炭/炭（C/C）剎車(chē)盤(pán)是由碳纖維增強(qiáng)碳基復(fù)合材料制成的高性能制動(dòng)部件，具有輕量化、高耐熱（>2000℃）、優(yōu)異摩擦性能和抗熱震性等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空、高鐵及賽車(chē)領(lǐng)域。其核心制造工藝之一是高溫石墨化處理，通過(guò)真空石墨化爐實(shí)現(xiàn)碳基體的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與性能提升。以下從技術(shù)原理、工藝流程、關(guān)鍵參數(shù)及挑戰(zhàn)等方面展開(kāi)解析。

一、炭/炭剎車(chē)盤(pán)石墨化的技術(shù)目標(biāo)

1、結(jié)構(gòu)致密化：提高碳基體與碳纖維的結(jié)合強(qiáng)度，減少孔隙率（從初始20-30%降至<5%）。

2、石墨晶體生長(zhǎng)：促進(jìn)無(wú)定形碳向有序石墨結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，提升導(dǎo)熱性（>100 W/m·K）和抗熱沖擊能力。

3、摩擦性能優(yōu)化：通過(guò)石墨化調(diào)控表面微觀形貌，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的摩擦系數(shù)（0.2-0.4）與低磨損率（<1μm/次）。

二、石墨化工藝流程

炭/炭剎車(chē)盤(pán)的制備通常包括預(yù)制體成型→化學(xué)氣相沉積（CVD）致密化→高溫石墨化→表面涂層四大步驟，其中高溫石墨化是關(guān)鍵環(huán)節(jié)：

1、預(yù)處理：將CVD致密化后的多孔C/C坯體裝入石墨化爐，確保裝爐密度均勻，避免熱應(yīng)力集中。抽真空至10-3~10-2 Pa，排除氧氣和水汽，防止高溫氧化。

2、梯度升溫與保溫：

2.1 低溫段（<1500℃）：緩慢升溫（5-10℃/min），去除殘留揮發(fā)分（如烴類(lèi)、游離碳）。

2.2 中溫段（1500-2500℃）：升溫速率降低至2-5℃/min，碳基體開(kāi)始有序化，碳纖維與基體界面結(jié)合增強(qiáng)。

2.3 高溫段（2500-3000℃）：保溫10-20小時(shí)，促進(jìn)三維石墨晶體生長(zhǎng)，層間距（d002）縮小至<0.336 nm（接近理想石墨的0.3354 nm）。

3、冷卻與后處理：

3.1控制冷卻速率（<5℃/min），避免因熱應(yīng)力導(dǎo)致微裂紋。

3.2表面涂覆抗氧化涂層（如SiC），延長(zhǎng)使用壽命。

三、關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)與控制

1、溫度曲線(xiàn)：精準(zhǔn)控制升溫速率、峰值溫度及保溫時(shí)間，直接影響石墨化程度（可通過(guò)XRD計(jì)算石墨化度g，公式：g=(0.3440 - d002)/(0.3440 - 0.3354)×100%）。

2、真空與氣氛調(diào)控：高溫階段通入少量氬氣（10-100 Pa），抑制碳材料升華（如C→C?、C?等氣相損失）。真空度與氣體流量聯(lián)動(dòng)，平衡傳熱效率與材料揮發(fā)。

3、傳熱均勻性：采用多層石墨發(fā)熱體+碳纖維隔熱氈設(shè)計(jì)，確保爐內(nèi)溫差<50℃（大尺寸剎車(chē)盤(pán)要求更嚴(yán)苛）。

四、石墨化對(duì)剎車(chē)盤(pán)性能的影響

五、技術(shù)挑戰(zhàn)與解決方案

1、大尺寸件均勻性差：

問(wèn)題：直徑>400 mm的剎車(chē)盤(pán)易出現(xiàn)邊緣與中心溫差。

方案：優(yōu)化發(fā)熱體布局，采用分區(qū)控溫+旋轉(zhuǎn)裝料技術(shù)。

2、碳纖維與基體界面弱化：

問(wèn)題：高溫下碳纖維與基體熱膨脹系數(shù)差異導(dǎo)致界面開(kāi)裂。

方案：在CVD階段引入界面改性劑（如熱解碳/PyC涂層）。

3、能耗與成本高：

問(wèn)題：3000℃高溫處理能耗占生產(chǎn)成本40%以上。

方案：開(kāi)發(fā)快速石墨化技術(shù)（如高壓輔助升溫）或使用再生能源（如綠電）。

六、質(zhì)量檢測(cè)與表征

1、微觀結(jié)構(gòu)分析：

SEM/TEM：觀察碳纖維與基體界面結(jié)合及孔隙分布。

Raman光譜：通過(guò)D峰（缺陷峰，~1350 cm^-1）與G峰（石墨峰，~1580 cm^-1）強(qiáng)度比（I?/I?）評(píng)估缺陷密度。

2、性能測(cè)試：

摩擦試驗(yàn)：模擬實(shí)際工況（如1500℃下制動(dòng)100次），測(cè)量摩擦系數(shù)與磨損量。

熱震試驗(yàn)：將剎車(chē)盤(pán)從2000℃急冷至室溫，檢測(cè)是否開(kāi)裂。

八、總結(jié)

炭/炭剎車(chē)盤(pán)的高溫石墨化技術(shù)是平衡材料性能與生產(chǎn)成本的核心環(huán)節(jié)，其核心在于通過(guò)真空石墨化爐實(shí)現(xiàn)碳基體的結(jié)構(gòu)定向調(diào)控。未來(lái)，隨著新能源交通工具對(duì)輕量化與耐高溫需求的增長(zhǎng)，該技術(shù)將向高效、低耗、智能化方向發(fā)展，同時(shí)需突破大尺寸均勻性、界面優(yōu)化及成本控制等瓶頸，以滿(mǎn)足更嚴(yán)苛的應(yīng)用場(chǎng)景需求。