Фрикционный диск на основе углерода

(54) ФРИКЦИОННЫЙ ДИСК НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДА(57) Использование: в тормозных системах в авиационной, автомобильной и других областях техники, Сущность изобретения: фрикционные накладки диска выполнены из дискретных углеродных волокон с модулем упругости не менее 250 ГПа и имеют толщину, большую толщины слоя дискретных волокон силового каркаса диска, а толщина упомянутого слоя каркаса составляет 10- 80% толщины слоя непрерывных углеродных нитей этого каркаса. При этом отношение толщины каждой фрикционной накладки к толщине слоя дискретных углеродных волокон всиловом каркасе находится в пределах 5 - 20, 1 з.п.ф-лы, 2 ил.(71) Государственный научно-исследовательский институт конструкционных материалов на основе графита(73) Государственный научно-исследовательский институт конструкционных материалов на основе графита(56) Патент США ч. 3552533,кл. Е 16 О 13/60; 1971.Патент Франции ч 2111313,кл, Р 16 Э 69/00, 1972, иАвторское свидетельство СССРМ 1208367, кл, Е 16 О 69/00, 1986. Изобретение относится к области машиностроения, в частности,.к фрикционнымдискам на основе углерода, применяющимся в тормозных системах в авиационной,автомобильной и других областях техники,Целью изобретения является увеличение стабильности физико-механических ифрикционных характеристик фрикционногодиска на основе углерода в условиях повышенных динамических нагрузок,Указанная цель достигается тем, чтофрикционный диск на основе углерода содержит силовой каркас из чеоедчюшихсяслоев непрерывных углеродных нитей и дискретных углеродных волокон и фрикционные накладки из слоя дискретныхуглеродных волокон, расположенные по обестороны от силового каркаса, причем фрикционные накладки и силовой каркас пропитаны и связаны друг с другом углероднымсвязующим; фрикционные накладки выполнены из дискретных углеродных волокон смодулем упругости не менее 250 ГПа и имеют толщину, большую толщины слоя дискф ретных волокон в силовом каркасе, а.толщина слоя дискретных волокон в силовом каркасе составляет 10 - 80% толцины"слоя непрерывных нитей,Цель достигается такжешение толщины каждой фкладки к толщине слоуглеродных волокон в силоходится в пределах 5 - 20,Выполнение фрикционных накладокпредлагаемого диска в виде одного утолщенного слоя дискретных волокон с модулем упругости не менее 250 ГПа исключаетконтактирование при трении разноименных ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ ВЕДОМСТВО СССР1811569 Режим 1 Режим 2 1,02 х 10 2,6 х 10" Поглощаемая кинетическая энергия, кгс мДавление, кгс/см 2 Скорость начала торможения, м/сек 7,5 слоев, При отсутствии во фрикционных накладках низкомодульных армирующих наполнителей обеспечиваются оптимальные условия для образования на их поверхности в процессе торможения тонких пленок, оказывающих определяющее влияние на износостойкость. Кроме того, высокомодульные волокна имеют наибольшую теплопроводность, что обеспечивает теплоотвод с поверхности диска, Данный эффект в наибольшей степени проявляется лишь в том случае, если в силовом каркасе также расположены аналогичные высокомодульные волокна, При этом соотношение толщин слоев дискретных и непрерывных волокон взаимосвязано с толщиной фрикционной накладки, а верхний предел содержания высокомодульных волокон в силовом каркасе ограничен необходимостью обеспечения прочности,Экспериментально установлено, что при использовании в изготовлении фрикционного диска дискретных волокон с модулем упругости не менее 250 ГПа и отношении толщины слоя таких волокон во фрикционных накладках к толщине их слоя в силовом каркасе в пределах от 5 до 20, при условии, что толщина слоя дискретных волокон в силовом каркасе составляет 10-80% толщины слоя непрерывнь 1 х волокон, достигается наиболее равномерное распределение тепла в обьеме диска и снижение интенсивности окислительных процессов, приводящее к увеличению стабильности прочностных и фрикционных характеристик фрикционного диска на основе углерода в условиях повышенных динамических нагру- зоК, что иллюстрируется приведенными ниже примерами.Известные фрикционные диски не обладают вышеуказанными свойствами и не обеспечивают их эксплуатацию в данных условиях,На фиг.1 показан фрикционный диск; на фиг.2 - сечение А-А на фиг,1,Фрикционный диск состоит из двух наружных фрикционных накладок 1 и внутреннего силового каркаса 2, Наружные фрикционные накладки 1 состоят из слоя дискретных высокомодульных волокон 3, увеличенной толщины, Внутренний силовой каркас 2 состоит иэ слоев меньшей толщиныиз дискретных углеродных волокон 3, заключенных между параллельно уложенными превосходящими их по толщине слоями5 из непрерывных углеродных нитей 4.Фрикционный диск на основе углеродаможет быть изготовлен следующим образом.П р и м е р 1, Для изготовления фрикци"0 онного диска используют непрерывные углеродные волокна в виде тканевых раскроевнаружным диаметром 530 мм и внутреннимдиаметром 320 мм, дискретные углеродныеволокна длиной от 0,5 до 3 мм и каменноугольный пек с температурой размягчения70 С. Предварительно гоговят смесь дискретных углеродных волокон и порошка пекас размерами частиц не более 0,2 мм, Затемнабирают пресспакет, размещая в нижней и20 верхней его части слои увеличенной толщины смеси дискретных волокон с порошкомпека, а в средней части поочередно укладывают тканевые раскрои, и слои смеси дискретных волокон с порошком пека, Из25 пресспакета методом горячего прессованияпри 150-200 С формуют заготовку, которуюподвергают чередующимся циклам карбонизации при 800 - 1250 С и пропитки расплавом пека, а затем термообрабатывают30 до температуры эксплуатации и пропитывают пиролитическим углеродом до получениянеобходимой плотности,Диски изготавливали в соответствии спримером 1, но вь полняли с применением35 дискретных волокон с различным модулем иразличных типов наполнителей на основенепрерывных углеродных. нитей; изменялиотношение толщины фрикционных накладок к толщине слоя дискретных волокон в40 силовом каркасе и толщину слоя дискретных волокон в силовом каркасе по отношению к толщине слоя непрерывных волокон,Изменение свойств фрикционных дисков взависимости от указанных выше факторов в45 сравнении с прототипом приведены в таблице.Определение фрикционных характеристик образцов по режимам 1 и 2, приведенным в таблице, проводилось в следующих50 режимах;1811569 55 Фрикционный диск работает следующим образом.При включении фрикционного устройства (не показано), в котором используется предлагаемый фрикционный диск, на его фрикционные накладки воздействуют сопрягаемыми с ним фрикционными элементами, например колодками, аналогичными дисками(не показаны) и они изнашйваются. , Генерируемые в процессе возникшего фрикционного контакта на поверхности трения диска тепловые потоки воспринимаются его фрикционными накладками и за счет их высокой теплопроводности, а также за счет наличия теплопроводных слоев дискретных волокон в силовом каркасе равномерно перераспределяются в объеме диска. В результате этого температурные градиенты выравниваются, интенсивность окислительных процессов падает, а стабильность физико-механических и фрикционных показателей диска увеличивается,Повышение стабильности физико-механических и фрикционных характеристик ди. ска особенно важно при его эксплуатации в условиях повышенных динамических нагрузок и, как следует из таблицы, достигается лишь при соблюдении всех необходимых требований к величине модуля упругости используемых в его изготовлении дискретных углеродных волокон, толщине выполняемых из них фрикционных накладок по отношению к толщине слоя дискретных волокон в силовом каркасе, а также к соотношению толщин слоев дискретных волокон и непрерывных нитей в силовом каркасе(примеры 1,2,4,5,9,10,12). В этом случае достигается эффект снижения потерь прочности в 1,5-2,1 раза, а износостойкости - в 1,3-1,8 раза по отношению к прототипу и полностью исключается возможность разрушения дисков. Уменьшение модуля упругости используемых в изготовлении диска дискретных волокон (пример2) вызывает большее снижение его износостойкости из-за отсутствия на его поверхности тонких, способствующих стабилизации износа пленок, Потеря прочности диска также возрастает из-за неравномерного распределения температур на поверхности и в объеме диска и обусловленной им интенсификации окислительных процессов и приводит к разрушению диска в условиях повышенных динамических нагрузок. Снижение отношения толщины фрикционных накладок к толщине слоя дискретных волокон в силовом каркасе ниже 5 (пример 6) и толщины слоя дискретных волокон в 5 силовом каркасе ниже 10% толщины слоянепрерывных нитей (пример 8) приводит к возрастанию потери прочности дисков в 2,4 и 2,2 раза и снижению износостойкости в 1,7 и 2,2 раза соответственно, также обус ловленным окислительным процессами,При увеличении отношения толщиныфрикционных накладок к толщине слоя дискретных волокон в силовом каркасе выше 25 (пример 7) и толщины слоя дискретных во локон в силовом каркасе выше 80 отолщины слоя непрерывных нитей (пример 11) происходит разрушение дисков из-за их недостаточной прочности.Таким образом, при выполнении фрик ционных накладок фрикционного диска наоснове углерода из дискретных волокон с модулем упругости не менее 250 ГПа, отношении их толщины к толщине слоя дискретных волокон в силовом каркасе, 25 находящемся в пределах от 5 до 20 и толщине слоя дискретных волокон в силовом каркасе, составляющем от 10 до 800 толщины слоя непрерывных волокон, достигается повышение стабильности физико-механических и фрикционных характеристик в 30 1,5 - 2,1 и 1,3 - 1,8 раза соответственно посравнению с прототипом в условиях повышенных динамических нагрузок.Формула изобретения 1, Фрикционный диск на основе углеро да, содержащий силовой каркас из чередующихся слоев непрерывных углеродных нитей и дискретных углеродных волокон и фрикционные накладки из слоя дискретных углеродных волокон, расположенные по обе 40 стороны от силового каркаса, причем фрикционные накладки и силовой каркас пропитаны и связаны друг с другом углеродным связующим, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что фрикционные накладки выполнены из диск ретных углеродных волокон с модулем упругости не менее 250 ГПа и имеют толщину, большую толщины слоя дискретных волокон в силовом каркасе, а толщина слоя дискрет-, ных волокон в силовом каркасе составляет 50 10 - 80% толщины слоя непрерывных волокон,2. Диск по п.1, о т л.и ч а ю щ и й с я тем,что отношение толщины каждой фрикционной накладки к толщине слоя дискретныхуглеродных волокон в силовом каркасе находится в пределах 5 - 20,18 1569 ее е ее ее е ее ее Снижение мено сос той костипосле 50 цнклов торюжений Тип напопнителяна основе непрерыеных углеродных нитей полупь упругос" тн дискретных углерод. мых Волокон, ГПВ Пример Потеря прочности после50 цикловторюження,2 еее режим 1;"91 О11 Радиальюеслие 350 рально наю.тамный армиро"очный элемент Ткань саржеаого 350пмта имя ТолаинвкаждойФрикциОменой наекладки,отювениек топкмнеслоя дискратныхуглеродных воло"кон е си"ЛОВОМкаркасе Толхиняслоя дискретных углеродныхволокон всиловомкаркасе,Ф от толым 1 а 1 слоянепрерыеродных нм"тей 7821Разру"пение19527 1 еее 17 11 29Рвзруаениа189 262010 2833 29 . 36Разруха -ние,31 354718 9 2420 10 . 27Разруша 29ние156 21 ее е Чеее 1 е Еее 1оставитель И,Поповехред М.Моргентал СРедактор Т,Иванова Т Корректор С, Шекмар ри ГКНТ СС оизводстяг: н излательский комбинат "Патент", г, Уж ул. Га га ри н з. 1 Г Заказ 1464 Тираж ВНИИПИ Государственного комитета по и 113035, Москва, ж, Подписное ретениям и открыти шская наб., 4/5