保時捷官網的車輛配置系統中有一個“保時捷陶瓷復合制動系統（PCCB）”的選項，其價格高達五位數（美元），幾乎夠買一臺全新飛度！這個昂貴的“PCCB”翻譯成中文叫碳陶剎車系統（Ceramic Composite Brakes），是一種以碳化硅陶瓷復合材料為制動盤（剎車碟）的剎車系統。它具備哪些優勢呢，值得起這個價格嗎？

碳/陶剎車制動系統結構

C/C－SiC碳陶復合材料是一類碳纖維增強碳、碳化硅雙基體復合材料，具有密度低、抗氧化、摩擦熱穩定性好、低磨損、制動系統體積小以及環境適應性強等一系列優異性能，尤其彌補了C/C制動材料濕態摩擦因數低的不足，是極具競爭力的新一代摩擦材料，具有廣泛的應用前景。碳陶剎車系統的剎車碟和剎車片跟普通金屬基的材料不同，它是通過碳纖維原料與碳化硅等物質通過復雜加工合成。其中碳纖維決定剎車碟的強度和韌度，碳化硅決定剎車碟的硬度，兩者決定了剎車碟的摩擦系數。

碳陶剎車盤與傳統剎車盤主要參數對比

碳陶摩擦材料還有助于解決電動車的續航焦慮，因為碳陶剎車盤能夠實現出色的減重和提升續航里程效果。傳統鑄鐵盤每個重約10公斤，而碳陶剎車盤的重量僅為6公斤左右，相當于減少了50%的重量。剎車盤與車輪一起轉動，稱之為簧下質量。簧下質量相比簧上基本有5倍的減重效果。因此，碳陶剎車盤帶來的20公斤減重相當于車身減重100公斤的效果。這樣，續航里程可以提升幾十公里。而且在性能方面，使用碳陶剎車盤能夠縮短制動距離20%-30%，兼具無熱衰退和無熱變形的優點。

碳陶摩擦材料制備方法

碳陶摩擦材料制備的關鍵在于：制備過程中盡量減小纖維損傷，克服基體致密的“瓶頸效應”，在纖維與界面之間形成適當的結合強度。目前，碳陶復合材料的制備方法主要包括：化學氣相滲透法(CVI)、先驅體轉化法(PIP)和液態硅浸滲法(LSI，又名反應熔滲法，RMI)。此外，制動盤用碳陶復合材料須在表面制備抗氧化涂層改性，如磷酸鹽和B₄C，提高C/C復合材料的抗氧化性能。

C/C-SiC碳陶復合材料的3種不同制備方法示意圖

(a)化學氣相滲透法(CVI) (b)先驅體轉化法(PIP) (c)液態硅浸滲法(RMI)

1、化學氣相滲透法化學

氣相滲透法(CVI)是將氣態三氯甲基硅烷通入到高溫反應室，反應氣體在1000～1100℃、1～10kPa下滲入預制體內反應，生成固態SiC基體，該方法制備碳陶摩擦材料的優勢為：(1)材料內部的殘余熱應力小，對碳纖維的損傷小；(2)CVI－SiC的基體均勻、可實現微觀成分設計。

但缺點是因CVI工藝是氣態轉化成固態的沉積過程，在致密化效率和材料內部結構均勻性上存在不足：碳源氣體和SiC前驅體的利用率低，陶瓷基體沉積效率低，制備周期較長(大于500h)，導致生產成本高；且SiC滲透時容易表面封孔形成密度梯度，使得CVI所得的材料存在10%～15%的孔隙率，影響材料的抗氧化性能以及高溫力學性能。

CVI工藝示意圖

2、先驅體轉化法

先驅體浸漬裂解法(PIP)是將聚碳硅烷(PCS)有機先驅體浸入到纖維預制體內部，經900～1000℃高溫裂解轉化為SiC基體，該法制備碳陶摩擦材料的優勢在于：(1)先驅體具有優異的可設計性，可針對PCS進行分子設計，賦予材料特殊性能；(2)PCS的裂解溫度低，纖維損傷小，可減少材料內部熱應力。但缺點是PIP法陶瓷產率較低(約50%)，材料制備成本高，目前PIP法主要應用于國防領域產品的研制，國內的大學正開展PIP制備摩擦材料的嘗試工作。

PIP工藝示意圖

3、反應熔滲法

反應熔滲法(RMI)通過毛細作用將熔體硅或硅的金屬化合物滲入多孔C/C材料中，使得Si與材料中的碳基體快速反應生成SiC基體。該方法制備碳陶摩擦材料具有周期短、生產成本低、材料致密度高、可實現近凈尺寸成型的顯著優點，是國內外工程化摩擦材料的主流技術。但是，RMI制備的碳陶摩擦材料中會殘留一定量的Si，Si的高溫穩定性較差，會降低材料的工作溫度和抗蠕變性能。國內學者研究了殘余Si對碳陶摩擦材料性能的影響，發現殘余Si的硬度較高，容易在摩擦表面產生切削作用，形成微凸體的犁溝作用，合理控制殘余Si的含量和分布是RMI法制備碳陶摩擦材料的關鍵所在。

RMI工藝示意圖

CVI、PIP和RMI制備的碳陶摩擦材料具有不同的微觀結構和成分組成，獲得的復合材料性能存在較大差異。

CVI、PIP和RMI制備C/C-SiC碳陶復合材料典型顯微結構示意圖

碳陶復合材料的不同制備方法對比

摩擦性能優化途徑

CVI、PIP和RMI 三種制備方法制備的碳陶材料的結構和性能都具有一定差異，RMI制備方法周期短，制備出的材料高溫摩擦性能優異，因而成為應用于摩擦材料領域的碳陶材料的主要制備方法，也是國內研究最多的工藝方法。RMI法制備的碳陶摩擦材料性能優化主要分為3個方面：(1)采用硅合金熔滲，通過第三相與Si反應，降低碳陶材料中殘余Si含量；(2)引入改性填料，增加碳陶摩擦材料的摩擦磨損性能；(3)設計摩擦層，提高摩擦膜的潤滑性。

1、硅合金熔滲改性

國內研究人員分別通過混合Fe和Si粉、使用FeSi75合金粉替代Si粉，利用RMI工藝制備了改性的碳陶摩擦材料。這些改性材料消除了殘余Si的影響，提高了材料的穩定性和耐磨性，降低了制備過程中的殘余內應力，生成的FeSi和FeSi2相、α－FeSi2以及Fe2O3氧化膜分別增強了材料的韌性和耐磨性，并起到增強潤滑、抑制氧化磨損的作用，提高了材料的抗磨損性能，延長了使用壽命。

FeSi2改性C/C－SiC碳陶摩擦材料

2、添加改性粒子

碳陶摩擦材料中可通過添加B₄C、石墨、BN、TiC等粒子來提升材料的耐磨性能。B₄C的引入可改善碳陶摩擦材料中的基體模量匹配，提高材料力學性能。同時B₄C可降低材料的整體溫度，增加了區域抗磨損能力，B₄C氧化生成的B₂O₃有效防止摩擦界面和纖維的氧化，降低了摩擦界面因氧化而產生的脆性剝落現象，提高了材料的使用安全性能和制動穩定性。石墨的引入增加了碳陶摩擦材料導熱和比熱性能，有效降低了摩擦界面溫度。同時石墨填料的潤滑性可明顯降低材料的磨損率，摩擦界面在制動過程中易形成連續、均勻、穩定和致密的摩擦膜，提高了摩擦界面的穩定性。

此外，也有學者分別通過液態浸漬法和反復浸漬法，成功將BN先驅體和TiC引入低密度短切纖維增強C基復合材料中，制備出BN改性C基體和Ti₃SiC₂改性的碳陶摩擦材料。這些改性材料具有優異的抗磨損性和更穩定的摩擦因數，提高了材料的性能和壽命。

Ti₃SiC₂改性的C/C-SC碳陶摩擦材料的微結構

3、摩擦層改性

陶瓷基自潤滑復合涂層由硬質陶瓷、固體潤滑劑和聯結組元組成，保證了材料在摩擦發熱環境下的穩定性。潤滑劑產生的潤滑膜具有減摩和耐磨作用，而附加組元則起到連接涂層各組元的作用。新型陶瓷基復合涂層不僅具有高硬度，還具有良好的抗氧化性能，在長期磨損運動過程中表現出良好的結構穩定性和耐高溫抗變形能力。

研究人員通過激光熔覆制備了Al₂O₃/TiO₂-Ni-WC陶瓷基復合涂層，研究摩擦試驗后基體和涂層的表面形貌，觀察到劃痕深度下降，說明涂層具有良好的耐磨性。此外也有學者通過等離子噴涂制備了Al₂O₃/TiO₂陶瓷基涂層，證明了添加TiO₂可以提高耐磨性，且TiO₂含量為40%時干滑動耐磨性最高。

(a)基體(b)Al₂O₃/TiO₂-Ni-WC陶瓷基復合涂層：基體和涂層的磨損表面形貌

總結與展望

碳陶復合摩擦材料是新一代陶瓷基摩擦復合材料，逐漸廣泛應用于高速制動領域。越來越多的跑車、高性能豪華轎車、SUV等都裝配了碳陶復合材料制動系統。德國、法國、日本、英國等研究機構以及國內的西北工業大學、中南大學等，在C/C-SiC摩擦材料方面開展了大量研究工作。如美國公司也相繼研制了碳陶飛機制動片，并在一些大型客機和戰斗機中得到應用。國內西北工業大學張立同院士科研團隊研制的碳陶制動盤已在航空飛行器上應用量產。

碳陶復合材料制動系統使用壽命長，性能優越，逐漸應用于汽車制動領域。2001年僅有約1000個碳陶制動片裝配在保時捷跑車上，而2006年已有約6萬個裝配在各類汽車上，2014年更是超過10萬個，呈快速增長趨勢。

近年來，新能源汽車產業發展迅速，以電動車為代表。由于電池自重較大的原因，也導致其制動距離比燃油車更長。目前不少車企已經開始聚焦碳/陶制動盤技術，從而進一步解決新能源車的制動問題。特斯拉已于2021年推出碳/陶制動系統，并成功應用于旗下Model S Plaid車型。廣汽埃安推出首款純電超跑Hyper SSR，也同步搭配了碳/陶制動系統。碳/陶制動系統的國產化和量產化趨勢正在快速到來。

參考文獻：

［1］趙三慶，燕青芝，彭韜．銅基粉末冶金剎車塊與不同制動盤配副的制動摩擦行為［J］．粉末冶金工業，2021，

［2］劉慶帥，劉秀波，劉一帆，等． 陶瓷基高溫自潤滑復合涂層的制備及摩擦學性能研究進展［J］．材料工程，2022

［3］黃劍，陳意高，吳小軍，等．C/C－SiC摩擦材料研究及應用進展［J］．軌道交通材料，2023