特种陶瓷在汽车上的应用

陈建萍

[摘要]由于特种陶瓷在热学、力学、化学、电磁学等方面具有独特而优异的性能,决定了它具有广泛的适用性。特种陶瓷应用于汽车上,可以有效降低车辆的重量,降低油耗,提高发动机的热效率,减少排气污染,完善汽车智能性功能。介绍常用特种陶瓷的性能特点及在汽车上的应用状况和今后的发展趋势。

[关键词]特种陶瓷 汽车 应用

中图分类号:TS93文献标识码:A文章编号:1671-7597(2009)0810101-02

随着社会的不断发展,人们对汽车轻质化、智能化、可靠性、环保性、舒适性和经济性的要求越来越高,为了满足这些要求,随科学技术的不断发展,汽车的研发及生产越来越多地采用新材料与新工艺,而对于新材料的使用,陶瓷便是其中之一。特种陶瓷在化学组成、内部结构、性能和使用效能各方面均不同于传统陶瓷,它具有各种优异、独特的性能。从事汽车材料的研究人员,经过长年的开发、研制、试验与工业化应用证明,汽车许多零、部件改用陶瓷材料后,其机械特性远远优于金属材料或其它材料制成的零、部件。正是由于特种陶瓷这些优异的性能,对减轻车辆自身重量、提高发动机热效率、降低油耗、减少排气污染、提高易损件寿命、完善汽车智能性功能都具有积极意义。

一、特种陶瓷的特点

常用的汽车特种陶瓷如下:

1.氧化铝陶瓷。氧化铝陶瓷主要性能特点是高强度、高硬度、耐磨、耐腐蚀、耐高温和具有良好的绝缘性能,耐热温度可达1600℃。但缺点是脆性大,抗震性差,工艺复杂,成本高。利用氧化铝陶瓷出色的高温性能和介电性能可制作发动机火花塞,良好的耐磨性可制作轴承、活塞。

2.碳化硅陶瓷。碳化硅陶瓷最大特点是高温强度大(在1400℃时抗弯强度仍保持500-600MPa),传热能力强,热稳定性好且耐磨,热膨胀系数很小。适用于制作燃气轮机的叶片、轴承等零件,同时由于它的热传导能力高,还适用于作高温条件下的热交换器材料,也可用于制作各种泵的密封圈。

3.氮化硅陶瓷。氮化硅陶瓷可以用低成本生产出各种尺寸精确、形状复杂的部件,成品率比其他陶瓷材料高。主要性能特点是强度高,硬度高,其硬度仅次于金刚石、氮化硼等物质,化学稳定性好、耐磨、绝缘、制品精度高。可用于制造耐磨、耐蚀、耐高温及绝缘零部件。反应烧结氮化硅可用于制造泵的机械密封环、高温轴承、阀门等零件。

4.氮化硼陶瓷。氮化硼陶瓷有良好的耐热性、热稳定性、导热性、高温介电强度,是理想的散热材料和高温绝缘材料。氮化硼陶瓷的化学稳定性好,能抵抗大部分熔融金属的侵蚀,它也有很好的自润滑性,其制品的硬度低,可以进行机械加工。

5.氧化锆陶瓷。氧化锆陶瓷的熔点为2715℃,使用温度可到2300℃。纯氧化锆不能使用,加入稳定剂再使用,利用其高强度和韧性、高硬度和耐磨性以及高的抗化学腐蚀性、导热系数小的特点可作刀具、隔热材料及滑动零部件。

二、陶瓷在汽车上的应用

(一)陶瓷在汽车发动机上的应用

1.陶瓷绝热发动机。利用陶瓷材料(如氮化硅陶瓷)的耐热、耐磨、耐腐蚀、低膨胀系数、低密度、隔热性好等特点制作陶瓷绝热发动机,其工作温度可达1300℃-1500℃,能减少气缸内热能损失,使燃料充分燃烧,减少了废气对环境的污染。并且陶瓷发动机无需水冷系统,其密度也只有钢的一半左右,可简化发动机的总体构造,降低发动机重量与能耗,工作功率比钢质发动机提高45%以上。

2.陶瓷活塞。用氮化硅陶瓷材料制成的陶瓷纤维活塞具有良好的耐磨性,可防止铝合金活塞由于热膨胀系数大而产生的“冷敲热拉”现象。

3.陶瓷气缸套。用陶瓷材料制成缸套上圈或是用金属和陶瓷材料复合制成全陶瓷缸套,代替传统的气缸套,可防止汽缸内热能损失,简化发动机结构,进而提高热效率和降低发动机质量。

4.陶瓷配气机构零件。利用陶瓷材料低密度、耐热和耐磨的特点,制造气门、气门座、挺柱、气门弹簧和摇臂,可以减少气门座的变形和落座时的弹跳,降低噪声与振动,延长使用寿命。三菱公司采用陶瓷制成发动机摇臂;五十铃公司用氮化硅制成的陶瓷气门比钢制气门轻,有一定的节油效果,并能减少有害物排放;福特公司将喷射形成的陶瓷气门挺杆用于发动机上,都取得了较好的效果。

5.陶瓷气门加热器。气门加热器是吸气侧装备的加热装置,是钛酸钡陶瓷系列的热敏电阻。在吸气加热时,能控制好温度和提高装置的可靠性,促进加热吸气,使燃料的蒸发混合完全,发动机启动时燃烧完全,达到提高燃烧效率与净气排放的功效。

(二)陶瓷在汽车制动器上的应用

陶瓷制动器中的刹车盘可由增强型陶瓷制成,即采用陶瓷粉和碳纤维代替现有技术中的金属。其碳硅化合物表面的硬度接近钻石,碳纤维结构使其坚固耐冲击、耐腐蚀,极为耐磨。陶瓷刹车盘与钢质刹车盘相比,减轻了整车的质量,降低了耗油量,延长了使用寿命,大大提高制动盘的耐磨、耐高温、耐腐蚀、制动等性能,散热效果良好。

(三)陶瓷在汽车减振器上的应用

采用高灵敏度陶瓷元件的汽车减振器具有识别路面且能做自我调节的功能,在轿车行驶中的感知与调节过程仅需20秒即可完成,因此可以将轿车因粗糙路面形成的震动降低到最低限度,从而使乘车人员免受颠簸之苦。

(四)陶瓷在汽车喷涂技术上的应用

近年来,广泛应用于航天技术中的陶瓷薄膜喷涂技术开始应用于汽车上。此技术采用等离子喷涂工艺,可涂覆三氧化锆、碳化钛和二氧化钛等陶瓷,获得1mm以内的耐久涂层。对发动机的耐高温部件涂上一层高温陶瓷,既能保持金属材料的固有强度和韧性,又具有耐高温特点。如活塞顶喷涂氧化锆,在气缸套、活塞环工作表面喷涂陶瓷镀层可提高耐磨性和使用寿命。利用此技术还可使发动机进气孔道表面的耐热能力从1200℃提高到1700℃。经过这种处理的发动机可以降低散热损失、减轻发动机自身质量、减小发动机尺寸、减少燃油消耗。

(五)陶瓷在汽车传感器上的应用

车用传感器作为汽车电子控制系统的信息源,是汽车电子控制系统的关键部件,汽车电子化和自动化程度越高,对传感器的依赖性就越大。一些功能陶瓷材料,能长久适应汽车特有的恶劣环境(高温、低温、振动、加速、潮湿、噪声、废气)而应用于汽车传感器上。

1.陶瓷温度传感器。发动机电喷系统可利用陶瓷温度传感器连续精确地测量冷却水温度、进气温度、排气温度,以便根据温度变化修正或补偿燃油喷射量,改变怠速转速控制目标值等,获得最佳空燃比。

2.陶瓷废气传感器。用于汽车尾气监测的氧化锆传感器安装在歧管或前排气管内,是利用固体电解质气敏陶瓷材料,测定尾气排放中的O2浓度,再将该测定值反馈给发动机进气及燃料供给系统,检测发动机空燃比,促进燃料的燃烧经常保持在充分燃烧状态。除可节省燃油外,还能减少CO、NO2等有害气体的排放量。其灵敏度高、可靠性好,使用寿命长。

3.陶瓷爆震传感器。陶瓷爆震传感器能使发动机在接近爆震、热效率最高、燃料消耗量最少的点火时刻工作,实现无爆震工作状态,保证其以最大可能的功率与经济指标运转。

4.超声波传感器。超声波传感器通常由铝合金外壳、压电陶瓷换能器、吸声材料、引线电极所构成,用作汽车倒车防撞报警器装置,指导汽车安全驾驶,尤其适用于加长型装载汽车、载重大货车、矿山汽车等大型车辆。超声波传感器还被用于空气流量计,检测发动机进气量大小。

5.陶瓷加速度传感器。陶瓷加速度传感器用于汽车安全气囊系统,可用于检测汽车瞬间的低速或高速碰撞强度,转换成电信号输出,确保碰撞强度大时,安全气囊准确及时开启,提高汽车安全性能。它精度高、可靠,能快速分辨碰撞实况。

6.陶瓷湿度传感器。汽车湿度传感器的内部装有用金属氧化物系列陶瓷材料制成的多孔烧结体,利用烧结体表面对水分子的吸附作用来敏感湿度,感湿特征量为电阻,由电阻值发生的变化检测出湿度的变化。适用于车窗玻璃防霜、结露和发动机进气部分空气湿度的检测。

(六)陶瓷在汽车催化转化器载体上的应用

与金属、高分子等材料相比,陶瓷材料更适用于各种高温、腐蚀性环境,因此被广泛应用在催化剂载体领域。催化反应中载体本身性能的优劣将直接影响到催化剂效能的发挥。常用的堇青石蜂窝陶瓷载体,使用时将其安置在汽车尾气的净化器上,汽车尾气中的氮氧化物(NOX)、一氧化碳(CO)等对人体有害的气体就可以通过催化转化作用变成氮气(N2)和二氧化碳(CO2)这些没有毒性的气体排放到大气中,能大大降低汽车尾气排放的污染程度。

(七)陶瓷在汽车消声器上的应用

当声波传播到装在汽车排气管中的蜂窝状多孔陶瓷上时,在丰富的网状孔隙内引起空气振动,进而通过空气与多孔陶瓷基体之间的摩擦,声波的能量转变成热能而被消耗,从而达到消除噪声的效果。

(八)陶瓷在汽车雨刷的应用

利用钛酸钡陶瓷的压阻效应制成智能陶瓷雨刷,可以自动感知雨量,自动将雨刷调节到最佳速度。

(九)陶瓷在汽车车膜上的应用

多层纳米陶瓷隔热膜同目前市场上的金属类隔热膜相比,热效果和透光性好,可缓解视觉疲劳,使车内热度大幅降低,增加驾驶舒适度,减少了空调负荷及燃料的消耗;隔热、耐用、抗氧化、永不褪色;防刮伤和玻璃爆裂飞散,增加行车安全。同时,多层纳米陶瓷隔热膜采用的是非金属陶瓷技术,可以完全杜绝金属膜特有的对电磁波屏蔽作用,不会对卫星导航系统、手机、遥控器和高速公路自动收费系统有任何影响。陶瓷隔热膜在世界顶级跑车保时捷上有所应用。

三、特种陶瓷在汽车上应用存在的问题

特种陶瓷是正在不断开发中的材料,在原料的制取、材料的评价和利用技术等许多方面都有尚待解决的课题。目前,阻碍特种陶瓷在汽车上应用的主要原因有:一是成本长期居高不下,远远高于金属零部件的价格;二是特种陶瓷对原材料要求比较严格,工艺难以掌握,使得各批制品的性能难以保持均匀一致;三是可加工性差、脆性大、使用可靠性差;四是制造工艺复杂,要求高。

四、结论

虽然目前特种陶瓷在汽车上的应用存在一些尚需解决的问题,但因其具有各种优异、独特的性能,特种陶瓷的发展十分迅速,在现代工业技术,特别是在高技术、新技术领域中的地位日趋重要。为了人类社会可持续发展战略,满足新一代汽车产品的轻量化、智能化、节能、安全和环保要求,加速新技术革命,美、日、德等国均投入大量人力、物力和财力研究开发特种陶瓷,利用不同化学组成和组织结构的特种陶瓷具有不同的特殊性质和功能的特点,研制汽车上的陶瓷零、部件,在技术上有很大突破。我国在这一领域也已取得了很大进展,汽车上陶瓷零部件的开发及应用前景将十分诱人。相信不久的将来,随着科学技术的飞速发展,陶瓷材料在汽车制造这一领域会有更大的突破,将会引入和应用更多的特种陶瓷、智能陶瓷,从而改善汽车的性能。

参考文献:

[1]李明惠,《汽车材料》,机械工业出版社,2005年7月.

[2]周燕,《汽车材料》,人民交通出版社,2002年7月.

[3]蒲永峰,《汽车工程材料》,重庆大学出版社,2007年9月.