原创 | 了解碳碳复合材料摩擦制动盘的几个关键问题

说起碳碳复合材料，我们都知道，在光伏热场中，有很广泛的应用。其实，在摩擦材料中，碳碳复合材料的应用也不小。今天谈谈碳碳复合材料研究的几个问题，了解了这些，才真正了解碳碳复合材料。

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为什么碳碳复合材料可用在摩擦制动领域？

说起摩擦制动，你可能想到的就是刹车盘。没错，刹车盘就是最主要的摩擦制动部件。像我们普通家用汽车，用的刹车盘主要是铸铁和铸铝，有个很大的优点，便宜。但是这种制动盘也有个比较大的缺点，就是热衰退比较厉害。简单地说就是，刹车盘温度升高以后，刹车效果大打折扣。主要的原因就是，刹车的时候，刹车盘产生大量热量，导致刹车盘温度上升。铸铁和铸铝的材质，对温度敏感，温度高了，表面就产生流动性，导致摩擦系数下降，所以传统铸铁铸铝刹车盘热衰退比较大。

我们家用汽车用起来也没太大问题，毕竟很少用到急刹车，或者频繁刹车。但是，赛车、飞机、走山路的货车就非常关注热衰退的问题了。碳碳复合材料，重量轻、耐高温、没有热衰退，是最理想的摩擦制动材料。飞机、赛车已经在使用了，未来一些高端性能车，也在开始选用碳碳复合材料，作为制动盘材质了。

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碳碳复合材料有哪些分类？

上面我们说了碳碳复合材料，其实在摩擦制动领域用的碳碳复合材料，严格意义上来讲，有两种。一种是碳纤维增强碳基体复合材料，也就是碳碳复合材料，一种是碳纤维增强碳和碳化硅基体复合材料，也就是碳/碳-碳化硅复合材料。前者写作C/C，后者写作C/C-SiC。其实C/C-SiC复合材料就是在C/C基础上，通过渗硅工艺，引入SiC成分，来改善摩擦系数，并使C/C具备一定的抗氧化能力。

三种预制体

制作C/C复合材料，首先要把碳纤维，编织成预制体，然后再在预制体内部引入碳基体。目前主要的预制体主要分为三个类别，短纤维模压预制体、碳布叠层预制体、针刺预制体。

短纤维模压预制体，就是将短碳纤维混合一定的树脂，进行模压，和我们做CFRP工艺类似。这种预制体纤维方向比较杂乱，基本属于各向同性。

碳布叠层预制体，主要是用单向布或者编织布，一层一层的铺叠起来，形成预制体。这种预制体是分层的，在每层内力学性能比较强，但是层与层之间，容易分层。

针刺预制体，主要是先把碳纤维按照X-Y平面内梳理成网胎，然后利用针刺板，在Z方向上引入纤维，形成整体毡。这种预制体的好处就是在XYZ三个方向均有纤维，力学性能都可以得到保障。

三种制备方法

制备C/C复合材料，主要有三种方法。所谓的制备，就是在预制体内引入碳基体。根据引入的形式不一样，分为三种。因为我们没有办法把碳制作成液态或者固态，加到预制体里面，只能通过间接的形式，也就是利用含碳的液体和含碳的固体引入到预制体里面，然后让含碳液体和含碳气体裂解产生固态的碳，形成碳基体。所以主要方法有化学气相渗透CVI、先驱体裂解PIP、反应熔渗RMI。

化学气相渗透CVI，就是将含碳气体，通入到预制体内，然后通过高温裂解的形式，将气体裂解，变成固态的碳基体。这种方法制造的碳碳复合材料致密度高，但是工艺周期比较长，设备和成本都比较贵。

先驱体裂解PIP，就是将含碳树脂加入到预制体里面，然后通过高温裂解的形式，形成固态的碳基体。这种工艺碳碳复合材料密度较低，需要不断的浸渍-炭化循环多次，才能达到一定的密度。所以，PIP通常跟CVI工艺混合使用。

反应熔渗RMI，主要是在C/C复合材料中引入SiC基体的时候用得到，主要是讲Si元素熔融了，浸渍到C/C复合材料的开启孔内，通过硅和碳反应生成碳化硅的形式，在C/C复合材料内部引入SiC成分。

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未来关注的问题

未来摩擦制动用碳碳复合材料主要关注三个问题：

1. 改进预制体结构和制备方法，实现低成本高效率的制造，才能在民用领域推广碳碳复合材料摩擦材料。

2. 研究增强体和其他材料的均匀性，在不影响性能的基础上，提升制动稳定性，降低制动噪音。

3. 通过设计耐高温氧化涂层，提高碳碳复合材料制动盘的使用寿命。