20世紀的材料界可以說是驚喜不斷，隨著現代科學的蓬勃發展，許多以往未知的新材料不斷誕生在科學家的實驗室中，包括超導材料、納米材料在內的新材料都是出現在這個時期。其中，有一些新材料的發明創造卻純屬意外，碳/碳複合材料就是其中一員。
然而，正是這種由於意外誕生的新材料，現在成為了耐高溫摩擦材料界的“扛把子”，被用來生產剎車盤和其他耐高溫結構件，中國的C919大型客機剎車盤就用到了它。
（一）飛機剎車盤吸收的能量，可以把蘋果送上月球
說起剎車盤，可能大多數人不太瞭解，不過，你有沒有好奇過，飛機這樣的龐然大物，究竟是怎麼剎車的？
飛機剎車系統一般採用液壓制動技術（波音787除外），由發動機為液壓泵提供動力，液壓泵將低壓轉換為高壓，通過液壓管路將壓力傳輸給剎車作動器。剎車作動器推動壓緊剎車盤，通過剎車盤間的摩擦，提供阻止機輪滾動的力矩，以減小飛機滑跑速度。
這個聽起來簡單的剎車盤其實一點兒都不簡單。因為飛機著陸時速度很快，蘊含巨大能量，根據能量守恆定律，飛機需要依靠反推裝置和剎車裝置去吸收掉這個巨大能量（當然氣動阻力也能幫一點忙），才能使飛機靜止下來。剎車盤在摩擦過程中，把大部分飛機動能轉化為熱能，因此，剎車盤的工作溫度至少在幾百度。
（飛機剎車盤 左：紫金山 攝 右：cfccarbon.com）
不僅如此，飛機剎車系統在設計時，還要考慮許多運營中可能出現的意外情況，這對剎車盤提出了更高要求。比如飛機在跑道高速滑跑準備起飛時，遇到突發狀況需要中止起飛。又比如飛機起飛不久發現系統故障需要返回，而且這個時候襟縫翼又無法完全打開。這些意外狀況一旦發生，那麼剎車盤就需要吸收比正常著陸情況大得多的能量。
上面提到的兩種意外狀況中，第二種對剎車盤的挑戰最嚴酷，飛機設計師要開展“最嚴酷著陸停止試驗”來驗證剎車盤是否滿足設計需求。
在這個試驗工況下，飛機比正常著陸情況更重（油箱幾乎是滿的）、速度更快、氣動阻力更小（襟縫翼不能完全打開）、反推裝置關閉，幾乎全靠剎車盤吸收飛機動能。
那麼這種情況下，剎車盤要吸收多大能量呢？按照飛機重78噸、以200節速度著陸來計算的話，這個能量大約是360兆焦。按照高中物理學到的知識，1焦耳能量可以把1N（牛頓）物體舉起1米。假設這個1N的物體是顆小蘋果，那麼360兆焦的能量可以把3.6萬噸蘋果舉起1米，或者把這顆小蘋果舉起36萬公里——這差不多是地球到月球的距離。
這時的剎車盤由於吸收了巨大的能量，溫度急劇上升，能達到一千多度，高溫使其呈現明亮的橙色，看上去就像一顆滾燙的火球。
（試驗中，高溫碳盤呈現明亮的橙色 上海飛機設計研究院供圖）
說了這麼多，可見製造飛機剎車盤的材料是有多麼重要了，它既需要扛得住摩擦又得耐得了高溫，什麼材料能滿足這樣的條件呢？答案就是，碳/碳複合材料。
（二）意外帶來的驚喜：碳/碳複合材料
碳/碳複合材料，從名字上就看得出來，這是一種複合材料。它的發現過程，這真可謂是意外中帶來的驚喜。
1958年，Chance vought航空公司在研究碳纖維/酚醛樹脂複合材料時，發生了一些失誤，使樹脂基體未被氧化而發生了熱解形成基體碳，這是世界上首次發現碳/碳複合材料。
上面提到的碳纖維/酚醛樹脂複合材料是一種應用廣泛的樹脂基複合材料。碳纖維樹脂基複合材料由於具有較高的比強度、比模量、較好的延展性、卓越的抗腐蝕性等特點，被廣泛應用在航空航天等工業領域，其研究較早、“知名度”較高，所以在許多人的概念裡，複合材料就等同於碳纖維樹脂基複合材料。
事實上，複合材料指由兩種或兩種以上異質、異型、異性材料（一種作為基體，其他作為增強體）複合而成的具有特殊功能和結構的新型材料。除了碳纖維樹脂基複合材料以外，還有碳/碳複合材料、金屬基陶瓷複合材料等。
顧名思義，碳/碳複合材料是以碳纖維為增強體，其他碳質材料為基體的複合材料。碳/碳複合材料在研究初期發展緩慢，直到1969年，第一批兼具高性能和低成本的聚丙烯腈（PAN）基碳纖維被商業化，併成為碳/碳複合材料的增強體，使得碳/碳複合材料在強度上取得了顯著進步，碳/碳複合材料的特殊性能才開始引起工程界關注。
（碳碳複合材料工藝流程圖）
經過幾十年的研究，現代工藝生產的碳/碳複合材料已經具備高比強、高比模、耐高溫、摩擦磨損性能優異等特點，能夠很好地滿足航空航天對材料在高溫、高速條件下的綜合性能要求。因此，碳/碳複合材料已經成為新一代航空航天材料發展的重點方向之一。
（三）C919大型客機用上國產碳/碳複合材料
中國對碳/碳複合材料的研究開發工作開始於二十世紀七十年代末，經過幾十年的發展，取得了豐碩的成果，先進性直追發達國家。
目前，C919大型客機剎車盤使用的就是國產碳/碳複合材料，其供應商同時也為波音757、空客320等機型提供剎車盤。
（圖為中國C919大型客機，它的剎車盤正是由碳碳複合材料製成 張海峰 攝）
由於剎車盤屬於耗材，大約一兩千次起降就必須更換，使用國外進口剎車盤費用較高。在市場需求的拉動下，國內材料廠商紛紛開始研製民機碳剎車盤。
碳/碳複合材料的塗層一直是國內外研究的重點。由於碳/碳複合材料在370度左右開始氧化，材料性能下降，因此，其在有氧環境下使用，必須在表面製備抗氧化塗層。塗層除了要有良好的抗氧化性和抗燒蝕性外，還要與碳/碳複合材料具有較好的化學物理相容性和相近的膨脹係數。
C919剎車盤非摩擦面使用硼磷系塗層，在高溫的工作環境下，可以有效延緩氧氣在材料內部的擴散，提高材料使用壽命。一般的剎車盤可能在一千多個起降後就要更換，而C919的剎車盤經過疲勞試驗，證明可以達到兩千個起降。
除了塗層，碳纖維預製體和增密工藝也對碳/碳複合材料的性能產生重要影響。這方面，國外一般使用預氧化絲編織碳纖維預製體，它的優點是纖維柔韌性好、易成型，但是強度較低。而C919剎車盤使用的碳/碳複合材料，使用有機纖維編織碳纖維預製體，雖然編織難度大，但是形成的預製體強度要高得多。同時，它還採用化學氣相滲透和液相浸漬複合的增密工藝，提高了材料的密度，使材料的高能剎車摩擦係數大大提升。
隨著飛行器速度越來越快，其對耐高溫材料的要求必然越來越高。作為耐高溫材料界的“實力擔當”，碳/碳複合材料的研究顯然方興未艾。
目前，國內有機構研究出一種耐3000度超高溫多元陶瓷碳/碳複合材料，將多元陶瓷與碳/碳複合材料融合，利用陶瓷高熔點、高強度、高耐磨等特性，進一步提高碳/碳複合材料的耐高溫性能和力學性能，創造了燒蝕材料耐高溫的世界新紀錄。
結語
誠然，一款新材料從實驗室到工業生產還有很長的路要走，國產的碳/碳複合材料要想在工業界，尤其是民機產業佔有一席之地，保證產品可靠性和穩定性是必須攻克的難關。不過，我們仍然有理由相信，國產碳/碳複合材料會在耐高溫摩擦材料“實力擔當”的道路上越走越遠。
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