高速列车用陶瓷基复合材料及其工艺简述
2021-01-04 11:08:13
近年来，高速列车速度大幅提升，与以往相比较，各个部件承受更加复杂载荷作用，制动盘作为制动系统重要部件，在运行中若发生损伤，将严重影响列车的安全。因此伴随着列车速度的提高，对制动系统及其材料的要求也日益提高。目前盘形制动已成为公认的高速列车制动形式，当前，世界各国对高速列车制动盘进行了大量的研究工作，其重点主要放在制动材料的选取上，法、德、日、英等国致力于开发传统制动盘材料之外的新型材料。以减轻列车簧下重量，降低牵引功率耗损。
图1高速列车“复兴号”时速可高达400km/h
目前高速列车制动装置材料的发展趋势是采用密度更低、摩擦因数更高、耐磨性能更好的铝基复合材料、C/C复合材料或陶瓷基复合材料。与铝基复合材料和C/C复合材料相比(见下表)，C/C-SiC陶瓷基复合材料不仅提高了材料的抗氧化性和动/静摩擦系数，而且显著改善了摩擦性能对外界环境介质(潮气、霉菌和油污等)的稳定性，C/C-SiC自问世立即引起了飞机、汽车和高速列车等领域的极大兴趣，代表着当前制动材料最高水平。下文将对引人注目的C/C-SiC制动材料的工艺做一个简单的。
表1：列车制动材料的相对特性指标
材料种类
摩擦因数
湿态摩擦因数
磨损量
一般铸铁
1
1
1.00
合成材料
2-3
1-2
0.10
粉末冶金材料
2-3
1-2
0.10
C/C材料
2-3
1-2
0.01
C/C-SiC材料
3-4
3-4
0.01
一、高速列车刹车片市场简析
在讨论C/C-SiC制动材料的制备工艺之前，咱们先来对其应用市场做一个简单的挖掘。根据一份市场调研报告【2】数据显示：
目前我国四纵四横高铁主骨架基本建成，根据十三五高铁规划，到2020年，高铁营运里程将达3万公里，中长期将达4万公里以上。2015年年底，我国高铁营业里程达到1.9万公里。根据最保守的0.75辆/公里的高铁动车保有量计算，我国拥有标准动车组1781辆，假设时速300公里以上动车组和时速300公里以下的动车组各占一半。300公里以上动车组平均一个8组标准列共需刹车闸片120-160片;200-250公里动车组则需要刹车闸片160-192片。300公里以上刹车闸片目前国产的价格大约在7000元每片左右;200-250公里的刹车闸片价格约为5500元左右。高铁刹车片每年需要更换的次数约为3-4次。根据相关数据做简单估算(见下表)，2015年我国高铁动车组刹车片闸片的市场容量约为60亿元左右。假设2020年我国的高铁运营总里程达到3万公里，假设列车密度依然按0.75辆每公里估算，在2020年，高铁刹车片的市场保守估计容量将达到120亿元左右。
表2：2015年刹车片市场容量估算
高速列车类型
300-350km/h及以上
200-250km/h
市场保有量(列)
891
890
单列闸片配置(片)
120-160
160-192
闸片单价(万元/片)
0.7
0.55
年更换次数
4
3
市场容量
29.94-39.92
23.5-28.2
限于种种商业机密原因，此处没有更多数据为C/C-SiC制动材料市场做出估算。尽管目前C/C-SiC制动材料市场占有率未明，但从其优秀的品质预判，假以时日，伴随着高铁列车发展及材料制备水平的进展，其必能在高铁刹车片市场占有一席之地，毕竟在高科技应用领域，质优远比价廉重要。
二、C/C-SiC制动材料制备工艺
C/C-SiC复合材料优异的低密度和高摩擦性能将使其成为未来飞机、高速列车的首选制动材料。但目前C/C-SiC摩擦材料的传统制备方法制备周期长、成本高，成为限制其占领市场的巨大障碍。因此采用混合制备工艺，降低生产成本，是C/C-SiC复合材料主要成型研究方向。就当前而言，常见C/C-SiC制动材料制备工艺包括化学气相渗透工艺(CVI)、前驱体转化工艺(PIP)、热压烧结法(HP)及反应熔体浸渗工艺(RMI)等几种方法，下文将分别展开说明。
1、化学气相渗透工艺(CVI)及特点
化学气相渗透法(CVI)是一种通过孔隙渗入在预制体内部沉积致密的技术。C/C-SiC复合材料的CVI制备工艺一般采用等温CVI工艺，以三氯甲基硅烷(MTS)、四甲基硅烷(TMS)等为原料，H2为载气，Ar为稀释气体进行高温抽真空沉积SiC基体。
采用该工艺可同时沉积多个不同形状的预制件，且温度和压力均相对较低，但因原料气体在炉中裂解速度较高，易在孔隙入口处形成高浓度堆积，使得预制体外部沉积速度大于内部沉积速度，产生密度梯度，因此只能沉积形状简单的薄壁件。此工艺制备周期长、效率低，而复合工艺过程复杂、技术难度大，导致生产成本一直居高不下。
2、先驱体浸渍裂解工艺及特点
先驱体转化法(PIP)，即先驱体浸渍裂解工艺是一种通过有机聚合物先驱体高温裂解转化制备陶瓷基复合材料，其特点是在高温条件下，有机聚合物会发生一系列物理、化学变化，最终转化为无机物，此工艺近年来以成型工艺简单，制备温度较低，可实现净近成型，受到普遍关注，但也存在基体收缩大、孔隙率大、致密速度慢、生产周期长等缺陷。
PIP工艺的致密化效果和最终材料性能主要取决于所用的陶瓷先驱体、浸渍工艺和裂解工艺三个方面。目前国内外主要通过对PCS(聚碳硅烷，碳化硅陶瓷先驱体)进行改性或在PCS中添加活性填料来提高PCS的陶瓷转化率，增加陶瓷基体的致密度，进而提高复合材料的性能。
研究工作示例：所俊、杜红娜采用PIP法在1400℃、1500℃、1600℃三个不同的裂解温度下制备了C/C-SiC复合材料，研究了裂解温度对C/C-SiC复合材料力学性能的影响：经测试，在1400℃下制得的复合材料的强度最低，1600℃制得的复合材料强度最高。
3、热压烧结工艺及特点
热压烧结法又称为料浆浸渍热压法。其主要工艺如下：让浸挂有超细基体陶瓷粉末料浆的纤维无纬布按所需规格剪裁、层叠，最后热模压成型和热压烧结后制得复合材料。
研究工作示例：以热压烧结法为基础，中南大学研究人员首创采用温压-原位反应烧结工艺，该工艺将短碳纤维、硅粉、炭粉、粘结剂等原材料按一定比例混合均匀，在模具中加热固化成型后，使碳与硅在1500℃左右原位反应生成碳化硅基体，最终制得C/C-SiC复合材料。该工艺生产成本低且制备周期短、操作简单，是一种具有成本优势的制备C/C-SiC制动材料的新方法。
4、反应熔体浸渗工艺及特点
反应熔体浸渗法，也称为液相熔融浸渗法。此工艺主要过程是在高温真空环境中用熔融的Si对多孔C/C复合材料进行浸渗处理，使液态Si在毛细作用下渗入C/C多孔体中，并与C基体发生反应生成SiC基体。
与CVI、PIP工艺相比，RMI工艺具有制备周期短、成本低、残余孔隙率低(2%-5%)等优点，是一种非常具有竞争力的工业化生产技术。但在制备C/C-SiC复合材料时，熔融Si与基体C发生反应的过程中,不可避免地会与C纤维发生反应浸蚀，导致性能下降;同时，复合材料中还残留有一定量的Si，导致复合材料抗蠕变性能降低。影响RMI工艺制备C/C-SiC复合材料性能的主要因素有预制体、浸渗材料、浸渗工艺等。
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参考文献：
1、高速列车用陶瓷基复合材料研究与制备现状，西安航天复合材料研究所，郭鑫，郑李威，王毅，李泽卫等著。
2、2016-2022年中国高铁刹车片市场供需预测及投资战略咨询报告部分公开资料，智研咨询集团。