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中，剎車片都是其中最為關鍵的安全零件之一。剎車片材料性能的好壞直接影響著車輛的制動性能，更關乎駕駛人員的生命安全。

碳化硅的密度低，抗氧化性好，耐高溫，耐腐蝕等優良的特點，促使其在剎車系統領域占據重要地位。2017年1月召開的國家科學技術獎勵大會上，西工大張立同院士憑借“碳化硅陶瓷基復合材料飛機剎車盤應用項目”榮獲國家技術發明二等獎，更確定了碳化硅作為剎車片研發領域明星材料的地位。

圖1 保時捷剎車片（圖片來源：車神榜網）

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

理想的剎車片

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

表1 理想剎車片性能要求及其解釋

錦上添花的碳化硅

剎車材料經歷了鑄鐵、鋼鐵材料、鋁基復合材料、C/C復合材料（以下簡稱“碳碳材料”）到C/C-SiC復合材料（以下簡稱“碳陶材料”）的幾代發展。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材料缺陷基礎上，具有剎車平穩、磨損失重率小、熱容量大等優勢。

圖2 銅基粉末冶金剎車片（圖片來源：慧聰網）

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動輒十幾萬元。高手間的過招可以從力學性能和摩擦性能兩方面進去對比。

圖2 布雷博剎車系統價格高昂（圖片來源：中國設計之窗）

研究人員分別通過化學氣相滲透（CVI）工藝制備出碳碳復合材料，密度為1.70~1.75g/cm³，碳纖維體積含量約為30％；碳陶復合材料采用CVI結合反應熔體浸滲（RMI）工藝制備，密度約為2.1g/cm³，碳纖維體積含量約為30％。

通過一系列的力學實驗測得其力學性能，得表2。

表2 碳碳材料與碳陶材料力學性能對比

根據表2可以發現，碳陶復合材料表現出比碳碳材料更優異的靜態力學性能，如拉伸強度、壓縮強度、層間剪切強度何面內剪切強度分別比碳碳復合材料提高44％、67％、100％、173％。碳陶材料還表現出優異的抗沖擊性能，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境下動摩擦系數的對比。

表3 碳碳材料與碳陶材料摩擦性能對比

根據表3可以發現，碳碳材料在淡水、海水條件下其摩擦下數顯著下降，而碳陶材料由于碳化硅的加入，其動摩擦系數基本沒有變化。

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

總結

C/C-SiC復合材料無疑將是新一代剎車片材料。目前，碳陶剎車片已經應用于保時捷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。高性能的產品并不代表一定會有最好的使用效果，能否發揮其自身的優勢還取決于其使用環境。

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，部分性能其實已經存在“性能過剩”。一般的使用環境，其抗氧化性、傳熱效果、干濕摩擦效果等性能的相對優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過于穩定，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

高性能C/SiC剎車材料及其優化設計；西北工業大學自動化學院，田廣來，西北工業大學超高溫結構復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。

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

By：火宣