碳陶刹车盘∶电动智能化执行终端,蓝海市场辽阔

汽车和高速列车等现代交通工具的刹车质料履历了从石棉质料、半金属质料、粉末冶金质推测碳碳复合质料和碳陶复合质料的生长。
在种种刹车质料中,优良导热性、稳固摩擦系数、耐高温抗攻击、耐磨减磨、质量轻即是制动闸片的主要生长偏向,是抢占未来生长制高点的重点。
碳陶复合刹车质料是20世纪90年月生长起来的一种以高强度碳纤维为增强体,以热解碳、碳化硅(SiC)等为基体的多相复合刹车质料,是在碳/碳复合刹车质料的基础上,引入具有优异抗氧化性能的碳化硅(SiC)陶瓷硬质质料作为基体的一种刹车质料,既保持了碳/碳复合刹车质料密度低、耐高温的优点,又战胜了碳/碳刹车质料静摩擦系数低、湿态衰减大、摩擦寿命不足及情形顺应性差等弱点,成为新一代刹车质料,在汽车和高速列车等现代交通工具的刹车制动领域具有辽阔的应用远景。

主流刹车质料主要有三类:金属基刹车盘、碳碳质料刹车盘和碳陶刹车盘。现在普遍用于高速列车、汽车和飞机上的刹车质料主要是粉末冶金和碳碳复合质料。
然而,粉末冶金刹车质料存在高温容易粘结、摩擦性能易衰退、高温强度下降显著、抗热震能力差、使用寿命短等弱点;而碳碳刹车质料存在静态和湿态摩擦系数低(湿态相对干态衰减约50%)、热库体积大、生产周期长(约1200h)及生产成本高等问题,制约了其进一步生长及应用。
碳陶刹车盘团结了碳纤维和多晶碳化硅这两者的物理特征。同时由于较轻的重量、优异的硬度、高压和高温条件下的稳固性、抗热攻击性和同韧性剪切断裂特征等特点不光延伸了刹车盘的使用寿命,而且阻止了因负载而发生的所有问题。

碳陶刹车盘性能显着优于通俗灰铸铁刹车盘,但成本为其短板。现在普遍使用的制动盘质料主要有通俗铸铁、低合金铸铁、通俗铸钢、特殊合金铸钢、低合金锻钢及铸铁一铸钢(锻钢)复合质料等,铸铁质料的使用较为普遍。
铸铁质料存在者制造周期长、导热性差和易发生热裂纹等不足,因此碳碳和碳陶复合质料为刹车质料的生长偏向。
碳碳复合质料由于成本高,现在主要用于飞机制动器,随着近年来高速铁路的生长,海内外科技事情者最先研制开发用于高速铁路的碳陶复合质料摩擦副,碳陶复合质料是一种国际上重点开发的摩擦副质料,我国也已经处于起步阶段,碳陶刹车盘未来降本空间较大,有望成为刹车产物的主要生长偏向。

2、碳陶刹车盘优势较为显着,最早应用于豪华汽车
碳陶复合质料是由碳纤维的三维毡体或编织体作为增强骨架,碳与碳化硅陶瓷一连基体的一类新型复合质料。碳纤维的作用是提高质料的机械强度并为质料提供手艺应用中所需的断裂韧度,主要基体因素碳化硅决议着复合质料的硬度,陶瓷复合质料的同韧性剪切断裂特征为其抗高热负载和机械负载性能提供了保障。
因此,碳纤维增强碳化硅质料完善团结了碳纤维增强碳(C/C)和多晶碳化硅陶瓷这两者的物理特征。碳陶复合质料的拉断伸长率从0.1%~0.3%不等,这对于陶瓷质料而言是极高的数值。正由于具有这些特征,碳纤维增强碳化硅才成为高性能刹车制动系统的首选质料。尤其是较轻的重量、优异的硬度、高压和高温条件下的稳固性、抗热攻击性和同韧性剪切断裂特征等特点延伸了碳陶刹车片的使用寿命,并阻止了传统灰铸铁刹车片因负载而发生的所有问题。
碳陶刹车很是适适用于对刹车性能要求较高的交通工具,最早应用于超跑轿车。由于具有高温稳固性、高导热性、高比热等特点,相对于钢制刹车,碳陶刹车的优势显着:例如更长的使用寿命(长达30W公里)、更强的制动性能(耐高温)、更轻的重量(一律尺寸下重量比传统刹车碟要轻一半以上)等。
这种复合质料的刹车自1970年降生代以来一直用于航空航天,最早应用于F16战机,以镌汰在航母上下降的刹车热衰退问题,厥后十九世纪八十年月最先,碳陶刹车也在赛车项目中生长起来。
直到2001年,碳陶刹车才被用于量产民用上跑车,第一款接纳了碳陶瓷刹车的量产车保时捷911 GT2,其在干湿路面的性能以及重量、恬静性、耐侵蚀性、使用寿命和赛道性能等方面都具有很是多的优势。其他着名品牌汽车也陆续最先通过接纳这一创新型刹车手艺来提高车辆清静性并改善踏板恬静度,其中包罗Mercedes-Benz的CL55AMG、奥迪W12&S8、宾利、布加迪和兰博基尼等跑车与豪华汽车。



山东大学一研究团队通过实验来筛选最优的刹车盘和刹车片组合,通过实验发现碳陶盘和碳陶刹车片、粉末冶金刹车片配副均显示出较好的效果,其中,碳陶制动盘与碳陶刹车片组成的制动对偶,摩擦系数较高,摩擦磨损情形较其它组合好,碳陶质料作为汽车刹车副具有辽阔的生长远景。
在噪音方面,受制动器的制动结构影响,制动时有时泛起摩擦声音较大,而且后盘对偶摩擦系数偏高;前盘刹车片尺寸较大,盘与片的接触面积大,制动较为平稳,摩擦系数适中,无制动噪声。

3、主要的智能化执行器件,切合电动车“增配、高配”趋势
轻量化手艺是未来汽车的重点生长偏向。汽车零部件轻量化已经成为汽车节能减排最直接的解决要领之一。实验证实,汽趁魅整车重量降低10%,燃油效率可提高6%—8%;汽趁魅整车质量每镌汰100公斤,百公里油耗可降低0.3—0.6升。此外,陪同着新能源汽车的迅速普及,电动汽车对于续航里程的要求也越发迫切,在智能化网联化的趋势下,电动车增配了大量智能化装备,芯片、雷达、高清摄像头以及数据传输的线束等,都给电动车的“体重”增添了不小的肩负,运用轻量化质料可以降低自身车重,在提升电动汽车性能的同时,实现节能减排。

电动化及轻量化趋势下,碳陶盘能够到达减重效果,降低里程焦虑。新能源车与燃油车相比,虽然没有了发念头和变速箱,可是增添了电池组,重量相对于燃油车更重,因此新能源车减重任重道远,碳陶刹车能有用降低悬挂系统以下重量,能更好的地适配新能源车,降低里程焦虑。
2021年11月,特斯拉宣布将在2022年中期,为旗下最快量产车ModelSPlaid车型提供碳陶瓷刹车套件,该套装的成本已达2万美元,约合人民币12.78万元。超高的车速,加上电车自己较大的质量,通俗的制动系统在极限状态下确实尴尬重任,以是特斯拉准备给这款车换上尺寸更大的碳陶瓷刹车盘、铸造的对向六活塞卡钳以及高性能制动片,而且四个轮子均接纳碳陶盘,以实现最强的制动效果。特斯拉体现:ModelSPlaid碳陶瓷刹车套件专为最终赛道体验而设计,是一个完整的硬件套件,可在高性能驾驶时代提供最大、可重复的制动力。


4、手艺、规模降本空间大,成本下降曲线陡峭
现在阶段,碳/陶复合质料在刹车制动领域大规模应用的主要障碍为生产成本较高、大批量生产工艺重大、难度大、周期长等。随着碳/陶复合质料制备手艺的提升、规模效益的展现,预计碳/陶复合质料将在摩擦制动领域获得普遍的应用。
乘用车碳陶制动盘依据碳纤维状态可以分为两大类,划分是短纤盘和长纤盘。短纤盘外洋居多,较量有代表性的是布雷博和西格里的CCM盘和CCB盘,其中CCB盘摩擦外貌有一层耐磨的陶瓷涂层。长纤盘海内外均有,外洋现在最顶级长纤盘是布雷博和西格里CCM-R盘,可以知足通俗使用和赛道使用。海内长纤盘,包罗两种,一种是不带耐磨涂层的C/C-SiC盘,另外一种是带耐磨涂层的P-C/C-SiC盘。
短纤盘的制备工艺主要是分为混料、模压成型、碳化、陶瓷化、去重装配。它的优点是制备周期较量短,仅需要一个月。由于是模压成型,以是原质料使用率很是高,综合成本较量低。但弱点也较量显着,即强度较量低,韧性较量差,在使用历程容易泛起掉块、断裂和崩边的风险。
长纤盘的制备首先是将一连碳纤维用针刺法做成碳纤维预制件,然后用化学气相渗透法增碳做成碳碳多孔体,再通过熔融渗硅举行陶瓷化做成碳陶复合质料,最后经机加工成碳陶制动盘。特点是所制备出来的碳陶制动盘综合性能很好,弱点是制备周期较量长,整个工艺下来长达2个月,成本较高。

产物直接质料成本占较量低,存在较大手艺、规模降本空间。以金博股份为例(公司所有产物系碳碳复合质料,成本结构代表性较强)。2021年公司热场系列产物单吨成本为37万元/吨,较2017年的46万元/吨下降了20%,2021年单吨制造用度为11.40万元,较2017年的24.68万元下降了53.8%,手艺降本显著,2021年原质料成本占比为52%,随着规模扩大、手艺升级、自动化水平提升和碳纤维价钱下降,产物的降本空间重大。当前碳陶刹车片单片价钱约2500-3500元,对用C级及以上乘用车市。颐窃ぜ2025年单片价值有望下降到1000-1200元左右,将下探到B级及以上乘用车市场。

碳陶刹车盘未来市场空间大,增速高



文章泉源 | 招商证券
汪刘胜,杨献宇