飛機、高速列車制動的秘密

隨著高速列車、汽車、風力發電機組等現代交通運輸工具和動力機械向高速高能載發展，其對制動摩擦材料提出了更高制動效能、更高安全性和可靠性、更苛刻環境適應性等要求。

碳陶摩擦材料，源自航空航天器熱端部件用陶瓷基復合材料，是一種碳纖維增韌碳基和陶瓷基雙基體先進復合材料，不僅繼承了炭/炭摩擦材料“三高一低”的優點，即耐高溫(≥1650℃)、高比強、高耐磨、低密度，還因基體中引入了SiC，有效提高了材料的抗氧化性能和摩擦系數，顯著改善了摩擦性能在各種外界環境介質(潮氣、霉菌和油污等)中的穩定性，已成為輕量化、高制動效能和全環境適用摩擦材料的一個重要研究方向，在飛機、高速列車、地鐵、賽車、汽車、工程機械等高速、高能載、苛刻環境制動系統上具有廣泛的應用前景。

各種交通運輸工具(如汽車、火車、飛機、艦船等)和各種機器設備的制動器、離合器和摩擦傳動裝置中的摩擦副的作用是制動及傳動，這是一個能量轉化過程，即利用摩擦材料的摩擦性能將轉動的動能轉化為熱能和其它形式的能量(聲能、振動等)。

因此，摩擦材料最主要的特點是能夠吸收動能并轉化為熱能，進一步將熱能傳入空氣中，材料本身無劇烈磨損，也不破環摩擦副，在反復使用過程中能保持一定的制動和傳動效率。

根據摩擦材料材質或基體的不同，摩擦材料分為樹脂基摩擦材料、金屬基摩擦材料、炭/炭復合材料和陶瓷基摩擦材料四類。以下重點介紹碳陶摩擦材料。

碳陶摩擦材料

碳陶(C/C-SiC)摩擦材料，即炭纖維增強炭基和陶瓷基雙基體復合材料。與傳統金屬和半金屬制動材料相比, C/C-SiC摩擦材料具有密度低、耐高溫、高強度、摩擦性能穩定、磨損量小、制動比大和使用壽命長等優點；與炭/炭復合材料（C/C）相比，由于C/C-SiC摩擦材料中引入碳化硅陶瓷硬質材料作為基體，不僅有效提高了材料的抗氧化性和摩擦系數，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摩擦材料已經成為輕量化、高制動效能和全環境適用摩擦材料的一個主要研究方向，被公認為新一代剎車材料，在高速列車、賽車、高檔轎車等剎車系統上具有廣泛應用前景。圖1分別為SGL公司開發的保時捷汽車用C/C-SiC制動盤和中南大學開發的高速列車C/C-SiC制動盤。

圖1?C/C-SiC制動盤

(a) SGL公司開發的保時捷用C/C-SiC制動盤; (b)中南大學開發的高速列車C/C-SiC制動盤

20世紀90年代中期，C/C-SiC復合材料開始應用于摩擦領域，成為最新一代高性能制動材料引起科研工作者廣泛的關注和重視。德國斯圖加特大學和德國宇航局于1995年率先開始采用連續碳纖維編織制備C/C-SiC摩擦材料的研究，并于2002年研制出了高檔轎車制動系統用C/C-SiC摩擦材料制動盤，應用于Porsche(保時捷)轎車后整車的非懸掛重量減輕了16.5kg，而有效摩擦力提高了25%。

SAB Wabco公司在1998年于英國伯明翰舉行的鐵路技術博覽會上展出了其采用碳陶摩擦材料制備的制動盤和制動墊片，并將該材料應用于法國TGV-NG高速列車，實踐證明其使用壽命可提高三到五倍，單個車廂減輕近1噸。我國在2001年由中南大學率先開展C/C-SiC摩擦材料的研究，其后西北工業大學等也開展了相關研究。

更輕的汽車剎車盤意味著懸掛下重量的減輕。這令懸掛系統的反應更快，因而能夠提升車輛整體的操控水平，例如采用碳陶剎車盤的Mercedes-Benz的SLR Mclaren型車，其前輪剎車盤直徑為370mm但重量僅為6.4kg，而采用普通剎車盤的CL-CLASS其前盤直徑為360mm但重量高達15.4kg。

另外，普通的剎車盤容易在全力制動下因高熱產生熱衰退，而碳陶剎車盤能有效而穩定的抵抗熱衰退，其耐熱效果比普通剎車盤高出許多倍。還有，碳陶剎車盤在制動最初階段就立刻能產生最大的剎車力，因此甚至無需剎車輔助增加系統，而整體制動比傳統剎車系統更快、距離更短、為了抵抗高熱，在制動活塞與剎車襯塊之間有陶瓷來隔熱，碳陶剎車盤有非凡的耐用性，如果正常使用是終生免更換的，而普通的鑄鐵剎車盤一般用上幾年就要更換。

本文摘編自肖鵬、熊翔、李專著《碳陶摩擦材料的制備、性能與應用》第1、2章，內容有刪減。

碳纖維增強碳基和碳化硅基（碳陶）摩擦材料，是20世紀90年代中期發展起來的新一代高性能制動材料，具有耐高溫、抗腐蝕、摩擦系數高且穩定、耐磨損、全環境適用和使用壽命長等一系列特點。《碳陶摩擦材料的制備、性能與應用》深入地總結作者15年來在碳陶摩擦材料領域的研究成果，系統地介紹碳陶摩擦材料的發展歷史、不同方法制備碳陶摩擦材料的工藝與原理、材料的本征結構和性能、碳陶摩擦材料在不同制動系統上的考核和應用情況等。

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