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碳陶制动盘,真的值得豪车一掷千金?
2023年11月08日 发布 分类:粉体加工技术 点击量:246
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保时捷官网的车辆配置系统中有一个“保时捷陶瓷复合制动系统(PCCB)”的选项,其价格高达五位数(美元),几乎够买一台全新飞度!这个昂贵的“PCCB”翻译成中文叫碳陶刹车系统(Ceramic Composite Brakes),是一种以碳化硅陶瓷复合材料为制动盘(刹车碟)的刹车系统。它具备哪些优势呢,值得起这个价格吗?


碳/陶刹车制动系统结构

C/C-SiC碳陶复合材料是一类碳纤维增强碳、碳化硅双基体复合材料,具有密度低、抗氧化、摩擦热稳定性好、低磨损、制动系统体积小以及环境适应性强等一系列优异性能,尤其弥补了C/C制动材料湿态摩擦因数低的不足,是极具竞争力的新一代摩擦材料,具有广泛的应用前景。碳陶刹车系统的刹车碟和刹车片跟普通金属基的材料不同,它是通过碳纤维原料与碳化硅等物质通过复杂加工合成。其中碳纤维决定刹车碟的强度和韧度,碳化硅决定刹车碟的硬度,两者决定了刹车碟的摩擦系数。


碳陶刹车盘与传统刹车盘主要参数对比

碳陶摩擦材料还有助于解决电动车的续航焦虑,因为碳陶刹车盘能够实现出色的减重和提升续航里程效果。传统铸铁盘每个重约10公斤,而碳陶刹车盘的重量仅为6公斤左右,相当于减少了50%的重量。刹车盘与车轮一起转动,称之为簧下质量。簧下质量相比簧上基本有5倍的减重效果。因此,碳陶刹车盘带来的20公斤减重相当于车身减重100公斤的效果。这样,续航里程可以提升几十公里。而且在性能方面,使用碳陶刹车盘能够缩短制动距离20%-30%,兼具无热衰退和无热变形的优点。

碳陶摩擦材料制备方法

碳陶摩擦材料制备的关键在于:制备过程中尽量减小纤维损伤,克服基体致密的“瓶颈效应”,在纤维与界面之间形成适当的结合强度。目前,碳陶复合材料的制备方法主要包括:化学气相渗透法(CVI)、先驱体转化法(PIP)和液态硅浸渗法(LSI,又名反应熔渗法,RMI)。此外,制动盘用碳陶复合材料须在表面制备抗氧化涂层改性,如磷酸盐和B4C,提高C/C复合材料的抗氧化性能。

 

C/C-SiC碳陶复合材料的3种不同制备方法示意图

(a)化学气相渗透法(CVI) (b)先驱体转化法(PIP) (c)液态硅浸渗法(RMI)

1、化学气相渗透法化学

气相渗透法(CVI)是将气态三氯甲基硅烷通入到高温反应室,反应气体在1000~1100℃、1~10kPa下渗入预制体内反应,生成固态SiC基体,该方法制备碳陶摩擦材料的优势为:(1)材料内部的残余热应力小,对碳纤维的损伤小;(2)CVI-SiC的基体均匀、可实现微观成分设计。

但缺点是因CVI工艺是气态转化成固态的沉积过程,在致密化效率和材料内部结构均匀性上存在不足:碳源气体和SiC前驱体的利用率低,陶瓷基体沉积效率低,制备周期较长(大于500h),导致生产成本高;且SiC渗透时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,影响材料的抗氧化性能以及高温力学性能。


CVI工艺示意图

2、先驱体转化法

先驱体浸渍裂解法(PIP)是将聚碳硅烷(PCS)有机先驱体浸入到纤维预制体内部,经900~1000℃高温裂解转化为SiC基体,该法制备碳陶摩擦材料的优势在于:(1)先驱体具有优异的可设计性,可针对PCS进行分子设计,赋予材料特殊性能;(2)PCS的裂解温度低,纤维损伤小,可减少材料内部热应力。但缺点是PIP法陶瓷产率较低(约50%),材料制备成本高,目前PIP法主要应用于国防领域产品的研制,国内的大学正开展PIP制备摩擦材料的尝试工作。


PIP工艺示意图

3、反应熔渗法

反应熔渗法(RMI)通过毛细作用将熔体硅或硅的金属化合物渗入多孔C/C材料中,使得Si与材料中的碳基体快速反应生成SiC基体。该方法制备碳陶摩擦材料具有周期短、生产成本低、材料致密度高、可实现近净尺寸成型的显著优点,是国内外工程化摩擦材料的主流技术。但是,RMI制备的碳陶摩擦材料中会残留一定量的Si,Si的高温稳定性较差,会降低材料的工作温度和抗蠕变性能。国内学者研究了残余Si对碳陶摩擦材料性能的影响,发现残余Si的硬度较高,容易在摩擦表面产生切削作用,形成微凸体的犁沟作用,合理控制残余Si的含量和分布是RMI法制备碳陶摩擦材料的关键所在。

RMI工艺示意图

CVI、PIP和RMI制备的碳陶摩擦材料具有不同的微观结构和成分组成,获得的复合材料性能存在较大差异。

CVI、PIP和RMI制备C/C-SiC碳陶复合材料典型显微结构示意图

碳陶复合材料的不同制备方法对比

摩擦性能优化途径

CVI、PIP和RMI 三种制备方法制备的碳陶材料的结构和性能都具有一定差异,RMI制备方法周期短,制备出的材料高温摩擦性能优异,因而成为应用于摩擦材料领域的碳陶材料的主要制备方法,也是国内研究最多的工艺方法。RMI法制备的碳陶摩擦材料性能优化主要分为3个方面:(1)采用硅合金熔渗,通过第三相与Si反应,降低碳陶材料中残余Si含量;(2)引入改性填料,增加碳陶摩擦材料的摩擦磨损性能;(3)设计摩擦层,提高摩擦膜的润滑性。

1、硅合金熔渗改性

国内研究人员分别通过混合Fe和Si粉、使用FeSi75合金粉替代Si粉,利用RMI工艺制备了改性的碳陶摩擦材料。这些改性材料消除了残余Si的影响,提高了材料的稳定性和耐磨性,降低了制备过程中的残余内应力,生成的FeSi和FeSi2相、α-FeSi2以及Fe2O3氧化膜分别增强了材料的韧性和耐磨性,并起到增强润滑、抑制氧化磨损的作用,提高了材料的抗磨损性能,延长了使用寿命。


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过添加B4C、石墨、BN、TiC等粒子来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体模量匹配,提高材料力学性能。同时B4C可降低材料的整体温度,增加了区域抗磨损能力,B4C氧化生成的B2O3有效防止摩擦界面和纤维的氧化,降低了摩擦界面因氧化而产生的脆性剥落现象,提高了材料的使用安全性能和制动稳定性。石墨的引入增加了碳陶摩擦材料导热和比热性能,有效降低了摩擦界面温度。同时石墨填料的润滑性可明显降低材料的磨损率,摩擦界面在制动过程中易形成连续、均匀、稳定和致密的摩擦膜,提高了摩擦界面的稳定性。

此外,也有学者分别通过液态浸渍法和反复浸渍法,成功将BN先驱体和TiC引入低密度短切纤维增强C基复合材料中,制备出BN改性C基体和Ti3SiC2改性的碳陶摩擦材料。这些改性材料具有优异的抗磨损性和更稳定的摩擦因数,提高了材料的性能和寿命。

Ti3SiC2改性的C/C-SC碳陶摩擦材料的微结构

3、摩擦层改性

陶瓷基自润滑复合涂层由硬质陶瓷、固体润滑剂和联结组元组成,保证了材料在摩擦发热环境下的稳定性。润滑剂产生的润滑膜具有减摩和耐磨作用,而附加组元则起到连接涂层各组元的作用。新型陶瓷基复合涂层不仅具有高硬度,还具有良好的抗氧化性能,在长期磨损运动过程中表现出良好的结构稳定性和耐高温抗变形能力。

研究人员通过激光熔覆制备了Al2O3/TiO2-Ni-WC陶瓷基复合涂层,研究摩擦试验后基体和涂层的表面形貌,观察到划痕深度下降,说明涂层具有良好的耐磨性。此外也有学者通过等离子喷涂制备了Al2O3/TiO2陶瓷基涂层,证明了添加TiO2可以提高耐磨性,且TiO2含量为40%时干滑动耐磨性最高。


(a)基体(b)Al2O3/TiO2-Ni-WC陶瓷基复合涂层:基体和涂层的磨损表面形貌

总结与展望

碳陶复合摩擦材料是新一代陶瓷基摩擦复合材料,逐渐广泛应用于高速制动领域。越来越多的跑车、高性能豪华轿车、SUV等都装配了碳陶复合材料制动系统。德国、法国、日本、英国等研究机构以及国内的西北工业大学、中南大学等,在C/C-SiC摩擦材料方面开展了大量研究工作。如美国公司也相继研制了碳陶飞机制动片,并在一些大型客机和战斗机中得到应用。国内西北工业大学张立同院士科研团队研制的碳陶制动盘已在航空飞行器上应用量产。

碳陶复合材料制动系统使用寿命长,性能优越,逐渐应用于汽车制动领域。2001年仅有约1000个碳陶制动片装配在保时捷跑车上,而2006年已有约6万个装配在各类汽车上,2014年更是超过10万个,呈快速增长趋势。


近年来,新能源汽车产业发展迅速,以电动车为代表。由于电池自重较大的原因,也导致其制动距离比燃油车更长。目前不少车企已经开始聚焦碳/陶制动盘技术,从而进一步解决新能源车的制动问题。特斯拉已于2021年推出碳/陶制动系统,并成功应用于旗下Model S Plaid车型。广汽埃安推出首款纯电超跑Hyper SSR,也同步搭配了碳/陶制动系统。碳/陶制动系统的国产化和量产化趋势正在快速到来。

 

 

参考文献:

[1]赵三庆,燕青芝,彭韬.铜基粉末冶金刹车块与不同制动盘配副的制动摩擦行为[J].粉末冶金工业,2021,

[2]刘庆帅,刘秀波,刘一帆,等. 陶瓷基高温自润滑复合涂层的制备及摩擦学性能研究进展[J].材料工程,2022

[3]黄剑,陈意高,吴小军,等.C/C-SiC摩擦材料研究及应用进展[J].轨道交通材料,2023

 


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