刹车界的“大佬”——碳陶瓷刹车

网络上曾有爱车人士表示，仅仅给自己的跑车更换一套碳陶瓷刹车系统的花费都够另买一辆B级车的，例如享受法拉利公司提供的碳陶瓷刹车系统选装服务，可能你就需要支付超过25万人民币的费用。如此昂贵的定价，对碳陶瓷刹车尊称一声刹车界的“大佬”也不为过。而碳陶瓷刹车系统出现的契机是什么、它的价格为何如此昂贵？

这还要从汽车的制动系统说起。汽车制动系统作为一个能量转换的过程工具，需要将汽车行驶过程中所具备的动能转换为热能。若是将一吨多重的汽车推动到上百公里时速这是需要耗费非常大的能量的，反之要把时速上百公里的汽车短时间内减速到零同样也是需要相似的能量，这就需要汽车的动能可以转换成热能并且快速散发到空气中去，这一整套过程都是由汽车制动系统完成。所以通过刹车盘的摩擦来转换如此巨大的能力，然后再将刹车盘的热能散发到外界时，其自身的温度在汽车制动时相当之高，严重过热还会发红。因此优质的刹车盘在耐高温、散热等方面的要求都不低。

传统的刹车盘是用金属材料制成，耐热性差，若表面温度升温过高接近金属自身熔点，会使整个金属刹车盘的工程强度减弱，导致整个汽车制动效果的削弱。这种热衰退现象若要从根本上解决就必须提高刹车盘和刹车片的耐热性能。研究表明碳陶瓷材料可以很好的改善这些问题，碳陶瓷刹车系统应运而生。

碳陶瓷（C/SiC）刹车材料作为近年来发展的一种新型刹车材料，具有密度低、耐高温、摩擦性能高且稳定等优点。碳陶瓷刹车系统的核心在于刹车盘，其材质是在碳纤维和碳化硅在1700℃的高温下经过合成的增强型复合陶瓷，不仅在耐受高温方面极为出色，且在同等尺寸的情况下重量上也比传统刹车盘要轻一半以上。

图1.碳陶瓷刹车盘 via网络

目前广泛用于高速列车、汽车和飞机上的刹车材料主要是粉末冶金和C/C复合材料。然而，粉末冶金刹车材料存在高温容易粘结、摩擦性能易衰退、高温强度下降显著、抗热震能力差、使用寿命短等缺点；而C/C刹车材料存在静态和湿态摩擦系数低（湿态相对干态衰减约50%）、热库体积大、生产周期长（约1200h）及生产成本高等问题，制约了其进一步发展及应用。

碳陶瓷刹车材料在现实中的应用举例：

·德国宇航院（DLR）Walter Krenkel等人以高档轿车刹车盘为应用目标，对C/SiC刹车材料进行了研究，目前已在保时捷911、奥迪A8L、法拉利等高档汽车上得以应用。

·美国Starfire公司研究先驱体转化法制备C/SiC刹车材料，并应用于摩托车刹车片。

·西北工业大学张立同院士科研团队于2001年率先研究碳陶刹车材料，到14年为止碳陶刹车盘已在两重点型号战机上定型，进入批产阶段，在多个型号战机上进行试飞验证。

碳陶刹车材料作为近年来继粉末冶金材料和C/C复合材料之后发展的一种高性能刹车材料。与传统金属及半金属刹车材料相比，其具有密度低、强度高、摩擦性能稳定、摩擦量小、制动比大、耐高温、使用寿命长等优点。与C/C复合材料相比，由于引入了适量SiC陶瓷硬质材料作基体，材料的抗氧化性和摩擦系数得以提高，而且摩擦性能对外界环境介质（霉菌和油污、潮湿等）不敏感。因此，碳陶瓷C/SiC刹车材料在高速列车、汽车、飞机等领域具有广阔应用前景。

碳陶瓷刹车盘之所以能改善汽车制动时出现的热衰退现象是因为作为陶瓷改性刹车片，其改变了其滑动摩擦方式、改变了传统剪切摩擦方式，制动时不会划伤制动盘。在使用过程中会产生碳膜，制动盘的表面光滑如镜，不会出现摩擦犁沟而变得更平整，从而增大摩擦面使摩擦力变得更加稳定，制动性更强。而除去重量优势之外，耐磨蚀碳陶瓷刹车系统的另一大优势，因其表面有大量的碳化硅，而碳化硅作为人类已知的最坚硬的物质，能够使得碳陶瓷的寿命高达30年之久。

劣势：碳陶瓷刹车尽管优势丰富，但其制作工艺极其复杂，需要把原材料放在高温高压的环境下经过很长时间的压铸，严苛的制作工艺导致产量难以大幅度增加，因此价格攀升，这也限制碳陶瓷的大面积应用。