汽本制动系统是汽车的关键部件，制车片与制率度规成一对摩擦副，通过刹车片对偶件制动达到制动动能。
汽车制动
系统是指为了在技术上保证汽车的安全行驶，提高汽车的平均速度等，而在汽车上安装制动装置专门的制动机构，因此汽车制动系统是汽车的关键部件之一。
以盘式制动器为例，主要制动装置由制动盘、制动钳、摩擦片、分泵、油管等部分构成，制动盘是盘式制动器的摩擦偶件，在汽车在行驶过程中，制动盘会跟着轮胎一起转动，通过制动卡钳来夹住制动盘，起到减速或者停车的作用。而刹车片是则是安装在制动卡钳内的摩擦片，车主在进行急刹车时，刹车片就会被挤压到制动盘上，制造出摩擦力，从达到而使车辆减速的目的。
刹车制动部件是机动设备与车辆最主要的安全部件之一，汽车刹车系统的优劣，直接决定着汽车驾乘人员的安全系数，提高安全性能、减少环境污染和噪音污染、延长使用寿命是刹车材料发展的大趋势。
汽车和高速列车等现代交通工具的刹车材料经历了从石棉材料、半金属材料、粉末冶金材料到碳碳复合材料和碳陶复合材料的发展。
在各类刹车材料中，优良导热性、稳定摩擦系数、耐高温抗冲击、耐磨减磨、质量轻便是制动闸片的重要发展方向，是抢占未来发展制高点的重点。
碳陶复合刹车材料是20世纪90年代发展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材料，是在碳/碳复合刹车材料的基础上，引入具有优异抗氧化性能的碳化硅（SiC）陶瓷硬质材料作为基体的一种刹车材料，既保持了碳/碳复合刹车材料密度低、耐高温的优点，又克服了碳/碳刹车材料静摩擦系数低、湿态衰减大、摩擦寿命不足及环境适应性差等缺点，成为新一代刹车材料，在汽车和高速列车等现代交通工具的刹车制动领域具有广阔的应用前景。
主流刹车材料主要有三类：金属基刹车盘、碳碳材料刹车盘和碳陶刹车盘。目前广泛用于高速列车、汽车和飞机上的刹车材料主要是粉末冶金和碳碳复合材料。
然而，粉末冶金刹车材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、使用寿命短等缺点；而碳碳刹车材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，制约了其进一步发展及应用。
碳陶刹车盘结合了碳纤维和多晶碳化硅这两者的物理特性。同时由于较轻的重量、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不但延长了刹车盘的使用寿命，并且避免了因负载而产生的所有问题。
碳陶刹车盘性能明显优于普通灰铸铁刹车盘，但成本为其短板。目前广泛使用的制动盘材料主要有普通铸铁、低合金铸铁、普通铸钢、特殊合金铸钢、低合金锻钢及铸铁一铸钢(锻钢)复合材料等，铸铁材料的使用较为广泛。
铸铁材料存在者制造周期长、导热性差和易产生热裂纹等不足，因此碳碳和碳陶复合材料为刹车材料的发展方向。
碳碳复合材料由于成本高，目前主要用于飞机制动器，随着近年来高速铁路的发展，国内外科技工作者开始研制开发用于高速铁路的碳陶复合材料摩擦副，碳陶复合材料是一种国际上重点开发的摩擦副材料，我国也已经处于起步阶段，碳陶刹车盘未来降本空间较大，有望成为刹车产品的主要发展方向。
2、碳陶刹车盘优势较为明显，最早应用于豪华汽车
碳陶复合材料是由碳纤维的三维毡体或编织体作为增强骨架，碳与碳化硅陶瓷连续基体的一类新型复合材料。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，主要基体成分碳化硅决定着复合材料的硬度，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。碳陶复合材料的拉断伸长率从0.1%~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。
碳陶刹车非常适合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。因为具有高温稳定性、高导热性、高比热等特点，相对于钢制刹车，碳陶刹车的优势明显：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（同等尺寸下重量比传统刹车碟要轻一半以上）等。
这种复合材料的刹车自1970年诞生代以来一直用于航空航天，最早应用于F16战机，以减少在航母上降落的刹车热衰退问题，后来十九世纪八十年代开始，碳陶刹车也在赛车项目中发展起来。
直到2001年，碳陶刹车才被用于量产民用上跑车，第一款采用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、舒适性、耐腐蚀性、使用寿命和赛道性能等方面都具有非常多的优势。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CL55AMG、奥迪W12&S8、宾利、布加迪和兰博基尼等跑车与豪华汽车。
碳/陶复合材料的主要基体成分碳化硅具有耐高温、高强度、抗氧化、耐腐蚀、耐冲击的优点，碳陶盘相对于普通刹车盘优势明显。
首先，更轻的刹车盘就意味着底盘下质量减轻，这令悬挂系统的反应更为迅速，因而能够提升车辆整体的操控水平。第二，普通的刹车碟容易在全力制动下因高热产生热衰退，而陶瓷刹车盘能有效而稳定的抵抗热衰退，其耐热效果比普通刹车盘高出许多倍，第三，陶瓷碟在制动最初阶段就立刻能产生最大的刹车力，因此甚至无需刹车辅助增加系统，而整体制动比传统刹车系统更快、距离更短。第四，为了抵抗高热，在制动活塞与刹车衬块之间有陶瓷来隔热，陶瓷刹车碟有非凡的耐用性。最后，尽管陶瓷刹车盘的刹车性能十分优异，但是它的价格却十分昂贵，如保时捷和奥迪的高性能跑车上的选装价格都在10万元以上。
碳陶制动盘与碳陶刹车片组成的制动对偶较有发展前景。
根据国际、国内研究进展，动车组碳陶摩擦副最优的匹配形式为：“碳陶复合材料制动盘+粉末冶金闸片”。这种匹配形式在制动速度提升、减重、延长摩擦副寿命方面具有较好效果。
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，摩擦磨损情况较其它组合好，碳陶材料作为汽车刹车副具有广阔的发展前景。
从实验详细过程来看：
由目前轿车采用的半金属型、低金属型、陶瓷型刹车片以及碳纤与钢纤混杂纤维刹车片与碳陶瓷盘对偶，均存在磨损较大的现象，而且陶瓷型刹车片与碳陶对偶制动时的摩擦系数太低，均不能与碳陶盘组成良好对偶；碳陶片与铸铁盘组成对偶时，碳陶片对铸铁盘有攻击，造成铸铁盘划伤，该组合需要改进；炭陶盘与粉末冶金片组成对偶时，摩擦系数尚可，但由于选用的刹车片尺寸较小，刹车结构也存在较多不合理，但是粉末冶金片表现出可以与炭陶盘组成对偶的潜质。
在噪音方面，受制动器的制动结构影响，制动时有时出现摩擦声音较大，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、重要的智能化执行器件，符合电动车“增配、高配”趋势
使用碳陶刹车片能够显著提高响应速度，缩短制动距离，是线控制动的最佳执行器件。
当驾驶员将车辆的驾驶操控完全移交给自动驾驶车辆的车载计算机系统后，方向盘、油门和刹车，就都完全由电子信号控制了（之前是通过机械液压的方式），这就是所谓的“线控执行”。由于电信号传递快于机械连接，线控可为自动驾驶提供更高级别的安全守护。如常规制动系统响应时间为300-500毫秒，博世ibooster的响应时间为120-150毫秒，布雷博的线控制动系统响应时间只有90毫秒，线控制动距离相应缩短。大陆宣称在30km/h时启动行人保护时，MKC1刹车距离能从6.8米减少为4.1米。因此使用碳陶刹车能够更显著提升智能汽车制动效率，提高智能驾驶安全性。
轻量化技术是未来汽车的重点发展方向。汽车零部件轻量化已经成为汽车节能减排最直接的解决方法之一。实验证明，汽车整车重量降低10%，燃油效率可提高6%—8%；汽车整车质量每减少100公斤，百公里油耗可降低0.3—0.6升。此外，伴随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更加迫切，在智能化网联化的趋势下，电动车增配了大量智能化设备，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”增加了不小的负担，运用轻量化材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，碳陶盘能够达到减重效果，降低里程焦虑。新能源车与燃油车相比，虽然没有了发动机和变速箱，但是增加了电池组，重量相对于燃油车更重，因此新能源车减重任重道远，碳陶刹车能有效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，加上电车本身较大的质量，普通的制动系统在极限状态下确实难堪重任，所以特斯拉准备给这款车换上尺寸更大的碳陶瓷刹车盘、锻造的对向六活塞卡钳以及高性能制动片，并且四个轮子均采用碳陶盘，以实现最强的制动效果。特斯拉表示：ModelSPlaid碳陶瓷刹车套件专为终极赛道体验而设计，是一个完整的硬件套件，可在高性能驾驶期间提供最大、可重复的制动力。
减轻悬架系统以下质量事半功倍，碳陶刹车盘为减重关键部件。
悬挂系统以下每减轻1kg，相当于悬挂系统以上减少5kg的效果。一对380mm尺寸的碳陶盘同比灰铸铁制动盘的重量轻约20kg，相当于在汽车悬挂系统达到了减重100kg的效果。此外，丰田高端跑车雷克萨斯RCF曾通过CFRP材料和碳陶制动盘进行多方面减重70kg，其中22kg由碳陶刹车盘贡献，因此碳陶刹车盘为汽车减重的关键零部件。
4、技术、规模降本空间大，成本下降曲线陡峭
目前阶段，碳/陶复合材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、大批量生产工艺复杂、难度大、周期长等。随着碳/陶复合材料制备技术的提升、规模效益的展现，预计碳/陶复合材料将在摩擦制动领域得到广泛的应用。
乘用车碳陶制动盘依据碳纤维状态可以分为两大类，分别是短纤盘和长纤盘。短纤盘国外居多，比较有代表性的是布雷博和西格里的CCM盘和CCB盘，其中CCB盘摩擦表面有一层耐磨的陶瓷涂层。长纤盘国内外均有，国外目前最顶级长纤盘是布雷博和西格里CCM-R盘，可以满足普通使用和赛道使用。国内长纤盘，包括两种，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比较短，仅需要一个月。因为是模压成型，所以原材料利用率非常高，综合成本比较低。但缺点也比较明显，即强度比较低，韧性比较差，在使用过程容易出现掉块、断裂和崩边的风险。
长纤盘的制备首先是将连续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，再通过熔融渗硅进行陶瓷化做成碳陶复合材料，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，缺点是制备周期比较长，整个工艺下来长达2个月，成本较高。
高成本限制了乘用车碳陶盘的推广和应用，目前国产碳陶盘应用主要集中在改装车这个领域。实现碳陶盘的低成本制备一般从以下5个维度着手：
1）原材料
，碳陶盘原材料成本大部分源自碳纤维，可以通过优化碳纤维的牌号和含量来实现原材料成本的降低。
2）制备工艺
，长纤盘制备周期长主要受限于热工艺，热工艺这块又包含CVI增碳工艺和反应熔渗陶瓷化工艺，可以通过开发多料柱限域CVI工艺和快速熔融工艺来实现生产周期的大幅度降低至一个月以内。
3）智能化
，碳陶盘的加工不同于传统金属盘，陶瓷组分的存在使其加工难度大和加工效率低。目前国内碳陶盘的机械加工多为非智能化生产，通过智能化在线检测和生产可以大幅度提高生产效率，进一步降低成本。
4）新工艺上和新方法
，当前长纤盘预制体是从方板上面切割下来，这样会形成中间和四个角五块余料，导致整个原材料的利用率非常低。可开发近尺寸预制体成型工艺，该工艺可以直接制备出环形坯体和通风散热结构，就可以大大提高原材料的利用率同时还可以减少制动盘的机械加工量，大幅度降低制备成本。
5）能源价格
，因为制备碳陶盘热工艺所需的温度高且时间长，用电量是非常大的，所以如果能够争取到优惠的能源专项价格，对于碳陶盘的成本降低是非常有帮助。
产品直接材料成本占比较低，存在较大技术、规模降本空间。以金博股份为例（公司全部产品系碳碳复合材料，成本结构代表性较强）。2021年公司热场系列产品单吨成本为37万元/吨，较2017年的46万元/吨下降了20%，2021年单吨制造费用为11.40万元，较2017年的24.68万元下降了53.8%，技术降本显著，2021年原材料成本占比为52%，随着规模扩大、技术升级、自动化水平提升和碳纤维价格下降，产品的降本空间巨大。当前碳陶刹车片单片价格约2500-3500元，对用C级及以上乘用车市场，我们预计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/陶复合材料刹车盘供应商主要包括意大利Brembo、英国SurfaceTransformsPlc、美国Fusionbrakes等，国内掌握高性能碳/陶复合材料刹车盘制备技术的企业较少，国产替代的空间较大。
我们认为，以下因素可能推动碳陶推广：
1、新能源车的发展，包括新势力在内的车企，在推出新能源车时，更积极地使用一些新技术。目前特斯拉和国内头部企业采用碳陶刹车盘技术，后续其他企业有望跟进。随着新能源车销量的提升，碳陶刹车盘技术有望得到推广。
2、我们认为在碳陶的成本在初期较高，基本上用于性能车和高端车，随着碳陶成本的下降，未来有望向30~40万的价格带渗透，如果碳陶的单车成本可以降到5000元左右，有望向20~30万元的价格带渗透。曾经在豪车上使用的产品和技术，近年来不断向更亲民的价格带渗透，包括空气悬架、HUD等。
3、消费升级和产品升级，从目前国内推出的新车来看，价格带普遍上移，我们认为，汽车价格结构向上迁移，有助于提高碳陶刹车盘的应用范围。
4、碳陶刹车盘有助于在更短的距离内和和更短的时间内实现刹车，提高了自动驾驶执行端的相应能力。随着更多高自动驾驶级别的车辆推出，碳陶刹车盘有望得到更广泛的应用。
目前碳陶刹车盘应用范围极小，2023年有望是碳陶刹车盘推广的元年。我们测算2025年国内市场有望达到78亿元，2030年国内市场规模有望超过200亿。取代原有的粉末冶金刹车盘，是这个行业的必然趋势：第一，碳纤维价格将逐步下降带动产品自身直接成本的下降；第二，随着产销规模的上升，工艺环节的优化，规模化经济将带来碳陶刹车盘成本的下降；第三，最求更安全的的驾驶体验将推动汽车行业产品的升级。
简单测算，至2025年，传统粉末冶金刹车盘按照单车1000元价格、全球按照年销售9000万辆汽车计算，市场规模为900亿元，国内接近300亿元市场。随着电动化进程加速，碳陶刹车盘的渗透率提升速度将有可能大幅度超出我们的预期。
这是一个全新的市场，契合电动智能发展的大趋势，是0-1的突破。而对于汽车安全的考虑，一旦突破将成为汽车安全的卖点，发展速度有望超出我们预期，未来的整体市场销售收入将有望接近2000-3000亿元，而汽车零部件是中国汽车分工环节中优势所在，未来国内企业将有望这个领域取得更大的市场份额。
行业属于蓝海市场，国产替代空间较大。
受制于工艺复杂、生产难度大、生产周期长等多个壁垒，国内能够量产碳陶盘的企业较少。
碳陶复合材料刹车盘供应商主要包括意大利Brembo、英国SurfaceTransformsPlc、美国Fusionbrakes等，国内掌握高性能碳/陶复合材料刹车盘制备技术的企业较少，国产替代的空间较大。
海外头部碳陶制动盘生产企业主要客户为高端跑车生产商，产品单价更高，以海外头部企业布雷博为例，单个碳陶盘的产品价格超过10万元人民币，而国产碳陶盘单车价值量约为0.8-1.2万元左右，具有极高性价比。
随着国产企业在该领域技术不断突破，以及新能源车“增配、高配、智能化”趋势的不断演进，国产新能源汽车碳陶盘的渗透率有望不断提高。
我国制动材料行业取得较大发展，国产碳陶刹车盘更具性价比优势。
我国的制动材料行业在国际中一直处于相对落后的地位，主要是因为以前国内汽车行业产量少、车型品种单一，使得汽车行业发展缓慢，导致制动系统并无太大的改进。
近年来，我国汽车制动材料行业已取得了较大的发展，正着力发展新型制动材料，大部分制动材料生产企业科研能力、研发水平、生产设备和工艺都在不断加强，使得制动材料产品质量逐渐提升，产品性能趋于稳定。
文章来源 | 招商
汪刘胜，杨献宇
返回列表
