陳建萍

[摘要]由于特種陶瓷在熱學、力學、化學、電磁學等方面具有獨特而優(yōu)異的性能,決定了它具有廣泛的適用性。特種陶瓷應用于汽車上,可以有效降低車輛的重量,降低油耗,提高發(fā)動機的熱效率,減少排氣污染,完善汽車智能性功能。介紹常用特種陶瓷的性能特點及在汽車上的應用狀況和今后的發(fā)展趨勢。

[關鍵詞]特種陶瓷 汽車 應用

中圖分類號:TS93文獻標識碼:A文章編號:1671-7597(2009)0810101-02

隨著社會的不斷發(fā)展,人們對汽車輕質化、智能化、可靠性、環(huán)保性、舒適性和經濟性的要求越來越高,為了滿足這些要求,隨科學技術的不斷發(fā)展,汽車的研發(fā)及生產越來越多地采用新材料與新工藝,而對于新材料的使用,陶瓷便是其中之一。特種陶瓷在化學組成、內部結構、性能和使用效能各方面均不同于傳統(tǒng)陶瓷,它具有各種優(yōu)異、獨特的性能。從事汽車材料的研究人員,經過長年的開發(fā)、研制、試驗與工業(yè)化應用證明,汽車許多零、部件改用陶瓷材料后,其機械特性遠遠優(yōu)于金屬材料或其它材料制成的零、部件。正是由于特種陶瓷這些優(yōu)異的性能,對減輕車輛自身重量、提高發(fā)動機熱效率、降低油耗、減少排氣污染、提高易損件壽命、完善汽車智能性功能都具有積極意義。

一、特種陶瓷的特點

常用的汽車特種陶瓷如下:

1.氧化鋁陶瓷。氧化鋁陶瓷主要性能特點是高強度、高硬度、耐磨、耐腐蝕、耐高溫和具有良好的絕緣性能,耐熱溫度可達1600℃。但缺點是脆性大,抗震性差,工藝復雜,成本高。利用氧化鋁陶瓷出色的高溫性能和介電性能可制作發(fā)動機火花塞,良好的耐磨性可制作軸承、活塞。

2.碳化硅陶瓷。碳化硅陶瓷最大特點是高溫強度大(在1400℃時抗彎強度仍保持500-600MPa),傳熱能力強,熱穩(wěn)定性好且耐磨,熱膨脹系數很小。適用于制作燃氣輪機的葉片、軸承等零件,同時由于它的熱傳導能力高,還適用于作高溫條件下的熱交換器材料,也可用于制作各種泵的密封圈。

3.氮化硅陶瓷。氮化硅陶瓷可以用低成本生產出各種尺寸精確、形狀復雜的部件,成品率比其他陶瓷材料高。主要性能特點是強度高,硬度高,其硬度僅次于金剛石、氮化硼等物質,化學穩(wěn)定性好、耐磨、絕緣、制品精度高?？捎糜谥圃炷湍ァ⒛臀g、耐高溫及絕緣零部件。反應燒結氮化硅可用于制造泵的機械密封環(huán)、高溫軸承、閥門等零件。

4.氮化硼陶瓷。氮化硼陶瓷有良好的耐熱性、熱穩(wěn)定性、導熱性、高溫介電強度,是理想的散熱材料和高溫絕緣材料。氮化硼陶瓷的化學穩(wěn)定性好,能抵抗大部分熔融金屬的侵蝕,它也有很好的自潤滑性,其制品的硬度低,可以進行機械加工。

5.氧化鋯陶瓷。氧化鋯陶瓷的熔點為2715℃,使用溫度可到2300℃。純氧化鋯不能使用,加入穩(wěn)定劑再使用,利用其高強度和韌性、高硬度和耐磨性以及高的抗化學腐蝕性、導熱系數小的特點可作刀具、隔熱材料及滑動零部件。

二、陶瓷在汽車上的應用

(一)陶瓷在汽車發(fā)動機上的應用

1.陶瓷絕熱發(fā)動機。利用陶瓷材料(如氮化硅陶瓷)的耐熱、耐磨、耐腐蝕、低膨脹系數、低密度、隔熱性好等特點制作陶瓷絕熱發(fā)動機,其工作溫度可達1300℃-1500℃,能減少氣缸內熱能損失,使燃料充分燃燒,減少了廢氣對環(huán)境的污染。并且陶瓷發(fā)動機無需水冷系統(tǒng),其密度也只有鋼的一半左右,可簡化發(fā)動機的總體構造,降低發(fā)動機重量與能耗,工作功率比鋼質發(fā)動機提高45%以上。

2.陶瓷活塞。用氮化硅陶瓷材料制成的陶瓷纖維活塞具有良好的耐磨性,可防止鋁合金活塞由于熱膨脹系數大而產生的“冷敲熱拉”現象。

3.陶瓷氣缸套。用陶瓷材料制成缸套上圈或是用金屬和陶瓷材料復合制成全陶瓷缸套,代替?zhèn)鹘y(tǒng)的氣缸套,可防止汽缸內熱能損失,簡化發(fā)動機結構,進而提高熱效率和降低發(fā)動機質量。

4.陶瓷配氣機構零件。利用陶瓷材料低密度、耐熱和耐磨的特點,制造氣門、氣門座、挺柱、氣門彈簧和搖臂,可以減少氣門座的變形和落座時的彈跳,降低噪聲與振動,延長使用壽命。三菱公司采用陶瓷制成發(fā)動機搖臂;五十鈴公司用氮化硅制成的陶瓷氣門比鋼制氣門輕,有一定的節(jié)油效果,并能減少有害物排放;福特公司將噴射形成的陶瓷氣門挺桿用于發(fā)動機上,都取得了較好的效果。

5.陶瓷氣門加熱器。氣門加熱器是吸氣側裝備的加熱裝置,是鈦酸鋇陶瓷系列的熱敏電阻。在吸氣加熱時,能控制好溫度和提高裝置的可靠性,促進加熱吸氣,使燃料的蒸發(fā)混合完全,發(fā)動機啟動時燃燒完全,達到提高燃燒效率與凈氣排放的功效。

(二)陶瓷在汽車制動器上的應用

陶瓷制動器中的剎車盤可由增強型陶瓷制成,即采用陶瓷粉和碳纖維代替現有技術中的金屬。其碳硅化合物表面的硬度接近鉆石,碳纖維結構使其堅固耐沖擊、耐腐蝕,極為耐磨。陶瓷剎車盤與鋼質剎車盤相比,減輕了整車的質量,降低了耗油量,延長了使用壽命,大大提高制動盤的耐磨、耐高溫、耐腐蝕、制動等性能,散熱效果良好。

(三)陶瓷在汽車減振器上的應用

采用高靈敏度陶瓷元件的汽車減振器具有識別路面且能做自我調節(jié)的功能,在轎車行駛中的感知與調節(jié)過程僅需20秒即可完成,因此可以將轎車因粗糙路面形成的震動降低到最低限度,從而使乘車人員免受顛簸之苦。

(四)陶瓷在汽車噴涂技術上的應用

近年來,廣泛應用于航天技術中的陶瓷薄膜噴涂技術開始應用于汽車上。此技術采用等離子噴涂工藝,可涂覆三氧化鋯、碳化鈦和二氧化鈦等陶瓷,獲得1mm以內的耐久涂層。對發(fā)動機的耐高溫部件涂上一層高溫陶瓷,既能保持金屬材料的固有強度和韌性,又具有耐高溫特點。如活塞頂噴涂氧化鋯,在氣缸套、活塞環(huán)工作表面噴涂陶瓷鍍層可提高耐磨性和使用壽命。利用此技術還可使發(fā)動機進氣孔道表面的耐熱能力從1200℃提高到1700℃。經過這種處理的發(fā)動機可以降低散熱損失、減輕發(fā)動機自身質量、減小發(fā)動機尺寸、減少燃油消耗。

(五)陶瓷在汽車傳感器上的應用

車用傳感器作為汽車電子控制系統(tǒng)的信息源,是汽車電子控制系統(tǒng)的關鍵部件,汽車電子化和自動化程度越高,對傳感器的依賴性就越大。一些功能陶瓷材料,能長久適應汽車特有的惡劣環(huán)境(高溫、低溫、振動、加速、潮濕、噪聲、廢氣)而應用于汽車傳感器上。

1.陶瓷溫度傳感器。發(fā)動機電噴系統(tǒng)可利用陶瓷溫度傳感器連續(xù)精確地測量冷卻水溫度、進氣溫度、排氣溫度,以便根據溫度變化修正或補償燃油噴射量,改變怠速轉速控制目標值等,獲得最佳空燃比。

2.陶瓷廢氣傳感器。用于汽車尾氣監(jiān)測的氧化鋯傳感器安裝在歧管或前排氣管內,是利用固體電解質氣敏陶瓷材料,測定尾氣排放中的O2濃度,再將該測定值反饋給發(fā)動機進氣及燃料供給系統(tǒng),檢測發(fā)動機空燃比,促進燃料的燃燒經常保持在充分燃燒狀態(tài)。除可節(jié)省燃油外,還能減少CO、NO2等有害氣體的排放量。其靈敏度高、可靠性好,使用壽命長。

3.陶瓷爆震傳感器。陶瓷爆震傳感器能使發(fā)動機在接近爆震、熱效率最高、燃料消耗量最少的點火時刻工作,實現無爆震工作狀態(tài),保證其以最大可能的功率與經濟指標運轉。

4.超聲波傳感器。超聲波傳感器通常由鋁合金外殼、壓電陶瓷換能器、吸聲材料、引線電極所構成,用作汽車倒車防撞報警器裝置,指導汽車安全駕駛,尤其適用于加長型裝載汽車、載重大貨車、礦山汽車等大型車輛。超聲波傳感器還被用于空氣流量計,檢測發(fā)動機進氣量大小。

5.陶瓷加速度傳感器。陶瓷加速度傳感器用于汽車安全氣囊系統(tǒng),可用于檢測汽車瞬間的低速或高速碰撞強度,轉換成電信號輸出,確保碰撞強度大時,安全氣囊準確及時開啟,提高汽車安全性能。它精度高、可靠,能快速分辨碰撞實況。

6.陶瓷濕度傳感器。汽車濕度傳感器的內部裝有用金屬氧化物系列陶瓷材料制成的多孔燒結體,利用燒結體表面對水分子的吸附作用來敏感濕度,感濕特征量為電阻,由電阻值發(fā)生的變化檢測出濕度的變化。適用于車窗玻璃防霜、結露和發(fā)動機進氣部分空氣濕度的檢測。

(六)陶瓷在汽車催化轉化器載體上的應用

與金屬、高分子等材料相比,陶瓷材料更適用于各種高溫、腐蝕性環(huán)境,因此被廣泛應用在催化劑載體領域。催化反應中載體本身性能的優(yōu)劣將直接影響到催化劑效能的發(fā)揮。常用的堇青石蜂窩陶瓷載體,使用時將其安置在汽車尾氣的凈化器上,汽車尾氣中的氮氧化物(NOX)、一氧化碳(CO)等對人體有害的氣體就可以通過催化轉化作用變成氮氣(N2)和二氧化碳(CO2)這些沒有毒性的氣體排放到大氣中,能大大降低汽車尾氣排放的污染程度。

(七)陶瓷在汽車消聲器上的應用

當聲波傳播到裝在汽車排氣管中的蜂窩狀多孔陶瓷上時,在豐富的網狀孔隙內引起空氣振動,進而通過空氣與多孔陶瓷基體之間的摩擦,聲波的能量轉變成熱能而被消耗,從而達到消除噪聲的效果。

(八)陶瓷在汽車雨刷的應用

利用鈦酸鋇陶瓷的壓阻效應制成智能陶瓷雨刷,可以自動感知雨量,自動將雨刷調節(jié)到最佳速度。

(九)陶瓷在汽車車膜上的應用

多層納米陶瓷隔熱膜同目前市場上的金屬類隔熱膜相比,熱效果和透光性好,可緩解視覺疲勞,使車內熱度大幅降低,增加駕駛舒適度,減少了空調負荷及燃料的消耗;隔熱、耐用、抗氧化、永不褪色;防刮傷和玻璃爆裂飛散,增加行車安全。同時,多層納米陶瓷隔熱膜采用的是非金屬陶瓷技術,可以完全杜絕金屬膜特有的對電磁波屏蔽作用,不會對衛(wèi)星導航系統(tǒng)、手機、遙控器和高速公路自動收費系統(tǒng)有任何影響。陶瓷隔熱膜在世界頂級跑車保時捷上有所應用。

三、特種陶瓷在汽車上應用存在的問題

特種陶瓷是正在不斷開發(fā)中的材料,在原料的制取、材料的評價和利用技術等許多方面都有尚待解決的課題。目前,阻礙特種陶瓷在汽車上應用的主要原因有:一是成本長期居高不下,遠遠高于金屬零部件的價格;二是特種陶瓷對原材料要求比較嚴格,工藝難以掌握,使得各批制品的性能難以保持均勻一致;三是可加工性差、脆性大、使用可靠性差;四是制造工藝復雜,要求高。

四、結論

雖然目前特種陶瓷在汽車上的應用存在一些尚需解決的問題,但因其具有各種優(yōu)異、獨特的性能,特種陶瓷的發(fā)展十分迅速,在現代工業(yè)技術,特別是在高技術、新技術領域中的地位日趨重要。為了人類社會可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略,滿足新一代汽車產品的輕量化、智能化、節(jié)能、安全和環(huán)保要求,加速新技術革命,美、日、德等國均投入大量人力、物力和財力研究開發(fā)特種陶瓷,利用不同化學組成和組織結構的特種陶瓷具有不同的特殊性質和功能的特點,研制汽車上的陶瓷零、部件,在技術上有很大突破。我國在這一領域也已取得了很大進展,汽車上陶瓷零部件的開發(fā)及應用前景將十分誘人。相信不久的將來,隨著科學技術的飛速發(fā)展,陶瓷材料在汽車制造這一領域會有更大的突破,將會引入和應用更多的特種陶瓷、智能陶瓷,從而改善汽車的性能。

參考文獻:

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