碳化硅：碳纖維剎車片的“點睛之筆”

發(fā)布時間：

2018-08-13

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　　目前，無論是在汽車、火車，還是飛機、坦克等重型機械的剎車系統(tǒng)中，剎車片都是其中最為關(guān)鍵的安全零件之一。剎車片材料性能的好壞直接影響著車輛的制動性能，更關(guān)乎駕駛?cè)藛T的生命安全。

　　碳化硅的密度低，抗氧化性好，耐高溫，耐腐蝕等優(yōu)良的特點，促使其在剎車系統(tǒng)領(lǐng)域占據(jù)重要地位。2017年1月召開的國家科學(xué)技術(shù)獎勵大會上，西工大張立同院士憑借“碳化硅陶瓷基復(fù)合材料飛機剎車盤應(yīng)用項目”榮獲國家技術(shù)發(fā)明二等獎，更確定了碳化硅作為剎車片研發(fā)領(lǐng)域明星材料的地位。

　　圖１保時捷剎車片（圖片來源：車神榜網(wǎng)）

　　為了進一步了解碳化硅在剎車片領(lǐng)域的應(yīng)用，我們先從理想的剎車片應(yīng)具備的性能說起。

　　?理想的剎車片

　　在汽車的剎車系統(tǒng)中，剎車片是最關(guān)鍵的安全零件，車輛的減速、停止全部依靠剎車片與制動盤的摩擦來實現(xiàn)。理想的剎車片應(yīng)具備以下性能：

　　表1理想剎車片性能要求及其解釋

　　?錦上添花的碳化硅

　　剎車材料經(jīng)歷了鑄鐵、鋼鐵材料、鋁基復(fù)合材料、C/C復(fù)合材料（以下簡稱“碳碳材料”）到C/C－SiC復(fù)合材料（以下簡稱“碳陶材料”）的幾代發(fā)展。其中，粉末冶金材料存在密度高、易氧化、使用壽命短等缺陷。碳碳材料剎車片在克服傳統(tǒng)材料缺陷基礎(chǔ)上，具有剎車平穩(wěn)、磨損失重率小、熱容量大等優(yōu)勢。

　　圖2銅基粉末冶金剎車片（圖片來源：慧聰網(wǎng)）

　　碳碳材料主要由炭纖維、石墨和自由碳組成，而碳陶材料是在碳碳材料基礎(chǔ)上，加入碳化硅陶瓷，因此稱為碳陶。碳化硅的加入，使得碳碳材料性能大幅提升。接下來通過具體的表格對比，看看碳化硅如何為碳碳材料畫上“點睛之筆”。

　　?高手間的比拼?

　　碳碳材料與碳陶材料均屬于剎車片中的“貴族”，均具有密度低、熱容量大、耐磨損、耐腐蝕等突出優(yōu)點，綜合性能是一般半金屬剎車片所不能比擬的。一套意大利全進口的布雷博剎車系統(tǒng)動輒十幾萬元。高手間的過招可以從力學(xué)性能和摩擦性能兩方面進去對比。

　　圖3布雷博剎車系統(tǒng)價格高昂（圖片來源：中國設(shè)計之窗）

　　研究人員分別通過化學(xué)氣相滲透(CVI)工藝制備出碳碳復(fù)合材料，密度為1.7-1.75g/cm3，碳纖維體積含量約為30%；碳陶復(fù)合材料采用CVI結(jié)合反應(yīng)熔體浸滲(RMI)工藝制備，密度約為2.1g/cm3，碳纖維體積含量約為30％。通過一系列的力學(xué)實驗測得其力學(xué)性能，得表2。

　　表2碳碳材料與碳陶材料力學(xué)性能對比

　　根據(jù)表2可以發(fā)現(xiàn)，碳陶復(fù)合材料表現(xiàn)出比碳碳材料更優(yōu)異的靜態(tài)力學(xué)性能，如拉伸強度、壓縮強度、層間剪切強度何面內(nèi)剪切強度分別比碳碳復(fù)合材料提高44%、67%、100%、173%。碳陶材料還表現(xiàn)出優(yōu)異的抗沖擊性能，沖擊韌性高達36kJ/m２，與金屬材料相當。

　　研究人員利用電模擬慣量試驗臺測試了碳碳和碳陶剎車材料的摩擦性能，得到表3。表3為兩者中材料不同環(huán)境下動摩擦系數(shù)的對比。

　　表3碳碳材料與碳陶材料摩擦性能對比

　　根據(jù)表3可以發(fā)現(xiàn)，碳碳材料在淡水、海水條件下其摩擦下數(shù)顯著下降，而碳陶材料由于碳化硅的加入，其動摩擦系數(shù)基本沒有變化。

　　綜上所述，碳化硅的加入，使得碳碳材料不再懼怕水、鹽等環(huán)境，其干濕摩擦系數(shù)相當，同時，碳化硅使得碳碳材料密度增強，整體力學(xué)性能增強，沖擊韌性甚至與金屬材料相當。

　　?總結(jié)?

　　C/C-SiC復(fù)合材料無疑將是新一代剎車片材料。目前，碳陶剎車片已經(jīng)應(yīng)用于保時捷911、帕加尼Zonda R以及蘭博基尼LP700等車型。但是，適合的才是最好的。高性能的產(chǎn)品并不代表一定會有最好的使用效果，能否發(fā)揮其自身的優(yōu)勢還取決于其使用環(huán)境。

　　圖4保時捷GT4上仍采用碳陶剎車片（圖片來源：新浪汽車）

　　對于汽車用碳碳材料與碳陶材料的使用而言，部分性能其實已經(jīng)存在“性能過剩”。一般的使用環(huán)境，其抗氧化性、傳熱效果、干濕摩擦效果等性能的相對優(yōu)異就顯得不是那么重要。例如，法拉利的Ｆ１賽車上用的是碳碳材料，但法拉利的458上用的卻是碳陶材料。這是因為碳碳材料在重載下，摩擦系數(shù)升高，制動能力增強，這無疑受到追求速度極致的賽車手們的青睞；相反，碳陶材料的摩擦系數(shù)過于穩(wěn)定，不會隨著載荷變化而變化，因此更適合追求安全性和舒適性的駕駛者。

　　參考文獻

　　1、高性能C/SiC剎車材料及其優(yōu)化設(shè)計；西北工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院，田廣來，西北工業(yè)大學(xué)超高溫結(jié)構(gòu)復(fù)合材料國防科技重點實驗室，徐永東，范尚武，張立同，成來飛；西安航空制動科技有限公司，田廣來，柯少昌，劉海平。

　　2、C/C-SiC剎車材料的研究進展；國防科技大學(xué)航天科學(xué)與工程學(xué)院新型陶瓷纖維及其復(fù)合材料重點實驗室，孫國帥，劉榮軍，曹英斌，張長瑞。

　　文章轉(zhuǎn)自：粉體圈作者：火宣