[0001] 本发明属于飞机刹车技术领域，具体涉及一种碳/碳刹车盘及其制备方法。

[0002] 碳/碳复合材料(Carbon/carbon composites，C/C))是以碳纤维为增强体，碳或石墨为基体复合而成的材料，具有质量轻、强度高、耐磨损、导热系数好及寿命长等一系列优良性能，因而作为航空刹车材料得到了广泛的应用。虽然目前国内外军民机刹车材料基本都采用碳/碳复合材料，但目前碳/碳刹车盘的使用成本较高、质量一致性差等问题依然存在，极大影响了碳/碳刹车盘使用的经济性及可靠性。

[0003] 目前影响碳/碳刹车盘使用成本高、质量一致性差的主要原因在于以下两点：

[0004] (1)制造方面：国内目前制备飞机碳/碳刹车盘主要采用准三维针刺整体毡，通过化学气相渗透(Chemical vapor infiltrate，CVI)工艺进行致密化，以获得具备优异摩擦磨损性能的粗糙层结构“沉积碳”。但是，碳/碳刹车盘预制体厚度约为(30～50)mm，CVI工艺致密化过程中容易产生瓶颈效应，需要反复进行热处理和机械加工来打开气孔，导致制备周期长、工艺复杂，近年来，大家通过预制体结构设计(参见CN 113502606A)、优化工艺(参见CN 111454075 B)、优化工装(参见CN 11348931 A)等方式提高碳/碳刹车盘的制备效率降低制造成本，使碳/碳刹车盘的质量一致性得到有效提升，生产周期和制造成本也得到大幅度降低。然而，碳/碳刹车盘CVI致密化处理相较于液相浸渍碳化工艺周期长、成本高，同时在碳/碳刹车盘在厚度方向存在的外部密度大、内部密度小的“空心”问题。

[0005] (2)使用维护方面：碳/碳刹车盘作为飞机制动装置的重要消耗部件，刹车过程中产生磨耗，服役一段时间后磨损到寿。由于力学性能、尺寸结构和使用安全等方面的限制，对于使用寿命到期的飞机碳/碳刹车盘，在厚度方向的设计磨损量只有碳刹车盘总厚度的10％—30％。飞机碳刹车盘由于价格昂贵，在磨损到寿命后直接废弃成本较高。为了降低飞机碳/碳刹车盘使用成本，提高材料的使用率，一般将两片或三片到寿的碳/碳刹车盘通过机械加工、防氧化处理、粘接等工序组合成一片新的刹车盘重新进行使用，但是这种俗称“二合一”“三合一”的换新方式需要对到寿刹车盘进行再加工，维修换新存在修复周期长、力学及摩擦性能不足等缺点。

[0006] 因此，有必要针对碳/碳刹车盘使用成本高、质量一致性差的问题，对碳/碳刹车盘结构及工艺方法进行设计开发，以降低碳/碳刹车盘的使用成本，提高碳/碳刹车盘性能稳定性。

[0063] 下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

[0064] 一种碳/碳刹车盘，包括两个摩擦盘1、连接组件和结构支撑盘2，所述结构支撑盘2通过若干连接组件同轴固定在两个所述摩擦盘之间；所述结构支撑盘与摩擦盘外形及径向尺寸相同，且所述摩擦盘的轴向尺寸小于所述结构支撑盘的轴向尺寸。

[0065] 所述结构支撑盘通过对结构支撑盘预制体依次进行致密化处理、高温热处理和精加工得到；所述结构支撑盘预制体为碳纤维布体积质量比大于80％且由碳纤维网胎与碳纤3
维布针刺得到的准三维针刺碳纤维预制体，密度为0.6～1.0g/cm；或为由碳纤维一次编织
3
成型的三维碳纤维预制体，密度为0.7～1.2g/cm。

[0066] 所述摩擦盘通过对摩擦盘预制体依次进行致密化处理、高温热处理和精加工得到；所述摩擦盘预制体为纤维布体积质量比小于40％且由碳纤维网胎与碳纤维布针刺得到3
的准三维针刺碳纤维预制体，密度为0.3～0.6g/cm ；或为纯碳纤维网胎针刺结构，密度为
3
0.15～0.25g/cm。

[0067] 所述碳纤维布为由碳纤维制造的平纹布、缎纹布、斜纹布或无纬单向布。

[0068] 所述摩擦盘1和结构支撑盘2的边缘绕周向均布若干开口朝外的U型槽；所述连接组件包括钢夹3、夹片4和铆钉5，所述钢夹3粘结固定在所述U型槽内。两个摩擦盘的外表面设有夹片，并通过铆钉5将摩擦盘与结构支撑盘沿轴向固定。所述钢夹3整体U板件，所述钢夹3侧壁开口端对称设有向外延伸的凸耳，所述凸耳分别能够压紧两个摩擦盘的表面。所述凸耳的端部和夹片端部设有相配合的L型缺口结构。所述连接组件采用高温金属材料制成。

[0069] 以下结合具体实施例，对本发明新型碳/碳刹车盘的制备过程进行描述。

[0070] 实施例1

[0071] 步骤1、制备结构支撑盘。

[0072] 结构支撑盘预制体采用一层碳纤维网胎与两层碳纤维无纬布交替铺层的准三维针刺结构，相邻无纬布纤维呈0°、90°交错布设，采用针刺工艺引入Z相纤维得到准三维碳纤3
维预制体，碳纤维预制体密度为0.65g/cm。

[0073] 化学气相渗透处理：将制备的结构支撑盘预制体放入化学气相渗透装置进行致密化处理，具体过程为：抽真空至腔体内压力小于0.5kPa，保压4h后压力不超过1.5kPa，打开电源升温至1050℃，按照1m/s的速度通入碳源气体，所述碳源气体为天然气与丙烷气的混3
合气体，天然气与丙烷气的体积比88：12；进行200h增密处理，获得密度为1.4‑1.6g/cm 的碳/碳结构支撑盘坯体。

[0074] 液相浸渍处理：首先，碳/碳结构支撑盘坯体放入液相浸渍装置中，抽真空致压力小于0.5KPa，然后将环氧树脂吸入浸渍腔内浸渍1h后，向浸渍腔内通入氮气致腔内压力为3MPa，浸渍1.5h。

[0075] 然后，将浸渍完成后的碳/碳结构支撑盘坯体在常压下，温度为230℃，固化2.5h。将固化完成的碳/碳结构支撑盘坯体在碳化装置中，抽真空致压力为1KPa，升温至960℃，进行3.5h的碳化处理。

[0076] 反复进行浸渍－固化－碳化处理4次，获得密度为2.00±0.05g/cm3的碳/碳结构支撑盘坯体。

[0077] 高温热处理：将完成致密化的碳/碳结构支撑盘坯体放置于高温热处理炉中，压力为1.5kPa，温度为2000℃，进行4h高温热处理。

[0078] 机械加工：将完成高温热处理的碳/碳结构支撑盘坯体按照图纸进行机械加工，同时对整体进行防氧化处理，获得碳/碳结构支撑盘。

[0079] 步骤2：制备摩擦盘。

[0080] 制备摩擦盘预制体：摩擦盘预制体采用多层碳纤维网胎铺层进行针刺获得的纯网3
胎结构碳纤维预制体，碳纤维预制体密度为0.23g/cm。

[0081] 化学气相渗透致密化处理：将制备的摩擦盘预制体放入化学气相渗透装置进行致密化处理，具体特征在于，抽真空至腔体内压力小于0.5kPa，保压4h后压力不超过1.5kPa，打开电源升温至1050℃，按照1.3m/s的速度通入天然气与丙烷气的混合气体，天然气与丙3
烷气的体积比为75：25，进行350h增密处理，获得密度为1.80±0.05g/cm的碳/碳摩擦盘坯体。

[0082] 高温热处理：将完成致密化的碳/碳结构支撑盘坯体放置于高温热处理炉中，压力为1.5kPa，温度为2400℃，进行4h高温热处理。

[0083] 机械加工：将完成高温热处理的碳/碳摩擦盘坯体按照图纸进行机械加工，同时对非摩擦面进行防氧化处理，获得碳/碳摩擦盘。

[0084] 步骤3、碳/碳刹车盘连接处理：

[0085] 按照结构设计要求，将制备得到的结构支撑盘2同轴置于两个摩擦盘1之间，形成组合体，用辅助工装通过连接组件将结构支撑盘和摩擦盘边缘固定连接。在固定前，根据性能需要可选择在接触面采用粘结、热固化等方法对结构支撑盘摩擦盘进行预处理。

[0086] 实施例2

[0087] 步骤1、制备结构支撑盘。

[0088] 结构支撑盘预制体采用一层碳纤维网胎与两层碳纤维平纹布交替铺层，采用针刺3
工艺引入Z相纤维得到准三维碳纤维预制体，碳纤维预制体密度为0.65g/cm。

[0089] 化学气相渗透处理：将制备的结构支撑盘预制体放入化学气相渗透装置进行致密化处理，具体过程是：抽真空至腔体内压力小于0.5kPa，保压4h后压力不超过1.5kPa，打开电源升温至1050℃，按照1m/s的速度通入天然气与丙烷气的混合气体，天然气与丙烷气的3
体积比为85：15，进行200h增密处理，获得密度为1.4～1.6g/cm的碳/碳结构支撑盘坯体。

[0090] 液相浸渍处理：碳/碳结构支撑盘坯体放入液相浸渍装置中，抽真空致压力小于0.5KPa，然后将环氧树脂吸入浸渍腔内浸渍1h后，向浸渍腔内通入氮气致腔内压力为3MPa，浸渍1.5h，温度为230℃，固化2.5h。将固化完成的碳/碳结构支撑盘坯体在碳化装置中，抽真空致压力为1KPa，升温至960℃，进行3.5h的碳化处理。浸渍‑固化－碳化处理反复进行4
3
次，获得密度为2.00±0.05g/cm的碳/碳结构支撑盘坯体。

[0091] 高温热处理：将完成致密化的碳/碳结构支撑盘坯体放置于高温热处理炉中，压力为1.5kPa，温度为2000℃，进行4h高温热处理。

[0092] 机械加工处理：将完成高温热处理的碳/碳结构支撑盘坯体按照图纸进行机械加工，同时对整体进行防氧化处理，获得碳/碳结构支撑盘。

[0093] 步骤2：摩擦盘制备。

[0094] 制备摩擦盘预制体：采用两层碳纤维网胎与一层碳纤维无纬布交替铺层，相邻无纬布纤维呈0°、90°，采用针刺工艺引入Z相纤维得到准三维碳纤维预制体，碳纤维预制体密3
度为0.48g/cm。

[0095] 化学气相渗透致密化处理：将制备的摩擦盘预制体放入化学气相渗透装置进行致密化处理，具体特征在于，抽真空至腔体内压力小于0.5kPa，保压4h后压力不超过1.5kPa，打开电源升温至1050℃，按照1m/s的速度通入天然气与丙烷气的混合气体，天然气与丙烷3
气的体积比为80：20；进行400h增密处理，获得密度为1.75±0.05g/cm 的碳/碳摩擦盘坯体。

[0096] 高温热处理：将完成致密化的碳/碳结构支撑盘坯体放置于高温热处理炉中，压力为1.5kPa，温度为2400℃，进行4h高温热处理。

[0097] 将完成高温热处理的碳/碳摩擦盘坯体按照结构设计要求进行机械加工，同时对非摩擦面进行防氧化处理，获得碳/碳摩擦盘。

[0098] 步骤3、碳/碳刹车盘连接处理：

[0099] 按照结构设计要求，将结构支撑盘2同轴置于两个摩擦盘1之间，形成组合体，用辅助工装通过连接组件将结构支撑盘和摩擦盘边缘固定连接。在固定前，根据性能需要可选择在接触面采用粘结、热固化等方法对结构支撑盘摩擦盘进行预处理。

[0100] 实施例3

[0101] 步骤1：结构支撑盘制备。

[0102] 结构支撑盘预制体采用碳纤维一次编织成型的三维五向结构的碳纤维预制体，碳3
纤维预制体密度为0.85g/cm。

[0103] 化学气相渗透处理：将制备的结构支撑盘预制体放入化学气相渗透装置进行致密化处理，具体特征在于，抽真空至腔体内压力小于0.5kPa，保压4h后压力不超过1.5kPa，打开电源升温至1050℃，按照0.8m/s的速度通入天然气与丙烷气的混合气体，天然气与丙烷3
气的体积比为88：12，进行200h增密处理，获得密度为1.4‑1.6g/cm 的碳/碳结构支撑盘坯体。

[0104] 液相浸渍处理：碳/碳结构支撑盘坯体放入液相浸渍装置中，抽真空致压力小于0.5KPa，然后将沥青吸入浸渍腔内浸渍1h后，向浸渍腔内通入氮气致腔内压力为3MPa，浸渍
2h。将浸渍完成后的碳/碳结构支撑盘坯体在常压下，温度为100℃，固化2h。将固化完成的碳/碳结构支撑盘坯体在碳化装置中，抽真空致压力为1kPa，升温至850℃，进行2h的碳化处
3
理。将浸渍－固化－碳化处理反复进行3次，获得密度为2.00±0.05g/cm的碳/碳结构支撑盘坯体。

[0105] 高温热处理：将完成致密化的碳/碳结构支撑盘坯体放置于高温热处理炉中，压力为1.5kPa，温度为2000℃，进行4h高温热处理。将完成高温热处理的碳/碳结构支撑盘坯体按照图纸进行机械加工，同时对整体进行防氧化处理，获得碳/碳结构支撑盘。

[0106] 步骤2：摩擦盘制备。

[0107] 摩擦盘预制体采用纯碳纤维网胎铺层进行针刺获得的碳纤维预制体，碳纤维预制3
体密度为0.22g/cm。

[0108] 化学气相渗透致密化处理：将制备的摩擦盘预制体放入化学气相渗透装置进行致密化处理，具体过程为：抽真空至腔体内压力小于0.5kPa，保压4h后压力不超过1.5kPa，打开电源升温至1050℃，按照1.3m/s的速度通入天然气与丙烷气的混合气体，天然气与丙烷3
气的体积比为75：25，进行350h增密处理，获得密度为1.75±0.05g/cm 的碳/碳摩擦盘坯体。

[0109] 高温热处理：将完成致密化的碳/碳结构支撑盘坯体放置于高温热处理炉中，压力为1.5kPa，温度为2300℃，进行1.5h高温热处理。将完成高温热处理的碳/碳摩擦盘坯体按照结构设计进行机械加工，同时对非摩擦面进行防氧化处理，获得碳/碳摩擦盘。

[0110] 步骤3、碳/碳刹车盘连接处理：

[0111] 按照结构设计要求，将结构支撑盘2同轴置于两个摩擦盘1之间，形成组合体，用辅助工装通过连接组件将结构支撑盘和摩擦盘边缘固定连接。在固定前，根据性能需要可选择在接触面采用粘结、热固化等方法对结构支撑盘摩擦盘进行预处理。

[0112] 实施例4

[0113] 步骤1：制备结构支撑盘。

[0114] 制备结构支撑盘预制体：采用碳纤维一次编织成型获得的三维五向预制体，碳纤3
维预制体密度为0.85g/cm。

[0115] 化学气相渗透处理：将制备的结构支撑盘预制体放入化学气相渗透装置进行致密化处理，具体特征在于，抽真空至腔体内压力小于0.5kPa，保压4h后压力不超过1.5kPa，打开电源升温至1050℃，按照0.8m/s的速度通入天然气与丙烷气的混合气体，天然气与丙烷3
气的体积比为88：12，进行200h增密处理，获得密度为1.4‑1.6g/cm 的碳/碳结构支撑盘坯体。

[0116] 液相浸渍处理：将碳/碳结构支撑盘坯体放入液相浸渍装置中，抽真空致压力小于0.5KPa，然后将沥青吸入浸渍腔内浸渍1h后，向浸渍腔内通入氮气致腔内压力为3MPa，浸渍
2h。将浸渍完成后的碳/碳结构支撑盘坯体在常压下，温度为100℃，固化2h。将固化完成的碳/碳结构支撑盘坯体在碳化装置中，抽真空致压力为1kPa，升温至850℃，进行2h的碳化处
3
理。将浸渍－固化－碳化处理反复进行3次，获得密度为2.00±0.05g/cm的碳/碳结构支撑盘坯体。

[0117] 高温热处理：将完成致密化的碳/碳结构支撑盘坯体放置于高温热处理炉中，压力为1.5kPa，温度为2000℃，进行4h高温热处理。将完成高温热处理的碳/碳结构支撑盘坯体按照图纸进行机械加工，同时对整体进行防氧化处理，获得碳/碳结构支撑盘。

[0118] 步骤2：摩擦盘制备。

[0119] 摩擦盘采用两层碳纤维网胎与一层无纬布交替铺层，相邻无纬布纤维呈0°、90°，3
采用针刺工艺引入Z相纤维得到准三维碳纤维预制体，碳纤维预制体密度为0.45g/cm。

[0120] 化学气相渗透致密化处理：将制备的摩擦盘预制体放入化学气相渗透装置进行致密化处理，具体特征在于，抽真空至腔体内压力小于0.5kPa，保压4h后压力不超过1.5kPa，打开电源升温至1050℃，按照1m/s的速度通入天然气与丙烷气的混合气体，天然气与丙烷3
气的体积比为80：20，进行400h增密处理，获得密度为1.80±0.05g/cm 的碳/碳摩擦盘坯体。

[0121] 高温热处理：将完成致密化的碳/碳结构支撑盘坯体放置于高温热处理炉中，压力为1.5kPa，温度为2100℃，进行4h高温热处理。

[0122] 将完成高温热处理的碳/碳摩擦盘坯体按照结构设计进行机械加工，同时对非摩擦面进行防氧化处理，获得碳/碳摩擦盘。

[0123] 步骤3、碳/碳刹车盘连接处理：

[0124] 按照结构设计要求，将结构支撑盘2同轴置于两个摩擦盘1之间，形成组合体，用辅助工装通过连接组件将结构支撑盘和摩擦盘边缘固定连接。在固定前，根据性能需要可选择在接触面采用粘结、热固化等方法对结构支撑盘摩擦盘进行预处理。

[0125] 以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。