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    碳陶剎車盤∶電動智能化執行終端,藍海市場廣闊

    時間:2022-08-02 瀏覽量: 字號:
     

    碳陶剎車盤性能優勢明顯、 發展前景廣闊









































    1、剎車盤是剎車系統核心部件,材料對性能影響較大


    汽本制動系統是汽車的關鍵部件,制車片與制率度規成一對摩擦副,通過剎車片對偶件制動達到制動動能。

    汽車制動 系統是指為了在技術上保證汽車的安全行駛,提高汽車的平均速度等,而在汽車上安裝制動裝置專門的制動機構,因此汽車制動系統是汽車的關鍵部件之一。

    以盤式制動器為例,主要制動裝置由制動盤、制動鉗、摩擦片、分泵、油管等部分構成,制動盤是盤式制動器的摩擦偶件,在汽車在行駛過程中,制動盤會跟著輪胎一起轉動,通過制動卡鉗來夾住制動盤,起到減速或者停車的作用。而剎車片是則是安裝在制動卡鉗內的摩擦片,車主在進行急剎車時,剎車片就會被擠壓到制動盤上,制造出摩擦力,從達到而使車輛減速的目的。

    剎車制動部件是機動設備與車輛最主要的安全部件之一,汽車剎車系統的優劣,直接決定著汽車駕乘人員的安全系數,提高安全性能、減少環境污染和噪音污染、延長使用壽命是剎車材料發展的大趨勢。



    汽車和高速列車等現代交通工具的剎車材料經歷了從石棉材料、半金屬材料、粉末冶金材料到碳碳復合材料和碳陶復合材料的發展。


    在各類剎車材料中,優良導熱性、穩定摩擦系數、耐高溫抗沖擊、耐磨減磨、質量輕便是制動閘片的重要發展方向,是搶占未來發展制高點的重點。


    碳陶復合剎車材料是20世紀90年代發展起來的一種以高強度碳纖維為增強體,以熱解碳、碳化硅(SiC)等為基體的多相復合剎車材料,是在碳/碳復合剎車材料的基礎上,引入具有優異抗氧化性能的碳化硅(SiC)陶瓷硬質材料作為基體的一種剎車材料,既保持了碳/碳復合剎車材料密度低、耐高溫的優點,又克服了碳/碳剎車材料靜摩擦系數低、濕態衰減大、摩擦壽命不足及環境適應性差等缺點,成為新一代剎車材料,在汽車和高速列車等現代交通工具的剎車制動領域具有廣闊的應用前景。



    主流剎車材料主要有三類:金屬基剎車盤、碳碳材料剎車盤和碳陶剎車盤。目前廣泛用于高速列車、汽車和飛機上的剎車材料主要是粉末冶金和碳碳復合材料。


    然而,粉末冶金剎車材料存在高溫容易粘結、摩擦性能易衰退、高溫強度下降顯著、抗熱震能力差、使用壽命短等缺點;而碳碳剎車材料存在靜態和濕態摩擦系數低(濕態相對干態衰減約50%)、熱庫體積大、生產周期長(約1200h)及生產成本高等問題,制約了其進一步發展及應用。


    碳陶剎車盤結合了碳纖維和多晶碳化硅這兩者的物理特性。同時由于較輕的重量、良好的硬度、高壓和高溫條件下的穩定性、抗熱沖擊性和同韌性剪切斷裂特性等特點不但延長了剎車盤的使用壽命,并且避免了因負載而產生的所有問題。



    碳陶剎車盤性能明顯優于普通灰鑄鐵剎車盤,但成本為其短板。目前廣泛使用的制動盤材料主要有普通鑄鐵、低合金鑄鐵、普通鑄鋼、特殊合金鑄鋼、低合金鍛鋼及鑄鐵一鑄鋼(鍛鋼)復合材料等,鑄鐵材料的使用較為廣泛。


    鑄鐵材料存在者制造周期長、導熱性差和易產生熱裂紋等不足,因此碳碳和碳陶復合材料為剎車材料的發展方向。


    碳碳復合材料由于成本高,目前主要用于飛機制動器,隨著近年來高速鐵路的發展,國內外科技工作者開始研制開發用于高速鐵路的碳陶復合材料摩擦副,碳陶復合材料是一種國際上重點開發的摩擦副材料,我國也已經處于起步階段,碳陶剎車盤未來降本空間較大,有望成為剎車產品的主要發展方向。



    2、碳陶剎車盤優勢較為明顯,最早應用于豪華汽車


    碳陶復合材料是由碳纖維的三維氈體或編織體作為增強骨架,碳與碳化硅陶瓷連續基體的一類新型復合材料。碳纖維的作用是提高材料的機械強度并為材料提供技術應用中所需的斷裂韌度,主要基體成分碳化硅決定著復合材料的硬度,陶瓷復合材料的同韌性剪切斷裂特性為其抗高熱負載和機械負載性能提供了保障。


    因此,碳纖維增強碳化硅材料完美結合了碳纖維增強碳(C/C)和多晶碳化硅陶瓷這兩者的物理特性。碳陶復合材料的拉斷伸長率從0.1%~0.3%不等,這對于陶瓷材料而言是極高的數值。正因為具有這些特征,碳纖維增強碳化硅才成為高性能剎車制動系統的首選材料。尤其是較輕的重量、良好的硬度、高壓和高溫條件下的穩定性、抗熱沖擊性和同韌性剪切斷裂特性等特點延長了碳陶剎車片的使用壽命,并避免了傳統灰鑄鐵剎車片因負載而產生的所有問題。



    碳陶剎車非常適合用于對剎車性能要求較高的交通工具,最早應用于超跑轎車。因為具有高溫穩定性、高導熱性、高比熱等特點,相對于鋼制剎車,碳陶剎車的優勢明顯:例如更長的使用壽命(長達30W公里)、更強的制動性能(耐高溫)、更輕的重量(同等尺寸下重量比傳統剎車碟要輕一半以上)等。


    這種復合材料的剎車自1970年誕生代以來一直用于航空航天,最早應用于F16戰機,以減少在航母上降落的剎車熱衰退問題,后來十九世紀八十年代開始,碳陶剎車也在賽車項目中發展起來。


    直到2001年,碳陶剎車才被用于量產民用上跑車,第一款采用了碳陶瓷剎車的量產車保時捷911 GT2,其在干濕路面的性能以及重量、舒適性、耐腐蝕性、使用壽命和賽道性能等方面都具有非常多的優勢。其他知名品牌汽車也陸續開始通過采用這一創新型剎車技術來提高車輛安全性并改善踏板舒適度,其中包括Mercedes-Benz的CL55AMG、奧迪W12&S8、賓利、布加迪和蘭博基尼等跑車與豪華汽車。



    碳/陶復合材料的主要基體成分碳化硅具有耐高溫、高強度、抗氧化、耐腐蝕、耐沖擊的優點,碳陶盤相對于普通剎車盤優勢明顯。 首先,更輕的剎車盤就意味著底盤下質量減輕,這令懸掛系統的反應更為迅速,因而能夠提升車輛整體的操控水平。第二,普通的剎車碟容易在全力制動下因高熱產生熱衰退,而陶瓷剎車盤能有效而穩定的抵抗熱衰退,其耐熱效果比普通剎車盤高出許多倍,第三,陶瓷碟在制動最初階段就立刻能產生最大的剎車力,因此甚至無需剎車輔助增加系統,而整體制動比傳統剎車系統更快、距離更短。第四,為了抵抗高熱,在制動活塞與剎車襯塊之間有陶瓷來隔熱,陶瓷剎車碟有非凡的耐用性。最后,盡管陶瓷剎車盤的剎車性能十分優異,但是它的價格卻十分昂貴,如保時捷和奧迪的高性能跑車上的選裝價格都在10萬元以上。




    碳陶制動盤與碳陶剎車片組成的制動對偶較有發展前景。 根據國際、國內研究進展,動車組碳陶摩擦副最優的匹配形式為:“碳陶復合材料制動盤+粉末冶金閘片”。這種匹配形式在制動速度提升、減重、延長摩擦副壽命方面具有較好效果。


    山東大學一研究團隊通過實驗來篩選最優的剎車盤和剎車片組合,通過實驗發現碳陶盤和碳陶剎車片、粉末冶金剎車片配副均顯示出較好的效果,其中,碳陶制動盤與碳陶剎車片組成的制動對偶,摩擦系數較高,摩擦磨損情況較其它組合好,碳陶材料作為汽車剎車副具有廣闊的發展前景。


    從實驗詳細過程來看: 由目前轎車采用的半金屬型、低金屬型、陶瓷型剎車片以及碳纖與鋼纖混雜纖維剎車片與碳陶瓷盤對偶,均存在磨損較大的現象,而且陶瓷型剎車片與碳陶對偶制動時的摩擦系數太低,均不能與碳陶盤組成良好對偶;碳陶片與鑄鐵盤組成對偶時,碳陶片對鑄鐵盤有攻擊,造成鑄鐵盤劃傷,該組合需要改進;炭陶盤與粉末冶金片組成對偶時,摩擦系數尚可,但由于選用的剎車片尺寸較小,剎車結構也存在較多不合理,但是粉末冶金片表現出可以與炭陶盤組成對偶的潛質。


    在噪音方面,受制動器的制動結構影響,制動時有時出現摩擦聲音較大,而且后盤對偶摩擦系數偏高;前盤剎車片尺寸較大,盤與片的接觸面積大,制動較為平穩,摩擦系數適中,無制動噪聲。



    3、重要的智能化執行器件,符合電動車“增配、高配”趨勢


    使用碳陶剎車片能夠顯著提高響應速度,縮短制動距離,是線控制動的最佳執行器件。 當駕駛員將車輛的駕駛操控完全移交給自動駕駛車輛的車載計算機系統后,方向盤、油門和剎車,就都完全由電子信號控制了(之前是通過機械液壓的方式),這就是所謂的“線控執行”。由于電信號傳遞快于機械連接,線控可為自動駕駛提供更高級別的安全守護。如常規制動系統響應時間為300-500毫秒,博世ibooster的響應時間為120-150毫秒,布雷博的線控制動系統響應時間只有90毫秒,線控制動距離相應縮短。大陸宣稱在30km/h時啟動行人保護時,MKC1剎車距離能從6.8米減少為4.1米。因此使用碳陶剎車能夠更顯著提升智能汽車制動效率,提高智能駕駛安全性。


    輕量化技術是未來汽車的重點發展方向。汽車零部件輕量化已經成為汽車節能減排最直接的解決方法之一。實驗證明,汽車整車重量降低10%,燃油效率可提高6%—8%;汽車整車質量每減少100公斤,百公里油耗可降低0.3—0.6升。此外,伴隨著新能源汽車的迅速普及,電動汽車對于續航里程的要求也更加迫切,在智能化網聯化的趨勢下,電動車增配了大量智能化設備,芯片、雷達、高清攝像頭以及數據傳輸的線束等,都給電動車的“體重”增加了不小的負擔,運用輕量化材料可以降低自身車重,在提升電動汽車性能的同時,實現節能減排。



    電動化及輕量化趨勢下,碳陶盤能夠達到減重效果,降低里程焦慮。新能源車與燃油車相比,雖然沒有了發動機和變速箱,但是增加了電池組,重量相對于燃油車更重,因此新能源車減重任重道遠,碳陶剎車能有效降低懸掛系統以下重量,能更好的地適配新能源車,降低里程焦慮。


    2021年11月,特斯拉宣布將在2022年中期,為旗下最快量產車ModelSPlaid車型提供碳陶瓷剎車套件,該套裝的成本已達2萬美元,約合人民幣12.78萬元。超高的車速,加上電車本身較大的質量,普通的制動系統在極限狀態下確實難堪重任,所以特斯拉準備給這款車換上尺寸更大的碳陶瓷剎車盤、鍛造的對向六活塞卡鉗以及高性能制動片,并且四個輪子均采用碳陶盤,以實現最強的制動效果。特斯拉表示:ModelSPlaid碳陶瓷剎車套件專為終極賽道體驗而設計,是一個完整的硬件套件,可在高性能駕駛期間提供最大、可重復的制動力。



    減輕懸架系統以下質量事半功倍,碳陶剎車盤為減重關鍵部件。 懸掛系統以下每減輕1kg,相當于懸掛系統以上減少5kg的效果。一對380mm尺寸的碳陶盤同比灰鑄鐵制動盤的重量輕約20kg,相當于在汽車懸掛系統達到了減重100kg的效果。此外,豐田高端跑車雷克薩斯RCF曾通過CFRP材料和碳陶制動盤進行多方面減重70kg,其中22kg由碳陶剎車盤貢獻,因此碳陶剎車盤為汽車減重的關鍵零部件。



    4、技術、規模降本空間大,成本下降曲線陡峭


    目前階段,碳/陶復合材料在剎車制動領域大規模應用的主要障礙為生產成本較高、大批量生產工藝復雜、難度大、周期長等。隨著碳/陶復合材料制備技術的提升、規模效益的展現,預計碳/陶復合材料將在摩擦制動領域得到廣泛的應用。


    乘用車碳陶制動盤依據碳纖維狀態可以分為兩大類,分別是短纖盤和長纖盤。短纖盤國外居多,比較有代表性的是布雷博和西格里的CCM盤和CCB盤,其中CCB盤摩擦表面有一層耐磨的陶瓷涂層。長纖盤國內外均有,國外目前最頂級長纖盤是布雷博和西格里CCM-R盤,可以滿足普通使用和賽道使用。國內長纖盤,包括兩種,一種是不帶耐磨涂層的C/C-SiC盤,另外一種是帶耐磨涂層的P-C/C-SiC盤。


    短纖盤的制備工藝主要是分為混料、模壓成型、碳化、陶瓷化、去重裝配。它的優點是制備周期比較短,僅需要一個月。因為是模壓成型,所以原材料利用率非常高,綜合成本比較低。但缺點也比較明顯,即強度比較低,韌性比較差,在使用過程容易出現掉塊、斷裂和崩邊的風險。


    長纖盤的制備首先是將連續碳纖維用針刺法做成碳纖維預制件,然后用化學氣相滲透法增碳做成碳碳多孔體,再通過熔融滲硅進行陶瓷化做成碳陶復合材料,最后經機加工成碳陶制動盤。特點是所制備出來的碳陶制動盤綜合性能很好,缺點是制備周期比較長,整個工藝下來長達2個月,成本較高。



    高成本限制了乘用車碳陶盤的推廣和應用,目前國產碳陶盤應用主要集中在改裝車這個領域。實現碳陶盤的低成本制備一般從以下5個維度著手:
    1)原材料 ,碳陶盤原材料成本大部分源自碳纖維,可以通過優化碳纖維的牌號和含量來實現原材料成本的降低。
    2)制備工藝 ,長纖盤制備周期長主要受限于熱工藝,熱工藝這塊又包含CVI增碳工藝和反應熔滲陶瓷化工藝,可以通過開發多料柱限域CVI工藝和快速熔融工藝來實現生產周期的大幅度降低至一個月以內。
    3)智能化 ,碳陶盤的加工不同于傳統金屬盤,陶瓷組分的存在使其加工難度大和加工效率低。目前國內碳陶盤的機械加工多為非智能化生產,通過智能化在線檢測和生產可以大幅度提高生產效率,進一步降低成本。
    4)新工藝上和新方法 ,當前長纖盤預制體是從方板上面切割下來,這樣會形成中間和四個角五塊余料,導致整個原材料的利用率非常低??砷_發近尺寸預制體成型工藝,該工藝可以直接制備出環形坯體和通風散熱結構,就可以大大提高原材料的利用率同時還可以減少制動盤的機械加工量,大幅度降低制備成本。
    5)能源價格 ,因為制備碳陶盤熱工藝所需的溫度高且時間長,用電量是非常大的,所以如果能夠爭取到優惠的能源專項價格,對于碳陶盤的成本降低是非常有幫助。


    產品直接材料成本占比較低,存在較大技術、規模降本空間。以金博股份為例(公司全部產品系碳碳復合材料,成本結構代表性較強)。2021年公司熱場系列產品單噸成本為37萬元/噸,較2017年的46萬元/噸下降了20%,2021年單噸制造費用為11.40萬元,較2017年的24.68萬元下降了53.8%,技術降本顯著,2021年原材料成本占比為52%,隨著規模擴大、技術升級、自動化水平提升和碳纖維價格下降,產品的降本空間巨大。當前碳陶剎車片單片價格約2500-3500元,對用C級及以上乘用車市場,我們預計2025年單片價值有望下降到1000-1200元左右,將下探到B級及以上乘用車市場。





    碳陶剎車盤未來市場空間大,增速高










































    碳/陶復合材料剎車盤供應商主要包括意大利Brembo、英國SurfaceTransformsPlc、美國Fusionbrakes等,國內掌握高性能碳/陶復合材料剎車盤制備技術的企業較少,國產替代的空間較大。 我們認為,以下因素可能推動碳陶推廣:


    1、新能源車的發展,包括新勢力在內的車企,在推出新能源車時,更積極地使用一些新技術。目前特斯拉和國內頭部企業采用碳陶剎車盤技術,后續其他企業有望跟進。隨著新能源車銷量的提升,碳陶剎車盤技術有望得到推廣。

    2、我們認為在碳陶的成本在初期較高,基本上用于性能車和高端車,隨著碳陶成本的下降,未來有望向30~40萬的價格帶滲透,如果碳陶的單車成本可以降到5000元左右,有望向20~30萬元的價格帶滲透。曾經在豪車上使用的產品和技術,近年來不斷向更親民的價格帶滲透,包括空氣懸架、HUD等。

    3、消費升級和產品升級,從目前國內推出的新車來看,價格帶普遍上移,我們認為,汽車價格結構向上遷移,有助于提高碳陶剎車盤的應用范圍。

    4、碳陶剎車盤有助于在更短的距離內和和更短的時間內實現剎車,提高了自動駕駛執行端的相應能力。隨著更多高自動駕駛級別的車輛推出,碳陶剎車盤有望得到更廣泛的應用。


    目前碳陶剎車盤應用范圍極小,2023年有望是碳陶剎車盤推廣的元年。我們測算2025年國內市場有望達到78億元,2030年國內市場規模有望超過200億。取代原有的粉末冶金剎車盤,是這個行業的必然趨勢:第一,碳纖維價格將逐步下降帶動產品自身直接成本的下降;第二,隨著產銷規模的上升,工藝環節的優化,規?;洕鷮硖继談x車盤成本的下降;第三,最求更安全的的駕駛體驗將推動汽車行業產品的升級。

    簡單測算,至2025年,傳統粉末冶金剎車盤按照單車1000元價格、全球按照年銷售9000萬輛汽車計算,市場規模為900億元,國內接近300億元市場。隨著電動化進程加速,碳陶剎車盤的滲透率提升速度將有可能大幅度超出我們的預期。

    這是一個全新的市場,契合電動智能發展的大趨勢,是0-1的突破。而對于汽車安全的考慮,一旦突破將成為汽車安全的賣點,發展速度有望超出我們預期,未來的整體市場銷售收入將有望接近2000-3000億元,而汽車零部件是中國汽車分工環節中優勢所在,未來國內企業將有望這個領域取得更大的市場份額。





    國外企業應用早,國產替代空間較大










































    行業屬于藍海市場,國產替代空間較大。 受制于工藝復雜、生產難度大、生產周期長等多個壁壘,國內能夠量產碳陶盤的企業較少。

    碳陶復合材料剎車盤供應商主要包括意大利Brembo、英國SurfaceTransformsPlc、美國Fusionbrakes等,國內掌握高性能碳/陶復合材料剎車盤制備技術的企業較少,國產替代的空間較大。

    海外頭部碳陶制動盤生產企業主要客戶為高端跑車生產商,產品單價更高,以海外頭部企業布雷博為例,單個碳陶盤的產品價格超過10萬元人民幣,而國產碳陶盤單車價值量約為0.8-1.2萬元左右,具有極高性價比。

    隨著國產企業在該領域技術不斷突破,以及新能源車“增配、高配、智能化”趨勢的不斷演進,國產新能源汽車碳陶盤的滲透率有望不斷提高。


    我國制動材料行業取得較大發展,國產碳陶剎車盤更具性價比優勢。 我國的制動材料行業在國際中一直處于相對落后的地位,主要是因為以前國內汽車行業產量少、車型品種單一,使得汽車行業發展緩慢,導致制動系統并無太大的改進。

    近年來,我國汽車制動材料行業已取得了較大的發展,正著力發展新型制動材料,大部分制動材料生產企業科研能力、研發水平、生產設備和工藝都在不斷加強,使得制動材料產品質量逐漸提升,產品性能趨于穩定。


    文章來源 | 招商證券

                   汪劉勝,楊獻宇


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