陶瓷材料在汽車工業(yè)中的應(yīng)用探究

胡 赫 張嬌美 張麗超 韋欽磊（通訊作者）長(zhǎng)春師范大學(xué) 吉林長(zhǎng)春 130032

一、陶瓷材料概述

相比于普通的陶瓷材料，在汽車工業(yè)領(lǐng)域采用的陶瓷材料有著十分優(yōu)越的整體性能，如耐磨、隔熱等，且陶瓷材料的密度較低。使用陶瓷材料替代金屬材料，可以大幅提升熱機(jī)效率，減少能源損耗，還可以實(shí)現(xiàn)汽車輕量化發(fā)展?，F(xiàn)階段，陶瓷材料廣泛應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)制造、熱交換器零件制造等領(lǐng)域。比如，在發(fā)動(dòng)機(jī)制造中，主要涉及陶瓷氣缸套、陶瓷燃燒室、陶瓷活塞等。特種陶瓷有著十分獨(dú)特的性能，應(yīng)用于汽車工業(yè)領(lǐng)域，可以大幅提升易損件的使用壽命，有利于完善汽車的性能。

二、陶瓷材料的分類

（一）氧化物陶瓷

氧化物陶瓷算得上是最早為人所使用的陶瓷，有著許多種類，使用的范圍非常廣泛，其中SiO2、MgO、CeO2、CaO、Al2O3等 最為常用，尤其是Al2O3、SiO2的應(yīng)用范圍最廣，除了這些單一氧化物還，還包括了許多氧化物的復(fù)合氧化物陶瓷。

（二）氮化物陶瓷

氮化物陶瓷主要有AlN、TiN、BN、Si3N4幾種類型，其中以Si3N4的耐高溫性能最佳，TiN具有很強(qiáng)的硬度，BN的耐磨性能很強(qiáng)，AlN有著很強(qiáng)的熱點(diǎn)性能。比如，氮化硅陶瓷是一種常用的特種陶瓷材料，在化工機(jī)械領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，該陶瓷材料的強(qiáng)度較高、化學(xué)穩(wěn)定性較強(qiáng)，同時(shí)具有較好的抗溫變性特點(diǎn)，適用于制造耐腐蝕、耐磨、耐高溫的汽車零部件，在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)制造中屬于一種主要原料。

（三）碳化物陶瓷

碳化物陶瓷相比于氧化物陶瓷有著更高熔點(diǎn)，不過碳化物陶瓷容易被氧化，因此在汽車制造及使用過程中要注重防止這一問題，其中TiC、B4C、WC等屬于常用碳化物陶瓷材料。比如，制備碳化物陶瓷時(shí)，最主要在電弧爐中添加碳、石英等材料，在超高溫情況下反應(yīng)生產(chǎn)碳化硅粉，隨后采用熱壓燒結(jié)法、反應(yīng)燒結(jié)法，使用粉末冶金制成碳化硅陶瓷[1]。碳化硅陶瓷可以在高溫情況下使用，即便是在超高溫環(huán)境下，材料仍然具有較強(qiáng)熱穩(wěn)定性及耐磨性，不容易發(fā)生形變。

（四）其他化合物陶瓷

除了前文簡(jiǎn)述的幾種陶瓷材料外，還包括常作為陶瓷添加劑的硼化物陶瓷和具有較強(qiáng)電學(xué)、光學(xué)特性的硫族化合物陶瓷等，我國(guó)目前對(duì)于陶瓷材料的研究及應(yīng)用均呈現(xiàn)持續(xù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

三、汽車工業(yè)中陶瓷材料的實(shí)際應(yīng)用

（一）壓電陶瓷

當(dāng)前，伴隨著國(guó)內(nèi)汽車保有量的增長(zhǎng)，人們對(duì)汽車安全的重視不斷攀升，并且還要求汽車要有較高舒適性能。憑借壓電陶瓷的壓電效應(yīng)，可以在汽車工業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)隔振、降噪、驅(qū)動(dòng)、傳感等功能，讓汽車的安全、舒適等性能均得到有效提升。在一般情況下，不管是普通家用轎車還是豪華轎車，汽車上都需要安裝大量傳感器設(shè)備，而壓電陶瓷傳感器作為主要的傳感器，主要類型有震爆傳感器、加速度傳感器、超聲波傳感器等。壓電陶瓷可以制備成壓電驅(qū)動(dòng)器，將其應(yīng)用于汽車工業(yè)領(lǐng)域，主要涉及電動(dòng)座椅、電動(dòng)門窗、電動(dòng)后視鏡等。利用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)懸置內(nèi)部的大活塞，和大活塞連接的小活塞的運(yùn)動(dòng)位移對(duì)壓電陶瓷的位移進(jìn)行放大，可以在怠速工況下獲得減震所需的較大位移量，在怠速工況下可以有效對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)進(jìn)行抑制。壓電陶瓷還具有發(fā)電特性，在輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，可以對(duì)輪胎內(nèi)的壓電陶瓷產(chǎn)生擠壓并產(chǎn)生正壓電效應(yīng)，壓電陶瓷就可以持續(xù)發(fā)電，持續(xù)為輪胎的壓力監(jiān)視系統(tǒng)提供能源動(dòng)力。

（二）陶瓷絕熱發(fā)動(dòng)機(jī)

陶瓷材料的優(yōu)點(diǎn)十分明顯，包括耐摩、耐高溫、隔熱等，將陶瓷材料用于制備汽車發(fā)動(dòng)機(jī)，可以有效減少發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)的熱能損失。盡管陶瓷材料的密度比鋁材更高，不過仍然比鋼材更低，其較低的密度代表可以減輕發(fā)動(dòng)機(jī)的重量，和過去的金屬發(fā)動(dòng)機(jī)相比較，陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)更加輕巧。為進(jìn)一步提升發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率，達(dá)到節(jié)省能源的目的，可以憑借陶瓷材料的各種特性制備陶瓷絕熱發(fā)動(dòng)機(jī)心，這種發(fā)動(dòng)機(jī)心可以有效避免汽缸內(nèi)的熱能損失，同時(shí)還可以對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的整體構(gòu)造進(jìn)行簡(jiǎn)化[2]。一般情況下，柴油機(jī)中常常會(huì)用到陶瓷活塞，和過去常常采用的貴重金屬相比較，陶瓷材料可以有效替代這些金屬材料，在渦流式柴油機(jī)的制備中可以減少大量投入的成本。氣缸套在內(nèi)燃機(jī)中所處工作環(huán)境十分復(fù)雜，由于其在運(yùn)行時(shí)要承受的溫度及壓力較高，同時(shí)還會(huì)與活塞環(huán)反復(fù)產(chǎn)生摩擦，一般氣缸套的磨損速度較快，很容易發(fā)生拉缸的問題，而先進(jìn)的陶瓷材料憑借其較強(qiáng)的綜合性能，可以有效解決傳統(tǒng)氣缸套的各種問題。根據(jù)需求的不同，陶瓷氣缸套的應(yīng)用可以分為三種形式：（1）缸套表面涂膜陶瓷涂層；（2）使用陶瓷材料制作氣缸套的上圈；（3）使用陶瓷和金屬材料復(fù)合支撐全陶瓷氣缸套。使用全陶瓷氣缸套替代傳統(tǒng)氣缸體，可以有效減少傳統(tǒng)氣缸內(nèi)傳輸?shù)臒崮軗p耗，還可以有效簡(jiǎn)化發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，在促進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率提升的基礎(chǔ)上，還可以降低發(fā)動(dòng)機(jī)許多重量。

（三）蜂窩陶瓷

蜂窩陶瓷顧名思義就是呈蜂窩狀的陶瓷材料，表示在材料內(nèi)部有許多貫通的孔洞。根據(jù)材質(zhì)不同展開分類，可以將蜂窩陶瓷分為氧化硅、莫來石、堇青石、氧化鋁等，在使用條件不同的情況下，一般需要選擇不同性能的陶瓷材料。蜂窩陶瓷有著很強(qiáng)的吸附性和熱穩(wěn)定性，其密度較低、耐磨性良好，是一種使用頻率較高額的材料，環(huán)保特性良好，尤其是在國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格要求下，在對(duì)汽車尾氣處理系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)的過程中，蜂窩陶瓷的應(yīng)用范圍得到了進(jìn)一步拓展。

（四）陶瓷剎車片

陶瓷材料作為一種新型材料，在汽車工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，可以大幅提升汽車制動(dòng)的有效性和安全性，在汽車剎車片的制備中得到了廣泛應(yīng)用。在當(dāng)前的汽車工業(yè)領(lǐng)域，針對(duì)陶瓷摩擦的研究，大多數(shù)還集中于BN、SiC、ZrO2等少數(shù)幾種陶瓷材料上。利用特種陶瓷制備汽車剎車片，其具有較強(qiáng)的耐腐蝕性和耐摩擦性，屬于一種新型環(huán)保材料，在汽車行駛過程中產(chǎn)生的噪聲較小，可以大幅提升人們行車的舒適性。

（五）納米陶瓷

納米陶瓷屬于一種新型材料，其抗熱性及硬度很高，納米陶瓷的可塑性較強(qiáng)，還具有抗磨損、抗腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，即便是在高溫高壓的環(huán)境下也具有較強(qiáng)適用性，其目前在汽車工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在燃料電池汽車制造中，針對(duì)高溫燃料電池的制備使用納米陶瓷，可以有效提高汽車在運(yùn)行時(shí)的安全性。該材料還可以用于制備氣缸內(nèi)襯，由于材料具有耐高溫的特性，可以加快燃料燃燒速度。將納米陶瓷用于制備汽車玻璃，可以大幅提升汽車玻璃防塵和防霧的效果，并且具有較強(qiáng)的隔熱性能，有利于提升汽車行駛的舒適程度[3]。

（六）陶瓷轉(zhuǎn)子

轉(zhuǎn)子主要是支撐發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨喌葯C(jī)械動(dòng)力供應(yīng)的核心部件。日本特殊陶瓷業(yè)公司采用氣壓燒結(jié)法的氮化硅燒結(jié)體制造技術(shù)，研發(fā)了首個(gè)渦輪機(jī)加壓供氣用陶瓷轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子內(nèi)部幾乎不存在氣孔，具有較高強(qiáng)度和耐氧化特性。相比于過去使用的轉(zhuǎn)子，陶瓷轉(zhuǎn)子的重量得到了大幅減少，在旋轉(zhuǎn)期間其慣性矩更小。陶瓷轉(zhuǎn)子從低速到高速的運(yùn)轉(zhuǎn)中，相比于普通渦輪機(jī)具有更好的效果，有利于實(shí)現(xiàn)汽車輕量化、低油耗和大功率化發(fā)展。

四、汽車工業(yè)中陶瓷材料的應(yīng)用前景

在汽車工業(yè)中加強(qiáng)對(duì)陶瓷材料的使用，有利于大幅提升汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率，有效降低汽車使用過程中產(chǎn)生的較高耗油成本，同時(shí)還可以降低傳統(tǒng)汽車給生態(tài)環(huán)境造成的嚴(yán)重污染。由于陶瓷材料在汽車工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用十分寬廣，因此未來還需要進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)汽車陶瓷零部件的研究與開發(fā)。從目前陶瓷材料應(yīng)用于汽車工業(yè)領(lǐng)域的情況來看，相比于傳統(tǒng)金屬材料，制造陶瓷材料要投入更高的成本，而且陶瓷本身就是一種較脆的材料，在整個(gè)生產(chǎn)流程中需要格外細(xì)心[4]。特種陶瓷材料在汽車工業(yè)中的應(yīng)用，對(duì)陶瓷原料的選用有著十分嚴(yán)格的要求，對(duì)其中采用的工業(yè)方法進(jìn)行掌握有很高難度，當(dāng)前怎樣實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)是汽車工業(yè)領(lǐng)域面臨的一大難題。面向未來，首先要解決的就是陶瓷材料脆性較高的問題，在設(shè)計(jì)陶瓷材料的過程中，要考慮零件承受的荷載，盡可能保證陶瓷材料只承受壓力、盡量減少應(yīng)力集中的問題，重視控制好陶瓷材料的體積，并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，避免在使用陶瓷零部件的過程中受到機(jī)械的強(qiáng)烈沖撞，盡可能提高陶瓷材料的裝配精度。因此在未來，還需要進(jìn)一步對(duì)應(yīng)用于汽車工業(yè)領(lǐng)域的陶瓷材料的生產(chǎn)工藝進(jìn)行改善。

五、結(jié)語

伴隨著時(shí)代的進(jìn)步，盡管在汽車工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用陶瓷材料的過程中還存在各類問題，不過陶瓷材料應(yīng)用于汽車工業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)成為一種必然趨勢(shì)，因此在未來還需要結(jié)合汽車工業(yè)的特征進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)陶瓷材料的研究。陶瓷材料作為汽車工業(yè)領(lǐng)域的一種新型材料，加強(qiáng)對(duì)陶瓷材料的應(yīng)用有諸多好處，尤其是在發(fā)動(dòng)機(jī)、制動(dòng)器、傳感器方面，陶瓷材料有著傳統(tǒng)金屬材料無法比擬的優(yōu)勢(shì)。不過在汽車工業(yè)領(lǐng)域廣泛使用的特種陶瓷其造價(jià)通常較高，未來要重點(diǎn)處理好這一問題?？偟膩碚f，陶瓷材料在我國(guó)汽車工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)取得了巨大進(jìn)步，希望未來通過更加深入地研究，不斷提高陶瓷材料的應(yīng)用價(jià)值，讓國(guó)產(chǎn)汽車的整體性能得以優(yōu)化，提高汽車的安全性。