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碳化硅:碳纤维刹车片的“点睛之笔”
2018月08月10日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:52
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目前,无论是在汽车、火车,还是飞机、坦克等重型机械的刹车系统中,刹车片都是其中最为关键的安全零件之一。刹车片材料性能的好坏直接影响着车辆的制动性能,更关乎驾驶人员的生命安全。

 

碳化硅的密度低,抗氧化性好,耐高温,耐腐蚀等优良的特点,促使其在刹车系统领域占据重要地位。2017年1月召开的国家科学技术奖励大会上,西工大张立同院士凭借“碳化硅陶瓷基复合材料飞机刹车盘应用项目”荣获国家技术发明二等奖,更确定了碳化硅作为刹车片研发领域明星材料的地位。

 

1 保时捷刹车片(图片来源:车神榜网)

 

为了进一步了解碳化硅在刹车片领域的应用,我们先从理想的刹车片应具备的性能说起。

 

理想的刹车片

在汽车的刹车系统中,刹车片是最关键的安全零件,车辆的减速、停止全部依靠刹车片与制动盘的摩擦来实现。理想的刹车片应具备以下性能:

 

1 理想刹车片性能要求及其解释

性能要求

解释

良好的制动性能

摩擦系数是决定刹车片制动性能的关键,摩擦系数太高(高于0.4)制动过程中车轮容易抱死,方向失控,造成翻车事故或烧片;摩擦系数太低(低于0.3)刹车时制动距离过长甚至刹车失灵

合适的硬度

硬度太高刹车时就会产生噪音

硬度太小无法满足制动性能要求

寿命长

前刹车片3~5万公里的使用寿命,后刹车片5~7万公里,高性能碳纤维刹车片寿命达到十几万公里

比较低的磨损率

制动过程中,优质的刹车片会在刹车盘摩擦表面生成一层保护膜,减少刹车盘的磨损,而劣质刹车片含有大量硬点和杂质,会在刹车盘表面拉出许多沟槽,加速刹车片和刹车盘的磨损

较高的孔隙率

摩擦表面出现热分解物时,刹车片自身的大量气孔自动吸纳和散失一部分,易于散热;并且,气孔率高,能有缓冲、减震和降噪效果

抗高温性

应在1000℃左右保证刹车片性能不变

环保

无噪音、低能耗、无粉尘

稳定性

耐腐蚀、耐油、耐水

导热性良好

汽车在频繁刹车情况下,刹车片温度达500~700℃,若热量不及时散走,极易对轮毂产生伤害最终将导致刹车失灵

 

锦上添花的碳化硅

刹车材料经历了铸铁、钢铁材料、铝基复合材料、C/C复合材料(以下简称“碳碳材料”)到C/C-SiC复合材料(以下简称“碳陶材料”)的几代发展。其中,粉末冶金材料存在密度高、易氧化、使用寿命短等缺陷。碳碳材料刹车片在克服传统材料缺陷基础上,具有刹车平稳、磨损失重率小、热容量大等优势。

 

2 铜基粉末冶金刹车片(图片来源:慧聪网)

 

碳碳材料主要由炭纤维、石墨和自由碳组成,而碳陶材料是在碳碳材料基础上,加入碳化硅陶瓷,因此称为碳陶。碳化硅的加入,使得碳碳材料性能大幅提升。接下来通过具体的表格对比,看看碳化硅如何为碳碳材料画上“点睛之笔”。

 

高手间的比拼

碳碳材料与碳陶材料均属于刹车片中的“贵族”,均具有密度低、热容量大、耐磨损、耐腐蚀等突出优点,综合性能是一般半金属刹车片所不能比拟的。一套意大利全进口的布雷博刹车系统动辄十几万元。高手间的过招可以从力学性能和摩擦性能两方面进去对比。

 

2 布雷博刹车系统价格高昂(图片来源:中国设计之窗)

 

研究人员分别通过化学气相渗透(CVI)工艺制备出碳碳复合材料,密度为1.70~1.75g/cm3,碳纤维体积含量约为30%;碳陶复合材料采用CVI结合反应熔体浸渗(RMI)工艺制备,密度约为2.1g/cm3,碳纤维体积含量约为30%。

 

通过一系列的力学实验测得其力学性能,得表2。

 

2 碳碳材料与碳陶材料力学性能对比

 

拉伸强度/MPa

压缩强度/MPa

弯曲强度/MPa

层间剪切强度/MPa

面内剪切强度/MPa

冲击韧/(kJ/m2)

密度/(g/cm3)

碳纤维体积含量

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%

 

根据表2可以发现,碳陶复合材料表现出比碳碳材料更优异的静态力学性能,如拉伸强度、压缩强度、层间剪切强度何面内剪切强度分别比碳碳复合材料提高44%、67%、100%、173%。碳陶材料还表现出优异的抗冲击性能,冲击韧性高达36kJ/m2,与金属材料相当。

 

研究人员利用电模拟惯量试验台测试了碳碳和碳陶刹车材料的摩擦性能,得到表3。表3为两者中材料不同环境下动摩擦系数的对比。

 

3 碳碳材料与碳陶材料摩擦性能对比

 

动摩擦系数

干燥

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

 

根据表3可以发现,碳碳材料在淡水、海水条件下其摩擦下数显著下降,而碳陶材料由于碳化硅的加入,其动摩擦系数基本没有变化。

 

综上所述,碳化硅的加入,使得碳碳材料不再惧怕水、盐等环境,其干湿摩擦系数相当,同时,碳化硅使得碳碳材料密度增强,整体力学性能增强,冲击韧性甚至与金属材料相当。

 

总结

C/C-SiC复合材料无疑将是新一代刹车片材料。目前,碳陶刹车片已经应用于保时捷911、帕加尼Zonda R以及兰博基尼LP700等车型。但是,适合的才是最好的。高性能的产品并不代表一定会有最好的使用效果,能否发挥其自身的优势还取决于其使用环境。

 

4 保时捷GT4上仍采用碳陶刹车片(图片来源:新浪汽车)

 

对于汽车用碳碳材料与碳陶材料的使用而言,部分性能其实已经存在“性能过剩”。一般的使用环境,其抗氧化性、传热效果、干湿摩擦效果等性能的相对优异就显得不是那么重要。例如,法拉利的F1赛车上用的是碳碳材料,但法拉利的458上用的却是碳陶材料。这是因为碳碳材料在重载下,摩擦系数升高,制动能力增强,这无疑受到追求速度极致的赛车手们的青睐;相反,碳陶材料的摩擦系数过于稳定,不会随着载荷变化而变化,因此更适合追求安全性和舒适性的驾驶者。

 

参考文献

高性能C/SiC刹车材料及其优化设计;西北工业大学自动化学院,田广来,西北工业大学超高温结构复合材料国防科技重点实验室,徐永东,范尚武,张立同,成来飞;西安航空制动科技有限公司,田广来,柯少昌,刘海平。

 

C/C-SiC刹车材料的研究进展;国防科技大学航天科学与工程学院新型陶瓷纤维及其复合材料重点实验室,孙国帅,刘荣军,曹英斌,张长瑞。

 

By:火宣


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