Widok Tom 66 Nr 3 (2014)

www.ptcer.pl/mccm

K

P

*, M

G

, M

O

, A

O

, A

W

,

I

W

Instytut Ceramiki i Materiałów Budowlanych, Zakład Nanotechnologii, ul. Postępu 9, 02-676 Warszawa *e-mail: k.perkowski@icimb.pl

1. Wprowadzenie

Zatrzymanie samolotu na pasie startowym po wyko-naniu przyziemienia spoczywa na dwóch systemach me-chanicznych wzajemnie się wspomagających. Zadanie to równolegle wykonują odwracacz ciągu i system hamulcowy podwozia, a także system hamowania aerodynamicznego. Wszystkie te systemy są stale poprawiane konstrukcyjnie, ale trudno twierdzić, że we współczesnych samolotach ko-munikacyjnych osiągnęły doskonałość. Świadczą o tym, na szczęście nieliczne, ale jednak zdarzające się awarie tych systemów w trakcie lądowania, rejestrowane przez komisje wypadków lotniczych na całym świecie. Innym wyrazem ich niedoskonałości jest wymiar drogi zatrzymania samolotu, który ciągle jest daleki od oczekiwań zarówno projektantów i administratorów portów lotniczych. Ci ostatni życzyliby sobie

Ceramiczne hamulce lotnicze z węglika krzemu

Streszczenie

Obecnie najbardziej nowoczesnym materiałem ciernym używanym w konstrukcji hamulców lotniczych pozostają materiały kompozy-towe typu C/C. Współczesne hamulce lotnicze konstruowane na bazie kompozytów C/C nie są wolne od fadingu tzn. efektu obniżania się sprawności hamulców wraz z czasem trwania procesu hamowania. W niniejszej pracy została przedstawiona metodyka otrzymywania okładzin ciernych z węglika krzemu - FCP13RTP fi rmy Saint Gobain. Otrzymane kształtki zostały scharakteryzowane pod względem dyfuzyjności cieplnej i przewodnictwa cieplnego, a także wykonano badania hamowania powolnego i szybkiego. Przewodnictwo cieplne badanych próbek z węglika krzemu maleje od 150 W/(m·K) do 90 W/(m·K) w zakresie temperatur 25 - 300 ºC. Wkładki z SiC wykazują średni dynamiczny współczynnik tarcia rzędu 0,43, a w trakcie hamowania temperatura powierzchni trących nie przekraczała 200 ºC. Celem prowadzonych prac jest koncepcja hamulca lotniczego, w którym obecnie stosowane materiały zostaną zastąpione ceramicznymi okładzinami ciernymi, których sprawność w trakcie hamowania nie będzie ulegała pogorszeniu.

Słowa kluczowe: ceramika nietlenkowa, okładziny cierne, SiC, fading

SILICON CARBIDE CERAMIC AIRCRAFT BRAKES

The commonly used materials for undercarriage brakes applied in landing gear brakes are designed on the basis of C/C composites. Their main disadvantage is the braking effi ciency which decreases versus braking time (i.e. the fading effect). The main issue of this work is the concept of replacement in the aircraft undercarriage brakes contemporary used materials, by ceramic friction pads, for which the braking effi ciency is supposed to be stable during a braking process. In the presented work the fabrication method of silicon carbide (FCP13RTP, Saint Gobain) friction pads is presented. The obtained samples were characterized in terms of their thermal diffusivity and thermal con-ductivity. Additionally, slow and fast breaking tests were performed for silicon carbide friction pads. The thermal conductivity of the test samples of silicon carbide decreases from 150 W/(m·K) to 90 W/(m·K) in the temperature range of 25 - 300 °C. The silicon carbide friction pads have an average dynamic friction coeffi cient of 0.43, and the friction surface temperature does not exceed 200 ºC during braking.

Keywords: Nonoxide ceramics, Friction pads, SiC, Fading

skrócenia pasów startowych ze względów ekonomicznych. Problem usprawnienia hamulców podwozia lotniczego po-zostaje aktualnym praktycznie od początku awiacji i stał się stymulatorem szeregu rozwiązań powszechnie używanych w innych dziedzinach techniki.

Powszechnie dziś używane systemy hamulców hydrau-licznych, opatentował jako system hamulców lotniczych Malcolm Loughead, znany później jako Lockheed, w roku 1918. Sterowanie hydrauliczne jest obecnie standardem dla wszystkich używanych systemów hamulcowych w pod-woziach samolotów komunikacyjnych. Jedną ze ścieżek modyfi kacji konstrukcji hydraulicznych hamulców lotniczych, wobec ogromnych energii jakie muszą one wytracić, są modyfi kacje materiałów używanych w elementach ciernych hamulców. Obecnie najbardziej nowoczesnym materiałem ciernym używanym w konstrukcji hamulców lotniczych

po-zostają materiały kompozytowe typu węgiel/węgiel. Należy podkreślić, że swoje szerokie zastosowanie materiały te zawdzięczają pożądanym cechom materiałowym takim jak mała gęstość (1,7 g/cm3_{), znaczna przewodność cieplna,}

obrabialność mechaniczna i akceptowalny współczynnik tarcia kompozytu względem materiału rodzimego [1].

Niska gęstość jest generalnym wymogiem dla materia-łów o zastosowaniu awiacyjnym. Wysokie przewodnictwo cieplne jest wymagane ze względu na potrzebę dyssypacji ogromnych ilości energii cieplnej generowanej w procesie hamowania samolotu. Obrabialność mechaniczna jest wy-mogiem natury serwisowej. Z kolei współczynnik tarcia nie

powinien być zbyt niski, aby uniknąć konieczności przesilania konstrukcyjnego spowodowanego potrzebą stosowania zbyt dużych sił na tłoczkach hydraulicznych zapewniających do-cisk tarcz w procesie hamowania. Materiał przeznaczony na okładziny cierne powinien także charakteryzować się niską ścieralnością, co podyktowane jest możliwym wydłużeniem czasu pracy hamulca i redukcji częstości kontroli serwisowej. Kolejnym wymogiem stawianym materiałowi ciernemu, jest możliwa redukcja tzw. fadingu, czyli efektu zmniejszania się momentu hamowania wraz z czasem trwania hamowania [2]. Ponadto, materiały stosowane jako okładziny cierne powinny charakteryzować się odpornością chemiczną i temperatu-rową. Materiał na okładziny cierne nie powinien reagować z większością węglowodorów, a także powinien zachowywać swą mikrostrukturę w podwyższonych temperaturach i nie ulegać zmianom mikrostrukturalnym w kolejnych cyklach podgrzewania do wysokich temperatur i studzenia [3-5]. Współczesne kompozyty węgiel/węgiel wykazują dostatecz-ną odporność chemiczdostatecz-ną oraz stabilność temperaturową, charakteryzują się także akceptowalną ścieralnością. Nie-stety współczesne hamulce lotnicze konstruowane na bazie kompozytów węgiel/węgiel nie są wolne od efektu fading. Należy stwierdzić, że obok ceny to fading jest podstawową wadą współczesnych systemów hamulcowych, bazujących na okładzinach z kompozytów wzmacnianych włóknem węgłowym w matrycy z węgli szklistych.

Prowadzone w Zakładzie Nanotechnologii ICiMB ba-dania, mają na celu zastąpienie kompozytów węglowych materiałami o lepszych właściwościach ciernych. Mając na uwadze właściwości fi zykochemiczne węglika krzemu: stosunkowo niską gęstość 3,21 g/cm3_{, wysokie}

przewod-nictwo cieplne, niski współczynnik rozszerzalności cieplnej, wysoką odporność termiczną i chemiczną, wyselekcjono-wano ten materiał ceramiczny jako optymalny, który mógłby konkurować ceną i własnościami z obecnie stosowanymi Rys. 1. Morfologia granulatu SiC SIKA TECH FCP13RTP (strzałką

zaznaczono przełam granuli).

Fig. 1. SEM morphology of SiC granules - SIKA TECH FCP13RTP (an arrow indicates the fracture surface of a granule).

Rys. 2. Dyfraktogram węglika krzemu fi rmy Saint Gobain

kompozytami węgiel/węgiel. Celem prowadzonych prac jest otrzymanie hamulca lotniczego, w którym zostaną zastoso-wane okładziny cierne (SiC), których sprawność w trakcie hamowania nie będzie ulegała pogorszeniu.

2. Materiały

Do wykonania ceramicznych okładzin ciernych zasto-sowano komercyjnie dostępny węglik krzemu w postaci granulatu o symbolu FCP13RTP fi rmy Saint Gobain (Rys. 1). Mikrofotografi a granulatu SiC uwidacznia prawidłowo uformowane granule o równoosiowych kształtach, nieznacz-nie tylko odbiegających od kształtu kulistego. Fragment przełamu granuli widoczny w prawym dolnym rogu fotografi i pokazuje, że granule są wypełnione w środku. Nie obserwuje się kawern, pustek i innego rodzaju wad granulatu.

Granulat węglika krzemu, przeznaczony do wykonania okładzin ciernych poddano analizie dyfrakcyjnej z użyciem dyfraktometru rentgenowskiego D8 Discover fi rmy Bruker AXS. Rejestrację danych przeprowadzono w zakresie kątowym 2-100° 2Θ, stosując promieniowanie CuKα, krok 0,02°, czas zliczeń 0,5 s na krok. W próbce stwierdzono występowanie trzech odmian SiC: 6H (heksagonalna), 4H (heksagonalna) oraz 15R (trygonalna). Na Rys. 2 przedsta-wiono uzyskany dyfraktogram.

Z granulatu SIKA TECH FCP13 RTP prasowano kształtki w postaci tulei w formie polimerowej na trzpieniu stalowym z użyciem ciśnienia izostatycznego wynoszącego 200 MPa (prasa typu Cold Isostatic Press-fi rmy EPSI). Następnie surową kształtkę obrabiano mechanicznie, tj.:

– toczono wzdłużnie, – cięto na wymiar, – toczono od czoła, – wykonywano potoczenie, – wiercono otwory,

zgodnie z wymaganiami określonymi dla stanowiska ba-dawczego próby hamowania. W opisany powyżej sposób przygotowano kształtki do procesu spiekania swobodnego. Na Rys. 3 przedstawiono kształtkę po procesie spiekania i dodatkowej obróbce mechanicznej.

3. Spiekanie swobodne

Proces spiekania swobodnego prowadzono w komoro-wym piecu elektrycznym fi rmy Nabertherm model VHT 8/22-G w temperaturze 2150 °C z przetrzymaniem izotermicznym w maksymalnej temperaturze przez 1 godzinę. Stosowano atmosferę obojętną (argon) przy przepływie gazu 150 dm3_/h.

Program procesu spiekania podano w Tabeli 1.

Mając na uwadze energię jaka musi zostać wytracona w trakcie hamowania, okładziny cierne powinny odprowa-dzać efektywnie ciepło tak, aby nie doszło do ich przegrzania i ewentualnej awarii. Dlatego próbki po procesie spiekania zostały przebadane pod względem przewodnictwa cieplnego za pomocą urządzenia typu Laser Flash 427 fi rmy Netzsch. Pomiar przewodnictwa temperaturowego był wykonywa-ny na próbce o średnicy 12 mm i grubości 4,61 mm. Kształtka została pokryta warstwą grafi tu typu 33, w celu ujednorod-nienia powierzchni pod względem adsorpcji i emisyjności ciepła, wygenerowanego przez impuls lasera, a także ze względu na ochronę detektora przed promieniowaniem IR.

Pomiar przewodnictwa temperaturowego jest obliczany na podstawie zarejestrowanego impulsu cieplnego przez detektor typu InSb. Przy założeniu rejestrowania przez detektor bezwymiarowych wartości temperatury w funkcji czasu, dyfuzyjność cieplna może być obliczona ze wzoru podanego przez Parkera i in. [6]:

α

0,5, (1)

gdzie t0,5 czas jaki jest potrzebny, aby próbka po stronie

detektora uzyskała połowę temperatury maksymalnej, L to grubość badanej próbki.

Przewodność cieplna została obliczona ze wzoru:

λ

ρ

α

Rys. 3. Kształtka elementu ciernego gotowa do badań na hamowni. Fig. 3. Friction pads used in the test of braking effi ciency.

Tabela 1. Program procesu spiekania swobodnego okładzin cier-nych z węglika krzemu.

Table 1. Program of sintering process for silicon carbide friction pads.

Nr

segmentu Tp [°C] Tk [°C] Czas [min]

Szybkość grzania [°C/min] 1 25 400 60 6 2 400 2150 240 7 3 2150 2150 60 0 4 2150 25 180 12

gdzie:

λ

α

ρ

cp – ciepło właściwe próbki;

Na Rys. 4 przedstawiono wyniki pomiaru przewodnictwa cieplnego i temperaturowego w zakresie temperatur od 25 °C do 1000 °C.

Polikrystaliczny węglik krzemu otrzymywany w Instytucie Ceramiki i Materiałów Budowlanych według opisanej wyżej procedury wykazuje przewodnictwo cieplne wynoszące 150 W/(m·K) (T = 25 °C). Materiał ten charakteryzuje się tak-że niskim współczynnikiem rozszerzalności temperaturowej na poziomie

α

porównania kompozyty typu C/C odznaczają się o wiele mniej-szym przewodnictwem cieplnym na poziomie 2-21 W/(m·K) oraz porównywalnym współczynnikiem rozszerzalności temperaturowej rzędu 3-4·10-6 _K-1 _{[7]. Kombinacja wysokiego}

przewodnictwa cieplnego SiC wraz z niskimi współczynnika-mi rozszerzalności cieplnej powinna skutkować niewielkiwspółczynnika-mi naprężeniami cieplnymi i dobrą dysypacją ciepła generowa-nego w trakcie hamowania.

Wysokie przewodnictwo cieplne jest wymagane ze wzglę-du na potrzebę dysypacji ogromnych ilości energii cieplnej generowanej w procesie hamowania samolotu.

Uzyskane spieki o gęstości 3,15 g/cm3 _szlifowano

tarczami diamentowymi do uzyskania żądanej płasko-rów-noległości i chropowatości. Wykonane kształtki przekazano do Pracowni Podwozi Instytutu Lotnictwa w celu wykonania prób hamowania.

4. Badania prób hamowania

Wykonane z SiC kształtki do prób hamowania, podle-gały badaniom na specjalnie do tego celu przeznaczonej hamowni. Próby hamowania na stanowisku pomiarowym (hamowni hamulcowej) pozwalały na jednoczesną rejestrację następujących parametrów procesu hamowania: obroty na minutę, siła docisku wkładek hamulcowych, współczynnik tarcia dynamicznego i moment hamowania. Wszystkie te parametry były rejestrowane w czasie rzeczywistym. Pomiar, próba hamowania, polegał na rozpędzeniu bębna

obrotowego o określonym momencie bezwładności do zde-fi niowanych obrotów startowych na rozłączonym hamulcu. Następnie rozpoczynano próbę hamowania, przykładając do kształtek ciernych określoną siłę nacisku. Jeden z kom-pletów klocków był połączony na stałe z wirującym bębnem, a drugi zajmował pozycję stałą. Wzajemne tarcie pomiędzy kompletami klocków powodowało zamianę energii obrotowej bębna na energię cieplną trących się okładzin hamulcowych i bęben maszyny hamującej ulegał po czasie zatrzymaniu. Dobór parametrów początkowych był symulacją warunków rzeczywistych pracy hamulców lotniczych w czasie lądowa-nia. Rejestracja w/w parametrów pozwalała na ocenę przy-datności wkładek hamulcowych przygotowanych w ICiMB. Po zatrzymaniu obrotów mierzono także pirometrycznie temperaturę okładzin ciernych z SiC.

Przykładowy przebieg parametrów w czasie hamowania przedstawiony jest na Rys. 5.

Istotnym elementem przeprowadzonych badań jest wzrost momentu hamowania w trakcie procesu hamowania, co z punktu widzenia zastosowań jest niezwykle obiecują-cą własnością materiałową wkładek eksperymentalnych sporządzonych z SiC. Typowe zjawisko fadingu objawia się obniżeniem momentu hamowania w czasie jego trwania. Należy podkreślić, że dla eksperymentalnych wkładek z SiC zjawisko to nie wystąpiło, pomimo wykonania prób w dużym zakresie nacisków, czyli zarówno dla powolnego jak i szyb-kiego procesu hamowania, Tabela 2.

Na uwagę zasługuje także fakt, że rejestrowany współczynnik tarcia wzajemnego wkładek hamulcowych pozostawał względnie wysoki (max. na poziomie 0,7 do 0,8). Z punktu widzenia praktyki konstrukcyjnej hamulców lotniczych zakłada się przydatność materiału ciernego od współczynnika tarcia na poziomie 0,3.

Dla wkładek eksperymentalnych nie następował także efekt przegrzania hamulców. Przy największych obciąże-niach (najszybszym hamowaniu) temperatura powierzchni okładzin ciernych po zakończonym procesie nie przekraczała 200 °C, co dla materiału takiego jak SiC pozostawało dalece poniżej dopuszczalnego limitu pracy, który wynosi 1600 °C. Efekt ten jest niewątpliwie związany z dużym przewodnic-twem cieplnym ceramiki z węglika krzemu i rokuje jak najle-piej zastosowaniom tego materiału w hamulcach lotniczych.

Rys. 4. Przewodnictwo cieplne i dyfuzyjność cieplna zmierzone dla próbki spieczonej z węglika krzemu SiC Fig. 4. Thermal diffusivity and thermal conductivity of sintered silicon carbide.

5. Podsumowanie

Przeprowadzone badania potwierdziły przydatność wykonanych elementów ciernych z węglika krzemu do zastosowania w hamulcach lotniczych. Wkładki z SiC wyka-zują odpowiedni dynamiczny współczynnik tarcia - średnio ok. 0,43 i jest on większy niż dla kompozytów C/C: 0,36. Hamulce ceramiczne z węglika krzemu praktycznie się nie grzeją - temperatura płaszczyzn trących była nie większa niż 200 °C. Obserwowana jest niezwykle poprawna zależność momentu hamowania w funkcji czasu – praktycznie brak zja-wiska faddingu, czyli zmniejszenia siły hamowania w czasie. Wyniki są na tyle obiecujące, aby planować dalsze próby poprawy właściwości mechanicznych poprzez opracowanie materiałów typu SiCw/SiC (SiCw- węglik krzemu w postaci

włókien) oraz C/SiC odpornych na kruche pękanie, a także rozwiązania problemu połączenia materiału ciernego z me-talową tarczą nośną systemu hamulcowego.

Podziękowanie

Autorzy składają serdeczne podziękowania pracowni-kom Instytutu Lotnictwa za wykonanie badań hamowania szybkiego i wolnego okładzin ciernych z węglika krzemu.

Literatura

[1] Shi, X., Li, H., FU, Q., Li, K., Zhang, X.: Effect of SiC whiskers on the oxidation protective properties of SiC coatings for car-bon/carbon composites, Rare Metals, 25, I, (2006), 58. [2] Fan, Sh., Zhang, L., Cheng, L., Zhang, J., Yang, S.:

Micro-structure and frictional properties of C/SiC brake materials with sandwich structure, Ceram. Int., 37, (2011), 2829–2835. [3] Masao, K., Shin, T., Kuniyula, K., Norio, A., Nobutaka, U.,

Yoshinari K.: In situ monitoring of degradation processes of car-bon/carbon composites in an acetylene/air by two-dimensional atomic absorption spectrometry, Energy Convers. Manage., 42, (2001), 1977.

[4] Hiroshi, H., Takuya, A., Yasuo, K., Toshio, Y.: High-tempera-ture oxidation behavior of SiC-coated carbon fi ber-reinforced carbon matrix composites, Compos. Part A, 30, (1999), 515. [5] Krenkel, W., Berndt, F.: C/C–SiC composites for space

ap-plications and advanced friction systems, Mater. Sci. Eng. A, 412, (2005), 177–181.

[6] Parker, W. J., Jenkins, R. J., Butler, C. P., Abbott, G.L.: A Flash Method of Determining Thermal Diffusivity, Heat Capacity, and Thermal Conductivity, J. Appl. Phys., 32, 9, (1961), 1679-1684. [7] Ohlhorst, C.,Vaughn, W., Ransone, P., Tsou, H .:Thermal

Conductivity Database of Various Structural Carbon-Carbon Composite Materials, NASA Technical Memorandum 4787,

(1997), 7.

Rys. 5. Przebieg parametrów hamowania uzyskanych dla okładzin ciernych z SiC. Fig. 5. Parameters of braking measured for SiC friction pads.

Tabela 2. Parametry hamowania szybkiego i wolnego dla okładzin ciernych z SiC Table 2. Parameters of fast and slow braking measured for SiC friction pads.

Parametry pomiaru hamowania dla okładzin ciernych z węglika krzemu

Parametry wejściowe szybki wolny Pomiar właściwy szybki wolny

Temperatura [°C] 25,9 28,4 Czas hamowania 28,9 40,2

Wilgotność [%] 53 39 Siła docisku średnia 100,4 65,5

Prędkość obrotowa [rpm] 4182 4182 Nacisk średni 3,5 2,3

Moment bezwładności [kg·m2_{] 1,25 1,25 Moment hamowania średni 176,2 126,6}

Docisk [daN] 100 350 μo średni (wsp. tarcia) 0,39 0,43

