特種陶瓷在汽車上的應(yīng)用

陳建萍

[摘要]由于特種陶瓷在熱學(xué)、力學(xué)、化學(xué)、電磁學(xué)等方面具有獨(dú)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(yīng)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(dòng)機(jī)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(diǎn)及在汽車上的應(yīng)用狀況和今后的發(fā)展趨勢(shì)。

[關(guān)鍵詞]特種陶瓷 汽車 應(yīng)用

中圖分類號(hào):TS93文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1671-7597(2009)0810101-02

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展,人們對(duì)汽車輕質(zhì)化、智能化、可靠性、環(huán)保性、舒適性和經(jīng)濟(jì)性的要求越來(lái)越高,為了滿足這些要求,隨科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,汽車的研發(fā)及生產(chǎn)越來(lái)越多地采用新材料與新工藝,而對(duì)于新材料的使用,陶瓷便是其中之一。特種陶瓷在化學(xué)組成、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、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(dú)特的性能。從事汽車材料的研究人員,經(jīng)過長(zhǎng)年的開發(fā)、研制、試驗(yàn)與工業(yè)化應(yīng)用證明,汽車許多零、部件改用陶瓷材料后,其機(jī)械特性遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(duì)減輕車輛自身重量、提高發(fā)動(dòng)機(jī)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(diǎn)

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(diǎn)是高強(qiáng)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(dá)1600℃。但缺點(diǎn)是脆性大,抗震性差,工藝復(fù)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(dòng)機(jī)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(diǎn)是高溫強(qiáng)度大(在1400℃時(shí)抗彎強(qiáng)度仍保持500-600MPa),傳熱能力強(qiáng),熱穩(wěn)定性好且耐磨,熱膨脹系數(shù)很小。適用于制作燃?xì)廨啓C(jī)的葉片、軸承等零件,同時(shí)由于它的熱傳導(dǎo)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(chǎn)出各種尺寸精確、形狀復(fù)雜的部件,成品率比其他陶瓷材料高。主要性能特點(diǎn)是強(qiáng)度高,硬度高,其硬度僅次于金剛石、氮化硼等物質(zhì),化學(xué)穩(wěn)定性好、耐磨、絕緣、制品精度高?？捎糜谥圃炷湍?、耐蝕、耐高溫及絕緣零部件。反應(yīng)燒結(jié)氮化硅可用于制造泵的機(jī)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(dǎo)熱性、高溫介電強(qiáng)度,是理想的散熱材料和高溫絕緣材料。氮化硼陶瓷的化學(xué)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(rùn)滑性,其制品的硬度低,可以進(jìn)行機(jī)械加工。

5.氧化鋯陶瓷。氧化鋯陶瓷的熔點(diǎn)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(qiáng)度和韌性、高硬度和耐磨性以及高的抗化學(xué)腐蝕性、導(dǎo)熱系數(shù)小的特點(diǎn)可作刀具、隔熱材料及滑動(dòng)零部件。

二、陶瓷在汽車上的應(yīng)用

(一)陶瓷在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用

1.陶瓷絕熱發(fā)動(dòng)機(jī)。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(shù)、低密度、隔熱性好等特點(diǎn)制作陶瓷絕熱發(fā)動(dòng)機(jī),其工作溫度可達(dá)1300℃-1500℃,能減少氣缸內(nèi)熱能損失,使燃料充分燃燒,減少了廢氣對(duì)環(huán)境的污染。并且陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)需水冷系統(tǒng),其密度也只有鋼的一半左右,可簡(jiǎn)化發(fā)動(dòng)機(jī)的總體構(gòu)造,降低發(fā)動(dòng)機(jī)重量與能耗,工作功率比鋼質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)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(shù)大而產(chǎn)生的“冷敲熱拉”現(xiàn)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(fù)合制成全陶瓷缸套,代替?zhèn)鹘y(tǒng)的氣缸套,可防止汽缸內(nèi)熱能損失,簡(jiǎn)化發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu),進(jìn)而提高熱效率和降低發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量。

4.陶瓷配氣機(jī)構(gòu)零件。利用陶瓷材料低密度、耐熱和耐磨的特點(diǎn),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(shí)的彈跳,降低噪聲與振動(dòng),延長(zhǎng)使用壽命。三菱公司采用陶瓷制成發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(cè)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(shí),能控制好溫度和提高裝置的可靠性,促進(jìn)加熱吸氣,使燃料的蒸發(fā)混合完全,發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)燃燒完全,達(dá)到提高燃燒效率與凈氣排放的功效。

(二)陶瓷在汽車制動(dòng)器上的應(yīng)用

陶瓷制動(dòng)器中的剎車盤可由增強(qiáng)型陶瓷制成,即采用陶瓷粉和碳纖維代替現(xiàn)有技術(shù)中的金屬。其碳硅化合物表面的硬度接近鉆石,碳纖維結(jié)構(gòu)使其堅(jiān)固耐沖擊、耐腐蝕,極為耐磨。陶瓷剎車盤與鋼質(zhì)剎車盤相比,減輕了整車的質(zhì)量,降低了耗油量,延長(zhǎng)了使用壽命,大大提高制動(dòng)盤的耐磨、耐高溫、耐腐蝕、制動(dòng)等性能,散熱效果良好。

(三)陶瓷在汽車減振器上的應(yīng)用

采用高靈敏度陶瓷元件的汽車減振器具有識(shí)別路面且能做自我調(diào)節(jié)的功能,在轎車行駛中的感知與調(diào)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(dòng)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(shù)上的應(yīng)用

近年來(lái),廣泛應(yīng)用于航天技術(shù)中的陶瓷薄膜噴涂技術(shù)開始應(yīng)用于汽車上。此技術(shù)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(nèi)的耐久涂層。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)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(qiáng)度和韌性,又具有耐高溫特點(diǎn)。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(shù)還可使發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣孔道表面的耐熱能力從1200℃提高到1700℃。經(jīng)過這種處理的發(fā)動(dòng)機(jī)可以降低散熱損失、減輕發(fā)動(dòng)機(jī)自身質(zhì)量、減小發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸、減少燃油消耗。

(五)陶瓷在汽車傳感器上的應(yīng)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(guān)鍵部件,汽車電子化和自動(dòng)化程度越高,對(duì)傳感器的依賴性就越大。一些功能陶瓷材料,能長(zhǎng)久適應(yīng)汽車特有的惡劣環(huán)境(高溫、低溫、振動(dòng)、加速、潮濕、噪聲、廢氣)而應(yīng)用于汽車傳感器上。

1.陶瓷溫度傳感器。發(fā)動(dòng)機(jī)電噴系統(tǒng)可利用陶瓷溫度傳感器連續(xù)精確地測(cè)量冷卻水溫度、進(jìn)氣溫度、排氣溫度,以便根據(jù)溫度變化修正或補(bǔ)償燃油噴射量,改變怠速轉(zhuǎn)速控制目標(biāo)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(cè)的氧化鋯傳感器安裝在歧管或前排氣管內(nèi),是利用固體電解質(zhì)氣敏陶瓷材料,測(cè)定尾氣排放中的O2濃度,再將該測(cè)定值反饋給發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣及燃料供給系統(tǒng),檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比,促進(jìn)燃料的燃燒經(jīng)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(zhǎng)。

3.陶瓷爆震傳感器。陶瓷爆震傳感器能使發(fā)動(dòng)機(jī)在接近爆震、熱效率最高、燃料消耗量最少的點(diǎn)火時(shí)刻工作,實(shí)現(xiàn)無(wú)爆震工作狀態(tài),保證其以最大可能的功率與經(jīng)濟(jì)指標(biāo)運(yùn)轉(zhuǎn)。

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(gòu)成,用作汽車倒車防撞報(bào)警器裝置,指導(dǎo)汽車安全駕駛,尤其適用于加長(zhǎng)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(jì),檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)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(cè)汽車瞬間的低速或高速碰撞強(qiáng)度,轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出,確保碰撞強(qiáng)度大時(shí),安全氣囊準(zhǔn)確及時(shí)開啟,提高汽車安全性能。它精度高、可靠,能快速分辨碰撞實(shí)況。

6.陶瓷濕度傳感器。汽車濕度傳感器的內(nèi)部裝有用金屬氧化物系列陶瓷材料制成的多孔燒結(jié)體,利用燒結(jié)體表面對(duì)水分子的吸附作用來(lái)敏感濕度,感濕特征量為電阻,由電阻值發(fā)生的變化檢測(cè)出濕度的變化。適用于車窗玻璃防霜、結(jié)露和發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣部分空氣濕度的檢測(cè)。

(六)陶瓷在汽車催化轉(zhuǎn)化器載體上的應(yīng)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(yīng)用在催化劑載體領(lǐng)域。催化反應(yīng)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(shí)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(duì)人體有害的氣體就可以通過催化轉(zhuǎn)化作用變成氮?dú)?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(yīng)用

當(dāng)聲波傳播到裝在汽車排氣管中的蜂窩狀多孔陶瓷上時(shí),在豐富的網(wǎng)狀孔隙內(nèi)引起空氣振動(dòng),進(jìn)而通過空氣與多孔陶瓷基體之間的摩擦,聲波的能量轉(zhuǎn)變成熱能而被消耗,從而達(dá)到消除噪聲的效果。

(八)陶瓷在汽車雨刷的應(yīng)用

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

(九)陶瓷在汽車車膜上的應(yīng)用

多層納米陶瓷隔熱膜同目前市場(chǎng)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(nèi)熱度大幅降低,增加駕駛舒適度,減少了空調(diào)負(fù)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(shí),多層納米陶瓷隔熱膜采用的是非金屬陶瓷技術(shù),可以完全杜絕金屬膜特有的對(duì)電磁波屏蔽作用,不會(huì)對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、手機(jī)、遙控器和高速公路自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)有任何影響。陶瓷隔熱膜在世界頂級(jí)跑車保時(shí)捷上有所應(yīng)用。

三、特種陶瓷在汽車上應(yīng)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(píng)價(jià)和利用技術(shù)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(yīng)用的主要原因有:一是成本長(zhǎng)期居高不下,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于金屬零部件的價(jià)格;二是特種陶瓷對(duì)原材料要求比較嚴(yán)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(fù)雜,要求高。

四、結(jié)論

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

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