飞机、高速列车制动的秘密

随着高速列车、汽车、风力发电机组等现代交通运输工具和动力机械向高速高能载发展，其对制动摩擦材料提出了更高制动效能、更高安全性和可靠性、更苛刻环境适应性等要求。

碳陶摩擦材料，源自航空航天器热端部件用陶瓷基复合材料，是一种碳纤维增韧碳基和陶瓷基双基体先进复合材料，不仅继承了炭/炭摩擦材料“三高一低”的优点，即耐高温(≥1650℃)、高比强、高耐磨、低密度，还因基体中引入了SiC，有效提高了材料的抗氧化性能和摩擦系数，显著改善了摩擦性能在各种外界环境介质(潮气、霉菌和油污等)中的稳定性，已成为轻量化、高制动效能和全环境适用摩擦材料的一个重要研究方向，在飞机、高速列车、地铁、赛车、汽车、工程机械等高速、高能载、苛刻环境制动系统上具有广泛的应用前景。

各种交通运输工具(如汽车、火车、飞机、舰船等)和各种机器设备的制动器、离合器和摩擦传动装置中的摩擦副的作用是制动及传动，这是一个能量转化过程，即利用摩擦材料的摩擦性能将转动的动能转化为热能和其它形式的能量(声能、振动等)。

因此，摩擦材料最主要的特点是能够吸收动能并转化为热能，进一步将热能传入空气中，材料本身无剧烈磨损，也不破环摩擦副，在反复使用过程中能保持一定的制动和传动效率。

根据摩擦材料材质或基体的不同，摩擦材料分为树脂基摩擦材料、金属基摩擦材料、炭/炭复合材料和陶瓷基摩擦材料四类。以下重点介绍碳陶摩擦材料。

碳陶摩擦材料

碳陶(C/C-SiC)摩擦材料，即炭纤维增强炭基和陶瓷基双基体复合材料。与传统金属和半金属制动材料相比, C/C-SiC摩擦材料具有密度低、耐高温、高强度、摩擦性能稳定、磨损量小、制动比大和使用寿命长等优点；与炭/炭复合材料（C/C）相比，由于C/C-SiC摩擦材料中引入碳化硅陶瓷硬质材料作为基体，不仅有效提高了材料的抗氧化性和摩擦系数，而且显著改善了摩擦性能对外界环境介质(潮气、霉菌和油污等)的稳定性。

C/C-SiC摩擦材料已经成为轻量化、高制动效能和全环境适用摩擦材料的一个主要研究方向，被公认为新一代刹车材料，在高速列车、赛车、高档轿车等刹车系统上具有广泛应用前景。图1分别为SGL公司开发的保时捷汽车用C/C-SiC制动盘和中南大学开发的高速列车C/C-SiC制动盘。

图1 C/C-SiC制动盘

(a) SGL公司开发的保时捷用C/C-SiC制动盘; (b)中南大学开发的高速列车C/C-SiC制动盘

20世纪90年代中期，C/C-SiC复合材料开始应用于摩擦领域，成为最新一代高性能制动材料引起科研工作者广泛的关注和重视。德国斯图加特大学和德国宇航局于1995年率先开始采用连续碳纤维编织制备C/C-SiC摩擦材料的研究，并于2002年研制出了高档轿车制动系统用C/C-SiC摩擦材料制动盘，应用于Porsche(保时捷)轿车后整车的非悬挂重量减轻了16.5kg，而有效摩擦力提高了25%。

SAB Wabco公司在1998年于英国伯明翰举行的铁路技术博览会上展出了其采用碳陶摩擦材料制备的制动盘和制动垫片，并将该材料应用于法国TGV-NG高速列车，实践证明其使用寿命可提高三到五倍，单个车厢减轻近1吨。我国在2001年由中南大学率先开展C/C-SiC摩擦材料的研究，其后西北工业大学等也开展了相关研究。

更轻的汽车刹车盘意味着悬挂下重量的减轻。这令悬挂系统的反应更快，因而能够提升车辆整体的操控水平，例如采用碳陶刹车盘的Mercedes-Benz的SLR Mclaren型车，其前轮刹车盘直径为370mm但重量仅为6.4kg，而采用普通刹车盘的CL-CLASS其前盘直径为360mm但重量高达15.4kg。

另外，普通的刹车盘容易在全力制动下因高热产生热衰退，而碳陶刹车盘能有效而稳定的抵抗热衰退，其耐热效果比普通刹车盘高出许多倍。还有，碳陶刹车盘在制动最初阶段就立刻能产生最大的刹车力，因此甚至无需刹车辅助增加系统，而整体制动比传统刹车系统更快、距离更短、为了抵抗高热，在制动活塞与刹车衬块之间有陶瓷来隔热，碳陶刹车盘有非凡的耐用性，如果正常使用是终生免更换的，而普通的铸铁刹车盘一般用上几年就要更换。

本文摘编自肖鹏、熊翔、李专著《碳陶摩擦材料的制备、性能与应用》第1、2章，内容有删减。

碳纤维增强碳基和碳化硅基（碳陶）摩擦材料，是20世纪90年代中期发展起来的新一代高性能制动材料，具有耐高温、抗腐蚀、摩擦系数高且稳定、耐磨损、全环境适用和使用寿命长等一系列特点。《碳陶摩擦材料的制备、性能与应用》深入地总结作者15年来在碳陶摩擦材料领域的研究成果，系统地介绍碳陶摩擦材料的发展历史、不同方法制备碳陶摩擦材料的工艺与原理、材料的本征结构和性能、碳陶摩擦材料在不同制动系统上的考核和应用情况等。

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