Главная Архив номеров N-17 декабря 2007 Современные системы торможения на основе фрикционных композитных материалов с углеродной и керамической матрицей.
 

Авторизация



Современные системы торможения на основе фрикционных композитных материалов с углеродной и керамической матрицей. Печать

В.И. Кулик, к.т.н., профессор БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова, Генеральный директор ООО «НПФ «Кераком». А.С. НИЛОВ,

Общей тенденцией развития и совершенствования современных транспортных средств является повышение мощности и увеличение скорости движения. А значит, актуальнее становится проблема торможения. К элементам тормозных систем предъявляется достаточно большой перечень требований, которые в совокупности должны обеспечивать безопасность при торможении, выполнять постоянно возрастающие нормативные требования к величине тормозного пути, времени торможения и допускаемому замедлению.

Кроме того, должны обеспечиваться долговременность срока эксплуатации, экономичность и технологичность процесса изготовления и ремонта, независимость трибологических характеристик от температурных и погодных условий, стабильность при длительных сроках эксплуатации тормозных систем, малошумность процесса торможения и т.д.
В современных тормозных системах применяют различные фрикционные материалы, такие как чугун , фрикционные асбополимеры и другие композиционные материалы с полимерной матрицей, металлокерамику, спеченные фрикционные материалы на основе порошков различных металлов. Однако все возрастающие требования по энергонагруженности тормозных устройств постоянно стимулируют исследования по созданию новых типов фрикционных материалов с более высокими эксплуатационными характеристиками. Следует отметить, что если энергия торможения автомобиля массой 2000 кг со скоростью 128 км/час с ускорением (- 0,8) м/с2 составляет порядка 20 кW, то для современных скоростных поездов она превышает 800 кW, а для самолетов достигает 37 МW. Это приводит к тому, что температура в зоне трения фрикционной пары может превышать 1273-1473 К, и различные конструктивные решения, направленные на рассеивание тепловой энергии, например, вентиляция тормозных дисков, принципиально не решают эту проблему.
Среди современных фрикционных материалов последнего поколения, которые потенциально могут быть использованы в высоконагруженных системах торможения, особое место занимают композиционные материалы (КМ) с углеродной (углерод-углеродные КМ - УУКМ) и керамической (керамические КМ - ККМ) матрицей, армированной углеродными и другими типами волокон. Можно отметить следующие преимущества систем торможения на основе УУКМ и ККМ по сравнению с системами на основе традиционных фрикционных материалов, прежде всего, металлических и металлокерамических:
• относительно малая плотность, позволяющая уменьшить вес систем торможения (примерно на 40-60%);
• высокая стойкость к изнашиванию в различных атмосферных условиях, что позволяет существенно увеличить количество торможений до ремонта;
• способность поглощать при торможении большое количество кинетической энергии путем преобразования ее в тепловую. При этом элементы тормозных устройств работают без повреждения;
• высокая стойкость к термическому удару;
• высокая допускаемая температура эксплуатации - более 1273 К.
Среди современных волокнистых ККМ выделяются композиты с SiC матрицей, армированные углеродными волокнами. Благодаря исключительно высокой твердости и стойкости к абразивному износу карбида кремния, такие композиты являются одними из самых перспективных современных материалов для изделий триботехнического и, прежде всего, фрикционного назначения.
Отметим, что до последнего времени УУКМ и ККМ, в основном, использовались в специальных областях применения таких, как ракетно-космическая, авиационная, атомная энергетика и т.п. Важнейшая проблема расширения областей применения этих уникальных материалов в изделиях массового спроса, к которым можно отнести и системы торможения различных транспортных средств, заключается в разработке экономически эффективной технологии получения такого типа композитов. Наиболее общая схема технологического процесса производства изделий из волокнисто-армированных композитов с углеродной и керамической матрицей, в том числе и фрикционного назначения, включает операции: (1) получение волокнистого каркаса (преформы) с хаотичным или ориентированным расположением волокон; (2) насыщение (уплотнение) волокнистого каркаса матричным материалом; (3) механическая обработка полученной заготовки. В настоящее время вторую наиболее важную операцию технологического процесса - уплотнение каркаса - реализуют с помощью различных твердо-, жидко- и газофазных методов, а также их комбинаций.
Твердофазные методы
получения ККМ
В группе методов получения УУКМ и ККМ твердофазные технологии являются наименее распространенными и используются только для получения керамических композитов. Как правило, они являются модификацией порошкового метода получения технической керамики. Порошок матричного компонента смешивают с армирующим наполнителем в форме коротких волокон или усов и добавляют небольшое количество полимерного связующего. Затем смесь прессуют и термообрабатывают.
В рамках этой технологии могут быть получены и керамические композиты, армированные углеродными нанотрубками (УНТ). ККМ здесь получают методом горячего прессования и спекания смеси керамического порошка и УНТ. Причем смесь может быть получена двумя способами - по сухой и растворной технологии. Второй способ используется с целью обеспечения лучшего диспергирования УНТ.
Газофазные методы уплотнения волокнистого каркаса
Газофазные методы получения УУКМ и ККМ основаны на уплотнении пористых волокнистых каркасов в процессе фильтрации через них газообразных химических прекурсоров, их гомогенного и гетерогенного термохимического разложения и осаждения матричного материала на поверхности нагретых армирующих волокон. Этот метод получил название CVI (Chemical Vapor Infiltration).
При получении углеродной матрицы в качестве химических реагентов (прекурсоров) применяются газообразные углеводороды (метан, пропан, этилен, бензол, ацетилен и т.п.). В производстве ККМ методами CVI рассматривалась возможность использования в качестве матрицы различных керамических материалов. Однако относительно широкое промышленное применение и коммерческую значимость пока имеют только ККМ с SiC-матрицей. Существует большое количество исходных компонентов, которые могут быть использованы для пиролитического осаждения карбида кремния.
В практике производства КМ, в основном, получили развитие пять модификаций метода CVI: изотермический, термоградиентный, изотермический и термоградиентный методы с принудительной фильтрацией, метод с пульсацией давления. Данные модификации метода CVI отличаются, прежде всего, механизмом переноса газообразных компонентов в пористом каркасе. Наибольшее практическое применение в настоящее время нашли изотермический и термоградиентный варианты метода CVI.

Изотермический метод (ICVI) реализуется в равномерно обогреваемой камере. Таким образом, формирование высококачественных КМ может занимать достаточно длительный срок (до нескольких месяцев).
Термоградиентный метод (TG CVI) характеризуется наличием градиента температуры по толщине каркаса. Этот метод позволяет получать КМ с высокой плотностью за один цикл и характеризуется относительно большой скоростью осаждения и возможностью объемного уплотнения материала.
Жидкофазные методы уплотнения волокнистого каркаса
Здесь можно выделить два варианта реализации процесса. Первый основан на процессах высокотемпературного пиролиза соответствующих элементоорганических прекурсоров на основе термопластичных и термореактивных полимеров, которыми пропитывают волокнистый каркас (процессы PIP - Polymer Infiltration and Pyrolysis или LPI - Liquid Polymer Infiltration). Для получения углеродной матрицы этим методом в качестве исходных материалов обычно используют термореактивные фенольные и фурфуриловые смолы и пеки из каменноугольной смолы или нефти. Для получения карбидокремниевой матрицы применяют поликарбосиланы или другие кремнийсодержащие полимеры. В результате последующей термической обработки поликарбосиланы разлагаются с выделением твердого остатка, обогащенного карбидом кремния.
Приведем укрупненную схему технологического процесса уплотнения каркаса жидкофазным методом.
1. Пропитка волокнистого каркаса жидким органическим связующим. Для повышения качества пропитки (минимизации остаточной пористости) ее проводят с вакуумированием или под давлением.
2. Отверждение полимерной смолы, которое проводят, как правило, под давлением и при температурно-временных параметрах процесса, оптимальных для данного типа связующего.
3. Пиролиз отвержденного связующего проводится в процессе высокотемпературной обработки в неокисляющей среде и может протекать как при нормальном, так и при повышенном (до 100 МПа) давлении. Ключевым моментом в процессе карбонизации является выбор температурно-временного режима, который обеспечил бы максимальное образование коксового остатка из полимерного связующего.
4. Повторение цикла “пропитка - отверждение - пиролиз”. Для получения высококачественных КМ (с максимальной плотностью, т.е. с минимальной пористостью) этот цикл приходиться повторять неоднократно (до 3-8 раз).
Есть примеры использования технологии PIP для получения фрикционных УУКМ модифицированных углеродных нанотрубок. Такой композит получали путем пропитки пористого хаотично-армированного рублеными волокнами УУКМ суспензией УНТ в растворе фенольной смолы и метанола с последующей карбонизацией полученного полуфабриката. Трибологические испытания показали, что введение углеродных нанотрубок позволяет увеличить износостойкость УУКМ.
Известны примеры получения фрикционного композита по комбинированной технологии, основанной на сочетании CVI и PIP процессов. На первом этапе углеволокнистый каркас уплотняли углеродной матрицей по газофазной технологии. В результате получали пористый УУКМ, который на втором этапе пропитывали раствором поликарбосилана, с последующим его пиролизом и образованием SiC матрицы.
Второй вариант жидкофазного метода применяется для получения КМ с карбидокремниевой матрицей. В основе метода лежит механизм реакционного спекания материала заготовки в процессе силицирования - пропитки расплавом кремния (процесс LSI - Liquid Silicon Infiltration). Данные технологические процессы обладают рядом достоинств по сравнению с другими методами: ККМ имеют достаточно высокую прочность и теплопроводность; матрица имеет плотную, практически беспористую структуру; для реализации процесса требуется относительно простое технологическое оборудование; процесс относительно недорог и производителен вследствие его небольшой продолжительности.
Применительно к волокнисто-армированным ККМ эта жидкофазная технология имеет несколько модификаций, отличающихся, прежде всего, способом введения в волокнистый каркас углеродного наполнителя. Наиболее часто встречаются две модификации: пропитка армирующего атериала суспензией, содержащей углеграфитовый порошок и пропитка полимерным связующим с последующей карбонизацией связующего и образованием в межволоконном пространстве кокса - углеродной матрицы. Схема процесса с пропиткой связующим и его пиролизом приведена на рис. 1.
Вторая модификация технологии LSI рассматривается в настоящее время как наиболее перспективная для получения фрикционных ККМ с SiC матрицей. Первые попытки получения ККМ системы Cf/C-SiC методом силицирования углерод-углеродных заготовок были осуществлены более тридцати лет назад, однако только чуть более десяти лет назад эти материалы стали рассматриваться в качестве фрикционных материалов для тормозных колодок и дисков. Получаемые по этой технологии фрикционные ККМ различаются по составу (волокна, наполнители), микроструктуре (содержание керамики, ее распределение), свойствам (плотность, прочность, теплопроводность), а также по условиям получения (нанесение покрытий на волокна, температура процесса и т.д.). Однако они всегда основывались на углеродных волокнах и карбидокремниевой матрице как главных компонентах ККМ.

Фрикционные ККМ, получаемые по этой технологии, могут иметь различные структуры, полученные либо послойной укладкой ткани или однонаправленных слоев, либо хаотичным армированием из волокон различной длины. Надо отметить, что применение технологии прессования заготовок, основанной на использовании коротких волокон, позволяет значительно удешевить и упростить производство фрикционных деталей. Кроме того, квазиизотропные композиты с армированием короткими волокнами имеют более высокую теплопроводность в направлении перпендикулярном поверхности трения по сравнению со слоистыми структурами на основе тканей и однонаправленных лент. Это приводит к снижению поверхностной температуры тормозных дисков и, соответственно, к более высокому и стабильному коэффициенту трения и более низкой скорости износа.
Попытки улучшить эксплуатационные свойства элементов торможения из ККМ привели к разработке градиентных фрикционных материалов, в которых высокая износостойкость поверхностных слоев сочетается с высокой ударной вязкостью внутренних слоев.
Основными внешними факторами, влияющими на работоспособность фрикционной пары трения, являются: максимальная температура и ее градиент по толщине фрикционного элемента, а также величины статической и динамической нагрузки, которые приводят к возникновению тепловых и механических напряжений в материале фрикционного элемента. С другой стороны, когда мы оцениваем работу тормозных систем, мы исходим, в основном, из трех параметров: коэффициент трения, его стабильность во времени и скорость износа фрикционного материала. Значения коэффициента трения в основном зависят от температуры поверхности трения, скорости движения транспортного средства и удельного давления контакта пары трения. Стабильность коэффициента трения - это показатель того, насколько однородно трение в течение периода торможения. Износ трущихся поверхностей определяется либо по потере массы элемента пары трения, либо по их линейному или объемному износу.
Углерод-углеродные композиционные материалы (УУКМ) применяются в высоконагруженных узлах трения, для которых характерно высокое тепловыделение. Так, например, температура тормозных дисков при посадке самолета может достигать 1723 К на поверхности и 1073 К по объему. Наиболее известные марки УУКМ: Карбеникс-4000 (США), SEPCARB (Франция), DAC-I (Корея), СТД, «АРГОЛОН», ТЕРМАР (Россия), УТ4 (Украина) и др. Получаемые этими способами материалы имеют высокий коэффициент трения, особенно при повышенных температурах (0,7-0,8 при температурах свыше 673-873 К) и характеризуются невысокой его чувствительностью от удельного контактного давления на поверхности фрикционной пары трения, скорости движения транспортного средства, влажности воздуха, а также они малошумны при эксплуатации. Кроме того, для УУКМ характерно отсутствие такого явления как «схватывание» тормозных дисков, которое характерно для металлокерамических материалов, возникающее вследствие локального расплавления металлической матрицы и приводящего к полному или частичному уменьшению скорости вращения колеса.
Основным недостатком УУКМ как фрикционного материала в тормозных системах является его низкий коэффициент трения (0,05-0,28) при отрицательных или невысоких (до 323 К) температурах. Это обстоятельство заставляет применять либо различные ступенчатые схемы торможения, либо прогрев материалов тормозных узлов через несколько предварительных торможений. Для повышения начального коэффициента трения в полимерное связующее, из которого после пиролиза получается углеродная матрица, могут добавляться абразивные порошки (SiC, Al2O3, В4С и т.д.), либо сами углеродные волокна могут модифицироваться путем нанесения на их поверхность различными способами аналогичных керамических покрытий. При этом начальный коэффициент трения может быть повышен более чем в 2 раза, правда, при этом происходит некоторое снижение максимальных величин коэффициента трения. Другим недостатком этих материалов является повышенная окисляемость углерода волокна и матрицы начиная с температур 673-873 К, что приводит к ускоренной деградации поверхности трения и снижению средней износостойкости при разных температурных и силовых условиях

эксплуатации тормозных систем. Поэтому износ тормозных дисков и колодок из УУКМ очень часто оценивают с точки зрения потери массы или размера за одно торможение (например, 1,5-3,0 мкм для самолетов). Кроме того, при больших мощностях торможения (авиация, скоростные поезда) для этих материалов характерно усиление вибрационных процессов при торможении, борьба с которыми усложняет конструкцию тормозной системы.
Как и углерод-углеродные фрикционные материалы, композиты с керамической матрицей применяются для повышения эффективности торможения, особенно для высокоскоростных и высоконагруженных транспортных средств, когда температура на поверхности пары трения может достигать 1273-1473 К. Керамические материалы, используемые для фрикционных пар трения, разделяются на армированные различного типа волокнами или вискерами, и неармированные (горячепрессованные, реакционноспеченые).

Основные проблемы материалов на основе керамики связаны с их низкой стойкостью к механическим и тепловым ударным нагрузкам. Это обстоятельство во многом ограничивает область применения неармированной керамики, особенно когда возникает ситуация с экстренным торможением транспортного средства, сопровождающимся резким выделением большого количества тепловой энергии.
В узлах трения в последние годы наибольшее применение нашли фрикционные ККМ с углеродным армирующим наполнителем (рубленные волокна, ткани, ленты, маты) и керамической матрицей на основе карбида кремния, получаемой методом пропитки расплавом кремнием углерод-углеродной заготовки (LSI-процесс).
Фрикционные Cf/SiC материалы имеют очень хорошие триботехнические характеристики - высокий коэффициент трения, его малую зависимость от скорости транспортного средства на начало торможения (уменьшение с начальных 0,6-0,7 до 0,45-0,55 при скорости 15 м/с), температуры поверхности в зоне трения (уменьшение на 5-15% при температуре 773 К), контактного давления (уменьшение на 10-20% при увеличении давления до 4 МПа) и погодных условий. Материалы с керамической матрицей имеют наименьший износ при эксплуатации по сравнению с уже рассмотренными материалами. Так, например, для автомобиля бизнес-класса износ оценивается примерно 1 мкм на 1500 км пробега.
Фрикционные материалы на основе УУКМ и ККМ в первую очередь нашли практическое применение в высоконагруженных системах торможения самолетов, тяжелонагруженных и скоростных автомобилей, мотоциклов, тяжелой боевой техники, высокоскоростного железнодорожного транспорта, подъемно-транспортных устройств.
В автомобильной промышленности тормозные диски из углерод-углеродных материалов, несмотря на хорошие трибологические характеристики и высокую термостойкость, не нашли широкого применения, за исключением спортивных автомобилей (Формула-1 и др.). Главными причинами отсутствия широкого применения являются: высокая трудоемкость и стоимость изготовления качественных дисков из УУКМ, низкий коэффициент трения при отрицательных и невысоких (до 673 К) температурах материала диска, повышенный износ при температурах свыше 873 К вследствие окисления углерода диска, вибрационные процессы при торможении.
Наиболее перспективным представляется применение тормозных дисков и дисков сцепления из композитов с керамической матрицей в современных автомобилях и мотоциклах. Технико-экономический эффект от использования фрикционных ККМ в тормозных системах серийных автомобилей дополнительно к перечисленным выше может включать следующие аспекты: снижение неподрессоренных масс и уменьшение гироскопического эффекта; улучшение управляемости автомобилей и мотоциклов; высокий экономический эффект по сравнению с традиционными системами торможения, получаемый за счет уменьшения эксплуатационных расходов (уменьшение расходов на приобретение новых деталей и расходов, связанных с оплатой ремонта тормозной системы). Обладая высокими и стабильными триботехническими характеристиками, высокой тепло- и износостойкостью, они весят примерно на 50-75% меньше стальных, а срок эксплуатации оценивается не менее 300000 км пробега автомобиля - некоторые производители дают на них гарантию, равную сроку эксплуатации самого автомобиля. Кроме того, экономия топлива для автомобилей при их установке оценивается до 20%.
В России разработкой фрикционных ККМ с SiC матрицей и тормозных дисков на их основе для наземного и, прежде всего автомобильного транспорта занимается ООО «НПФ «Кераком» (Санкт-Петербург). В качестве базового технологического процесса на предприятии развивается модификация процесса жидкофазного силицирования (LSI-процесс), в котором в качестве заготовки используется карбонизированный углепластик. На рис. 2 приведен общий вид опытного образца системы торможения легкового автомобиля с диском из ККМ с карбидокремниевой матрицей (диаметр диска 260 мм).
Потребность рынка автомобильных тормозных дисков из композитов с керамической матрицей в ближайшие 5-10 лет оценивается примерно в 120000-200000 штук в год. При этом фирмы, производящие диски из этих материалов, как они сами отмечают, еще не вышли на их поточное производство, выпуская в год 30000-40000 штук (SGL Carbon Group). Одной из причин, тормозящих рост потребления и, как следствие, производство, является их высокая цена - примерно 1000-1500 евро/диск и выше. Однако при организации поточного промышленного производства их цена может быть снижена до 500-1000 евро/диск, что даст возможность их использования не только в спортивных автомобилях и автомобилях класса-люкс, но и в машинах эконом-класса.
В целом можно утверждать, что применение в серийных автомобилях и мотоциклах в качестве фрикционных материалов ККМ может привести к созданию систем торможения более надежных, способных сократить путь и время торможения (особенно экстренного торможения) и, как следствие, может существенно повысить безопасность дорожного движения. Это обстоятельство может оказаться определяющим при решении вопроса о применении ККМ в узлах систем торможения серийных автомобилей.
Основной тенденцией развития пассажирского железнодорожного подвижного состава является повышение его скоростных характеристик, которые на текущий момент времени практически достигли рубежа 600 км/час. Это обстоятельство потребовало применение более совершенных фрикционных материалов, которые бы обеспечили высокие и стабильные трибологические характеристики, при этом выдерживая жесткие условия механического и теплового нагружения при эксплуатации. В наибольшей степени этим условиям отвечают узлы трения в виде тормозных дисков из армированных композиционных материалов с углеродной и керамической матрицей (рис. 3). Так, по сравнению со стальными или чугунными тормозными дисками, для которых максимальная энергия за одно торможение не должна превышать 22 МДж (что соответствует торможению со скорости 350 км/час со средним ускорением (- 0,7) м/с2), для дисков из УУКМ, например, максимальная энергия торможения может составлять 71 МДж. Однако по указанным выше причинам углерод-углеродные материалы пока не нашли широкого использования в конструкциях тормозных систем железнодорожного транспорта. Поэтому наибольшие перспективы применения в скоростных железнодорожных подвижных составах имеют композиционные материалы с керамической матрицей. Фрикционные элементы из этих материалов либо прогнозируются, либо уже применяются в высокоскоростных поездах TVG (Франция), Talent (Германия), Pendolino (Италия), APT (Англия), AVE (Испания), HSR-350x (Корея), Shinkansen (Япония) и в ряде других. Следует отметить, что масса одного стального тормозного диска составляет более 100 кг и снижение его массы в 2 раза за счет использования композиционных материалов с керамической матрицей позволит снизить суммарную массу скоростного поезда более чем на 5 тонн.
Материалы с углеродной матрицей нашли широкое применение при изготовлении тормозных устройств в авиационной и авиакосмической технике. По некоторым оценкам примерно 63-81% всех углерод-углеродных композитов используется для производства тормозных дисков для самолетов и высокоскоростного наземного транспорта. В то время как относительная потребность УУКМ для ракетно-космической техники постоянно снижается - объем производства тормозных дисков для самолетов стабильно растет приблизительно на 12% в год (данные за несколько лет после 1990). В настоящее время тормозные устройства изготавливаются из монодисков либо из дисков секционного типа, причем отмечается, что наиболее предпочтительными вариантами являются конструкции тормозов, состоящие из монодисков.
Крупнейшими мировыми производителями тормозных дисков для авиационной и авиакосмической техники из углерод-углеродных материалов являются Honeywell (США), Сarbone Lorreaine (Франция), Korea Aerospace Industry, Ltd (Корея) и ряд других. Из российских компаний, занимавшихся разработкой тормозных дисков из УУКМ, выделим ОАО НПО «Композит» (УУКМ марки «АРГОЛОН») и ФГУП «НИИГрафит» (УУКМ марки ТЕРМАР). Тормозные устройства с монодисками из углерод-углеродного материала применяются на российских самолетах - Ил96Т/М, Ту204, Ту214, Ту160, Ан124; на самолетах производства США - В767, В777, F-15, F-16, F22, B-32; Евросоюза - А330/340 и ряда других.
Тормозные диски из композиционных материалов с керамической матрицей в тормозных системах авиационной и авиакосмической техники пока не нашли широкого применения, но тем не менее крупнейшими мировыми фирмами ведутся активные работы по созданию коммерческого продукта в виде как самого фрикционного материала, так и конструкций авиационных тормозов на их основе. На рис. 4 приведен опытный вариант тормозного устройства с дисками из ККМ (AFRL (США)). Имеется информация о широком применении композиционных материалов с керамической матрицей в конструкции нового космического челнока (space glider) Х-38, в том числе и в качестве фрикционных материалов в тормозных системах.
Кроме рассмотренных выше в качестве перспективных направлений применения фрикционных УУКМ и ККМ могут быть выделены и другие высоконагруженные тормозные системы различного назначения, например, для тяжелой боевой техники, тракторов, промышленных установок, элеваторов, лифтов и т.д.

 
Разработка сайтов