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碳/碳-碳化硅复合材料是碳纤维增强碳和碳化硅陶瓷基体复合材料,最早在20世纪80年代作为热结构材料出现,具有密度低、抗氧化性能好、耐腐蚀、优异的高温力学性能和热物理性能、良好的自润滑性能等优点,是一种能满足1650℃使用的新型高温结构材料和功能材料。作为刹车材料不仅具有碳盘密度小、刹车平稳,磨损失重率小、热容量大等优势,而且克服了碳盘吸湿性大、湿态摩擦系数低、静摩擦系数低、适应性差的不足,因此美军率先在F16战机上应用,效果良好。美国四大摩擦材料公司(Aircraft Braking Systems,Goodrich,Honeywell and Parker-Hannifin)组成陶瓷基复合材料刹车协会对作为刹车材料的陶瓷基复合材料进行了评估,表明碳/碳-碳化硅复合材料将成为新一代飞机和汽车刹车材料。
碳/碳-碳化硅复合材料(碳陶C/C-SiC)汽车刹车片首次被揭开神秘的面纱,是在1999 年法兰克福国际汽车交易会(IAA)上。高科技新材料的使用彻底颠覆了传统的汽车刹车片技术:与传统的灰铸铁刹车片相比,碳/碳-碳化硅复合材料刹车片的重量减轻了大约60%,非悬挂质量减轻了近23公斤。碳陶刹车片更显著的优点还有:刹车反应速度提高且制动衰减降低、热稳定性高、无热振动、踏板感觉极为舒适、操控性能提升、抗磨损性高等等。因此,碳陶刹车片的使用寿命更长,而且几乎不会产生灰尘。最初,保时捷公司于2001年将碳陶刹车片作为配套设备装配在911 GT2型跑车上,911 C4S从2002年11月提供选配,其他知名品牌汽车也陆续开始通过采用这一创新型刹车技术来提高车辆安全性并改善踏板舒适度。其中包括Mercedes-Benz的CL55 AMG、奥迪W12 & S8、宾利、布加迪和兰博基尼等跑车与豪华汽车,Ford等也计划使用同类产品。
碳陶刹车片的一个显著特征是它是采用陶瓷复合材料制造而成。碳陶刹车片本身及两侧的摩擦层均由碳纤维增强碳化硅材料制成。主要基体成分有碳化硅(SiC)和工业硅(Si)。碳纤维(C)增强了材料的强度。主要基体成分碳化硅决定着复合材料的硬度。碳纤维的作用是提高材料的机械强度并为材料提供技术应用中所需的断裂韧度。陶瓷复合材料的同韧性剪切断裂特性为其抗高热负载和机械负载性能提供了保障。因此,碳纤维增强碳化硅材料完美结合了碳纤维增强碳(C/C)和多晶碳化硅陶瓷这两者的物理特性。C/C-SiC 材料的拉断伸长率从 0.1% 到 0.3% 不等。这对于陶瓷材料而言是极高的数值。正因为具有这些特征,碳纤维增强碳化硅才成为高性能刹车制动系统的首选材料:尤其是较轻的重量、良好的硬度、高压和高温条件下的稳定性、抗热冲击性和同韧性剪切断裂特性等特点延长了碳陶刹车片的使用寿命,并避免了传统灰铸铁刹车片因负载而产生的所有问题。
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