2004年度:高性能炭/炭航空制动材料的制备技术
发布时间:2015-11-25 18:07

高性能炭/炭航空制动材料的制备技术

2004年度国家技术发明奖一等奖

一、项目概况

本项目在原国家计委和民航总局的支持下,以中国工程院院士黄伯云为首的中南大学创新团队,经过20年的不懈努力,攻克了炭/炭复合材料制备过程中的系列难题,在核心制备技术、关键工艺装备、试验规范和性能评价体系等方面取得了重大突破,在国内外首创了具有显著特色和自主知识产权的高性能炭/炭刹车材料制备技术,达到了国际领先水平。已获得国家发明专利11项,研发了具有自主知识产权的6大类共30台套关键工艺设备,创建了高性能炭/炭复合材料的制备工业平台,建成了炭/炭刹车片的工业化生产线。

采用该制备技术开发了波音757飞机用炭/炭刹车材料,2003年获得了中国民航总局颁发的第一个大型飞机炭/炭刹车副零部件制造人批准书,其产品已在国内大型民航客机上批量装机应用,使我国成为第四个能生产炭/炭航空制动材料的国家,其产品填补了国内空白。

本项目得到了国际同行的认可,成功应用于我国新一代军民用飞机上,开辟了我国高性能航空炭刹车制造新产业,经济社会效益显著。同时相关制备技术还应用到航天、国防、化工、交通运输等领域,为我国的航空航天战略安全提供了技术支撑,为化工、交通运输行业的技术进步起到了重要的推动作用。

二、获奖后取得的主要进展

获奖后,项目在以下技术方向取得了突出进展:

(1)C/C复合材料快速CVI技术。探明了CVI参数-中间产物-热解炭的对应关系,揭示了小分子产物、大分子产物热解沉积机理,探明了H2、N2载气下炭源浓度对中间产物含量的影响规律,解决C/C复合材料高效制备的瓶颈技术问题,使CVI增密速率提高30%,成果应用于发动机构件等C/C复合材料的CVI增密。

(2)C/C复合材料耐烧蚀技术。揭示了(Zr,Ti)C基体改性C/C复合材料的残余应力分布及形成机制,提出复合材料热应力损伤机理,同时形成了SPS和RSI制备ZrB2-SiC陶瓷层技术和工艺方法,制备涂层/基体改性梯度结构一体化构件,解决C/C复合材料高温氧化烧蚀的瓶颈技术问题,成果应用于C/C航天发动机喷管,C/C燃气舵等。

(3)C/C复合材料低成本制备技术。深入开展了碳纤维预制体编制、化学气相沉积、高温热处理工艺等研究,提出了多料柱化学气相沉积炉方法,突破了快速化学沉积关键技术,有效解决了低成本制造难题,显著提升了热场材料水平,相关成果已在新能源领域获得应用。

(4)碳/陶摩擦材料技术。发明了增摩擦减磨损新技术、C/C-SiC摩擦材料的“温压-原位反应”法低成本制备新技术、非浸泡式定向熔硅浸渗技术、“碳陶-金属对偶”摩擦副技术,使用寿命是粉末冶金刹车片的4倍以上,在国际上率先成功将该摩擦副应用于高速、重载和复杂环境下的制动系统,显著拓宽了碳/陶摩擦材料的应用领域。

借助技术进步,先后开发了多型号进口民用飞机和我国自主研发的军民用飞机C/C复合材料刹车副,目前,已取得空客320系列飞机、ERJ190系列飞机和新舟60飞机炭刹车副零部件制造人批准书及多个型号军用飞机炭刹车副的定型。所研制的高性能炭/炭航空刹车材料已批量应用于军民用飞机上,实现了我国航空炭刹车副的国产化,满足了我国民航和空军等部门对大量消耗性刹车材料产品的需求,具有显著的经济效益。为新型火箭发动机研制开发了高性能航天战略、战术导弹用炭/炭燃烧室、喷管喉衬、扩散段等多类关键零部件,通过地面发动机点火试验和飞行试验考核,其性能达到国际先进水平。多个新型号航天产品已通过有关部门技术鉴定定型,在国防若干“杀手锏”武器型号上得到批量应用,大大提高了这些部件的耐烧蚀性和导弹整体战术性能。

获奖后共申请国家发明专利100项,获授权专利68项;发表论文420篇;制定标准10项;获得省部级奖励5项,其中“新型高性能碳/陶摩擦材料及其低成本制备技术”获得2013年湖南省科技进步一等奖,“碳/碳复合材料坩埚制备关键技术及应用”获得2014年湖南省科技进步一等奖。2009年湖南博云新材料股份有限公司以炭/炭刹车材料制备和装备技术的优势与全球航空航天领域领先的霍尼韦尔公司联合竞标,取得了中国商飞C919 大型客机机轮刹车系统独家供应商资格,炭刹车技术将应用于我国自主研发的C919大飞机上。

获奖后项目发展过程中获得各类科研计划支持,团队共承担科研项目62项,总经费27900万元,包括:科技部973首席项目2项,863重点项目2项,预研支撑重点项目、国防基础科研项目、军品配套项目等国防项目37项。在现有炭/炭复合材料技术平台的基础上,建设了湖南省炭纤维复合材料工程技术研究中心、国家炭/炭复合材料工程技术研究中心、轻质高强结构材料国防科技重点实验室等C/C复合材料研发平台。

项目的实施,不但可提升我国现有炭刹车材料和高性能航天用炭/炭复合材料的技术水平,使我国炭/炭复合材料的制备技术更加具有竞争力,而且可满足国内飞机炭刹车副每年数十亿元人民币和航天固体火箭发动机喷管用炭/炭复合材料10余亿元的市场,为国家节约大量外汇,同时,可带动国内具有自主知识产权的高温装备制造业和炭纤维等行业技术进步,每年新增产值数亿元,具有巨大的经济效益。还可应用于航天飞机、高速列车、磁悬浮列车、坦克、航空热结构、密封材料等领域,对我国航天、化学化工、交通运输等行业的技术进步亦将产生重大的推动作用。

主要完成人: 黄伯云(中南大学)、熊 翔(中南大学)、易茂中(中南大学)、黄启忠(中南大学)、张红波(中南大学)、邹志强(中南大学)


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