任何运动的运载装置通常均装有使运载装置制动的制动系统，总的 制动重量越轻，在设计可以达到长期持续使用而更换或更新又容易和节 省费用的制动系统时遇到的问题便越少。例如像自行车这种运载装置可 以装一个小的挤压和卡紧轮缘的橡皮块，这种橡皮块实际上可以长期使 用，而且几分钟内便可换上一个新的，花钱又不多。
在碰到可以载许多乘客的大型汽车时，在制动期间产生的摩擦热量 便成为要考虑的问题。现在大多数汽车至少在前轮上应用所谓卡钳型盘 式制动器。因为在制动期间由于惯性力作用，车辆的重量移向前轮。图1 所示的盘式制动器因为各种原因而具有很好的制动能力，转子10支承在 轴12上的车轮上(未示出)。当轮子转动时，转子10与轮子接合在一 起转动。转子10配置在一对卡钳14之间，卡钳上装有制动衬块16。为 使汽车制动，采用液压使卡钳14同时运动，直至转子10在制动衬块16 之间受到压力的挤压。卡钳14装在汽车支架上，不能转动。制动衬块16 用高摩擦材料制作，这种材料在相当高的温度下可以抗老化和磨损。这 样当卡钳14挤压转子10时，高摩擦的制动力便作用在转子10上，使汽 车制动。因为制动衬块16是平的并接触转子10的平侧面，所以制动衬 块16的整个面积便接触转子10，从而施加制动力。这与所谓“鼓”式 制动器很不相同，在这种制动器中，携带制动衬块的制动蹄是一个圆弧， 该圆弧被认为与圆筒制动鼓相匹配并装在该鼓的里面。如果存在不匹 配，则实际上仅有小部分制动衬块擦到该鼓。并且如果摩擦力产生很多 热量，则鼓可能因发热而变形。相反，采用盘式制动器时，转子10处于 从车下流过的空气流中而且较厚，因而通常可以耗散所产生的任何热 量。而且即使发生微小变形，卡钳通常也处于浮动装配的状态，这种装 配可跟随转子的总的摆动。
为进一步防止损坏转子10的表面，先有技术推荐，如图2所示，用 整块的陶瓷涂层18覆盖在转子10上，这种涂层在汽车的环境中可能起 到预想的作用或者起不到预想的作用。对于诸如本发明所致力于的制动 系统环境，它肯定不能起作用。
在制动飞机时，制动系统是完全不同的。具体就大型喷气飞机而言， 除飞机自身的重量外还装有成百的旅客、其行李及货物，要设计一种成 功的制动系统是一个巨大的任务。在图3中以简化的形式示出先有技术。 有许多支承轴12的转子10′，该轴又支承飞机的轮子(未示出)。转 子10′与许多定于20叠加起来形成叠置组22。为简化起见图中仅示出 两个转子10′，但可以用很多转子10′和定子200叠加成飞机制动器 的叠置组22。叠置组22配置在轮毂上。定子20是固定的，不转动，而 转子10′与轮子一起转动。为制动使飞机停下来，施加液压力，该力使 叠置组22压缩在一起，因而挤压在固定的定子20之间转动的转子10′ 上。
在较小的飞机上，上述制动器没有问题，足以起到预定作用。但随 着大型喷气飞机(民用和军用)的出现，摩擦力和随之产生的热量便成 重要的因素。对于中止起飞或采用不正常的制动时正是这种情况，这可 能导致完全损坏制动叠置组22。现代喷气飞机制动器有三种类型：全钢 的(转子和制动衬块)、钢转子配烧结制动衬块和碳/碳转子与制动衬块。 用全钢制动系统时，定子20和转子10′均用特别为此目的设计的高质 量钢制作。钢/钢制动器表现出很好的内摩擦力。为了制动飞机这是需要 的。如果除去摩擦则没有热产生，但是也不会产生制动力。在正常制动 的情况下，这样使用制动器使得它们可以在产生的热量造成问题之前便 耗散掉。另外，还可以利用使喷气发动机推力反向而产生的所谓“喷气 制动”来使飞机减速，因而制动器不需要作所有的功。而且决不能使飞 机从着陆速度全然达到停止，因而在叠置组22中的转子10′和定子20 将分开，使其中由摩擦产生的热量可以被耗散掉。
在紧急停飞时，飞机已经达到很高的可能已接近于起飞所需速度的 地面速度，在最后一瞬间决定停止飞行即取消飞行。此时唯一要作的事 情是制动，使飞机在冲到跑道尽头以前完全停下来。为达到这一点，驾 驶员必须依靠制动器，即完全地施加制动器并卡紧制动器直到飞机停下 来。结果是，产生的热不能在时间过程中有效地被耗散掉。因而转子10 ′和定子20变得灼热，以致于飞机刚一停下(或者更早)，它们便熔接 在一起。另外产生的热量还会传到周围构件和轮子上，甚至可能使它们 起火。如果在飞机制动之前制动器卡住，则橡皮轮子将拖行而不是转动， 这样便很快磨穿，因而造成爆裂，使支承构件在地面上拖行，并可能造 成破坏。简言之，在飞机再次起飞之前必须对飞机进行大修。
为解决上述问题，已提出碳/碳制动器，并已用在先有技术中。碳/ 碳制动器具有许多问题：它们的摩擦系数小，除非它们获得热量；具有 多孔性，因而易受防冻液或其它流体的玷污；在“猛烈滑行”期间所达 到的温度下便可以氧化；产生腐蚀性尘埃；制造起来成本高而且费时。 用渗透法可以生产碳转子10′和碳定子20，这种方法成本很高，完成 的时间长。冷的叠置组22的摩擦系数很低，不能使飞机制动。于是在开 始滑行时，飞行员必须周期性地合上制动器，以便产生充分的热量，使 得在必要时才能用制动器使飞机制动。如果在产生足够大的摩擦力之前 便需要制动，则飞机不能很快止动。因为消除了制动器破裂性咬住的问 题，所以现在大多数航空公司和军队采用碳/碳制动器，尽管它有许多缺 点。
载重车、火车和赛车也可以应用与现代工艺的制动材料相比具有重 量较轻使用寿命较长的较好的制动系统。
因此本发明的目的是提供一种用于飞机等的抗咬合的叠置式制动系 统，这种制动系统成本低并容易再修复。
本发明的另一目的是提供一种用于飞机等的抗咬合的叠置式制动系 统，这种制动系统即使在温度低时也具有高的摩擦系数。
本发明的再一目的是提供一种用于飞机等的抗咬合的叠置式制动系 统，这种制动系统采用可以替换的制动衬块，在替换时无须替换转子和 定子的整个叠置组。
本发明的再一目的是提供一种制动转子/鼓/衬块的材料，该材料在 包括高摩擦制动力和产生极高热量在内的任何应用中可以抗破裂。
本发明的再一目的是提供一种制动转子的材料，该材料在包括高摩 擦制动力和产生极高热量在内的任何应用中可以抗破裂。
                         发明概要
通过一种方法可以达到上述目的，利用该方法可以形成耐高温和耐 磨损的制动衬块并将该制动衬块固定在制动部件上，该方法包括以下步 骤：形成结构纤维增强陶瓷基复合材料的制动转子/定子或制动衬块，该 材料包括一般的纤维体系的抗磨蚀/产生摩擦的材料，二者均配置在整个 焙烧的衍生聚合物的陶瓷树脂中；随后将制动衬块铆接或接合在制动部 件的表面上；如果需要，精加工制动衬块的接触制动表面。
制造转子和鼓的优选方法包括以下步骤：从硅羧基树脂(silicon- carboxyl resin)或硅酸铝树脂中选择衍生聚合物的陶瓷树脂；采用由氧 化铝、Nextel 312、Nextel 440、Nextel 510、Nextel 550、氮化硅、 碳化硅、HPZ、石墨、碳和泥炭构成的一般纤维体系。
为有选择地获得更有韧性的材料，方法包括将一种界面材料配置在 一般纤维体系上的附加步骤，从而防止焙烧的衍生聚合物陶瓷树脂直接 粘着在纤维上。在应用时该步骤包括将界面材料配置成几微米厚的碳、 氮化硅、碳化硅和/或氮化硼。
该方法还包括这样一种步骤：使氧化铝、高铝红柱石、硅石、碳化 硅、氧化钛、氮化硅、氮化硼，或等效的材料按体积计达到约60％，或 者其任何一种混合物至少在邻接接触制动表面的一般纤维体系的全部纤 维中其体积达到总体积的约60％。不同的混合物可以调节材料的硬度和 摩擦系数，因而给用户以不同的“感觉”。然而氧化铝和/或高铝红柱石 其体积最好约占总体积的25％。
如果适合于一般纤维体系的生理学，本方法包括在邻接接触制动表 面处将一般纤维体系的纤维配置成平行于接触制动表面的步骤。本方法 还包括在邻接接触制动表面处将一般纤维体系的纤维沿圆弧扇形部配置 并与接合接触制动表面的制动构件的转动中心径向对齐。
作为一种替代铆接或替代如果开发出适合的抗高温的粘合剂用粘合 剂进行粘接的方法，本发明包括形成既抗高温而又耐磨的制动衬块和将 其固定到制动部件上的方法，该方法包括以下步骤：形成具有凸出固定 部件的由结构纤维增强陶瓷基复合材料构成的制动衬块，该材料包括一 般纤维体系和抗磨蚀而又产生摩擦的材料，二者均配置整个焙烧的衍生 聚合物陶瓷树脂中；将制动衬块放在制作制动部件的铸模中，使制动衬 块的固定部件凸出到将浇注金属而形成制动部件的铸模的一部分中；用 熔化金属注入铸模，从而形成制动部件并从而将固定部件固定在制动部 件中。
该方法还包括以下附加步骤：从铸模中除去制动部件；如果需要， 机械加工和精加工制动部件；如果需要，精加工制动衬块的接触制动表 面。
另外还可选择地用衍生聚合物的陶瓷复合体系制造用于汽车等级制 动器的制动转子和制动衬块。这种制动器不需要任何金属增强件。只用 陶瓷材料作的制动衬块被夹压在制动卡钳和制动转子之间。制动转子也 可以是全陶瓷材料的，它直接拧在或销接在轮毂上，或者转子可以像现 在工艺作的转子一样用传统的钢制作，或最好用金属基复合材料(例如 ALCAN的F3S2OS合金)制作，以便在接触陶瓷制动衬块时产生附加的 抗磨性。
                     附图的简要说明
图1为用在汽车上的一类先有技术的卡钳型盘式制动器的简化前视 图；
图2示出图1的先有技术盘式制动器，根据先有技术推荐，该制动 器的转子的表面上具有整个的陶瓷涂层；
图3是先有技术飞机制动器的简化前视图；
图4是本发明第一实施例中飞机制动器的放大的局部剖去的视图；
图5是本发明第二实施例中飞机制动器的放大图；
图6和7示出在本发明图5的制动部件上重新换衬的方法；
图8示出通过使制动衬块铸造就位而将FRCMC(结构纤维增强陶 瓷基复合材料)制动衬块永久固定在金属转子、定子或制动蹄上。
                  实施本发明的最好方式
按照旨在具体提供图4所示飞机制动器的本发明的一个方面，飞机 制动叠置组22的部件用特别为制动器而改进的FRCMC材料(结构纤维 增强陶瓷基复合材料，下同)制作。对于这一点，本发明的FRCMC制 动材料对转子和定子是同质的，它们均整个地用准烧结的制动衬块材料 制成，该材料能够承受飞机制动所产生的热量和摩擦力。即本发明的 FRCMC制动材料包括浸渍陶瓷材料，该陶瓷材料也包括产生摩擦的元 素。这种结构性FRCMC材料表现出很好的抗破裂性，特别适合于用作 在高温下应用的部件。FRCMC材料可以用若干种现售的衍生聚合物陶 瓷树脂例如硅羧基树脂(silicon carboxyl resin)(由Allied Signal公司 售卖，商品名为Blackglas)或硅酸铝树酯(由Applied Poleramics公司 售卖，产品代号为C02)中任何一种树脂与一般纤维体系相结合构成， 该纤维体系为例如(但不限于)氧化铝、Nextel 312、Nextel 440、 Nextel 510、Nextel 550、氮化硅、碳化硅、HPZ、石墨、碳和泥炭。 为达到本发明目的，纤维体系首先涂以0.1～5.0μm厚的界面材料，该 材料例如为碳、氮化硅、碳化硅和氮化硼，或用一种或多种这些界面材 料涂以多层。界面材料可以防止树脂直接粘在纤维体系的纤维上。例如 在将树脂转换为陶瓷时，可以在陶瓷和纤维之间留稍许游隙，从而赋与 FRCMC最终制品以要求的特性。成形抗破坏性结构性FRCMC部件的 方法一般要求以下步骤：用界面材料(一种或多种)涂敷包括一种或多 种上述纤维的一般纤维体系；将涂层纤维与一种或多种预陶瓷聚合物树 脂混合；使包含涂层纤维的树脂形成需要的部件；将该部件在一定温度 下焙烧一定时间，使其从聚合物树脂转换成陶瓷。
如在与本申请同一日期提出的序号为 的题为“减 小在结构性纤维增强陶瓷基复合材料作的汽车发动机部件之间的滑动接 触磨损”的一起待批的申请中所述，结构性FRCMC材料的表面可以经 处理而减小在这种应用中的磨损/磨蚀，方法是涂一层抗磨蚀的涂层。具 体内容公开如下：
应用纤维织品毡或非织品毡的结构纤维增强陶瓷基复合材料制作的 构件其接触表面可以覆盖一层抗磨蚀的涂层，该涂层牢固结合于FRCRC 构件的摩擦表面上。为此目的，抗磨蚀的涂层最好包括高铝红柱石(即 硅酸铝Al2Si4)、氧化铝(Al2O3)或同等化合物，一般采用本领域普通 技术人员周知的技术即等离子喷涂法进行喷涂。
喷涂抗磨蚀涂层方法如下：在喷涂之前完成所有的打孔和其它机械 加工；在完成机加工后，如果需要，除去部件表面上所有的毛刺；完成 机加工后，将其放在一个炉子中加热一段时间，加热温度要确保烧去机 加工时留下的切削润滑油(通常在700°F下烧两小时，但要根据所用 润滑油而定)。
关键是要得到接合在FRCMC构件上的抗磨蚀涂层。如果FRCMC 构件的表面没有得到合适处理，则抗磨蚀涂层会完全剥落，不能提供长 期保护。在最好方法中，FRCMC构件的表面稍微进行喷砂处理，从而 在FRCMC构件的陶瓷基体内形成小的麻点。可以认为，轻度喷砂可使 一般纤维体系的露出的纤维上露出一些丝或须，抗磨蚀的涂层可以固定 和粘着于其上。典型的已证明是成功的喷砂是100grit@20PSI(砂粒 粒度100，喷砂压力20磅/英寸2)。
按照第二种可能的方法，FRCMC构件的表面可以加工许多浅的细 的均匀间隔开的类似于螺母或螺栓上细“螺纹”的沟纹，抗磨蚀的涂层 可以机械锁定在这些沟纹中。实质上，在表面上划痕也可以形成代替光 滑表面的粗糙表面。沟纹的深度、宽度和间隔不是重要的，可以根据各 个部件或构件进行确定，无须进行过分试验。沟纹一般应当紧靠着以尽 量减小表面上较大的光滑区域，这种光滑区域很可能使抗磨蚀涂层的粘 接松开而剥落。在表面上过度刻沟纹需要另外的耐磨材料，以便在最后 研磨后，形成光滑的耐磨表面，除此以外，在表面上过度刻沟纹均比刻 沟纹不足好。沟纹应当是浅的，以便形成抗磨蚀涂层的机械锁定区域而 又不会显著地减小在下面的FRCMC构件的结构强度。在进行表面处理 后，用清洁于燥的压缩空气吹洗部件，然后装在适当的固定夹具上以进 行等离子喷涂。在喷涂抗磨蚀涂层时，用风机冷却部件的相对侧面。
然后在沉积速度为5g/min或更高的速度下等离子体喷涂抗磨蚀涂 层。固定夹具的速度、等离子喷枪移过表面的速度和喷涂宽度被设定为 获得理发店招牌的喷涂图案，并且达到50％的重叠。喷枪相对于喷涂表 面的距离为0.1～3英寸。用于此喷涂的粒度为170～400目。喷涂足够多 的材料以便可以进行精细机加工。在喷涂抗磨蚀的涂层以后，用金刚砂 纸或适当形式的工具(推荐商品级金刚砂工具)抛光涂层表面，以达到 最后的表面轮廓。
或者，先喷涂等离子喷涂涂层、然后用预陶瓷聚合物树脂再渗透涂 有抗磨蚀涂层的部件，并在随后转换成陶瓷态。结果是，由于基本上将 涂层加到混合的或联合的陶瓷基体复合体中而附加地增加涂层的韧性， 该陶瓷基体复合体由共同陶瓷基体整体粘合在一起的FRCMC和陶瓷基 增强的整体的抗磨蚀涂层相结合形成。
还应当注意到，还可以随意采用已知的，“印刷和焙烧(print and fire)”薄膜沉积技术“湿法喷涂”来形成抗磨蚀涂层。不管怎样，可以 应用上述任何一种涂敷法在本发明的制动部件形成产生摩擦的元素。
在至少邻接表面的地方不用呈织品毡形式的一般纤维体系而采用基 本上平行于表面的不受约束的纤维还可以减少表面磨损。对于转动制动 系统，最好的纤维取向可能是沿圆弧扇形部排列或径向对准部件的转动 中心。
尽管这样一种涂层材料对制动构件起作用，具有需要的强度和抗磨 性，但是最好改进组分以增加材料的摩擦系数，因而增加制动效率，并 在同时改进作为烧结制动蹄的总的抗磨损或抗磨蚀性，而不是仅在表面 上形成抗磨蚀性，使得在表面磨坏不能用之后便浪费掉。为此最好在形 成部件和焙烧之前便使产生摩擦和抗磨蚀的材料与树脂/纤维混合物混 合。耐磨材料粒子还可以在第一或第二“焙烧”之后通过常规的溶胶- 凝胶(SOL-GEL)技术分散到材料中。该混合物包括高到约60％体 积的氧化铝、高铝红柱石、二氧化硅、碳化硅、氧化钛、氮化硅、氮化 硼，或等效的材料，或者至少在邻接接触制动表面的整个一般纤维体系 的纤维中包括直到占总体积约60％的上述物质的混合物。不同的混合可 以控制材料的硬度和摩擦系数，因而赋与使用者以不同的“感觉”。然 而氧化铝和/或高铝红柱石按体积计最好为总体的25％。
因此按照本发明的优选实施例，制造例如图4所示转子10′和定子 20的制动部件的步骤包括：使占体积约25％的氧化铝和/或高铝红柱石 粉或等效物与纤维体系混合；将涂有粉末的纤维体系与树脂混合；用树 脂混合物形成部件；在一定温度下如由厂家推荐的1800°F温度的左右 焙烧形成的部件，将树脂转换成陶瓷。或者，如果对于特殊应用要求端 部构件具有加入界面材料的性质则可以在加入氧化铝/高铝红柱石粉末之 前首先用上述界面材料涂敷纤维。
因为该端部构件具有常规烧结制动衬块等不具有的特性例如在极端 温度下的抗热和抗磨损/抗磨蚀特性，所以本发明的上述FRCMC制动材 料可以制成可替换的制动衬块，以便用在使用制动衬块的任何制动系统 中。这种飞机制动叠置组22′示于图5中。常规的钢质转子10′和定 子20可用本发明的制动衬块16′覆盖在其制动表面上。于是可以像汽 车制动器一样在制动器上加衬而不一定要求替换转子10′及定子20和 现有的钢/钢及碳/碳制动器，从而大大减少所涉及的时间和费用。
最初，汽车制动衬块是铆在支承制动衬块的制动蹄上的。最近由于 开发出适合的粘接剂，因而已应用所谓粘接的制动衬块，其中制动衬块 是用粘接剂固定在制动蹄上的。当制动衬块磨损太多超过需要更换的位 置时这种粘接减少了制动鼓或制动转子的铆接“痕”的范围。采用粘接 的制动衬块时制动衬块在产生损伤之前一定要磨损到制动蹄本身正接触 制动鼓或转子的位置。不幸，现在还没有一种可买到的粘合剂或粘接方 法能够将制动衬块16′粘接到转子10′和定子20上并耐受制动期间所 产生的高温。因而必须应用另外的将制动衬块16′接合到转子10′和 定子20上的方法。
如图6和7所示的适合于在转子10′和定子20上再加衬的一种方 法是应用铆钉26。如图6所示，首先取下和抛弃旧制动衬块16′。然 后如图7所示，将新制动衬块16′放在转子10′上并用铆钉26铆接就 位。铆接后，如果需要将制动衬块16′的表面28打磨光滑和平行。
在另一种不再加衬但生产成本低的如图8所示的方法中，制动衬块 16″具有从其后部伸出的固定部件30。因为制动衬块16″可以承受极 端高温包括熔化金属的温度，所以转子10′(或定子20)可以铸在制 动衬块16″上。制动衬块16″放在要铸造部件(转子10′或定子20) 的铸模34中。然后将熔化金属32注入铸模34中并使其硬化。然后取出 铸好的部件，进行机加工，或者如果需要，用别的办法进行精加工。
我们还可以用衍生聚合物陶瓷复合体系制作用于汽车级制动器的不 需要任何金属增强件的制动转子和制动衬块。只用陶瓷材料作的制动衬 块被夹压在制动卡钳和制动转子之间。制动转子也可以是直接拧在或销 接在轮毂上的全陶瓷材料件，或者转子可以像现时工艺的转子那样用传 统的钢制作，或者最好用金属基复合材料(例如ALCAN的F3S2OS合 金)制作，以便在接触陶瓷制动衬块运转时增加抗磨特性。
最后可以用FRCMC制作整个的转子和定子而不需要任何金属支承 结构，由此可以消除将摩擦材料粘接和/或铆接到制动组件的结构部件上 所涉及的问题。
                         发明背景