Ｃ/Ｃ復(fù)合材料,即碳纖維增強碳基體復(fù)合材料,全部是由碳元素組成的,它克服了一般碳-石墨材料強度低的缺點,又保持了石墨的耐高溫性能,具有高的比強度。zui初這種材料是作為航天用高溫結(jié)構(gòu)材料和耐燒蝕材料,廣泛用于固體火箭發(fā)動機噴管、喉襯、火箭重返大氣層系統(tǒng)的保護(hù)罩。20世紀(jì)70年代后,隨著高負(fù)荷飛機的出現(xiàn),對剎車裝置提出了嚴(yán)格的要求,傳統(tǒng)的金屬基剎車材料難以適應(yīng),Ｃ/Ｃ復(fù)合材料開始用做剎車材料,并表現(xiàn)出了良好的性能,現(xiàn)在已廣泛用于干線飛機和軍用飛機上[1]。
    碳-石墨材料的結(jié)構(gòu)可分為石墨晶體結(jié)構(gòu)和亂層結(jié)構(gòu),Ｃ/Ｃ復(fù)合材料一般是介于二者之間的微晶型。石墨晶體是網(wǎng)平面的三維有序堆聚,而亂層結(jié)構(gòu)僅在網(wǎng)平面上二維有序,其整體呈紊亂狀態(tài),層間距ｄ002較大,表觀微晶尺寸Ｌａ和Ｌｃ均較小[2]。不同石墨化度的碳可以通過ｄ002的大小不同而加以區(qū)別[3,4],而且,Ｃ/Ｃ復(fù)合材料中由碳纖維和碳基體兩種碳組成,其結(jié)構(gòu)也有很大的不同。
    Ｃ/Ｃ復(fù)合材料由于晶體的結(jié)晶程度不同,即石墨化程度不同。超過2000℃的熱處理溫度,開始發(fā)生三維層面的排列。這種轉(zhuǎn)化,即石墨化過程,伴隨著層面間距的減小,表觀微晶尺寸增加,石墨化度就是用來表征這一轉(zhuǎn)化過程進(jìn)行程度的重要參數(shù)。石墨化度的高低,表明了碳結(jié)構(gòu)離理想石墨結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)近程度。在Ｃ/Ｃ復(fù)合材料的制備工藝中,石墨化度的高低決定材料的力學(xué)性能和熱物理性能。石墨化度升高,Ｃ/Ｃ復(fù)合材料力學(xué)性能值降低,韌性改善,熱物理性能提高;反之,則力學(xué)性能值升高,韌性變差,熱物理性能降低。適當(dāng)?shù)目刂剖?可以對材料性能進(jìn)行調(diào)制,獲得不同需求的Ｃ/Ｃ復(fù)合材料。

1　實驗
    1.1　材料
    試樣的制備過程是:將碳纖維切短成形,化學(xué)氣相沉積,反復(fù)浸漬和碳化,分別經(jīng)2200℃、2500℃、2700℃石墨化,將所得的試樣依次編號為1號、2號和3號。
    1.2　石墨化度的測定利用Ｘ射線,測定Ｃ/Ｃ復(fù)合材料的（004）衍射峰,為了提高測定的準(zhǔn)確性,以硅粉為內(nèi)標(biāo),根據(jù)2θ,計算出ｄ002值,利用下式計算出石墨化度,式中ｇ為石墨化度,3 440為*未石墨化的層面間距（ ）,3 354為理想石墨晶體的層間距（ ）,ｄ002為依Ｘ衍射線測定并算出的（002）面的層間距。
    1.3　摩擦磨損性能的測定將Ｃ/Ｃ復(fù)合材料制成圓環(huán)形試樣,其外徑為 75ｍｍ,內(nèi)徑為 53ｍｍ,厚度為10～15ｍｍ,將兩個相同的圓環(huán),在ＭＭ-1000型摩擦材料試驗機上,測定其摩擦磨損性能。
    按單位摩擦面積能載一致的要求,一個飛機剎車裝置上的單位面積能載應(yīng)和摩擦試驗機上的單位面積能載相符,即:
    式中Ｅｋ為飛機上一個剎車裝置吸收的能量,Ｊ;Ｓ總為飛機上一個剎車裝置中總的摩擦面積,ｃｍ2;Ｊ為飛機的轉(zhuǎn)動慣量,ｋｇ·ｍ2;ω0為摩擦試驗機上初始轉(zhuǎn)動角速度,弧度/ｓ;Ｓ環(huán)為摩擦試驗機上試環(huán)的摩擦面積,ｃｍ2;ｎ0為摩擦試驗機的初始轉(zhuǎn)速ｒ/ｍｉｎ。
    以某種飛機的飛行手冊為依據(jù),將數(shù)據(jù)代入上式得:
    按某種飛機在正常著陸、超載著陸、終止起飛三種情況下不同剎車能量的要求,可以獲得相應(yīng)于不同的Ｊ與ｎ0的適當(dāng)組合,同時可結(jié)合具體情況進(jìn)行調(diào)整。制動過程的壓力（Ｐ）根據(jù)飛機剎車過程減速度要求并結(jié)合實際情況來選擇,于是得出如下的制動條件:正常著陸:。超載著陸:.終止起飛:

2　結(jié)果與討論
    將三種不同石墨化溫度處理的Ｃ/Ｃ復(fù)合材料經(jīng)Ｘ射線衍射,測定（004）衍射峰,衍射峰波形不對稱,由于材料組成含有三種成分,可以利用計算程序?qū)⒁粋€峰分解成三個小峰,對應(yīng)著三種石墨化程度不同的組元,說明材料很不均勻,各向異性大。由各峰的強度算出各組元所占的比例,并由相應(yīng)的面間距算出它們的石墨化度,結(jié)果見表1。
    材料中的三種組元分別對應(yīng)于*組元樹脂碳、第二組元碳纖維、第三組元熱解碳。由于碳的形態(tài)不同,經(jīng)相同溫度的石墨化處理以后,層面間距和石墨化度也不同。
    將三種不同石墨化溫度處理的Ｃ/Ｃ復(fù)合材料制成用于ＭＭ-1000型摩擦材料試驗機的試環(huán),其密度為1 66ｇ/ｃｍ3,其摩擦磨損性能的主要參數(shù)見表2。
    三種材料正常著陸條件下、超載著陸條件下以及終止起飛條件下的剎車性能分別如圖1、圖2和圖3所示。
　　由圖1～3可見,隨著石墨化溫度的升高,除2500℃處理的樣品稍有異常外,同一制動條件下,摩擦系數(shù)、表面吸收功率和穩(wěn)定系數(shù)值都趨于增大。這樣由于石墨化度的增加,引起摩擦磨損性能的變化。從圖1可以看出,正常著陸條件下,三種不同溫度處理的試樣摩擦系數(shù)曲線都基本上是平穩(wěn)的,沒有較大的波動。從圖2可以看出,2200℃處理的試樣摩擦系數(shù)曲線有波動,不平穩(wěn),而2500℃和2700℃所處理的試樣摩擦系數(shù)曲線則較平穩(wěn)。從圖3可以看出,在終止起飛條件下,2200℃和2500℃處理的試樣摩擦系數(shù)在前段有一定的波動,而2700℃處理的試樣則非常平穩(wěn)。由此說明,隨著剎車能量的增大,低石墨化度試樣對應(yīng)的摩擦系數(shù)曲線將趨于不穩(wěn),波動大;而高石墨化度值試樣對應(yīng)的曲線則趨于平穩(wěn),摩擦系數(shù)增加。從表2可以看出,隨著石墨化溫度的升高,摩擦系數(shù)增加。根據(jù)上述分析,對于這類Ｃ/Ｃ復(fù)合材料,其石墨化度至少應(yīng)達(dá)到30%左右才能獲得可應(yīng)用于飛機制動的摩擦性能及保證摩擦系數(shù)的平穩(wěn)性。

3　結(jié)　論
    （1）在同一Ｃ/Ｃ復(fù)合材料中,在相同的石墨化溫度處理條件下,其不同組元碳的石墨化程度不同。
    （2）隨著石墨化溫度的提高,Ｃ/Ｃ復(fù)合材料中各組元的石墨化度都有提高。
    （3）石墨化溫度高的樣品,即石墨化度高的Ｃ/Ｃ復(fù)合材料,其摩擦系數(shù)增加,表面吸收功率增加,穩(wěn)定系數(shù)提高。
    （4）同一種樣品在三種不同的剎車條件下,能量低時,摩擦系數(shù)高,表面吸收功率低;而能量高時,摩擦系數(shù)低,表面吸收功率高。

參考文獻(xiàn)
[1]　黃啟忠,鄒林華,鄒志強等.航空剎車用Ｃ/Ｃ復(fù)合材料的應(yīng)用與發(fā)展.見:中國電工技術(shù)學(xué)會碳石墨材料專委會第十六屆會議論文集,成都,1996,ｐ42
[2]?。拢酰悖耄欤澹剩?ＧｄｌｅＢＰ.Ｃａｒｂｏｎ-ｃａｒｂｏｎｍａｔｅ ｒｉａｌｓａｎｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ.ＰａｒｋＲｉｄｇｅ:ＮＪＮｏｙｅｓＰｕｂ,1993 3
[3]　黃啟忠,顏志名,張名大.高定向熱解石墨中碳相對石墨相的影響,炭素,1986（2）:10
[4]　黃啟忠.高定向熱解石墨中的兩相石墨化現(xiàn)象。炭素技術(shù),1986（5）:10