保時(shí)捷官網(wǎng)的車輛配置系統(tǒng)中有一個(gè)“保時(shí)捷陶瓷復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)（PCCB）”的選項(xiàng)，其價(jià)格高達(dá)五位數(shù)（美元），幾乎夠買一臺(tái)全新飛度！這個(gè)昂貴的“PCCB”翻譯成中文叫碳陶剎車系統(tǒng)（Ceramic Composite Brakes），是一種以碳化硅陶瓷復(fù)合材料為制動(dòng)盤(pán)（剎車碟）的剎車系統(tǒng)。它具備哪些優(yōu)勢(shì)呢，值得起這個(gè)價(jià)格嗎？

碳/陶剎車制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

C/C－SiC碳陶復(fù)合材料是一類碳纖維增強(qiáng)碳、碳化硅雙基體復(fù)合材料，具有密度低、抗氧化、摩擦熱穩(wěn)定性好、低磨損、制動(dòng)系統(tǒng)體積小以及環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等一系列優(yōu)異性能，尤其彌補(bǔ)了C/C制動(dòng)材料濕態(tài)摩擦因數(shù)低的不足，是極具競(jìng)爭(zhēng)力的新一代摩擦材料，具有廣泛的應(yīng)用前景。碳陶剎車系統(tǒng)的剎車碟和剎車片跟普通金屬基的材料不同，它是通過(guò)碳纖維原料與碳化硅等物質(zhì)通過(guò)復(fù)雜加工合成。其中碳纖維決定剎車碟的強(qiáng)度和韌度，碳化硅決定剎車碟的硬度，兩者決定了剎車碟的摩擦系數(shù)。

碳陶剎車盤(pán)與傳統(tǒng)剎車盤(pán)主要參數(shù)對(duì)比

碳陶摩擦材料還有助于解決電動(dòng)車的續(xù)航焦慮，因?yàn)樘继談x車盤(pán)能夠?qū)崿F(xiàn)出色的減重和提升續(xù)航里程效果。傳統(tǒng)鑄鐵盤(pán)每個(gè)重約10公斤，而碳陶剎車盤(pán)的重量?jī)H為6公斤左右，相當(dāng)于減少了50%的重量。剎車盤(pán)與車輪一起轉(zhuǎn)動(dòng)，稱之為簧下質(zhì)量。簧下質(zhì)量相比簧上基本有5倍的減重效果。因此，碳陶剎車盤(pán)帶來(lái)的20公斤減重相當(dāng)于車身減重100公斤的效果。這樣，續(xù)航里程可以提升幾十公里。而且在性能方面，使用碳陶剎車盤(pán)能夠縮短制動(dòng)距離20%-30%，兼具無(wú)熱衰退和無(wú)熱變形的優(yōu)點(diǎn)。

碳陶摩擦材料制備方法

碳陶摩擦材料制備的關(guān)鍵在于：制備過(guò)程中盡量減小纖維損傷，克服基體致密的“瓶頸效應(yīng)”，在纖維與界面之間形成適當(dāng)?shù)慕Y(jié)合強(qiáng)度。目前，碳陶復(fù)合材料的制備方法主要包括：化學(xué)氣相滲透法(CVI)、先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法(PIP)和液態(tài)硅浸滲法(LSI，又名反應(yīng)熔滲法，RMI)。此外，制動(dòng)盤(pán)用碳陶復(fù)合材料須在表面制備抗氧化涂層改性，如磷酸鹽和B₄C，提高C/C復(fù)合材料的抗氧化性能。

C/C-SiC碳陶復(fù)合材料的3種不同制備方法示意圖

(a)化學(xué)氣相滲透法(CVI) (b)先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法(PIP) (c)液態(tài)硅浸滲法(RMI)

1、化學(xué)氣相滲透法化學(xué)

氣相滲透法(CVI)是將氣態(tài)三氯甲基硅烷通入到高溫反應(yīng)室，反應(yīng)氣體在1000～1100℃、1～10kPa下滲入預(yù)制體內(nèi)反應(yīng)，生成固態(tài)SiC基體，該方法制備碳陶摩擦材料的優(yōu)勢(shì)為：(1)材料內(nèi)部的殘余熱應(yīng)力小，對(duì)碳纖維的損傷小；(2)CVI－SiC的基體均勻、可實(shí)現(xiàn)微觀成分設(shè)計(jì)。

但缺點(diǎn)是因CVI工藝是氣態(tài)轉(zhuǎn)化成固態(tài)的沉積過(guò)程，在致密化效率和材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)均勻性上存在不足：碳源氣體和SiC前驅(qū)體的利用率低，陶瓷基體沉積效率低，制備周期較長(zhǎng)(大于500h)，導(dǎo)致生產(chǎn)成本高；且SiC滲透時(shí)容易表面封孔形成密度梯度，使得CVI所得的材料存在10%～15%的孔隙率，影響材料的抗氧化性能以及高溫力學(xué)性能。

CVI工藝示意圖

2、先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法

先驅(qū)體浸漬裂解法(PIP)是將聚碳硅烷(PCS)有機(jī)先驅(qū)體浸入到纖維預(yù)制體內(nèi)部，經(jīng)900～1000℃高溫裂解轉(zhuǎn)化為SiC基體，該法制備碳陶摩擦材料的優(yōu)勢(shì)在于：(1)先驅(qū)體具有優(yōu)異的可設(shè)計(jì)性，可針對(duì)PCS進(jìn)行分子設(shè)計(jì)，賦予材料特殊性能；(2)PCS的裂解溫度低，纖維損傷小，可減少材料內(nèi)部熱應(yīng)力。但缺點(diǎn)是PIP法陶瓷產(chǎn)率較低(約50%)，材料制備成本高，目前PIP法主要應(yīng)用于國(guó)防領(lǐng)域產(chǎn)品的研制，國(guó)內(nèi)的大學(xué)正開(kāi)展PIP制備摩擦材料的嘗試工作。

PIP工藝示意圖

3、反應(yīng)熔滲法

反應(yīng)熔滲法(RMI)通過(guò)毛細(xì)作用將熔體硅或硅的金屬化合物滲入多孔C/C材料中，使得Si與材料中的碳基體快速反應(yīng)生成SiC基體。該方法制備碳陶摩擦材料具有周期短、生產(chǎn)成本低、材料致密度高、可實(shí)現(xiàn)近凈尺寸成型的顯著優(yōu)點(diǎn)，是國(guó)內(nèi)外工程化摩擦材料的主流技術(shù)。但是，RMI制備的碳陶摩擦材料中會(huì)殘留一定量的Si，Si的高溫穩(wěn)定性較差，會(huì)降低材料的工作溫度和抗蠕變性能。國(guó)內(nèi)學(xué)者研究了殘余Si對(duì)碳陶摩擦材料性能的影響，發(fā)現(xiàn)殘余Si的硬度較高，容易在摩擦表面產(chǎn)生切削作用，形成微凸體的犁溝作用，合理控制殘余Si的含量和分布是RMI法制備碳陶摩擦材料的關(guān)鍵所在。

RMI工藝示意圖

CVI、PIP和RMI制備的碳陶摩擦材料具有不同的微觀結(jié)構(gòu)和成分組成，獲得的復(fù)合材料性能存在較大差異。

CVI、PIP和RMI制備C/C-SiC碳陶復(fù)合材料典型顯微結(jié)構(gòu)示意圖

碳陶復(fù)合材料的不同制備方法對(duì)比

摩擦性能優(yōu)化途徑

CVI、PIP和RMI 三種制備方法制備的碳陶材料的結(jié)構(gòu)和性能都具有一定差異，RMI制備方法周期短，制備出的材料高溫摩擦性能優(yōu)異，因而成為應(yīng)用于摩擦材料領(lǐng)域的碳陶材料的主要制備方法，也是國(guó)內(nèi)研究最多的工藝方法。RMI法制備的碳陶摩擦材料性能優(yōu)化主要分為3個(gè)方面：(1)采用硅合金熔滲，通過(guò)第三相與Si反應(yīng)，降低碳陶材料中殘余Si含量；(2)引入改性填料，增加碳陶摩擦材料的摩擦磨損性能；(3)設(shè)計(jì)摩擦層，提高摩擦膜的潤(rùn)滑性。

1、硅合金熔滲改性

國(guó)內(nèi)研究人員分別通過(guò)混合Fe和Si粉、使用FeSi75合金粉替代Si粉，利用RMI工藝制備了改性的碳陶摩擦材料。這些改性材料消除了殘余Si的影響，提高了材料的穩(wěn)定性和耐磨性，降低了制備過(guò)程中的殘余內(nèi)應(yīng)力，生成的FeSi和FeSi2相、α－FeSi2以及Fe2O3氧化膜分別增強(qiáng)了材料的韌性和耐磨性，并起到增強(qiáng)潤(rùn)滑、抑制氧化磨損的作用，提高了材料的抗磨損性能，延長(zhǎng)了使用壽命。

FeSi2改性C/C－SiC碳陶摩擦材料

2、添加改性粒子

碳陶摩擦材料中可通過(guò)添加B₄C、石墨、BN、TiC等粒子來(lái)提升材料的耐磨性能。B₄C的引入可改善碳陶摩擦材料中的基體模量匹配，提高材料力學(xué)性能。同時(shí)B₄C可降低材料的整體溫度，增加了區(qū)域抗磨損能力，B₄C氧化生成的B₂O₃有效防止摩擦界面和纖維的氧化，降低了摩擦界面因氧化而產(chǎn)生的脆性剝落現(xiàn)象，提高了材料的使用安全性能和制動(dòng)穩(wěn)定性。石墨的引入增加了碳陶摩擦材料導(dǎo)熱和比熱性能，有效降低了摩擦界面溫度。同時(shí)石墨填料的潤(rùn)滑性可明顯降低材料的磨損率，摩擦界面在制動(dòng)過(guò)程中易形成連續(xù)、均勻、穩(wěn)定和致密的摩擦膜，提高了摩擦界面的穩(wěn)定性。

此外，也有學(xué)者分別通過(guò)液態(tài)浸漬法和反復(fù)浸漬法，成功將BN先驅(qū)體和TiC引入低密度短切纖維增強(qiáng)C基復(fù)合材料中，制備出BN改性C基體和Ti₃SiC₂改性的碳陶摩擦材料。這些改性材料具有優(yōu)異的抗磨損性和更穩(wěn)定的摩擦因數(shù)，提高了材料的性能和壽命。

Ti₃SiC₂改性的C/C-SC碳陶摩擦材料的微結(jié)構(gòu)

3、摩擦層改性

陶瓷基自潤(rùn)滑復(fù)合涂層由硬質(zhì)陶瓷、固體潤(rùn)滑劑和聯(lián)結(jié)組元組成，保證了材料在摩擦發(fā)熱環(huán)境下的穩(wěn)定性。潤(rùn)滑劑產(chǎn)生的潤(rùn)滑膜具有減摩和耐磨作用，而附加組元?jiǎng)t起到連接涂層各組元的作用。新型陶瓷基復(fù)合涂層不僅具有高硬度，還具有良好的抗氧化性能，在長(zhǎng)期磨損運(yùn)動(dòng)過(guò)程中表現(xiàn)出良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和耐高溫抗變形能力。

研究人員通過(guò)激光熔覆制備了Al₂O₃/TiO₂-Ni-WC陶瓷基復(fù)合涂層，研究摩擦試驗(yàn)后基體和涂層的表面形貌，觀察到劃痕深度下降，說(shuō)明涂層具有良好的耐磨性。此外也有學(xué)者通過(guò)等離子噴涂制備了Al₂O₃/TiO₂陶瓷基涂層，證明了添加TiO₂可以提高耐磨性，且TiO₂含量為40%時(shí)干滑動(dòng)耐磨性最高。

(a)基體(b)Al₂O₃/TiO₂-Ni-WC陶瓷基復(fù)合涂層：基體和涂層的磨損表面形貌

總結(jié)與展望

碳陶復(fù)合摩擦材料是新一代陶瓷基摩擦復(fù)合材料，逐漸廣泛應(yīng)用于高速制動(dòng)領(lǐng)域。越來(lái)越多的跑車、高性能豪華轎車、SUV等都裝配了碳陶復(fù)合材料制動(dòng)系統(tǒng)。德國(guó)、法國(guó)、日本、英國(guó)等研究機(jī)構(gòu)以及國(guó)內(nèi)的西北工業(yè)大學(xué)、中南大學(xué)等，在C/C-SiC摩擦材料方面開(kāi)展了大量研究工作。如美國(guó)公司也相繼研制了碳陶飛機(jī)制動(dòng)片，并在一些大型客機(jī)和戰(zhàn)斗機(jī)中得到應(yīng)用。國(guó)內(nèi)西北工業(yè)大學(xué)張立同院士科研團(tuán)隊(duì)研制的碳陶制動(dòng)盤(pán)已在航空飛行器上應(yīng)用量產(chǎn)。

碳陶復(fù)合材料制動(dòng)系統(tǒng)使用壽命長(zhǎng)，性能優(yōu)越，逐漸應(yīng)用于汽車制動(dòng)領(lǐng)域。2001年僅有約1000個(gè)碳陶制動(dòng)片裝配在保時(shí)捷跑車上，而2006年已有約6萬(wàn)個(gè)裝配在各類汽車上，2014年更是超過(guò)10萬(wàn)個(gè)，呈快速增長(zhǎng)趨勢(shì)。

近年來(lái)，新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，以電動(dòng)車為代表。由于電池自重較大的原因，也導(dǎo)致其制動(dòng)距離比燃油車更長(zhǎng)。目前不少車企已經(jīng)開(kāi)始聚焦碳/陶制動(dòng)盤(pán)技術(shù)，從而進(jìn)一步解決新能源車的制動(dòng)問(wèn)題。特斯拉已于2021年推出碳/陶制動(dòng)系統(tǒng)，并成功應(yīng)用于旗下Model S Plaid車型。廣汽埃安推出首款純電超跑Hyper SSR，也同步搭配了碳/陶制動(dòng)系統(tǒng)。碳/陶制動(dòng)系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化和量產(chǎn)化趨勢(shì)正在快速到來(lái)。

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