中國粉體網(wǎng)訊 剎車材料經(jīng)歷了從石棉材料、半金屬材料、粉末冶金材料到碳碳復(fù)合材料和碳陶復(fù)合材料的發(fā)展。粉末冶金剎車材料存在高溫容易粘結(jié)、摩擦性能易衰退、高溫強(qiáng)度下降顯著、抗熱震能力差、使用壽命短等缺點(diǎn);而C/C剎車材料存在靜態(tài)和濕態(tài)摩擦系數(shù)低(濕態(tài)相對干態(tài)衰減約50%)、熱庫體積大、抗氧化性能差、生產(chǎn)周期長及生產(chǎn)成本高等問題,制約了其進(jìn)一步發(fā)展及應(yīng)用。
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碳陶剎車材料是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的一種以高強(qiáng)度C纖維為增強(qiáng)體,以熱解C、SiC等為基體的多相復(fù)合剎車材料,是在C/C復(fù)合剎車材料的基礎(chǔ)上,引入具有優(yōu)異抗氧化性能的SiC陶瓷硬質(zhì)材料作為基體的一種剎車材料,因此,又稱其為陶瓷剎車片。其既保持了C/C復(fù)合剎車材料密度低、耐高溫的優(yōu)點(diǎn),又克服了C/C剎車材料靜摩擦系數(shù)低、濕態(tài)衰減大、摩擦壽命不足及環(huán)境適應(yīng)性差等缺點(diǎn),成為新一代剎車材料。
碳陶剎車片起源
碳陶剎車最初起源于航空技術(shù),1969年法國宇航和英國飛機(jī)公司聯(lián)合打造的超音速客機(jī)協(xié)和式客機(jī)(theConcorde)首飛,這款飛機(jī)速度極快,從倫敦到紐約用時(shí)不到3小時(shí),曾創(chuàng)下了航班飛行的最快紀(jì)錄。性能如此強(qiáng)悍的飛機(jī)自然擁有強(qiáng)勁的加速表現(xiàn),它的平均起飛速度高達(dá)400km/h,進(jìn)場速度當(dāng)然也差不多這個(gè)數(shù),要想在如此高速的情況下將一臺重達(dá)185噸的客機(jī)剎停需要有強(qiáng)大且耐高溫的剎車系統(tǒng)。于是他們找到了鄧祿普(Dunlop)為協(xié)和式客機(jī)開發(fā)出世界上首套航空用碳陶制動系統(tǒng),這套剎車系統(tǒng)能將305km/h行駛的協(xié)和式客機(jī)在1600米的距離內(nèi)剎停。
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顯然碳陶剎車技術(shù)在航空領(lǐng)域取得了不錯(cuò)的成績,但當(dāng)時(shí)車用的碟剎系統(tǒng)才剛開始在乘用車上流行,自然與價(jià)格昂貴的碳陶剎車無緣。
時(shí)間來到1976年,當(dāng)時(shí)汽車設(shè)計(jì)大師戈登·穆雷正為布拉漢姆(Brabham)車隊(duì)的F1賽車減重工作發(fā)愁,他嘗試用碳陶材料制作剎車卡鉗,因?yàn)樘继談x車碟的重量幾乎只有鋼質(zhì)的一半,如果碳陶剎車能成功用到F1賽車上,將能大大提升車輛性能。
經(jīng)過一番周折,最終他找到了一家名叫Hitco的材料公司,他們制作出整塊的碳陶剎車碟,并用鋁制鐘罩將其安裝上車輪,于是首套車載碳陶剎車系統(tǒng)被搭載到了布拉漢姆車隊(duì)本賽季的F1新車BT45上。雖然最終成績不咋地,但這并不妨礙碳陶剎車被一步步推廣到其它車隊(duì),最終占領(lǐng)整個(gè)F1賽事成為主流剎車材料。
在此后很長一段時(shí)間里,碳陶剎車都停留在賽車場內(nèi),民用車之所以不搭載這種技術(shù),除了造價(jià)過高外,更多可能是因?yàn)楫?dāng)時(shí)的民用車并不需要這種極端性能吧。直到1997年,有兩家零部件公司開始研究民用領(lǐng)域的碳陶剎車技術(shù),他們分別是世界領(lǐng)先的碳制品制造商SGL與大家耳熟能詳?shù)腂rembo。
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SGL和保時(shí)捷在項(xiàng)目啟動后的第二年,也就是1999年,就在法蘭克福展覽會上發(fā)布了全球首款民用碳陶剎車碟,并在2000年將其搭載到保時(shí)捷最新的高性能跑車996 Turbo上。
2002年,Brembo拿出了量產(chǎn)產(chǎn)品,他們找來了法拉利站臺,并將自家首款碳陶剎車搭載到法拉利Enzo上,要知道Enzo可是用法拉利創(chuàng)始人名字命名的超跑,它能采用Brembo的新產(chǎn)品,也從側(cè)面說明這套剎車系統(tǒng)的性能強(qiáng)大。
即便碳陶剎車已經(jīng)被民用了二十多年,它的造價(jià)依然因?yàn)閺?fù)雜的制造工藝居高不下,以至于今天大家能見到的碳陶剎車系統(tǒng)多出現(xiàn)在少數(shù)高性能車上,但隨著新能源汽車的普及以及碳陶技術(shù)、成本控制的不斷推進(jìn),碳陶剎車片已經(jīng)在新能源汽車賽道嶄露頭角。
2022年,特斯拉為旗下Model S Plaid車型提供全新碳陶剎車系統(tǒng)。這套系統(tǒng)所含制動零部件包括:碳陶制動盤、制動卡鉗、剎車片、鋁合金(合金鋼)合頭、緊固螺栓等,四個(gè)車輪各自配上一套碳陶剎車系統(tǒng)。特斯拉此番率先商用碳陶剎車系統(tǒng),有人認(rèn)為這將引領(lǐng)電動汽車的剎車升級。
碳陶“上車”優(yōu)勢與劣勢
有人形容碳陶剎車片是被電動汽車“吹”起來的新制動材料,此“吹”并非“吹捧”之意,而是碳陶剎車片趁電動車這陣東風(fēng)起飛之意。
如果在傳統(tǒng)燃油車時(shí)代,就算再過上10年20年,或許碳陶剎車片依然是“奢侈品”。而在電動車時(shí)代,兩方面優(yōu)勢似乎讓陶瓷剎車片“上車”之路變得通順了很多。
首先是輕量化優(yōu)勢。在汽油車時(shí)代,根據(jù)歐洲汽車工業(yè)協(xié)會的研究,汽車質(zhì)量每下降100公斤,百公里油耗可下降0.4L左右,碳排放大約可以減少1公斤。因此,汽車輕量化能夠有效降低碳排放。
新能源車與燃油車相比,雖然沒有了發(fā)動機(jī)和變速箱,但是增加了電池組,重量相對于燃油車更重,因此,汽車輕量化對于節(jié)能與新能源汽車領(lǐng)域的發(fā)展更為關(guān)鍵。
碳陶剎車能有效降低懸掛系統(tǒng)以下重量,能更好的地適配新能源車,降低里程焦慮。傳統(tǒng)鑄鐵盤一個(gè)大概要10公斤以上,而碳陶剎車盤一個(gè)僅重6公斤左右。相當(dāng)于50%的減重比例,4個(gè)剎車盤可以減重20公斤上下;上沦|(zhì)量相比簧上基本有5倍的減重效果。這就好比你背個(gè)鐵塊,和把鐵塊綁在腳上行走一個(gè)意思,負(fù)重感肯定是不一樣的。那么碳陶剎車盤帶來的20公斤減重,相當(dāng)于車身減重100公斤的效果,這樣續(xù)航里程可以提升幾十公里。
另外,電動車相比燃油車有一個(gè)最大優(yōu)勢、也是最大賣點(diǎn),就是加速性能強(qiáng)了不少。現(xiàn)在30萬的電動車,動不動零百加速就搞到4秒,都快趕上超跑了。這開的快也得剎得住才行,所以電動車對于制動性能的訴求是越來越高的,陶瓷剎車片能更好地滿足這方面的要求。
在實(shí)際使用中,制動過程實(shí)際上是摩擦力將動能轉(zhuǎn)化為熱能的過程,如制動器的熱量不能及時(shí)散出,將會影響其制動效果。當(dāng)我們開著一臺一噸多重的車在上百公里時(shí)速下將速度降為零,這個(gè)時(shí)候制動系統(tǒng)需要將巨大的動能轉(zhuǎn)化為熱能。
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這時(shí)普通的剎車盤在全力制動下容易高熱而產(chǎn)生熱衰退,制動性能會大打折扣,而陶瓷剎車盤有很好的抗熱衰退性能,其耐熱性能要比普通制動盤高出許多倍。而且陶瓷制動盤在制動最初階段就能產(chǎn)生最大的制動力,整體制動要比傳統(tǒng)制動系統(tǒng)更快,制動距離更短。
當(dāng)然,陶瓷剎車片的劣勢也非常明顯,那就是太貴了,這是由其工藝復(fù)雜、生產(chǎn)難度大、生產(chǎn)周期長等因素導(dǎo)致的。海外頭部碳陶制動盤生產(chǎn)企業(yè)主要客戶為高端跑車生產(chǎn)商,產(chǎn)品單價(jià)很高,以海外頭部企業(yè)布雷博為例,單個(gè)碳陶盤的產(chǎn)品價(jià)格超過10萬元人民幣。
因此,高昂的價(jià)格是陶瓷剎車片一直未能“落入尋常百姓家”的主要原因。
市場空間巨大,國產(chǎn)替代空間較大
早期由于工藝復(fù)雜、生產(chǎn)難度大、生產(chǎn)周期長等多個(gè)壁壘,導(dǎo)致碳陶剎車片成本居高不下,在特斯拉商用之前,碳陶剎車系統(tǒng)主要應(yīng)用于航空航天、高速列車市場,汽車領(lǐng)域只有賽車和跑車,如保時(shí)捷、賓利、布加迪和蘭博基尼等高端車型配置了碳陶剎車系統(tǒng)。隨著國內(nèi)新能源汽車的快速發(fā)展,行業(yè)規(guī)模擴(kuò)大、技術(shù)升級、自動化水平提升和碳纖維價(jià)格下降,未來幾年成本有望大幅下降,碳陶盤的滲透率有望不斷提高。據(jù)相關(guān)機(jī)構(gòu)預(yù)測,2025年國內(nèi)市場有望達(dá)到78億元,2030年國內(nèi)市場規(guī)模有望超過200億。這或許將是一個(gè)全新的市場,一旦突破將成為汽車安全的賣點(diǎn),發(fā)展速度有望超出我們預(yù)期。
圖片圖片來源:山東道普安制動材料有限公司
同時(shí),該行業(yè)屬于藍(lán)海市場,國產(chǎn)替代空間較大。受制于工藝復(fù)雜、生產(chǎn)難度大、生產(chǎn)周期長等多個(gè)壁壘,國內(nèi)能夠量產(chǎn)碳陶盤的企業(yè)較少。碳陶復(fù)合材料剎車盤供應(yīng)商主要包括意大利Brembo、英國SurfaceTransformsPlc、美國Fusionbrakes等,國內(nèi)掌握高性能碳/陶復(fù)合材料剎車盤制備技術(shù)的企業(yè)較少,國產(chǎn)替代的空間較大。
我國的制動材料行業(yè)在國際中一直處于相對落后的地位,主要是因?yàn)橐郧皣鴥?nèi)汽車行業(yè)產(chǎn)量少、車型品種單一,使得汽車行業(yè)發(fā)展緩慢,導(dǎo)致制動系統(tǒng)并無太大的改進(jìn)。近年來,我國汽車制動材料行業(yè)已取得了較大的發(fā)展,正著力發(fā)展新型制動材料,大部分制動材料生產(chǎn)企業(yè)科研能力、研發(fā)水平、生產(chǎn)設(shè)備和工藝都在不斷加強(qiáng),使得制動材料產(chǎn)品質(zhì)量逐漸提升,產(chǎn)品性能趨于穩(wěn)定。隨著國產(chǎn)企業(yè)在該領(lǐng)域技術(shù)不斷突破,以及新能源車“增配、高配、智能化”趨勢的不斷演進(jìn),國產(chǎn)新能源汽車碳陶盤的滲透率有望不斷提高。
2023年9月12日,中國粉體網(wǎng)將在合肥舉辦“第一屆電動車用陶瓷材料技術(shù)研討會”,為了讓大家進(jìn)一步了解陶瓷剎車材料的“上車”情況,我們邀請來自山東道普安制動材料有限公司的劉汝強(qiáng)總經(jīng)理作題為《碳陶制動盤在新能源汽車領(lǐng)域的應(yīng)用與展望》報(bào)告,一起來聽一聽業(yè)內(nèi)專家聊聊碳陶剎車片與新能源汽車的故事~~~
參考來源:
[1]從天空到陸地,從賽道到街道:碳陶剎車起源.跑車誌
[2]技術(shù)前沿:電動汽車碳陶剎車盤.招商證券
[3]碳陶剎車,百億市場爆發(fā)元年?.工業(yè)4點(diǎn)0
[4]豪車標(biāo)配——碳陶剎車片,將“飛入尋常百姓家”.粉體網(wǎng)
(中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川)
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