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作者| 喻媛，上海飞机设计研究院
20世纪的材料界可以说是惊喜不断，随着现代科学的蓬勃发展，许多以往未知的新材料不断诞生在科学家的实验室中，包括超导材料、纳米材料在内的新材料都是出现在这个时期。其中，有一些新材料的发明创造却纯属意外，碳/碳复合材料就是其中一员。
然而，正是这种由于意外诞生的新材料，现在成为了耐高温摩擦材料界的"扛把子"，被用来生产刹车盘和其他耐高温结构件，中国的C919大型客机刹车盘就用到了它。
（一）飞机降落时，刹车盘要吸收多大能量？
说起刹车盘，可能大多数人不太了解，不过，你有没有好奇过，飞机这样的庞然大物，究竟是怎么刹车的？
飞机刹车系统一般采用液压制动技术（波音787除外），由发动机为液压泵提供动力，液压泵将低压转换为高压，通过液压管路将压力传输给刹车作动器。刹车作动器推动压紧刹车盘，通过刹车盘间的摩擦，提供阻止机轮滚动的力矩，以减小飞机滑跑速度。
这个听起来简单的刹车盘其实一点儿都不简单。因为飞机着陆时速度很快，蕴含巨大能量，根据能量守恒定律，飞机需要依靠反推装置和刹车装置去吸收掉这个巨大能量（当然气动阻力也能帮一点忙），才能使飞机静止下来。刹车盘在摩擦过程中，把大部分飞机动能转化为热能，因此，刹车盘的工作温度至少在几百度。
不仅如此，飞机刹车系统在设计时，还要考虑许多运营中可能出现的意外情况，这对刹车盘提出了更高要求。比如飞机在跑道高速滑跑准备起飞时，遇到突发状况需要中止起飞。又比如飞机起飞不久发现系统故障需要返回，而且这个时候襟缝翼又无法完全打开。这些意外状况一旦发生，那么刹车盘就需要吸收比正常着陆情况大得多的能量。
上面提到的两种意外状况中，第二种对刹车盘的挑战最严酷，飞机设计师要开展"最严酷着陆停止试验"来验证刹车盘是否满足设计需求。
在这个试验工况下，飞机比正常着陆情况更重（油箱几乎是满的）、速度更快、气动阻力更小（襟缝翼不能完全打开）、反推装置关闭，几乎全靠刹车盘吸收飞机动能。
那么这种情况下，刹车盘要吸收多大能量呢？按照飞机重78吨、以200节速度着陆来计算的话，这个能量大约是360兆焦。按照高中物理学到的知识，1焦耳能量可以把1N（牛顿）物体举起1米。假设这个1N的物体是颗小苹果，那么360兆焦的能量可以把3.6万吨苹果举起1米，或者把这颗小苹果举起36万公里——这差不多是地球到月球的距离。
这时的刹车盘由于吸收了巨大的能量，温度急剧上升，能达到一千多度，高温使其呈现明亮的橙色，看上去就像一颗滚烫的火球。
说了这么多，可见制造飞机刹车盘的材料是有多么重要了，它既需要扛得住摩擦又得耐得了高温，什么材料能满足这样的条件呢？答案就是，碳/碳复合材料。
（二）意外带来的惊喜：碳/碳复合材料
碳/碳复合材料，从名字上就看得出来，这是一种复合材料。它的发现过程，这真可谓是意外中带来的惊喜。
1958年，Chance vought航空公司在研究碳纤维/酚醛树脂复合材料时，发生了一些失误，使树脂基体未被氧化而发生了热解形成基体碳，这是世界上首次发现碳/碳复合材料。
上面提到的碳纤维/酚醛树脂复合材料是一种应用广泛的树脂基复合材料。碳纤维树脂基复合材料由于具有较高的比强度、比模量、较好的延展性、卓越的抗腐蚀性等特点，被广泛应用在航空航天等工业领域，其研究较早、"知名度"较高，所以在许多人的概念里，复合材料就等同于碳纤维树脂基复合材料。
事实上，复合材料指由两种或两种以上异质、异型、异性材料（一种作为基体，其他作为增强体）复合而成的具有特殊功能和结构的新型材料。除了碳纤维树脂基复合材料以外，还有碳/碳复合材料、金属基陶瓷复合材料等。
顾名思义，碳/碳复合材料是以碳纤维为增强体，其他碳质材料为基体的复合材料。碳/碳复合材料在研究初期发展缓慢，直到1969年，第一批兼具高性能和低成本的聚丙烯腈（PAN）基碳纤维被商业化，并成为碳/碳复合材料的增强体，使得碳/碳复合材料在强度上取得了显著进步，碳/碳复合材料的特殊性能才开始引起工程界关注。
经过几十年的研究，现代工艺生产的碳/碳复合材料已经具备高比强、高比模、耐高温、摩擦磨损性能优异等特点，能够很好地满足航空航天对材料在高温、高速条件下的综合性能要求。因此，碳/碳复合材料已经成为新一代航空航天材料发展的重点方向之一。
（三）C919大型客机用上国产碳/碳复合材料
中国对碳/碳复合材料的研究开发工作开始于二十世纪七十年代末，经过几十年的发展，取得了丰硕的成果，先进性直追发达国家。
目前，C919大型客机刹车盘使用的就是国产碳/碳复合材料，其供应商同时也为波音757、空客320等机型提供刹车盘。
由于刹车盘属于耗材，大约一两千次起降就必须更换，使用国外进口刹车盘费用较高。在市场需求的拉动下，国内材料厂商纷纷开始研制民机碳刹车盘。
碳/碳复合材料的涂层一直是国内外研究的重点。由于碳/碳复合材料在370度左右开始氧化，材料性能下降，因此，其在有氧环境下使用，必须在表面制备抗氧化涂层。涂层除了要有良好的抗氧化性和抗烧蚀性外，还要与碳/碳复合材料具有较好的化学物理相容性和相近的膨胀系数。
C919刹车盘非摩擦面使用硼磷系涂层，在高温的工作环境下，可以有效延缓氧气在材料内部的扩散，提高材料使用寿命。一般的刹车盘可能在一千多个起降后就要更换，而C919的刹车盘经过疲劳试验，证明可以达到两千个起降。
除了涂层，碳纤维预制体和增密工艺也对碳/碳复合材料的性能产生重要影响。这方面，国外一般使用预氧化丝编织碳纤维预制体，它的优点是纤维柔韧性好、易成型，但是强度较低。而C919刹车盘使用的碳/碳复合材料，使用有机纤维编织碳纤维预制体，虽然编织难度大，但是形成的预制体强度要高得多。同时，它还采用化学气相渗透和液相浸渍复合的增密工艺，提高了材料的密度，使材料的高能刹车摩擦系数大大提升。
随着飞行器速度越来越快，其对耐高温材料的要求必然越来越高。作为耐高温材料界的"实力担当"，碳/碳复合材料的研究显然方兴未艾。
目前，国内有机构研究出一种耐3000度超高温多元陶瓷碳/碳复合材料，将多元陶瓷与碳/碳复合材料融合，利用陶瓷高熔点、高强度、高耐磨等特性，进一步提高碳/碳复合材料的耐高温性能和力学性能，创造了烧蚀材料耐高温的世界新纪录。
结语
诚然，一款新材料从实验室到工业生产还有很长的路要走，国产的碳/碳复合材料要想在工业界，尤其是民机产业占有一席之地，保证产品可靠性和稳定性是必须攻克的难关。不过，我们仍然有理由相信，国产碳/碳复合材料会在耐高温摩擦材料"实力担当"的道路上越走越远。
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编辑| 史文慧
来源：知乎 www.zhihu.com
作者：网易《了不起的中国制造》
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