目前，無論是在汽車、火車，還是飛機(jī)、坦克等重型機(jī)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(dòng)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(diǎn)，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(jiǎng)勵(lì)大會(huì)上，西工大張立同院士憑借“碳化硅陶瓷基復(fù)合材料飛機(jī)剎車盤應(yīng)用項(xiàng)目”榮獲國家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)，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(shí)捷剎車片（圖片來源：車神榜網(wǎng)）
為了進(jìn)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(dòng)盤的摩擦來實(shí)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
性能要求 | 解釋 |
良好的制動(dòng)性能 | 摩擦系數(shù)是決定剎車片制動(dòng)性能的關(guān)鍵，摩擦系數(shù)太高（高于0.4）制動(dòng)過程中車輪容易抱死，方向失控，造成翻車事故或燒片；摩擦系數(shù)太低（低于0.3）剎車時(shí)制動(dòng)距離過長甚至剎車失靈 |
合適的硬度 | 硬度太高剎車時(shí)就會(huì)產(chǎn)生噪音 硬度太小無法滿足制動(dòng)性能要求 |
壽命長 | 前剎車片3~5萬公里的使用壽命，后剎車片5~7萬公里，高性能碳纖維剎車片壽命達(dá)到十幾萬公里 |
比較低的磨損率 | 制動(dòng)過程中，優(yōu)質(zhì)的剎車片會(huì)在剎車盤摩擦表面生成一層保護(hù)膜，減少剎車盤的磨損，而劣質(zhì)剎車片含有大量硬點(diǎn)和雜質(zhì)，會(huì)在剎車盤表面拉出許多溝槽，加速剎車片和剎車盤的磨損 |
較高的孔隙率 | 摩擦表面出現(xiàn)熱分解物時(shí)，剎車片自身的大量氣孔自動(dòng)吸納和散失一部分，易于散熱；并且，氣孔率高，能有緩沖、減震和降噪效果 |
抗高溫性 | 應(yīng)在1000℃左右保證剎車片性能不變 |
環(huán)保 | 無噪音、低能耗、無粉塵 |
穩(wěn)定性 | 耐腐蝕、耐油、耐水 |
導(dǎo)熱性良好 | 汽車在頻繁剎車情況下，剎車片溫度達(dá)500~700℃，若熱量不及時(shí)散走，極易對輪轂產(chǎn)生傷害最終將導(dǎo)致剎車失靈 |
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(diǎn)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(diǎn)，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(jìn)口的布雷博剎車系統(tǒng)動(dòng)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(jìn)去對比。
圖2 布雷博剎車系統(tǒng)價(jià)格高昂（圖片來源：中國設(shè)計(jì)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1.70~1.75g/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(shí)驗(yàn)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
| 拉伸強(qiáng)度/MPa | 壓縮強(qiáng)度/MPa | 彎曲強(qiáng)度/MPa | 層間剪切強(qiáng)度/MPa | 面內(nèi)剪切強(qiáng)度/MPa | 沖擊韌性/(kJ/m2) | 密度/(g/cm3) | 碳纖維體積含量 |
碳碳材料 | 80 | 180 | 150 | 12 | 45 | ---
| 1.70~1.75 | 30％ |
碳陶材料 | 115 | 300 | 152 | 24 | 123 | 36 | 2.1 | 30％ |
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(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度、層間剪切強(qiáng)度何面內(nèi)剪切強(qiáng)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(dá)36kJ/m2，與金屬材料相當(dāng)。
研究人員利用電模擬慣量試驗(yàn)臺(tái)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(dòng)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
| 動(dòng)摩擦系數(shù) | ||
淡水 | 海水 | ||
碳碳材料 | 0.26~0.45 | 0.13~0.16 | 0.10~0.16 |
碳陶材料 | 0.27~0.35 | 0.29~0.35 | 0.24~0.29 |
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(dòng)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(dāng)，同時(shí)，碳化硅使得碳碳材料密度增強(qiáng)，整體力學(xué)性能增強(qiáng)，沖擊韌性甚至與金屬材料相當(dāng)。
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(shí)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(huì)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(shí)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(shí)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?yàn)樘继疾牧显谥剌d下，摩擦系數(shù)升高，制動(dòng)能力增強(qiáng)，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(huì)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(xiàn)
高性能C/SiC剎車材料及其優(yōu)化設(shè)計(jì)；西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，徐永東，范尚武，張立同，成來飛；西安航空制動(dòng)科技有限公司，田廣來，柯少昌，劉海平。
C/C-SiC剎車材料的研究進(jìn)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，孫國帥，劉榮軍，曹英斌，張長瑞。
By：火宣
作者：粉體圈
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