炭/炭复合材料的制动摩擦磨损特性及其温度场研究

论文摘要

炭/炭复合材料(C/C)作为新型的航空刹车材料,摩擦磨损特性是其关键指标。本文研究了不同结构基体炭、工况对炭/炭复合材料制动过程的温度场及摩擦磨损特性的影响。分别采用金相、扫描电镜、X射线衍射、喇曼光谱等手段对不同试验条件下的摩擦表面、磨屑的形貌与结构进行了检测,探讨了炭/炭复合材料的摩擦磨损机理。本文的主要研究内容和结论如下:(1)针对制动过程表面温度测量困难的问题,在表面测温方法上提出创新,能有效地测得制动过程中摩擦表面温度随时间变化,对于研究温度场和解释摩擦磨损机理有重要意义。(2)研究了刹车速度与压力对具有不同结构基体炭的炭/炭复合材料摩擦磨损特性的影响。结果表明:具有粗糙层结构基体炭的炭/炭复合材料的摩擦系数在中低速条件下达到峰值,且随着刹车压力增大而减小;树脂炭结构样件摩擦系数在中低速条件下达到峰值,但随压力增加有上升趋势,且在高压下磨损剧增;光滑层结构样件的摩擦系数低、磨损小,随速度、压力变化不大。(3)采用有限元分析软件仿真计算得到了三种不同基体炭结构的炭/炭复合材料在制动过程中的温度场随时间变化分布图,并实验验证。结果表明:实验室小样摩擦试环轴向存在明显的温度梯度,而在径向温度梯度较小,最高温度出现在靠近试环外径处;1∶1大样的中间静盘的温升最大,A320飞机刹车副的最高温度及温度梯度均高于B757飞机刹车副。(4)具有粗糙层结构的炭/炭复合材料在各相应的取向上的导热系数最大,摩擦表面热量向基体内部传递的速度最快,温度梯度较小;树脂炭样件由于垂直于纤维方向导热性能差,摩擦表面热量向基体内部传递的速度慢,导致大量热量囤积在摩擦表面,基体内温度梯度最大;光滑层炭样件由于摩擦系数小,刹车时间长,导致其最高温度、温度梯度均最小。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 刹车材料概况
• 1.2 炭/炭复合材料的制备和摩擦磨损行为
• 1.2.1 炭/炭复合材料的制备
• 1.2.2 炭/炭复合材料摩擦磨损行为
• 1.3 飞机刹车过程温度场研究现状
• 1.3.1 制动过程的能量转换现象
• 1.3.2 温度场求解
• 1.3.3 热弹性不稳定问题
• 1.3.4 温度场对摩擦磨损特性影响
• 1.4 课题研究背景和意义
• 1.5 论文的主要工作简介
• 第二章 试验与研究方法
• 2.1 试样制备
• 2.2 性能检测方法及设备
• 2.2.1 试样基本性能检测
• 2.2.1.1 金相分析
• 2.2.1.2 石墨化度分析
• 2.2.1.3 热导率测定
• 2.2.2 摩擦表面及磨屑分析
• 2.2.2.1 喇曼光谱测试
• 2.2.2.2 摩擦表面及磨屑 SEM观察
• 2.3 实验室模拟刹车装置及试验方法
• 2.3.1 实验室模拟刹车装置
• 2.3.2 表面测温技术
• 2.3.3 试验方法
• 2.4 惯性台温度测试实验
• 第三章 炭/炭复合材料制动摩擦磨损特性研究
• 3.1 试样基本性能
• 3.1.1 金相组织
• 3.1.2 石墨化度
• 3.1.3 热物性能
• 3.2 速度对样件摩擦磨损特性影响
• 3.2.1 摩擦磨损特性
• 3.2.2 摩擦面石墨化度分析
• 3.2.3 摩擦表面及磨屑形貌分析
• 3.3 压力对摩擦磨损特性的影响
• 3.3.1 摩擦磨损特性
• 3.3.2 摩擦表面及磨屑形貌分析
• 3.4 小结
• 第四章 炭/炭复合材料刹车过程温度场研究
• 4.1 温度场仿真
• 4.1.1 传热学分析
• 4.1.2 模型的建立
• 4.1.3 定解条件的确定
• 4.1.3.1 对流换热系数
• 4.1.3.2 热流密度的计算
• 4.1.4 计算
• 4.2 温度场仿真结果及其验证
• 4.2.1 实验室小样温度场分析
• 4.2.1.1 温度场仿真结果
• 4.2.1.2 仿真温度场的验证
• 4.2.2 惯性台大样温度场仿真结果及其验证
• 4.2.2.1 B757机种
• 4.2.2.2 A320机种
• 4.3 炭/炭复合材料的热摩擦学分析
• 4.3.1 不同参数对温度场的影响
• 4.3.1.1 试样热物性能对温度场的影响
• 4.3.1.2 制动条件对温度场的影响
• 4.3.1.3 制动环境对温度场的影响
• 4.3.2 温度对样件摩擦磨损特性的影响
• 4.3.3 温度场对飞机刹车副热设计的指导
• 4.4 小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间主要的研究成果