2022年碳陶剎車盤行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及未來市場空間分析

1、2022年碳陶剎車盤行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及未來市場空間分析一、碳陶剎車盤性能優(yōu)勢明顯、發(fā)展前景廣闊1、剎車盤是剎車系統(tǒng)核心部件，材料對性能影響較大汽車制動系統(tǒng)是汽車的關(guān)鍵部件，剎車片與剎車盤組成一對摩擦副，通過剎車片對偶件制動達(dá)到制動功能。汽車制動 系統(tǒng)是指為了在技術(shù)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(jī)構(gòu)，因 此汽車制動系統(tǒng)是汽車的關(guān)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(gòu)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(zhuǎn)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

2、則是安裝在制動卡鉗內(nèi)的摩擦片，車主在進(jìn)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(dá)到而使車輛減速的目的。剎車制動部件是機(jī)動設(shè)備與車輛最主要的安全 部件之一，汽車剎車系統(tǒng)的優(yōu)劣，直接決定著汽車駕乘人員的安全系數(shù)，提高安全性能、減少環(huán)境污染和噪音污染、 延長使用壽命是剎車材料發(fā)展的大趨勢。汽車和高速列車等現(xiàn)代交通工具的剎車材料經(jīng)歷了從石棉材料、半金屬材料、粉末冶金材料到碳碳復(fù)合材料和碳陶復(fù) 合材料的發(fā)展。在各類剎車材料中，優(yōu)良導(dǎo)熱性、穩(wěn)定摩擦系數(shù)、耐高溫抗沖擊、耐磨減磨、質(zhì)量輕便是制動閘片的 重要發(fā)展方向，是搶占未來發(fā)展制高點的重點。碳陶復(fù)合剎車材料是 20 世紀(jì) 90 年代發(fā)展起

3、來的一種以高強(qiáng)度碳纖維 為增強(qiáng)體，以熱解碳、碳化硅（SiC）等為基體的多相復(fù)合剎車材料，是在碳/碳復(fù)合剎車材料的基礎(chǔ)上，引入具有優(yōu) 異抗氧化性能的碳化硅（SiC）陶瓷硬質(zhì)材料作為基體的一種剎車材料，既保持了碳/碳復(fù)合剎車材料密度低、耐高溫 的優(yōu)點，又克服了碳/碳剎車材料靜摩擦系數(shù)低、濕態(tài)衰減大、摩擦壽命不足及環(huán)境適應(yīng)性差等缺點，成為新一代剎 車材料，在汽車和高速列車等現(xiàn)代交通工具的剎車制動領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)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(jī)上的 剎車材料主要是粉末冶金和碳碳復(fù)合材料。然而，粉末冶金剎車材料存在高溫容易粘結(jié)、摩

4、擦性能易衰退、高溫強(qiáng)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(tài)和濕態(tài)摩擦系數(shù)低（濕態(tài)相對干態(tài)衰減約 50%）、熱庫體積大、生產(chǎn)周期長（約 1200h）及生產(chǎn)成本高等問題，制約了其進(jìn)一步發(fā)展及應(yīng)用。碳陶剎車盤結(jié)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(wěn)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(fù)載而產(chǎn)生的所有問題。碳陶剎車盤性能明顯優(yōu)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(fù)

5、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(dǎo)熱性差和易產(chǎn)生熱裂紋等不足，因此碳碳和碳陶復(fù)合材料為剎車材料的發(fā)展方向。碳碳復(fù)合材 料由于成本高，目前主要用于飛機(jī)制動器，隨著近年來高速鐵路的發(fā)展，國內(nèi)外科技工作者開始研制開發(fā)用于高速鐵 路的碳陶復(fù)合材料摩擦副，碳陶復(fù)合材料是一種國際上重點開發(fā)的摩擦副材料，我國也已經(jīng)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(chǎn)品的主要發(fā)展方向。2、碳陶剎車盤優(yōu)勢較為明顯，最早應(yīng)用于豪華汽車碳陶復(fù)合材料是由碳纖維的三維氈體或編織體作為增強(qiáng)骨架，碳與碳化硅陶瓷連續(xù)基體的一類新型復(fù)合材料。碳纖維 的作用是提高材料的機(jī)械強(qiáng)度并為材料提供技術(shù)

6、應(yīng)用中所需的斷裂韌度，主要基體成分碳化硅決定著復(fù)合材料的硬度， 陶瓷復(fù)合材料的同韌性剪切斷裂特性為其抗高熱負(fù)載和機(jī)械負(fù)載性能提供了保障。因此，碳纖維增強(qiáng)碳化硅材料完美 結(jié)合了碳纖維增強(qiáng)碳( C /C) 和多晶碳化硅陶瓷這兩者的物理特性。碳陶復(fù)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(shù)值。正因為具有這些特征，碳纖維增強(qiáng)碳化硅才成為高性能剎車制動系統(tǒng)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(wěn)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(tǒng)灰鑄鐵剎車片因負(fù)載而產(chǎn)生的所有問題。碳陶剎車非常適合用于對剎車性能要求較

7、高的交通工具，最早應(yīng)用于超跑轎車。因為具有高溫穩(wěn)定性、高導(dǎo)熱性、高 比熱等特點，相對于鋼制剎車，碳陶剎車的優(yōu)勢明顯：例如更長的使用壽命（長達(dá) 30W 公里）、更強(qiáng)的制動性能（耐 高溫）、更輕的重量（同等尺寸下重量比傳統(tǒng)剎車碟要輕一半以上）等。這種復(fù)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(yīng)用于 F16 戰(zhàn)機(jī)，以減少在航母上降落的剎車熱衰退問題，后來十九世紀(jì)八十年代開始，碳 陶剎車也在賽車項目中發(fā)展起來。直到 2001 年，碳陶剎車才被用于量產(chǎn)的民用上跑車，第一款采用了碳陶瓷剎車的 量產(chǎn)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

8、能等方面都具有非常 多的優(yōu)勢。其他知名品牌汽車也陸續(xù)開始通過采用這一創(chuàng)新型剎車技術(shù)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(fù)合材料的主要基體成分碳化硅具有耐高溫、高強(qiáng)度、抗氧化、耐腐蝕、耐沖擊的優(yōu)點，碳陶盤相對于普通剎 車盤優(yōu)勢明顯。首先，更輕的剎車盤就意味著底盤下質(zhì)量減輕，這令懸掛系統(tǒng)的反應(yīng)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(chǎn)生熱衰退，而陶瓷剎車盤能有效而穩(wěn)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

9、動最初階段就立刻能產(chǎn)生最大的剎車力，因此甚至無需剎車 輔助增加系統(tǒng)，而整體制動比傳統(tǒng)剎車系統(tǒng)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(yōu)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(fā)展前景。根據(jù)國際、國內(nèi)研究進(jìn)展，動車組碳陶摩擦副最優(yōu)的匹配形 式為：“碳陶復(fù)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(xué)一研究團(tuán)隊通過實驗來篩選最優(yōu)的剎車盤和剎車片組合，通過實

10、驗發(fā)現(xiàn)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(shù)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(fā)展前景。從實驗詳細(xì)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(xiàn)象，而且陶瓷型剎車片與碳陶對偶制動時的摩擦系數(shù)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(jìn)；炭陶盤與粉末冶金 片組成對偶時，摩擦系數(shù)尚可，但由于選用的剎車片尺寸較小，剎車結(jié)構(gòu)也存在較多不合理，但是粉末冶金

11、片表現(xiàn)出 可以與炭陶盤組成對偶的潛質(zhì)。在噪音方面，受制動器的制動結(jié)構(gòu)影響，制動時有時出現(xiàn)摩擦聲音較大，而且后盤對 偶摩擦系數(shù)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(wěn)，摩擦系數(shù)適中，無制動噪聲。3、重要的智能化執(zhí)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(yīng)速度，縮短制動距離，是線控制動的最佳執(zhí)行器件。當(dāng)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(jī)系統(tǒng)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(jī)械液 壓的方式），這就是所謂的“線控執(zhí)行”。由于電信號傳遞快于機(jī)械連接，線控可為自動駕駛提供更高級別的安全守護(hù)。 如常規(guī)制動系統(tǒng)響應(yīng)時

12、間為 300-500 毫秒，博世 ibooster 的響應(yīng)時間為 120-150 毫秒，布雷博的線控制動系統(tǒng)響應(yīng) 時間只有 90 毫秒，線控制動距離相應(yīng)縮短。大陸宣稱在 30km/h 時啟動行人保護(hù)時，MK C1 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(shù)是未來汽車的重點發(fā)展方向。汽車零部件輕量化已經(jīng)成為汽車節(jié)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(zhì)量每減少 100 公斤，百公里油耗可降低 0.30.6 升。 此外，伴隨著新能源汽車的迅速普及，電動汽車

13、對于續(xù)航里程的要求也更加迫切，在智能化網(wǎng)聯(lián)化的趨勢下，電動車 增配了大量智能化設(shè)備，芯片、雷達(dá)、高清攝像頭以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)木€束等，都給電動車的“體重”增加了不小的負(fù)擔(dān)， 運(yùn)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(xiàn)節(jié)能減排。電動化及輕量化趨勢下，碳陶盤能夠達(dá)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(fā)動機(jī)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(yuǎn)，碳陶剎車能有效降低懸掛系統(tǒng)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(chǎn)車 Model S Plaid 車型

14、提供碳陶瓷剎車套件，該套裝的成本已達(dá) 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(zhì)量，普通的制動系統(tǒng)在極限狀態(tài)下確實難堪重任，所以特斯拉準(zhǔn)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(xiàn)最強(qiáng)的制動效果。特斯拉表 示：Model S Plaid 碳陶瓷剎車套件專為終極賽道體驗而設(shè)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(fù)的制動力。減輕懸架系統(tǒng)以下質(zhì)量事半功倍，碳陶剎車盤為減重關(guān)鍵部件。懸掛系統(tǒng)以下每減輕 1kg，相當(dāng)于懸掛系統(tǒng)以上減少 5kg 的效果。一對 380mm 尺寸的碳陶盤同

15、比灰鑄鐵制動盤的重量輕約 20kg，相當(dāng)于在汽車懸掛系統(tǒng)達(dá)到了減重 100kg 的效果。此外，豐田高端跑車?yán)卓怂_斯 RCF 曾通過 CFRP 材料和碳陶制動盤進(jìn)行多方面減重 70kg，其中 22kg 由 碳陶剎車盤貢獻(xiàn)，因此碳陶剎車盤為汽車減重的關(guān)鍵零部件。4、技術(shù)、規(guī)模降本空間大，成本下降曲線陡峭目前階段，碳/陶復(fù)合材料在剎車制動領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用的主要障礙為生產(chǎn)成本較高、大批量生產(chǎn)工藝復(fù)雜、難度大、 周期長等。隨著碳/陶復(fù)合材料制備技術(shù)的提升、規(guī)模效益的展現(xiàn)，預(yù)計碳/陶復(fù)合材料將在摩擦制動領(lǐng)域得到廣泛的 應(yīng)用。乘用車碳陶制動盤依據(jù)碳纖維狀態(tài)可以分為兩大類，分別是短纖盤和長纖盤。短纖盤國外居多，

16、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(nèi)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(nèi)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(yōu)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(qiáng)度比較低，韌性比較差， 在使用過程容易出現(xiàn)掉塊、斷裂和崩邊的風(fēng)險。長纖盤的制備首先是將連續(xù)

17、碳纖維用針刺法做成碳纖維預(yù)制件，然后用化學(xué)氣相滲透法增碳做成碳碳多孔體，再通過 熔融滲硅進(jìn)行陶瓷化做成碳陶復(fù)合材料，最后經(jīng)機(jī)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(dá) 2 個月，成本較高。高成本限制了乘用車碳陶盤的推廣和應(yīng)用，目前國產(chǎn)碳陶盤應(yīng)用主要集中在改裝車這個領(lǐng)域。實現(xiàn)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(yōu)化碳纖維的牌號和含量來實現(xiàn)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(yīng)熔滲陶瓷化工藝，可 以通過開

18、發(fā)多料柱限域 CVI 工藝和快速熔融工藝來實現(xiàn)生產(chǎn)周期的大幅度降低至一個月以內(nèi)。（3）智能化，碳陶盤的加工不同于傳統(tǒng)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(nèi)碳陶盤的 機(jī)械加工多為非智能化生產(chǎn)，通過智能化在線檢測和生產(chǎn)可以大幅度提高生產(chǎn)效率，進(jìn)一步降低成本。（4）新工藝上和新方法，當(dāng)前長纖盤預(yù)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(dǎo)致整個 原材料的利用率非常低。 可開發(fā)近尺寸預(yù)制體成型工藝，該工藝可以直接制備出環(huán)形坯體和通風(fēng)散熱結(jié)構(gòu)，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(jī)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

19、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(yōu)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(chǎn)品直接材料成本占比較低，存在較大技術(shù)、規(guī)模降本空間。以金博股份為例（公司全部產(chǎn)品系碳碳復(fù)合材料，成本 結(jié)構(gòu)代表性較強(qiáng)）。2021 年公司熱場系列產(chǎn)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(fèi)用為 11.40 萬元，較 2017 年的 24.68 萬元下降了 53.8%，技術(shù)降本顯著，2021 年原材料成本占比為 52%，隨著規(guī)模擴(kuò)大、技術(shù)升級、自動化水平提升和碳纖維價格下降，產(chǎn)品的降本空間巨大。當(dāng)前碳陶剎車片單片價 格約 250

20、0-3500 元，對用 C 級及以上乘用車市場，我們預(yù)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。二、碳陶剎車盤未來市場空間大，增速高碳/陶復(fù)合材料剎車盤供應(yīng)商主要包括意大利 Brembo、英國 SurfaceTransformsPlc、美國 Fusionbrakes 等，國內(nèi)掌 握高性能碳/陶復(fù)合材料剎車盤制備技術(shù)的企業(yè)較少，國產(chǎn)替代的空間較大。 我們認(rèn)為，以下因素可能推動碳陶推廣：1、新能源車的發(fā)展，包括新勢力在內(nèi)的車企，在推出新能源車時，更積極地使用一些新技術(shù)。目前特斯拉和國內(nèi)頭 部企業(yè)采用碳陶剎車盤技術(shù)，后續(xù)其他企業(yè)有望跟進(jìn)。隨著新能源車銷量的提升，碳陶剎車盤技術(shù)有望得到推廣。2、我們認(rèn)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 3040 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 2030