不同基体炭结构的炭/炭复合材料在制动过程中的温度场研究

利用有限元热分析软件仿真了三种不同基体炭结构的炭/炭复合材料在制动过程中瞬态温度场,并通过模拟制动试验进行了验证,对比仿真计算结果与实验测试结果表明:三种样品的温度场仿真结果与实验结果基本吻合,在轴向方向存在明显的温度梯度,具有树脂炭基体的样品的温度场变化与具有粗糙层热解炭基体的样品类似,但树脂炭基体的样品的最高温度及温度梯度大于粗糙层热解炭基体的样品,而光滑层热解炭基体的样品在刹车过程中的最高温度均低于粗糙层热解炭和树脂炭基体的样品,达到最高温度的速度远远落后于前两种样品,且其温度梯度最小.炭/炭复合材料在制动过程中的瞬态温度场分布与材料的摩擦磨损性能及热传导性能密切相关,制动功率大会导致材料的摩擦表面温升高,达到最高温度的时间缩短;材料的导热性能好会导致热量的传递速度加快,使温度梯度减小.     

针刺毡C/C复合材料磨擦制动压力和速度特性

用模拟刹车制动的摩擦试验机,研究探讨了一种针刺毡结构C/C复合材料在不同制动压力和制动速度下的摩擦磨损性能,并用扫描电子显微镜对摩擦表面进行了观察和分析。摩擦磨损机理由磨屑经挤压、剪切堆积在表面形成的磨屑层所决定。在5m/s制动速度或静态条件下,表面温度低(<150~200℃)吸附水气未脱附,其润滑作用导致了较低的摩擦系数值;当制动速度达到10m/s,摩擦使表面温度升高,达到了吸附水气脱附温度,引起摩擦系数急剧升高,达到了最大;此后,随制动速度及表面温度的继续升高,磨屑层间剪切强度降低,导致摩擦系数随之下降。在较高制动速度下,该种材料仍能保持较高的摩擦系数,显示出优良的高温高能摩擦性能。     

风冷无油涡旋空气压缩机涡盘温度场数值计算

涡盘温度场是变形计算的基础,为了进行温度场的有限元计算,通过压缩区域的划分,把动态的空气压缩过程转换为静态的热通量边界条件,由冷却风测量结果计算得到冷却风换热系数边界条件。假设涡齿温度在展角整个范围线性分布,动、定盘涡齿平均温差为0℃,对涡盘温度场进行了初次计算,在温度场初次计算结果与定盘温度测量值对比以及涡齿几何特点分析的基础上,以涡齿温度线性起始角、动、定盘压缩区域平均温差为调整参数,热通量计算时的动、定盘涡齿温度条件和有限元温度场计算结果误差介于±0.2℃为目标,进行热通量和温度场的迭代计算,得到了与热通量计算时涡齿温度条件、定盘温度测量结果相符的涡盘温度场。     

制动工况参数对制动盘摩擦温度场分布的影响

车用盘式制动器是车辆中的重要零件。在紧急制动过程中,制动压力、整车参数以及轮胎与路面间附着系数之间的关系对制动器摩擦温度场分布有重要的影响。通过有限元仿真,探讨不同制动工况参数对瞬时温度场分布的影响。结果表明：如果忽略制动过程中摩擦热流强度的变化,会给温度场模拟带来较大的偏差。制动初始动能和摩擦力增长过程是影响盘表面温度场的关键因素。     

C/C复合材料飞机刹车盘的结构与性能

采用企业、行业及国家相关标准的试验方法，对超码复合材料公司，英国Dunlop公司，法国CarbonIn-dusty公司，美国B．F．Goodrich、ALS公司等生产的9种C／C复合材料飞机刹车盘的物理、力学、热学、摩擦磨损的性能特征，以及中南大学生产的C／C复合材料刹车盘的有关性能，进行了对比分析。结果表明，选择适宜的炭纤维预制体结构，控制热解炭基体微观结构为光学粗糙层结构，合理的热处理温度是获得高性能炭刹车盘材料的关键。我国拥有自主知识产权研发的大型民机炭刹车盘在高摩擦特性方面获得了重大突破，已用于波音757—200型飞机，实现了国内C／C复合材料具有里程碑意义的第四个重大突破。     

ANSYS有限元法在测长绝热真空腔二维热分析中的应用

针对测长绝热真空腔内温度场测量困难的特点,提出应用ANSYS有限元仿真与实验研究相结合的方法进行二维热分析。详细介绍了真空腔的ANSYS有限元建模、参数确定、网格划分、施加载荷和求解过程。仿真结果表明外界环境温度变化1℃,绝热真空腔内温度将变化0.085℃。对仿真结果进行了实验验证,实验结果证明利用该仿真技术可准确、可靠地分析绝热真空腔内的温度场,并且提高实验效率的同时降低了实验成本。     

中间热处理对薄壁C/CSiC构件制备及力学性能的影响

采用“化学气相渗透法+先驱体浸渍裂解法”（CVI+PIP）混合工艺制备了薄壁C/C-SiC复合材料构件,研究了C/C多孔体的热处理对C/C-SiC构件密度、变形量及力学性能的影响。研究结果表明：中间热处理可提高C/C的开孔率,有利于SiC的渗入,制备出密度较高的C/C-SiC复合材料构件;中间热处理对构件的层间剪切性能影响不大,但影响构件面内拉伸强度和整体承压性能;中间热处理会导致薄壁C/C-SiC构件在内外径和高度方向发生变形;合适的热处理温度（1600~1800℃）使C/C-SiC构件界面结合强度适中,面内拉伸强度及整体承压性能有了极大的提高;而较高的热处理温度（2100~2300℃）使碳纤维强度下降,使构件拉伸强度及整体承压性能大幅下降。     

发动机燃烧室出口温度分布测试的新型传感器

发动机燃烧室出口的温度分布对于推进技术的发展具有重要意义,而现阶段发动机内部温度已达1 800℃以上,主要测温手段辐射测温和热电偶受限于限于精度和材料,对这种高温氧化环境无法测试。该文依据超声测温原理,设计了一套可以在超高温氧化环境下用一根蓝宝石光纤测量多点温度的温度分布测试系统,并且在20～1 800℃范围内进行标定并多次校准。实验结果表明该系统测量精确、重复性良好,在1 600℃时灵敏度为0.004μs/℃,重复性达98.4%。在加装滞止罩后将感温元件封装于发动机燃烧室出口处,经过多此实验,测得了该燃烧室运行时出口处径向温度分布。     

C布预制体C/C复合材料磁电阻特性研究

C布预制体C/C复合材料试样经不同温度石墨化处理后,通过X射线衍射法标定其石墨化度,研究其磁电阻特性。结果表明:随着石墨化度的提高,C/C复合材料的磁电阻增大;石墨化度对C/C复合材料磁电阻-位向关系无影响,磁电阻-位向关系是材料本身的特性,不随石墨化度、磁场强度、测量温度等因素的变化而变化,实验用材料最大磁电阻出现在90°位向处;固定磁场强度,不同石墨化度试样的最大磁电阻随测量温度(5～300K)的增加线性降低;测量温度高于5K,外加磁场小于1.2T时,磁电阻随磁场强度的增大线性增大,场强高于1.2T后,磁电阻不再随磁场强度的增加而变化;测量温度在4.2K时,磁电阻随外加磁场的变化会出现量子化平台。     

C/C复合材料的热化学烧蚀和温度场耦合分析

通过对热化学烧蚀机制的分析,利用有限元方法分析了热化学烧蚀、烧蚀表面退缩及温度场耦合作用下C/C复合材料的烧蚀性能变化规律.采用虚拟失效、重新构建网格部件的方法实现烧蚀表面的退缩,建立了烧蚀表面退缩下瞬态温度场的有限元模型.运用热化学烧蚀理论求解了进入材料内部的净热流和烧蚀率.烧蚀表面退缩后变得不规则,通过编程校正了重新加载热流时不规则表面出现局部热流偏大的现象.结果表明,随着烧蚀时间的增加,进入材料内部的热流达到动态的平衡,材料的烧蚀是多种因素综合作用的结果,通过耦合计算可以真实反映材料的烧蚀特性.     

Simulated three-dimensional transient temperature field during aircraft braking for C/SiC composite brake disc

In the present work, a theoretical model of three-dimensional transient temperature field for C/SiC composite brake discs was established by adopting a finite element method according to the theory of energy transformation and transportation. The variation regularities of transient temperature field and internal temperature gradient of the brake discs were obtained. The effects of initial velocity, deceleration and friction coefficient on the highest temperature of the brake discs were also discussed. The heat energy was mainly concentrated on the layer of friction surfaces. The highest temperature of the brake discs under normal landing, overload landing, and rejected take-off landing condition were 869.7 K, 1037.4 K and 1440.3 K, respectively. Furthermore, the highest temperature of the brake discs increased with the increase of the initial velocity and friction coefficient, but decreased with the increase of deceleration. Comparing simulation predictions with experimental results, it is found that the three-dimensional transient temperature field model was valid and reasonable.     

超深矿井提升机制动盘热性能分析与优化

超深矿井提升机制动盘在紧急制动过程中由于受到摩擦循环热载荷的作用，内部产生较大的热应力，同时高温会导致制动盘和闸片摩擦制动性能下降甚至失效。针对制动盘制动热性能问题，根据热传导理论和有限元分析方法，建立了制动盘组件三维有限元模型，采取直接耦合方法对制动盘制动过程中的热应力场进行模拟研究，并通过实验验证了仿真参数设置的正确性。分析了闸片数量和排布方式对制动工况下制动盘温度和应力分布的影响。结果表明，在制动阶段，制动盘摩擦面温度先急剧上升，后缓慢下降，摩擦面温度呈现锯齿状波动性变化，制动过程中应力变化规律与温度变化规律相同。原制动盘在制动过程中的最高温度为134.8℃，最大应力为230.2 MPa，高温和大应力区域集中于摩擦面附近；增加闸片数量的制动盘最高温度为142.4℃，最大应力为251.1 MPa，高温和大应力区域同样集中于摩擦面附近；改变闸片排布方式的制动盘最高温度为86.5℃，最大应力为119.1 MPa，高温区域和大应力区域范围较小。由此可知，改变闸片排布方式更能显著降低制动盘温度和应力，并且温度场和应力场分布更均匀。研究结果可为制动盘热性能优化设计提供理论参考。     

不同制动速度下C/C复合材料摩擦面研究

采用MM-1000型摩擦磨损试验机测试了粗糙层基体炭C/C复合材料试样在不同制动速度下的摩擦磨损性能, 借助微区拉曼光谱和扫描电镜研究了试样摩擦面的结构与形貌。结果表明粗糙层基体炭C/C复合材料具有优异的摩擦速度特性。试样的摩擦系数和试验后摩擦面上碳原子的有序度无直接对应关系, 制动速度对摩擦系数的影响应归因于制动速度对摩擦面温升和摩擦膜厚度及完整性的影响。5m/s的低制动速度下, 试样因吸附水气摩擦系数持续低值(0.15), 摩擦面上无连续摩擦膜产生; 10m/s的制动速度下水气被解吸附, 摩擦面出现多层厚膜, 摩擦系数达到峰值(0.5), 此后, 随制动速度增加, 摩擦膜减薄, 材料磨损量呈下降趋势; 当制动速度增加到25m/s及以上, 摩擦面的温升导致氧化质量损失和线磨损增加, 摩擦系数也稍有衰减(0.3)。      

航空刹车用炭/炭复合材料的抗氧化研究

以多种金属磷酸盐和磷酸作为主料,以硼酸和酸溶性金属氧化物为辅料,再加入少量磷酸盐改性剂,配制成改性磷酸盐涂料。采用溶胶凝胶工艺在炭／炭复合材料上形成涂层。涂层炭／炭复合材料试样在高温空气气氛中进行热震试验和恒温氧化试验,结果表明改性磷酸盐涂层对炭／炭复合材料具有良好的氧化抑制作用。该涂层所用原材料价格低廉,成形工艺简便,具有良好的可操作性。     

内置高温热管C/C复合材料热防护结构热力耦合机制

采用内置高温热管的热防护结构是一种新型高效的热防护方式。建立了内置高温热管的C/C 复合材料热防护结构模型, 并通过罚函数的方法引入C/C 复合材料与高温热管间装配关系, 推导了一种顺序耦合的热力耦合有限元格式, 在此基础上对热防护结构进行了热力耦合计算分析, 最后对影响结构温度场与应力场的若干参数进行了参数影响分析。计算结果表明, 在典型飞行状态下, 采用内置高温热管的C/C 复合材料热防护结构能确保结构驻点温度在材料许用温度范围内; 同时, 采用预留装配间隙的方法可有效降低结构界面的接触应力。该方法也可进一步用于研究由接触热阻引起的热力耦合问题。      

Hochleistungsbremsscheiben aus Faserverbundkeramik

High performance brake discs made of fiber reinforced ceramics The Audi AG is one of the worldwide leading car manufacturers of the premium class. One of the main aims of the technical development department at Audi is the use of novel and innovative materials. The Audi AG has intensively worked on the development and introduction of ceramic brake discs for several car types. These brake discs are made of a short carbon fiber reinforced silicon carbide ceramic, a so called CMC‐material (ceramic matrix composite). This material is produced in a very complex process by silicon melt infiltration of carbon preforms. The advantages of these innovative and powerful brake discs out of C/SiC‐ceramic are the low weight and thus the reduction of the unsprung rotating masses, the low wear rate during completed service life, the temperature and fading stability and the corrosion resistance. The complete braking system and its periphery had to be reengineered and adjusted because of the specific material properties.     

碳／碳复合材料飞机刹车盘的研制

探索了碳／碳复合飞机刹车材料的制备技术。文中对总体方案进行了细致的分析，确定了稳定可靠的工艺参数，用快速定向扩散新技术通过化学气相沉积法研制了碳／碳复合材料飞机刹车盘。试验表明该复合材料刹车盘只有良好的耐磨损性能。     

Thermomechanical Behavior of Brake Drums Under Extreme Braking Conditions

Braking efficiency is characterized by reduced braking time and distance, and therefore passenger safety depends on the design of the braking system. During the braking of a vehicle, the braking system must dissipate the kinetic energy by transforming it into heat energy. A too high temperature can lead to an almost total loss of braking efficiency. An excessive rise in brake temperature can also cause surface cracks extending to the outside edge of the drum friction surface. Heat transfer and temperature gradient, not to forget the vehicle's travel environment (high speed, heavy load, and steeply sloping road conditions), must thus be the essential criteria for any brake system design. The aim of the present investigation is to analyze the thermal behavior of different brake drum designs during the single emergency braking of a heavy-duty vehicle on a steeply sloping road. The calculation of the temperature field is performed in transient mode using a three-dimensional finite element model assuming a constant coefficient of friction. In this study, the influence of geometrical brake drum configurations on the thermal behavior of brake drums with two different materials in grey cast iron FG200 and aluminum alloy 356.0 reinforced with silicon carbide (SiC) particles is analyzed under extreme vehicle braking conditions. The numerical simulation results obtained using FE software ANSYS are qualitatively compared with the results already published in the literature.     

Development and Characterization of C/C-SiC Brake Disc

A new process was developed to produce full-size carbon/carbon-SiC brake discs consisting of two friction layers and a structural layer. Different lengths of chopped carbon fibers were used for the friction layers and structural layer. A preform of each layer was produced by hot-pressing a mixture of resin and carbon fibers. After pyrolyzing the preforms, the layers were joined by hot-pressing. Finally, liquid Si infiltration was performed to obtain a C/C-SiC brake disc. The tensile strength, compressive strength, and bending strength were 40, 46, and 61 MPa, respectively. The density of the disc was 2.1 g/Cm³. The heat transfer coefficient in the vertical direction was 16.5 W/m-°C, and it was 45.9 in the horizontal direction. The friction coefficients obtained under various braking conditions showed stable and suitable values, 0.2–0.6.