近年來，高速列車速度大幅提升，與以往相比較，各個部件承受更加復雜載荷作用，制動盤作為制動系統重要部件，在運行中若發生損傷，將嚴重影響列車的安全。因此伴隨著列車速度的提高，對制動系統及其材料的要求也日益提高。目前盤形制動已成為公認的高速列車制動形式，當前，世界各國對高速列車制動盤進行了大量的研究工作，其重點主要放在制動材料的選取上，法、德、日、英等國致力于開發傳統制動盤材料之外的新型材料。以減輕列車簧下重量，降低牽引功率耗損。

圖1高速列車“復興號”時速可高達400km/h

目前高速列車制動裝置材料的發展趨勢是采用密度更低、摩擦因數更高、耐磨性能更好的鋁基復合材料、C/C復合材料或陶瓷基復合材料。與鋁基復合材料和C/C復合材料相比（見下表），C/C-SiC陶瓷基復合材料不僅提高了材料的抗氧化性和動/靜摩擦系數，而且顯著改善了摩擦性能對外界環境介質(潮氣、霉菌和油污等)的穩定性，C/C-SiC自問世立即引起了飛機、汽車和高速列車等領域的極大興趣，代表著當前制動材料最高水平。下文將對引人注目的C/C-SiC制動材料的工藝做一個簡單的整理。

表1：列車制動材料的相對特性指標

一、高速列車剎車片市場簡析

在討論C/C-SiC制動材料的制備工藝之前，咱們先來對其應用市場做一個簡單的挖掘。根據一份市場調研報告^【2】數據顯示：

目前我國四縱四橫高鐵主骨架基本建成，根據十三五高鐵規劃，到2020年，高鐵營運里程將達3萬公里，中長期將達4萬公里以上。2015年年底，我國高鐵營業里程達到1.9萬公里。根據最保守的0.75輛/公里的高鐵動車保有量計算，我國擁有標準動車組1781輛，假設時速300公里以上動車組和時速300公里以下的動車組各占一半。300公里以上動車組平均一個8組標準列共需剎車閘片120-160片；200-250公里動車組則需要剎車閘片160-192片。300公里以上剎車閘片目前國產的價格大約在7000元每片左右；200-250公里的剎車閘片價格約為5500元左右。高鐵剎車片每年需要更換的次數約為3-4次。根據相關數據做簡單估算（見下表），2015年我國高鐵動車組剎車片閘片的市場容量約為60億元左右。假設2020年我國的高鐵運營總里程達到3萬公里，假設列車密度依然按0.75輛每公里估算，在2020年，高鐵剎車片的市場保守估計容量將達到120億元左右。

表2 ：2015年剎車片市場容量估算

限于種種商業機密原因，此處沒有更多數據為C/C-SiC制動材料市場做出估算。盡管目前C/C-SiC制動材料市場占有率未明，但從其優秀的品質預判，假以時日，伴隨著高鐵列車發展及材料制備水平的進展，其必能在高鐵剎車片市場占有一席之地，畢竟在高科技應用領域，質優遠比價廉重要。

二、C/C-SiC制動材料制備工藝

C/C-SiC復合材料優異的低密度和高摩擦性能將使其成為未來飛機、高速列車的首選制動材料。但目前C/C-SiC摩擦材料的傳統制備方法制備周期長、成本高，成為限制其占領市場的巨大障礙。因此采用混合制備工藝，降低生產成本，是C/C-SiC復合材料主要成型研究方向。就當前而言，常見C/C-SiC制動材料制備工藝包括化學氣相滲透工藝（CVI）、前驅體轉化工藝（PIP）、熱壓燒結法（HP）及反應熔體浸滲工藝（RMI）等幾種方法，下文將分別展開說明。

1、化學氣相滲透工藝（CVI）及特點

化學氣相滲透法（CVI）是一種通過孔隙滲入在預制體內部沉積致密的技術。C/C-SiC復合材料的CVI制備工藝一般采用等溫CVI工藝，以三氯甲基硅烷(MTS)、四甲基硅烷(TMS)等為原料，H₂為載氣，Ar為稀釋氣體進行高溫抽真空沉積SiC基體。

采用該工藝可同時沉積多個不同形狀的預制件，且溫度和壓力均相對較低，但因原料氣體在爐中裂解速度較高，易在孔隙入口處形成高濃度堆積，使得預制體外部沉積速度大于內部沉積速度，產生密度梯度，因此只能沉積形狀簡單的薄壁件。此工藝制備周期長、效率低，而復合工藝過程復雜、技術難度大，導致生產成本一直居高不下。

2、先驅體浸漬裂解工藝及特點

先驅體轉化法（PIP），即先驅體浸漬裂解工藝是一種通過有機聚合物先驅體高溫裂解轉化制備陶瓷基復合材料，其特點是在高溫條件下，有機聚合物會發生一系列物理、化學變化，最終轉化為無機物，此工藝近年來以成型工藝簡單，制備溫度較低，可實現凈近成型，受到普遍關注，但也存在基體收縮大、孔隙率大、致密速度慢、生產周期長等缺陷。

PIP工藝的致密化效果和最終材料性能主要取決于所用的陶瓷先驅體、浸漬工藝和裂解工藝三個方面。目前國內外主要通過對PCS（聚碳硅烷，碳化硅陶瓷先驅體）進行改性或在PCS中添加活性填料來提高PCS的陶瓷轉化率，增加陶瓷基體的致密度，進而提高復合材料的性能。

研究工作示例：所俊、杜紅娜采用PIP法在1400℃、1500℃、1600℃三個不同的裂解溫度下制備了C/C-SiC復合材料，研究了裂解溫度對C/C-SiC復合材料力學性能的影響：經測試，在1400℃下制得的復合材料的強度最低，1600℃制得的復合材料強度最高。

3、熱壓燒結工藝及特點

熱壓燒結法又稱為料漿浸漬熱壓法。其主要工藝如下：讓浸掛有超細基體陶瓷粉末料漿的纖維無緯布按所需規格剪裁、層疊，最后熱模壓成型和熱壓燒結后制得復合材料。

研究工作示例：以熱壓燒結法為基礎，中南大學研究人員首創采用溫壓-原位反應燒結工藝，該工藝將短碳纖維、硅粉、炭粉、粘結劑等原材料按一定比例混合均勻，在模具中加熱固化成型后，使碳與硅在1500℃左右原位反應生成碳化硅基體，最終制得C/C-SiC復合材料。該工藝生產成本低且制備周期短、操作簡單，是一種具有成本優勢的制備C/C-SiC制動材料的新方法。

4、反應熔體浸滲工藝及特點

反應熔體浸滲法，也稱為液相熔融浸滲法。此工藝主要過程是在高溫真空環境中用熔融的Si對多孔C/C復合材料進行浸滲處理，使液態Si在毛細作用下滲入C/C多孔體中，并與C基體發生反應生成SiC基體。

與CVI、PIP工藝相比，RMI工藝具有制備周期短、成本低、殘余孔隙率低（2%-5%）等優點，是一種非常具有競爭力的工業化生產技術。但在制備C/C-SiC復合材料時，熔融Si與基體C發生反應的過程中,不可避免地會與C纖維發生反應浸蝕，導致性能下降；同時，復合材料中還殘留有一定量的Si，導致復合材料抗蠕變性能降低。影響RMI工藝制備C/C-SiC復合材料性能的主要因素有預制體、浸滲材料、浸滲工藝等。

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參考文獻：

1、高速列車用陶瓷基復合材料研究與制備現狀，西安航天復合材料研究所，郭鑫，鄭李威，王毅，李澤衛等著。

2、2016-2022年中國高鐵剎車片市場供需預測及投資戰略咨詢報告部分公開資料，智研咨詢集團。

粉體圈 編輯：小白