时速几百公里，刹车盘怎样刹住几百吨的飞机？

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导语：碳基复合材料一直是公认的耐高温摩擦材料的“扛把子”，中国制造从碳/碳到碳/陶被用来生产刹车盘和其他耐高温结构件，中国的C919、舰载机、歼击机和运输机等10多种先进飞机广泛应用国产刹车盘。

一、飞机这样的庞然大物，是怎么刹车的？

可别小看这飞机的刹车盘，它却是飞机的关键部件之一，与飞机的“心脏”发动机和“大脑”飞控一样，同等重要。

和汽车其实原理一样，飞机着陆时，只是耐热性能要好很多，普遍使用多片刹车系统机轮上的刹车提供了绝大部分减速效果，把飞机巨大的动能转化为刹车盘的内能，当飞机在高速滑跑中遭遇突发情况，需要中断起飞时，紧急制动使刹车盘经受更加严酷的考验，急剧升温到红热状态。

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，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，遇到突发状况需要终止起飞。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。

二、飞机降落时，刹车盘要吸收多大能量？

由于飞机有着更高的速度与重量对刹车盘的挑战最严酷，需要开展“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。

制造飞机刹车盘的材料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。

三、意外带来的惊喜：碳/碳复合材料

早先飞机使用的是粉末冶金的钢制刹车盘，存在重量大、高温性能差、寿命短的缺点。与之相比，碳/碳复合材料刹车盘具有更加优异的性能，且比钢制刹车盘减重40%（对于有多个机轮的大飞机，就是数百千克乃至上吨的减重效果），因而获得广泛应用。

所谓碳/碳复合材料，是以碳纤维为骨架、碳为基体构成的复合材料。其中碳纤维的形态可以是连续纤维构成的立体框架，也可以是无序分布的短切纤维；碳基体由浸渍的树脂、沥青炭化得到，或由碳氢化物气体（如天然气、丙烷）热解沉积而来。

它的发现过程是个意外的惊喜。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。

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。

四、飞机碳刹车盘是怎样造出来的

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。

刹车盘事关航空安全，有非常高的壁垒，法国赛峰、美国霍尼韦尔等巨头垄断了全球80%以上的飞机刹车盘市场。

以法国航空巨头——赛峰（Safran）公司生产碳刹车盘的过程为例，首先对层层平铺的碳纤维进行针刺。

使一部分纤维转到垂直方向，把各层连接起来，形成碳纤维毡；多层碳纤维毡堆叠、针刺得到多孔的碳纤维预制体；浸渍树脂炭化，并采用化学气相浸渗法沉积热解碳，填充碳纤维之间的孔隙，实现致密化；

快速沉积在表面的碳形成硬皮，须通过机械加工去除，以利于后续的浸渗，并加工出刹车盘的形状；

致密化和加工要反复多次进行，直至达到所需的密度和尺寸，随后喷涂磷酸盐等抗氧化涂层；最后进行两三千度的高温热处理，使无序的热解碳发生石墨化，提高刹车盘的热导率，改善摩擦性能。

四、C919大型客机用上国产复合材料刹车盘

从1972年起，中航工业西安航空制动科技有限公司（西安制动）在国内率先开展碳刹车材料研究，于1983年成功研制出第一代国产碳刹车盘。目前我国已有多家企业能够生产碳刹车盘，应用于歼10、ARJ21、C919等军民用飞机。

2008 年，由西安制动与西北工业大学联合研制的碳/陶刹车盘实现国际上首次装机应用，并推广到舰载机、歼击机、预警机等多个机型，获2016年国家技术发明二等奖。

目前，C919大型客机刹车盘使用的就是国产碳基复合材料，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：制动一小步，中国技术进步一大步。目前，国内碳/碳刹车企业已发展成为一个产业，10多家专业企业，百花齐放。国产飞机刹车盘从“跟跑”到“领跑，背后是新材料从实验室到工业生产的突破创新，我们相信，未来国产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。

参考文献：

[1] 飞机刹车系统的防滑刹车（Anti-skid）原理

[2]《中国民航报》. 中国飞机刹车盘领先全球成功启示录

[3] 高速制动场景催生碳碳/碳陶刹车材料需求