卷绕，圆纸筒上小孔的孔径为3mm，相邻孔边最小间距为4mm，圆纸筒作为工艺消耗品附在预制体上，便于保持预制体的形状。
所述碳纤维线直径为2.5～3.5mm，碳纤维线沿厚度线间距为3～5mm，碳纤维线沿圆周分布角α＝5°～12°；所述分布角α即相邻碳纤维线间的夹角。预制体碳纤维体积分数为35～65％。
本实施例中，飞机碳-碳复合材料刹车盘预制体的外径为330mm、内径为185mm、厚度为40mm。碳纤维织物是1K的聚丙烯腈碳纤维布和1.5mm厚的聚丙烯腈碳纤维毡叠放卷绕的双层料；碳纤维线是聚丙烯腈碳纤维线，线径为3mm，线间距为3mm；碳纤维线沿圆周分布角α＝10°。借助手压机和锥针穿刺，在预制体外圆周表面上，沿径向在预制体内圆周和外圆周所形成的环带内部穿入一排聚丙烯腈碳纤维线，线间距为3mm；围绕预制体中心轴线转动预制体，每转动10°，再沿径向环带内穿入一排聚丙烯腈碳纤维线，线间距不变，仍为3mm；转动预制体一周重复径向穿线操作，使预制体沿整个圆周和厚度方向在内外径之间的环带内均匀布置有聚丙烯腈碳纤维线；预制体碳纤维体积分数为40％。
步骤2、致密化：采用单一的浸渍法，或CVD法工艺，或浸渍法与CVD法并用的复合工艺增密，使预制体的材料密度达到需要数值，得到飞机碳-碳复合材料刹车盘的毛坯。
本实施例采用液相浸渍碳化法增密；液相浸渍碳化法工艺的条件和参数为：浸渍剂为混合浸渍剂，由热固性呋喃树脂和热塑性沥青组成，热塑性沥青软化点为155℃，配制比例按体积1:1；浸渍在高压釜内进行，真空度不超过10kPa，采用氮气加压，压力为25Mpa，浸渍时间为2.5h；浸渍后在烘箱内除湿烘干，烘干温度为185℃，时间2h；在固化炉内进行固化，固化温度为300℃，时间3.5h；在碳化炉内进行压力碳化，碳化温度为1900℃，时间为2.5h，压力为23Mpa，氮气保护。
一次浸渍和碳化为一个循环次数，重复该循环5次。致密化处理后最终密度1.79g/cm3。
步骤3、高温处理：将得到的飞机碳-碳复合材料刹车盘毛坯件放入高温处理炉，在给定温度下对碳-碳复合材料刹车盘毛坯件进行高温处理，以调节碳-碳复合材料微观结构，改善综合性能。
本实施例高温处理工艺的条件和参数为：采用自然升温的方式加温，温度为2300℃，保温时间为2h；炉温在400℃以上通入氮气保护。
步骤4、机械加工。按零件图样要求，精车内、外圆，铣键槽和磨平面，将经过高温处理的碳-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，对机械加工后的碳-碳复合材料刹车盘的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。
本实施例采用涂刷方法做防氧化处理，防氧化处理工艺的条件和参数为：防氧化剂为改性磷酸盐水溶液，手工涂刷2遍；烘干温度为250℃，烘干时间为2.5h；固化温度为820℃，固化时间为2.5h。

Claims (5)

1.一种飞机碳-碳复合材料刹车盘，其特征在于，所述碳-碳复合材料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聚丙烯腈碳纤维毡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复合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-碳复合材料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；
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。
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。
3.一种制备权利要求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；
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，丙烯的流量为15～45L/min；
化学气相沉积沉积重复次数为3～5次；
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-碳复合材料刹车盘毛坯浸入防氧化剂溶液中2～5min；对已涂刷或浸涂防氧化剂的碳-碳复合材料刹车盘毛坯烘干除湿，烘干温度为120～280℃，时间为1～3.5h；对烘干的碳-碳复合材料刹车盘毛坯进行固化处理，固化温度为600～980℃，时间1～4h；固化过程中通氮气保护。
4.如权利要求3所述制备飞机碳-碳复合材料刹车盘的方法，其特征在于，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。
5.如权利要求4所述制备飞机碳-碳复合材料刹车盘的方法，其特征在于，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％。
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