陶瓷基复合材料盘式制动器

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陶瓷概论

陶瓷材料是一种无机非金属化合物，通常由金属和非金属键合而成。这些离子化合物由带正电的阳离子与带负电的阴离子结合形成。历史上，由于材料的特性，陶瓷并没有太多的机械应用。陶瓷非常脆，吸收能量很少，不能发生塑性变形。^[1]它们具有耐高温性，并且可以承受高压缩载荷。例如，陶瓷可以承受比其拉伸强度大十倍的压缩载荷。^[2]

陶瓷基复合材料的目的是通过降低材料的脆性来实现更大量的机械应用。 CMC 材料由复合纤维增强的整体陶瓷组成，可减少材料中的裂纹扩展。这种增强材料可用于许多不同的应用，因为它不再受到其易碎特性的限制。

CMC特性

CMC 材料有多种类型，具有不同的机械和化学性能。有些设计用于提高强度、韧性和抗蠕变性，而另一些则可以具有更好的热性能和电性能。所得性能取决于陶瓷基体中添加的纤维以及材料的形状（即板、棒、球）。^[3]

增韧机理

CMC 中含有两种不同形式的第二相，韧性由此产生。这些被称为连续纤维和不连续纤维。连续纤维是添加到陶瓷基体中的单向纤维。如果沿纤维方向加载，纤维会显着增加材料的强度。据信连续纤维对于增加韧性最有效。不连续纤维由陶瓷基体内分散的晶须或颗粒纤维组成。它是通过在粉末状基质中添加短纤维并单轴热压混合物而生产的。^[3]颗粒是一种随机分散的短随机纤维。与晶须相比，这通常会导致材料韧性较差。

制造流程

有许多不同的工艺和技术用于制造 CMC。有些方法类似于整体陶瓷的方法，而其他类型则类似于生产聚合物的方法。

冷压和烧结

这种冷压烧结方法与制造整体陶瓷类似。该过程是通过将陶瓷基体粉末与水添加以形成浆料来完成的。将有机粘合剂添加到浆料中以将化合物固定在一起。这种粘合剂在烧结过程中被烧掉。将复合晶须放入混合物中，在高压下压制化合物。随后将化合物烧结。烧结是将材料加热到其熔点以下的过程，其中化合物通过自粘合固定到位。在烧结过程中，基体会收缩，从而可能导致破裂。^[4]改变烧结温度并确保基体和复合材料热膨胀之间的相容性可以避免开裂。

液态硅渗透（LSI）

LSI 是一种快速、低成本的 C/C-SiC 形成方法。该过程涉及将液态硅驱动到多孔碳/碳预制件中。预成型件是使用称为树脂传递模塑^{W 的}制造技术制成的。一旦制成预成型件，基质就从聚合物基质转化为多孔碳产品。这个过程称为热解，其中材料被加热到 900°C。结果是形成具有许多孔的材料，这些孔充当液体的流动管道。热解完成后，将材料置于真空中并注入液态硅。这是在 1650C 下完成的。^[5]碳中的孔隙充当硅在其中流动的通道网络。这些通道称为毛细管。这个过程可以使用纳维斯托克斯方程来量化，该方程表示给定压力和温度下流体在各个方向上的流动。碳化硅的产生量取决于硅在多孔碳内的流动方式。这取决于毛细管的直径。

这种制造技术非常成功地生产出坚固的材料。如果操作正确，CMC 几乎是完美的。此过程的一些问题是液态硅的温度远远高于金属或聚合物的加工温度。^[6]在高温下发生的化学反应可能对产品有害或损坏。 CMC 制造最重要的问题是热膨胀引起的裂纹扩展。如果所涉及的材料不具有相似的膨胀系数，当复合材料以不同的速率膨胀时，就会发生基体开裂。

化学气相沉积

以下制造方法用于浸渍纤维预制件中的基体材料^[7]。该工艺因其能够生产大量材料而在商业上得到广泛应用。该过程也称为化学气相渗透。该材料是在蒸气反应器内生产的。这个简单的反应器由蒸汽入口和出口以及进入所包含区域的热量供应组成。该过程的第一步是开发纤维预制件。这可以是一些简单的东西，比如纱线之类的机织织物。预成型件在加工前必须制成 3 维形状。预成型件被放置在反应器内，与气体发生反应。可以使用的蒸汽有很多种，但原理仍然相同。

例如，如果我们要使用 SiC 基体制造产品。^[8]我们从一种称为甲基三氯硅烷 (CH3SiCl3) 的蒸气形式的化学物质开始。在1400℃左右的高温下，蒸气会发生等温分解反应：

CH3SiCl3 (g) → SiC (s) + 3HCl (g)

该反应的结果是有用的固体碳化硅产物，并且额外的产物通过废气排出。留在反应器中的碳化硅与填充其孔隙的纤维基材结合，形成陶瓷复合材料。 SiC 在预成型件内扩散的过程可能非常缓慢，但结果是机械上有用的产品。总的来说，这种制造方法很好，因为它能够将材料制造成各种形状。由于该过程是等温完成的，因此不会因热膨胀而产生裂纹。可能发生的其他问题是所谓的罐头现象。这发生在气体缓慢扩散通过复合预制件的过程中。如果蒸气分解发生在材料表面，则由于孔被封闭，气体无法扩散到整个预成型件。这个问题可以通过多次浸渍来解决，但这可能非常耗时且不经济。

进行了一项实验，在多孔纸预制件上使用 CVI 和 SiC。^[9]纸厚0.8毫米，孔径25微米。使用 CVI，预制件在 900°C 的温度下处理较长时间。研究发现，渗透3小时后，Si已完全反应为表面的SiC。 5小时后，陶瓷层厚度为6μm，样品重量增加了600%。最后阶段是进行热处理以处理任何未反应的硅。这是在 1400°C 的温度下完成的，但对样品的影响很小。

CMC盘式制动器

盘式制动器^W通常由灰口铸铁制成。这种材料具有高拉伸强度，在失效前可以承受高温。在高性能车辆中，制动时摩擦产生的热量可能太大，因此制动器会失效或必须经常更换。该故障是由于热致断裂造成的。此外，这些制动器可能很重并且容易腐蚀，从而导致故障。其他复合材料也经过了测试，例如金属基复合材料和碳碳复合材料。这些材料面临的挑战是在足够高的温度下散热摩擦引起的热量的能力不是最佳的。典型的灰铸铁盘式制动器在发生故障之前可以承受 400°C 的表面热量。

类型

C/C-SiC 是添加到碳化硅基体中的碳纤维相。所得材料具有更高的强度、更低的密度和更高的摩擦学特性。最显着的特点是它能够承受高温而不会出现故障。由于其低热膨胀系数和高导热率，这种CMC可以在高温下保持其强度。该 CMC 采用 2D 增强不连续纤维制造为盘式制动器。纤维垂直于摩擦表面放置，以最大限度地提高导热性。其结果是盘式制动器能够承受 1000°C 的表面温度，且磨损最小。

问题

CMC盘式制动器在普通汽车中应用并不广泛。这是由于多种原因造成的。首先，由于对高性能制动器的需求较低，这些盘式制动器非常昂贵。原材料成本并不昂贵，并且随着 CMC 的普及预计会降低。对于不高速行驶的普通汽车来说，低摩擦产生的热量很小。如果在寒冷条件下使用，碳碳化硅制动器会变得低效且脆弱得多。该弱点是复合材料和陶瓷基体热膨胀的结果。由于材料在不同温度下以不同速率膨胀，表面可能会出现裂纹。

改进

为了改进这项技术，进行了测试以实现更高的表面温度。人们发现，使用这种陶瓷复合材料，某些区域不会散热，从而导致“热点”。这是由于材料能够沿轴向和横向导热。由于纤维垂直于摩擦表面放置，因此它们无法向其他方向传递热量。最简单的解决方案是制造陶瓷含量更高的材料。这牺牲了制动器的强度，同时增加了多余的质量，因为陶瓷的密度远远大于复合纤维。另一种解决方案是在陶瓷基体中使用导热性更好的纤维。这导致生产成本更高但产品性能更高。

其他应用

CMC 可用于替代传统金属的其他应用包括高性能发动机或燃气轮机。增强陶瓷具有高耐热性能，可用于增加飞机的推重比。为了使飞机发动机更加高效，它必须重量轻、耐用且耐高温。为了提高发动机的效率，需要提高入口温度。高温合金的最高温度大约为1000℃。^[10]应用CMC可以达到比高温合金更高的温度。其他可以用强化陶瓷增强的发动机部件包括排气管、燃烧器衬里以及任何暴露在高温下的部件。

结论

生产高性能车辆必须考虑车辆的部件、使用的材料和用途。赛车上的盘式制动器与摩托车或飞机上的盘式制动器强调不同的特性。赛车将专注于高热阻，因为与摩托车相比，摩擦力很大，摩托车将专注于减轻重量，因为它不会产生那么多热量。为了获得最佳性能和效率，必须平衡所用材料的机械性能。

凭借陶瓷的高热性能，再加上纤维增强的强度，陶瓷不再受其脆弱的机械性能的限制。它们具有高耐用性、低密度和耐腐蚀性，可扩展机械应用。凭借新的高效制造技术，CMC 将继续用于高性能加热系统，同时取代传统金属部件。

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语言	英语（en）
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已创建	十一月 13, 2009作者：阿里·斯皮格尔
修改的	2023 年6 月 8 日，作者：StandardWikitext 机器人
引用为	阿里·斯皮格尔（2009-2023）。“陶瓷基复合材料盘式制动器”。附录。检索日期：2024 年 3 月 12 日。
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