時速幾百公里，剎車盤怎樣剎住幾百噸的飛機？

出品｜網易新聞

導語：碳基復合材料一直是公認的耐高溫摩擦材料的“扛把子”，中國制造從碳/碳到碳/陶被用來生產剎車盤和其他耐高溫結構件，中國的C919、艦載機、殲擊機和運輸機等10多種先進飛機廣泛應用國產剎車盤。

一、飛機這樣的龐然大物，是怎么剎車的？

可別小看這飛機的剎車盤，它卻是飛機的關鍵部件之一，與飛機的“心臟”發動機和“大腦”飛控一樣，同等重要。

和汽車其實原理一樣，飛機著陸時，只是耐熱性能要好很多，普遍使用多片剎車系統機輪上的剎車提供了絕大部分減速效果，把飛機巨大的動能轉化為剎車盤的內能，當飛機在高速滑跑中遭遇突發情況，需要中斷起飛時，緊急制動使剎車盤經受更加嚴酷的考驗，急劇升溫到紅熱狀態。

飛機剎車系統測試

飛機剎車系統一般采用液壓制動技術（波音787除外），由發動機為液壓泵提供動力，液壓泵將低壓轉換為高壓，通過液壓管路將壓力傳輸給剎車作動器。剎車作動器推動壓緊剎車盤，通過剎車盤間的摩擦，提供阻止機輪滾動的力矩，以減小飛機滑跑速度。

這個聽起來簡單，其實一點兒都不簡單。因為飛機著陸時速度很快，蘊含巨大能量，根據能量守恒定律，飛機需要依靠反推裝置和剎車裝置去吸收掉這個巨大能量（當然氣動阻力也能幫一點忙），才能使飛機靜止下來。剎車盤在摩擦過程中，把大部分飛機動能轉化為熱能，因此，剎車盤的工作溫度至少在幾百度。

飛機剎車盤

不僅如此，飛機剎車系統在設計時，還要考慮許多運營中可能出現的意外情況，這對剎車盤提出了更高要求。比如飛機在跑道高速滑跑準備起飛時，遇到突發狀況需要終止起飛。又比如飛機起飛不久發現系統故障需要返回，而且這個時候襟縫翼又無法完全打開。這些意外狀況一旦發生，那么剎車盤就需要吸收比正常著陸情況大得多的能量。

飛機剎車盤結構

二、飛機降落時，剎車盤要吸收多大能量？

由于飛機有著更高的速度與重量對剎車盤的挑戰最嚴酷，需要開展“最嚴酷著陸停止試驗”來驗證剎車盤是否滿足設計需求。

在這個試驗工況下，飛機比正常著陸情況更重（油箱幾乎是滿的）、速度更快、氣動阻力更小（襟縫翼不能完全打開）、反推裝置關閉，幾乎全靠剎車盤吸收飛機動能。

那么這種情況下，剎車盤要吸收多大能量呢？按照飛機重78噸、以200節速度著陸來計算的話，這個能量大約是360兆焦。按照高中物理學到的知識，1焦耳能量可以把1N（牛頓）物體舉起1米。假設這個1N的物體是顆小蘋果，那么360兆焦的能量可以把3.6萬噸蘋果舉起1米，或者把這顆小蘋果舉起36萬公里——這差不多是地球到月球的距離。

這時的剎車盤由于吸收了巨大的能量，溫度急劇上升，能達到一千多度，高溫使其呈現明亮的橙色，看上去就像一顆滾燙的火球。

試驗中，高溫碳盤呈現明亮的橙色

制造飛機剎車盤的材料既需要扛得住摩擦又得耐得了高溫，什么材料能滿足這樣的條件呢？答案就是，碳/碳復合材料。

三、意外帶來的驚喜：碳/碳復合材料

早先飛機使用的是粉末冶金的鋼制剎車盤，存在重量大、高溫性能差、壽命短的缺點。與之相比，碳/碳復合材料剎車盤具有更加優異的性能，且比鋼制剎車盤減重40%（對于有多個機輪的大飛機，就是數百千克乃至上噸的減重效果），因而獲得廣泛應用。

鋼剎車和碳剎車對比

所謂碳/碳復合材料，是以碳纖維為骨架、碳為基體構成的復合材料。其中碳纖維的形態可以是連續纖維構成的立體框架，也可以是無序分布的短切纖維；碳基體由浸漬的樹脂、瀝青炭化得到，或由碳氫化物氣體（如天然氣、丙烷）熱解沉積而來。

它的發現過程是個意外的驚喜。1958年，Chance vought航空公司在研究碳纖維/酚醛樹脂復合材料時，發生了一些失誤，使樹脂基體未被氧化而發生了熱解形成基體碳，這是世界上首次發現碳/碳復合材料。

碳纖維/酚醛樹脂復合材料是一種應用廣泛的樹脂基復合材料。碳纖維樹脂基復合材料由于具有較高的比強度、比模量、較好的延展性、卓越的抗腐蝕性等特點，被廣泛應用在航空航天等工業領域，其研究較早、“知名度”較高，所以在許多人的概念里，復合材料就等同于碳纖維樹脂基復合材料。

四、飛機碳剎車盤是怎樣造出來的

經過幾十年的研究，現代工藝生產的碳/碳復合材料已經具備高比強、高比模、耐高溫、摩擦磨損性能優異等特點，能夠很好地滿足航空航天對材料在高溫、高速條件下的綜合性能要求。因此，碳/碳復合材料已經成為新一代航空航天材料發展的重點方向之一。

剎車盤事關航空安全，有非常高的壁壘，法國賽峰、美國霍尼韋爾等巨頭壟斷了全球80%以上的飛機剎車盤市場。

以法國航空巨頭——賽峰（Safran）公司生產碳剎車盤的過程為例，首先對層層平鋪的碳纖維進行針刺。

碳纖維氈

使一部分纖維轉到垂直方向，把各層連接起來，形成碳纖維氈；多層碳纖維氈堆疊、針刺得到多孔的碳纖維預制體；浸漬樹脂炭化，并采用化學氣相浸滲法沉積熱解碳，填充碳纖維之間的孔隙，實現致密化；

快速沉積在表面的碳形成硬皮，須通過機械加工去除，以利于后續的浸滲，并加工出剎車盤的形狀；

致密化和加工要反復多次進行，直至達到所需的密度和尺寸，隨后噴涂磷酸鹽等抗氧化涂層；最后進行兩三千度的高溫熱處理，使無序的熱解碳發生石墨化，提高剎車盤的熱導率，改善摩擦性能。

四、C919大型客機用上國產復合材料剎車盤

從1972年起，中航工業西安航空制動科技有限公司（西安制動）在國內率先開展碳剎車材料研究，于1983年成功研制出第一代國產碳剎車盤。目前我國已有多家企業能夠生產碳剎車盤，應用于殲10、ARJ21、C919等軍民用飛機。

2008 年，由西安制動與西北工業大學聯合研制的碳/陶剎車盤實現國際上首次裝機應用，并推廣到艦載機、殲擊機、預警機等多個機型，獲2016年國家技術發明二等獎。

目前，C919大型客機剎車盤使用的就是國產碳基復合材料，其供應商同時也為波音757、空客320等機型提供剎車盤。

C919大型客機，它的剎車盤正是由碳碳復合材料制成

由于剎車盤屬于耗材，大約一兩千次起降就必須更換，使用國外進口剎車盤費用較高。在市場需求的拉動下，國內材料廠商紛紛開始研制民機碳剎車盤。

碳復合材料的涂層一直是國內外研究的重點。由于碳/碳復合材料在370度左右開始氧化，材料性能下降，因此，其在有氧環境下使用，必須在表面制備抗氧化涂層。涂層除了要有良好的抗氧化性和抗燒蝕性外，還要與碳/碳復合材料具有較好的化學物理相容性和相近的膨脹系數。

C919剎車盤非摩擦面使用硼磷系涂層，在高溫的工作環境下，可以有效延緩氧氣在材料內部的擴散，提高材料使用壽命。一般的剎車盤可能在一千多個起降后就要更換，而C919的剎車盤經過疲勞試驗，證明可以達到兩千個起降。

除了涂層，碳纖維預制體和增密工藝也對碳/碳復合材料的性能產生重要影響。這方面，國外一般使用預氧化絲編織碳纖維預制體，它的優點是纖維柔韌性好、易成型，但是強度較低。而C919剎車盤使用的碳/碳復合材料，使用有機纖維編織碳纖維預制體，雖然編織難度大，但是形成的預制體強度要高得多。同時，它還采用化學氣相滲透和液相浸漬復合的增密工藝，提高了材料的密度，使材料的高能剎車摩擦系數大大提升。

隨著飛行器速度越來越快，其對耐高溫材料的要求必然越來越高。作為耐高溫材料界的“實力擔當”，碳/碳復合材料的研究顯然方興未艾。

目前，國內有機構研究出一種耐3000度超高溫多元陶瓷碳/碳復合材料，將多元陶瓷與碳/碳復合材料融合，利用陶瓷高熔點、高強度、高耐磨等特性，進一步提高碳/碳復合材料的耐高溫性能和力學性能，創造了燒蝕材料耐高溫的世界新紀錄。

結語：制動一小步，中國技術進步一大步。目前，國內碳/碳剎車企業已發展成為一個產業，10多家專業企業，百花齊放。國產飛機剎車盤從“跟跑”到“領跑，背后是新材料從實驗室到工業生產的突破創新，我們相信，未來國產碳復合材料會在耐高溫摩擦材料“實力擔當”的道路上越走越遠。

參考文獻：

[1] 飛機剎車系統的防滑剎車（Anti-skid）原理

[2]《中國民航報》. 中國飛機剎車盤領先全球成功啟示錄

[3] 高速制動場景催生碳碳/碳陶剎車材料需求