楚江新材的碳纤维预制件，五大创新点支撑起世界一流的碳刹车盘，已批量装备军用战机

飞机已经成为越来越多中国人的工作和旅游出行的首选交通工具，但是当人们坐在波音、空客等世界顶尖的民航飞机中，很少会有人知道，这些从国外进口的大型飞机上，国产零部件已经占据一席之地，其中由江苏宜兴天鸟高新技术有限公司研制的飞机碳刹车预制件制造的国产碳刹车盘就在默默无闻地承载着无数乘客一次次地安全起降。

随着航空事业的快速发展，飞机负载大型化、中小型飞机多样化，这就对飞机刹车装置提出了更高的要求。刹车盘是飞机实现制动和保障飞机安全着陆的最关键部件之一。目前使用的刹车盘主要有金属基粉末冶金材料和碳纤维增强的碳／碳复合材料两大类。金属刹车盘在高温条件下容易出现变形、开裂、刹车力距不稳定等问题，而且磨损量大、使用周期短、不易维修。

碳／碳复合材料具有优异的力学性能、热物理性能以及良好摩擦磨损性能。用其制备飞机刹车盘，即使在高温条件下也不易变形，不易开裂、不粘结、刹车力距稳定、磨损量小、使用寿命长，而且可以翻修复用。因此，碳／碳复合材料飞机刹车盘，已经成为国际航空业的重要发展方向。

但在国际上，碳／碳复合材料刹车盘市场几乎被美、英、法三国的五家公司所垄断，价格昂贵，民用飞机须以旧换新，军机则完全封锁。我国民航每年要用巨额外汇从国外进口这一贵重的航空器材，而军用飞机不得不长期使用重量大、性能低的金属刹车盘，对提高我军的战斗能力极为不利。

鉴于发展碳／碳复合材料的必要性，1998年国家发展计划委员会批发了关于碳／碳复合材料航空刹车副重点工业性项目的批复，由中南大学等科研单位和军工企业联合攻关。天鸟公司作为该项目的配套单位，专门成立了以缪云良总经理为核心的攻关小组，并且正式立项定名为“TS飞机碳刹车预制件”

国外同类产品现状及本产品的技术方案

经分析研究发现，国外是采用聚丙烯腈预氧化纤维(PANOF)制作预制件。采用该方案制作预制件，必须首先经过一道碳化工序，使预氧纤维结构变为碳纤维结构。然而对具有一定初始密度的预氧纤维预制件进行碳化时，因导热系数低、碳化可控性较差、工艺难度大、对设备及工艺要求高，在高温碳化过程中，预制件内部的长、短纤维产生不同引力而蠕动造成整体收缩变形，易分层；同时碳化后的预制件密度会降低、体积密度不易均匀；碳化过程中若工艺控制不好还容易造成结焦，复合成碳／碳复合材料后结焦处易形成不均匀低密度区，对最终产品各层面的摩擦磨损性能均匀性会有一定影响。况且在无法实施张力情况下，预氧纤维碳化转变成的碳纤维强度与专门生产的碳纤维相比要低得多，这对后续CVD碳／碳复合材料的力学性能也会有一定影响。

因此，天鸟公司开展了用聚丙烯腈碳纤维直接制作预制件的科研攻关，主要解决了碳纤维成网的技术难点。经实践表明，用碳纤维直接制作预制件，不仅节省了碳化工序，有利于后续CVD工艺，而且制得的预制件整体均匀、层间致密、性能稳定，生产周期短、制作成本低。该项目技术不同于法国Messier-Bugatti、美国B.F.goodrich所采用预氧纤维制备的也是目前国际上最具代表性的“Novoltex”技术；也不同于英国Dunlop所采用的预氧纤维针刺薄毡叠层的技术；更不同于美国Honeywell所采用的短切纤维混合树脂模压成形的技术。经检测和实际应用表明，天鸟公司直接采用碳纤维制作的预制件，要比上述几家国外公司领先一筹。

五大创新点支撑起世界一流的碳刹车盘

TS飞机碳刹车预制件，其结构是在平面方向由碳纤维连续长纤维组成的无纬平面织物，结合一定长度碳纤维组成的非织造无纺织物相夹叠层，垂直方向通过连续针刺渗透，产生垂直方向的纤维均匀连接若干固定层面直至产品所需的厚度，形成一种碳纤维整体准三维结构的预制件。其特点是多层面结合且层间致密均匀、体积密度均匀、性能稳定。在碳／碳复合过程中，节省了碳化工序，缩短了生产周期，在气相沉积(CVD)过程中易沉积，降低了生产成本，制成的飞机碳刹车盘抗拉抗压强度高，导热性能好，摩擦磨损性能好，各项性能指标及部分性能指标均达到或超过了国外同类产品的先进水平。

经国防科工委组织专家鉴定表明，该技术具有下列所述创新性：

(1)采用聚丙烯腈碳纤维(PANCF)代替聚丙烯腈预氧化纤维(PANOF)，直接疏理成网

这一工艺为国内独创，比国外生产工艺有较大改进，采用纵向纤维提高预制件纵向强度，提供了生产碳刹车盘的关键结构材料，况且直接采用碳纤维短切纤维制成，与平面方向铺层的碳纤维性质相同一致，使生产碳刹车盘过程不易变形，保持良好的性能。

(2)短切碳纤维的柔性处理

由于碳纤维模量高、抱合性差，伸长率低，为了使短切的碳纤维疏理成网，天鸟公司经多次实验和试制，采用机械开松、合理温室温度，在一定的时间内进行处理，增强柔软性，并在成网过程中产生一定的抱合性，使之可疏理成一种无须化学树脂粘结且具有可针刺性的非织造无纺织物。

(3)最优力学性能铺设叠层角度的选择

由于飞机碳刹车是一种圆形超高强的摩擦材料，鉴于它的运动方向，经多次实验和试验，根据不同的机型找到了最合理的平面方向不同的铺设角度，提供给制造飞机刹车盘的预制件最优秀的平面抗拉、抗折强度。

(4)研制开发专用的特种针刺机

由于碳纤维强度高、模量高等特性，为了使碳刹车预制件提高纵向纤维含量，增强纵向强度，控制好层间密度，天鸟公司研制了双向喂入超高位自动剥离特种针刺机，可以将平面方向铺设的短切纤维制成的网毡与长纤维制成的平面织物，通过该设备进行逐渐渗透若干固定层次，连续针刺而解决了预制件的纵向纤维含量，有效控制了层间密度一致。

(5)采用垂直方向的穿刺提高了飞机刹车盘的性能

本项目方案是采用全碳纤维制成的碳刹车预制件，是采用碳纤维非织造无纺织物与碳纤维长纤维无纬织物在平面方向最优角度铺设叠层，逐渐渗透若干固定层次，连续针刺，并且与毗邻的若干固定层次相接的准三维立体织物。从而大大提高了飞机碳刹车盘垂直方向的导热性、剪切强度以及抗拉强度。同时，由于针刺带来的垂直方向纤维促使在平面方向产生无数且较均匀细点，经合理的CVD工艺后，也会给飞机碳刹车盘带来优化摩擦磨损性能的应有作用。

目前，采用天鸟公司预制件生产的飞机碳刹车盘，已批量装备于国防重点型号的军用战机，以及国产“新舟60”飞机和进口B757—200型飞机上，使用效果良好。据专家介绍，“TS飞机碳刹车预制件”的研制成功，对航空航天和国防技术的发展起到了极大的推动作用，它不仅能在飞机、航天工程上得到广泛应用，将来还可以在坦克、高速列车、高级轿车上看到它的身影。