炭/炭（C/C）刹车盘是由碳纤维增强碳基复合材料制成的高性能制动部件，具有轻量化、高耐热（>2000℃）、优异摩擦性能和抗热震性等特点，广泛应用于航空、高铁及赛车领域。其核心制造工艺之一是高温石墨化处理，通过真空石墨化炉实现碳基体的结构优化与性能提升。以下从技术原理、工艺流程、关键参数及挑战等方面展开解析。

一、炭/炭刹车盘石墨化的技术目标

1、结构致密化：提高碳基体与碳纤维的结合强度，减少孔隙率（从初始20-30%降至<5%）。

2、石墨晶体生长：促进无定形碳向有序石墨结构转变，提升导热性（>100 W/m·K）和抗热冲击能力。

3、摩擦性能优化：通过石墨化调控表面微观形貌，实现稳定的摩擦系数（0.2-0.4）与低磨损率（<1μm/次）。

二、石墨化工艺流程

炭/炭刹车盘的制备通常包括预制体成型→化学气相沉积（CVD）致密化→高温石墨化→表面涂层四大步骤，其中高温石墨化是关键环节：

1、预处理：将CVD致密化后的多孔C/C坯体装入石墨化炉，确保装炉密度均匀，避免热应力集中。抽真空至10-3~10-2 Pa，排除氧气和水汽，防止高温氧化。

2、梯度升温与保温：

2.1 低温段（<1500℃）：缓慢升温（5-10℃/min），去除残留挥发分（如烃类、游离碳）。

2.2 中温段（1500-2500℃）：升温速率降低至2-5℃/min，碳基体开始有序化，碳纤维与基体界面结合增强。

2.3 高温段（2500-3000℃）：保温10-20小时，促进三维石墨晶体生长，层间距（d002）缩小至<0.336 nm（接近理想石墨的0.3354 nm）。

3、冷却与后处理：

3.1控制冷却速率（<5℃/min），避免因热应力导致微裂纹。

3.2表面涂覆抗氧化涂层（如SiC），延长使用寿命。

三、关键技术参数与控制

1、温度曲线：精准控制升温速率、峰值温度及保温时间，直接影响石墨化程度（可通过XRD计算石墨化度g，公式：g=(0.3440 - d002)/(0.3440 - 0.3354)×100%）。

2、真空与气氛调控：高温阶段通入少量氩气（10-100 Pa），抑制碳材料升华（如C→C₃、C₂等气相损失）。真空度与气体流量联动，平衡传热效率与材料挥发。

3、传热均匀性：采用多层石墨发热体+碳纤维隔热毡设计，确保炉内温差<50℃（大尺寸刹车盘要求更严苛）。

四、石墨化对刹车盘性能的影响

五、技术挑战与解决方案

1、大尺寸件均匀性差：

问题：直径>400 mm的刹车盘易出现边缘与中心温差。

方案：优化发热体布局，采用分区控温+旋转装料技术。

2、碳纤维与基体界面弱化：

问题：高温下碳纤维与基体热膨胀系数差异导致界面开裂。

方案：在CVD阶段引入界面改性剂（如热解碳/PyC涂层）。

3、能耗与成本高：

问题：3000℃高温处理能耗占生产成本40%以上。

方案：开发快速石墨化技术（如高压辅助升温）或使用再生能源（如绿电）。

六、质量检测与表征

1、微观结构分析：

SEM/TEM：观察碳纤维与基体界面结合及孔隙分布。

Raman光谱：通过D峰（缺陷峰，~1350 cm^-1）与G峰（石墨峰，~1580 cm^-1）强度比（Iᴅ/Iɢ）评估缺陷密度。

2、性能测试：

摩擦试验：模拟实际工况（如1500℃下制动100次），测量摩擦系数与磨损量。

热震试验：将刹车盘从2000℃急冷至室温，检测是否开裂。

八、总结

炭/炭刹车盘的高温石墨化技术是平衡材料性能与生产成本的核心环节，其核心在于通过真空石墨化炉实现碳基体的结构定向调控。未来，随着新能源交通工具对轻量化与耐高温需求的增长，该技术将向高效、低耗、智能化方向发展，同时需突破大尺寸均匀性、界面优化及成本控制等瓶颈，以满足更严苛的应用场景需求。