NO143977B

NO143977B - Bremseskive med lagstruktur.

Info

Publication number: NO143977B
Application number: NO760907A
Authority: NO
Inventors: Roy R Wiseman Jr
Original assignee: Goodyear Aerospace Corp
Priority date: 1975-04-14
Filing date: 1976-03-16
Publication date: 1981-02-09
Also published as: FR2313601B1; NO143977C; FR2313601A1; NO760907L; DE2615651A1; JPS51126476A; DE2615651C2; GB1492712A

Description

Oppfinnelsen angår en bremseskive som inneholder minst ett lag av bulkgrafitt og minst ett sammensatt, carbon/carbon-lag. Oppfinnelsen angår mer spesielt en bremseskive med ett eller flere lag av bulkgrafitt pluss ett eller flere lag av sammensatt carbon/carbonmateriale (kompositt) som er bundet sammen etter behandlingen slik at kortere fremstillingstider og en betydelig omkostningsbesparelse muliggjøres.

Bremseskiver er hittil blitt laget av materialer på

basis av carbon eller grafitt. For alle slike bremseskiver er imidlertid en eller annen form for armering blitt anvendt, og alltid carbonfilamenter i en eller annen form, som duk, oppdelte fibre eller vevnader etc. Hovedformålet med slike filamenter er at de skal gi bremseskivene høye mekaniske egenskaper, f.eks. både styrke og stivhet, slik at de kan motstå

de krefter som de utsettes for i typiske bremseanordninger,

som i landingsstellet for et luftfartøy. Som regel kunne fremstillingstiden for laminerte bremseskiver inneholdende duk-eller filamentlag som vanligvis betegnes som carbon/carbon-komposittt innen den angjeldende teknikk, lett ta fra fire til tolv eller flere uker.

En del bremseskiver er således blitt fremstilt med en lag- eller "sandwich"-struktur, idet bremseskivene er festet til hverandre, f.eks. ved hjelp av mekaniske festeanordningar, som nagler eller f.eks. ved hjelp av en cement. Det er således vanlig praksis innen den angjeldende teknikk å anvende et sentralt kjernelag av carbon eller beryllium med to over-flatelag av vanlige stål friksjonsmaterialer. Dessuten er lagstrukturer blitt fremstilt ved gjenoppretting av slitte skivebremser for å oppnå økonomiske besparelser sammenlignet med en erstating av hele bremseskiven, som angitt i US patent-skrifter nr. 3712427 og 3800392.

Carbon/carbonkompositt-utførelsesformen har krevet en betydelig fremstillingstid da fremstillingen av carbon/carbonkomposittlag krevet en gjentatt laminering, impregnering med harpiks eller en annen fortetningsmetode og pyrolysemetoder.

De forskjellige anvendte forbindelser var dessuten ofte kost-bare. For bremseskiver av "sandwich"-typen er omkostningene og fremstillingstiden fremdeles ganske betydelige. Dessuten er de utførelsesformer hvor stål anvendes, temperaturbegrenset hva gjelder anvendelse ved høy temperatur.

Det tas ved oppfinnelsen sikte på å tilveiebringe en bremseskive av den ovennevnte type, hvori et la9 av bulk-

carbon og et carbon/carbonkomposittlag er festet til hver-

andre ved hjelp av mekaniske anordninger eller en høytem-peraturcement.

Det tas ved oppfinnelsen dessuten sikte på å tilveiebringe en bremseskive av den ovennevnte type, hvori laget av bulkgrafitt og et hvilket som helst carbon/carbonkompositt-

lag pyrolyseres samtidig.

Det tas ved oppfinnelsen også sikte på å tilveiebringe

en bremseskive av den ovennevnte type med gode mekaniske egenskaper, som strekkfasthet, motstandsdyktighet overfor støt-belastning og lav slitasje etc.

Oppfinnelsen angår således en bremseskive med lagstruktur, omfattende minst to lag, hvor materialet i det ene lag er forskjellig fra materialet i det annet lag og lagene er festet til hverandre, og bremseskiven cr særpreget ved at den omfatter minst ett lag av bulkgrafitt som består av en blanding av partikkelformig carbon og et pyrolysert binde-

middel bestående av petroleumsbek, kulltjærobck, furanharpiks, fenolisk harpiks eller kombinasjoner derav, og dessuten minst ett carbon/carbonkomposittlag.

Oppfinnelsen vil bli nærmere beskrevet under henvisning

til tegningen, hvor

Fig. 1 viser.et forstørret, avdekket tverrsnitt av en utførelsesform•av■bremseskiven ifølge oppfinnelsen, hvor carbon/carbonkompositt-sliteplater er cementert til en kjerne av bulkgrafitt, og

Fig. 2 viser et forstørret, avdekket tverrsnitt av en

annen utførelsesform av bremseskiven ifølge oppfinnelsen og lignende den som er vist på Fig. 1, hvor carbon/carbonkom-posittslitelag er festet til et lag av bulkgrafitt ved hjelp

i av en nagle.

I bremseskiven ifølge oppfinnelsen anvendes således

minst ett lag av bulkgrafitt. Uttrykket "grafitt" som anvendt heri skal omfatte bulkgrafitt varierende fra amorft til

krystallinsk carbon. Ifølge oppfinnelsen anvendes bulkgrafitt eller grafitt som er vanlig fremstilt i løs form i store mengder, for dannelse av et utmerket varmebrønnlag i en bremseskive. Petroleumskoks eller et annet egnet materiale, f.eks. partikkelformig carbon som er lett tilgjengelig i handelen, blandes med en tilstrekkelig mengde av bindemidlet til at det fås en masse som er sterk nok til å bære sin egen vekt. Bindemidlet består av petroleumsbek, furanharpikser, fenoliske harpikser eller kulltjærebek som er foretrukket hovedsakelig på grunn av at det er lett tilgjengelig og til en lav pris. Kombinasjoner av disse bindemidler kan også anvendes. Blandingen av partikkelformig carbon og bindemiddel formes deretter til et ønsket sluttprodukt, som en ringformet skive eller adskilte segmenter, ved hjelp av en egnet behandlingsprosess, som støping, ekstrudering eller en lignende prosess, idet støping er foretrukket. Den ring-formede skive må deretter oppvarmes for å pyrolysere bindemidlet ved en temperatur av minst ca. 10 00°C. For å oppnå

en krystallisering, "grafittisering", i materialet trengs en varmebehandling ved en temperatur av ca. 2600°C. Den tid som går med for pyrolyseringen eller grafittiseringen,

er vanligvis tilbøyelig til å variere med skivens eller lagets tykkelse og dessuten med blandingens egenskaper og det spesielt anvendte bindemiddel. Det er velkjent for fagmannen at denne tid kan variere fra et par minutter til flere timer, og at den lett kan fastslås for en hvilken som helst spesiell behandling.

Når et slikt lag er fremstilt fra bulkgrafitt på den ovennevnte måte, vil det typisk ha de følgende fysikalske egenskaper:

De ovennevnte fysikalske og mekaniske egenskaper til-svarer generelt standardegenskapene eller kanskje noe under de gjennomsnittlige egenskaper for en bremseskive av carbon. Det er imidlertid en særdeles gunstig egenskap ved laget av bulkcarbon at det har en meget høy varmebrønnkapasitet da det kan motstå ekstreme temperaturer, f.eks. over 1 700°C. Dessuten er fremstillingsomkostningene for laget av bulkgrafitt langt lavere enn for kjente bremseskivelag.

På grunn av de gode termiske egenskaper for laget av bulkgrafitt er det ideelt egnet som varmebrønn. På Fig. 1 er vist en foretrukken utførelsesform av den foreliggende bremseskive, hvor en bremseskive 10 er forsynt med en kjerne eller et sentralt lag 11 av bulkgrafitt, som beskrevet ovenfor, fortrinnsvis ringformig, og et carbon/carbonkomposittlag 13, fortrinnsvis også ringformig, på begge overflater av kjernen. Med uttrykket "carbon/carbonkomposittlag" som anvendt heri er ment å betegne en hvilken som helst bremseskive som er fremstilt fra et på carbon basert materiale og som inneholder lag av carbonfilamenter eller -vevnader. Slike carbon/carbonkomposittlag er velkjente for fagmannen og inneholder vanligvis carbonvevnadslag, som f.eks. fremstilt fra forskjellige utgangsmaterialer som kan pyrolyseres i det vesentlige under dannelse av carbonfilamenter. Spesielle eksempler på utgangsmaterialer er celluloserayon, vanlig polyacrylnitril og visse bekprodukter. Det er også velkjent for fagmannen at de forskjellige la<3 av carbonfilamenter eller -vevnader etter at de er blitt laminert eller anordnet på en egnet måte, mettes med en bindeharpiks som kan pyrolyseres i det vesentlige under dannelse av et carbonmateriale. Som eksempler på-slike bindeharpikser kan nevnes petroleumsbek, kulltjærebek, furanharpikser og fenoliskc harpikser. Etter at vcvnadslagene er blitt mettet med harpiksen, sammenpresses de undor trykk og oppvarmes eventuelt til høye temperaturer for å pyrolysere binde-materialene og, om ønsket, grafittisere strukturen for er-holdelse av carbonskiver med gode fysikalske, mekaniske og termofysikalske egenskaper. Carbon/carbonkomposittmaterialer kan også bindes ved anvendelse av pyrolytti.sk fremstilt carbon. Carbon avsettes da i grunnmassen ved at en egnet carbonholdig gass innføres i den laminerte gjenstand av filamenter eller vevnader, hvoretter gassen pyrolyseres in situ. Pyrolyttisk carbon dannes på og rundt carbonfilamentene og tjener som bindemiddel. Denne prosess, som er vanlig kjent som den kjemiske dampfaseavsetningsprosess eller carbondannende prosess, kan anvendes sammen med en prosess for innfiltrering med en flytende harpiks for fremstilling av et såkalt CVD ("Chemical Vapor Deposit")-komposittmateriale.

Carbonkomposittlagene 13 har fortrinnsvis lav slitasje slik at det fås skivebremser med lang slitasjetid. Dersom skivebremsene imidlertid vil bli utsatt for lav friksjon, kan det sentrale kjernelag bestå av et carbon/carbonkomposittlag med de to ytre lag bestående av bulkgrafitt,

som nevnt ovenfor. Dessuten behøver den innvendige diameter og den utvendige diameter ikke alltid å være den samme.

Det foreligger selvfølgelig en rekke forskjellige kombinasjoner hvor en bremseskive inneholder minst ett carbon/ carbonkomposittlag festet til minst ett lag av bulkgrafitt. Tykkelsen og utformingen av de forskjellige lag kan selv-følgelig variere innen et vidt område, avhengig.av påføringen og anvendelsen. Ved den enkleste utførelsesform er en egnet kjernetykkelse for en skivebrems med lav slitasje, som angitt på fig. 1, 6,3-10,2 mm, fortrinnsvis 8,9 mm. Slitasje-platene 13 vil ha en tykkelse av 2,5 - 3,81, fortrinnsvis 3,2 mm.

Skivebremsen kan selvfølgelig anvendes for rotorer eller statorer i en bremsestabel for en typisk brcmseskive-anordning, som f.eks. anvendt i vanlige og militære luft-fartøyer. Bremseskivene kan dessuten, i overensstemmelse med vanlig praksis, være kontinuerlige eller oppdelt i segmenter. De foreliggende fremseskiver er enkle å gjenopprette. Ifølge den utførelsesform som er vist på Fig. 1 vil f.eks. lagene 13 med lav slitasjemotstandsdyktighet kunne glattslipes etter en sterk slitasje og nye carbonkomposittlag påføres. På lignende måte kan en skivebrems som inneholder et støpt ytre lag av bulkgrafitt, slipes og et nytt lag av bulkgrafitt på-føres, eller en egnet blanding av bulkgrafitt kan støpes under trykk mot den på forhånd ferdig fremstilte kjerne og pyrolyseres for fremstilling av et nytt ytre lag. Lagene av bulkgrafitt og carbon/carbonkomposittmateriale kan pyrolyseres i en hvilken som helst rekkefølge, f.eks. sammen eller etter hverandre, eller et lag kan være festet til et pyrolysert lag og deretter selv pyrolyseres. Hvis støpte eller ekstruderte lag av bulkgrafitt anvendes, kan disse festes til et carbon/carbonkomposittlag på en hvilken som helst egnet måte, som f.eks. ved hjelp av en mekanisk festeanordning eller en binding. Som vist på Fig. 2 kan f.eks. det støpte kjernelag 21 av bulkgrafitt festes til carbon/carbonkomposittlagene 23 ved hjelp av en nagle på

en hvilken som helst vanlig måte. Nærmere bestemt festes de forskjellige lag til hverandre ved hjelp av naglen 25 som løper i en hylse 24 for jevnt å fordele kreftene mellom sliteplatene 23 og kjerneplaten 21. Naglen og hylsene kan være laget av stål, av andre metaller eller av andre sterke materialer.

Som velkjent innen skivebremsefremstilling kan skivebremsene være kontinuerlige, vanligvis med nøkkelspalte (ikke vist) og med festede metallklips 27. Klipsene kan også fære festet til skivebremsene ved hjelp av nagler 25 eller en integrerende binding (ikke vist). Naglen 25 kan således tjene et dobbelt formål ved at den ikke bare fester de forskjellige lag til hverandre, men også ved at den fester klipsene. Selv om klipset er vist på omkretsen av skiven ifølge Fig. 2, kan nøkkelspalten og klipset være anbragt langs den innvendige omkrets av skiven, som vanlig er for en stasjonær bremseskive eller en statorbremseskive. En hvilken som helst kombinasjon av anbringelsen av naglen og klipset kan selvfølgelig anvendes.

En annen metode for å feste et støpt eller ekstrudert lag av bulkgrafitt til minst ett carbon/carbonkompositt-

lag er å binde de forskjellige lag sammen ved hjelp av en høytemperaturcement eller -bindeforbindelse. Som nevnt ovenfor kan en hvilken som helst cement anvendes som ikke nedbrytes ved oppvarming, fordamper, forbrenner eller lignende , men som i det vesentlige omdannes eller pyrolyseres

til et carbonmateriale og danner en binding mellom de forskjellige lag. Det anvendes fortrinnsvis minst ett carbon-filtlag (ikke vist) mellom kjernelaget 11 og carbon/carbon-komposittlaget 13 da dette har vist seg å gi en utmerket binding. I dette tilfelle mettes carbonfiltlaget, som i alminnelighet kan være fremstilt fra et hvilket som helst av de ovennevnte vevnadsmaterialer, med harpiksen eller cementen og pyrolyseres under trykk for dannelse av bind-ingen. Den utmerkede binding antas å skrive seg fra den kjensgjerning at de forskjellige fibre i filtlaget presses inn i de forskjellige porer og mellomrom i kjernen og slite-lagene og ved pyrolyse derfor danner en sterk mekanisk binding.

En bremseskive i overensstemmelse med den foreliggende oppfinnelse med en kjerne laget av bulkgrafitt i skiver med lav slitasje, som vist på Fig. 1 og 2, er rimelig å frem-stille og har gode bruksegenskaper. Foruten at den har utmerkede varmebrønnegenskaper da kjernen av bulkcarbon kan absorbere og motså meget høye temperaturer, har carbon/ carbonkompositt-sliteplatene gode slitasjeegenskaper og er istand til å motstå høy torsjonsbelastning. Ved en typisk normal oppbremsing kan de på Fig. 1 og 2 viste utførelses-former lett motstå et bæretrykk på 3,5 - 28,1 kg/cm , en friksjonskraft på 0,7 - 2,1 kg/cm 2 mot områoder som er utsatt for gnidning, ha en gjennomsnittlig energifluks av 8,56 - 25,68 m-kg/cm 2 pr. sekund og være istand til a absorbere 91290 - 152150 m-kg/kg masse, mens de utsettes for en minste

-5

slitasjehastighet av 4,06 x 10 cm pr. bremseflate. Disse verdier kan selvfølgelig i alminnelighet øke sterkt ved en sterk oppbremsing, som velkjent for fagmannen. Forskjellige tykkelser og/eller forskjellige utformninger og dessuten flere lag av pyrolysert bulkgrafitt eller carbon/carbonkomposittlag med forskjellige egenskaper kan selvfølgelig anvendes, avhengig av det spesielle anvendelsesområde.

Claims

1. Bremseskrive med lagstruktur, omfattende minst to lag, hvor materialet i det ene lag er forskjellig fra materialet i det annet lag og lagene er festet til hverandre, karakterisert ved at den omfatter minst ett lag (11;21) av bulkgrafitt som består av en blanding av partikkelformig carbon og et pyrolysert bindemiddel bestående av petroleumsbek, kulltjærebek, furanharpiks, fenolisk harpiks eller kombinasjoner derav, og dessuten minst ett carbon/ carbonkomposittlag (13;23)

2. Bremseskive ifølge krav 1, karakterisert ved at et carbon/carbonkom-posittslitasjelag (23) er festet til hver side av et kjernelag (21) av bulkgrafitt.

3. Bremseskive ifølge krav 1, karakterisert ved at et slitasjelag av bulkgrafitt er festet til hver side av et carbon/carbonkompositt-kjernelag.

4. Bremseskive ifølge krav 2 eller 2, karakterisert ved at kjernelaget har en tykkelse av 6,3-10,2 mm og slitasjelaget en tykkelse av 2,5-3 , 81 mm.

5. Bremseskive ifølge krav 2-4, karakterisert ved at bulkgrafitten har en densitet av minst 1,5-2,0 g/cm3, en strekkfasthet av 1,05 x 7 7 2 10 - 49 x 10 kg/cm og en motstandsdyktighet overfor slag- belastning av 4,53-22,65 cm-kg/cm.